CN106441471A - 一种大口径超声波流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大孔径超声波流量计，包括管段壳体和换能器组件，管段壳体两端设置有定位孔,所述定位孔与管段壳体的轴线垂直，换能器组件设置于定位孔中，换能器组件两个为一组，配合使用。由于定位孔垂直于所述管段壳体设置，使得换能器可以最大限度的靠近管段壳体两端，在有限长度的管段范围内获得了最大的换能器之间连线在管段轴线上的投影距离，增大了波流量计的量程比和计量精度。

Description

一种大口径超声波流量计

技术领域

本发明涉及流量测量领域，特别设计一种大口径超声波管段结构。

背景技术

超声波流量计和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比具有计量精度高，几乎不受被测流体温度、压力、密度等参数影响，对管径的适应性强，使用方便，易于数字化管理等优点。目前，超声波流量计已经广泛地应用到大口径热量表及大口径水表等工业流量测量领域中。在实际应用中，对超声波流量计的量程范围和计量精度有了更高的需求。

提高流量计的量程和计量精度的方法主要有两种：一种是将流量计管段缩颈处理以提高流体流动速度，但此方法的缺点是会增加管道阻力；另一种做法是在有限的管长范围内尽量增大换能器之间的距离即声波传播路程，在提高量程和计量精度的同时，不会增加管路流体阻力。超声波流量计的量程和计量精度与两只换能器之间连线在管段轴线上的投影距离成正比关系。

授权公开号CN 201993129 U、CN 204855038 U和CN 204330187 U公开的超声波流量计中的换能器安装位置因为倾斜孔径的机械加工工艺需要和本身结构设计的限制，使得换能器只能安装在距离法兰较远的位置，大大减少了换能器间连线在管段轴线上的投影距离。

保证换能器组件的机械加工便利和其安装后的不影响仪表法兰盘螺栓的安装，同时最大限度的增大两只换能器之间连线在管段轴线上的投影距离，换能器位置选择和换能器安装结构优化就成为一个难点课题。

发明内容

针对现有的超声波流量计的换能器安装位置较近，使得两只换能器之间连线在管段轴线上的投影距离较短，降低了流量计的量程和计量精度的问题，本发明提供了一种大口径超声波流量计。

一种大孔径超声波流量计，包括管段壳体和换能器组件，所述管段壳体两端设置有定位孔,所述定位孔与所述管段壳体的轴线垂直，所述换能器组件设置于所述定位孔中，所述换能器组件两个为一组，配合使用，所述两个配合使用的换能器组件用于发射和接收超声波，所述超声波传播路径与所述管段壳体轴线成一定夹角。

本发明的有益效果：

1.定位孔垂直管段壳体轴线设置，与现有技术的倾斜设置的定位孔相比，定位孔在加工过程中走刀路线为垂直管段壳体直径，走刀路线不会与法兰干涉，降低了加工难度，易于保证加工精度，降低了加工成本，划线找正定位更简单。

2.换能器组件的安装不会和法兰发生干涉，也不会妨碍法兰上螺栓的安装，所以定位可以设置在距离法兰较近的位置。在管段壳体长度一定的条件下，换能器组件的设置位置距离法兰越近，超声波的声程就越大。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图；

图2为实施例2的整体结构示意图；

图3为实施例2的主视图；

图4为图3沿A-A的剖视图；

图5为图4中B部局部放大视图；

图6、7为实施例2的换能器组件的爆炸视图；

图8为流量计计量原理计算原理图，

图9为本发明和现有技术对比计算图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明提供的一种大口径超声波流量计，包括管段壳体1和换能器组件2。管段壳体1两端设置有定位孔17,定位孔17与管段壳体1的轴线垂直，用于固定安装换能器组件2。换能器组件2两个为一组，配合使用。两个配合使用的换能器组件2用于发射和接收超声波，超声波传播路径与所述管段壳体1轴线成一定夹角，管段壳体1两端分别设置有法兰13。

现有技术中定位孔的倾斜设置方式，例如：授权公告号为CN 204855038 U的专利文件，使得定位孔不能距离法兰13太近，原因有两个：一是在加工斜孔的过程中，走刀的轨迹会与法兰13干涉，需留出足够的走刀空间；二是在安装换能器组件2的时候，容易与法兰13干涉，并妨碍法兰13上螺栓的安装，需留出足够的安装空间。

本发明的定位孔17垂直于管段壳体1设置方式，克服了上述两个技术问题，相对于现有技术(授权公告号CN 204855038 U)中定位孔倾斜设置方式，使得定位孔17在加工过程中走刀路线为垂直管段壳体1直径，走刀路线不会与法兰13干涉，降低了加工难度，易于保证加工精度，降低了加工成本，划线找正定位更简单；此外，换能器组件2的安装也不会和法兰13发生干涉，也不会妨碍法兰上螺栓的安装，所以定位17可以设置在距离法兰13较近的位置。在管段壳体1长度一定的条件下，换能器组件2的设置位置距离法兰13越近，超声波的声程就越大。

超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。相互配合使用的两个换能器组件2同时发射超声波，然后接收所发射的超声波，如图8所示，根据接收到的时间差Δt就可以计算出管段壳体1中的液体流量：

c₁＝c+V_a＝c+V_平均·cosα，顺流声速

c₂＝c-V_a＝c-V_平均·cosα，逆流声速

t₁＝L/c₁，顺流时间

t₂＝L/c₂，逆流时间

c＞＞V_平均

现在时差芯片能够计算出时差△t的最小值是2.5nS，从上面公式可以看出，在△t＝2.5nS不变的条件下加大L值可以有效地降低V_平均值即流量计可以测量更小的流速，提高流量计的量程比。

Δt受限于芯片精度，Δt_最小＝2.5ns

制定常数K,

其中：

c＝超声波在被测液体中速度

c₁＝去程超声波速度

t₁＝去程时间

c₂＝回程超声波速度

t₂＝回程时间

Δt＝去回程时间差

V_平均＝能测量到的管内液(气)体最小平均流速

α＝换能器直射线与管段壳体轴线夹角

L＝换能器间对射距离，即声程

Vα代表流体在换能器直射线方向上的速度(对于水平管道看，是一斜线，它是水平量的分量)

A和B是相互配对使用的换能器

可见，当K是常数时，管段壳体1均按照国标设置，在管段壳体1直径和长度一定时，L越大，α就越小，cosα值就越大，所以V_平均与L成反比，即L越大V_平均越小。

目前较先进的时差芯片能够计算出时差Δt的最小值是2.5nS，这个值是(芯片及电路)在一定距离、一定速度下，流量计可得到所测流量精度满足1％要求的最小时间差值。从上面公式可以看出，在Δt＝2.5ns不变的条件下，加大L值可以有效地降低V_平均，即流量计可以测量更小的流速，从而提高了流量计的量程比。

其中：

流量计的量程比＝Q3/Q1，

Q3是某型号流量计的常用流量，是定值，

Q1是满足国标误差要求的最小流量，

Q＝S*V*T，

Q-流体流量，

S-截面积，

V-流速，

T-时间。

当管道直径D确定时，截面积S确定，单位时间的流量Q1与流速V_平均成正比，即V_平均越小，Q1越小，而量程比Q3/Q1越大。

本发明公开的流量计，通过定位孔17的垂直管段壳体1设置，使得换能器组件2最大限度靠近法兰13设置，在一定长度的管段壳体1上获得了最大的超声波声程L，从而降低了V_平均，流量计可以测量的最小流量更小，提高了流量计的量程比。

如图9所示，以公称直径DN300(管的直径为300mm)为例，若采用现有技术中的定位孔17倾斜放置的方式，α为55°，最大声程为367mm，声程在管段壳体1轴线上的投影距离为211mm。而采用本发明的定位孔17垂直设置方式，可获得的α为45°，最大声程为389mm，声程在管段壳体1轴线上的投影距离为275mm，相比现有技术，声程在管段壳体1轴线上的投影距离增大了30.5％。

α为55°时的最小流量比Q_55最小与α为45°时的最小流量比Q_45最小的比值为：

所以本发明的定位孔17垂直设置方式的流量计的量程比是现有技术的1.304倍。

如图1所示，管段壳体1两端分别设置有两个法兰13，法兰13设置有螺栓孔，通过螺栓连接所要测量流量的管道。管段壳体1两端靠近法兰13处设置有两个定位孔17，分别位于管段壳体1左右两端的下侧和上侧，定位孔17用于安装定位换能器组件2，定位孔17垂直于管段壳体1设置。换能器组件2-1与换能器组件2-2配合使用，两个换能器组件2中各设置一个换能器202，换能器202部分凸露在换能器组件2外部。两个换能器202的发射方向与管段壳体1的轴线成一定角度。电路盒4设置于管段壳体1中间部位，电路盒4中设置有控制器。换能器202的电线经过穿线管5与控制器连接。在一定的管段长度范围内，为了提高流量计的量程和计量精度，定位孔17在不影响安装和加工的情况下应该最大限度的靠近法兰13设置，以增大两换能器202表面间对射间距在管段壳体1轴线上的投影距离。为了不妨碍法兰13的安装，定位孔17的外边缘高度应低于法兰13的螺栓孔的高度。

可以理解的，换能器组件2中可以设置多个换能器202，一个换能器组件2中设置两个换能器202为较优方案。相互配合使用的换能器组件2两个为一组可以设置若干组。在测量流体流量时。多组换能器组件2可以相互对照，防止个别换能器组件2损坏而测得的流量不准确，其他的换能器组件2还可以留做备用。例如，管段壳体1为标称DN300口径，换能器组件2两个为一组，共设置有8组换能器组件2，每个环能器组件2中设置有2个换能器202。

实施例2，如图2、3、4所示，在管段壳体1中设置两组换能器组件2，第一组：换能器组件2-1与换能器组件2-2配合使用，第二组：换能器组件2-3与换能器组件2-4配合使用。

如图5、6、7所示，换能器组件2包括壳体201和2个换能器202，壳体201上设置有与定位孔17配合的定位面208，壳体201上还设置有2个斜向安装孔203，2个换能器202分别安装于2个安装孔203中。换能器202端部有台阶面，与安装孔203上的台阶面相配合，换能器202安装固定后端部凸露在壳体外部，并伸入管段壳体1中。

如图6、7所示，为了固定换能器202，换能器组件2还包括固定板211和密封圈210。固定板211与壳体201通过螺钉212可拆卸连接。密封圈210设置于固定板211和换能器202之间，为了防止液体经安装孔203与换能器202之间的间隙流入壳体201中。

如图6、7所示，为了将壳体201固定在定位孔17中，换能器组件还包括压环207、上密封圈205和下密封圈204。如图5所示，定位孔17中设置有台阶面171，与定位面208配合。下密封圈204设置于定位面208上，用于防止液体经壳体201与定位孔17的间隙流入壳体201内部。为了将壳体201与定位孔17压紧，压环207与定位孔17螺纹连接，但不仅限于此。上密封圈205设置于压环207与所述壳体201之间，防止外部杂质进入壳体201内部。

如图6、7所示，为了防止换能器组件2在定位孔17中转动，换能器组件2还包括定位压板206和定位销213。定位压板206设置有与定位销213适配的第一定位孔2062。壳体201设置有与定位销213适配的第二定位孔214，定位销213穿过第一定位孔2062和第二定位孔214，防止壳体201与定位压板206相对转动，定位销213、第一定位孔2062和第二定位孔214应设置一个以上，本实施例设置三个。定位压板206设置有防转凸起2061，定位孔17设置有与防转凸起2061相适配的卡槽，防止定位压板206与定位孔17相对转动。定位压板206设置于上密封圈205和压环207之间，垫片209设置于定位压板206与压环207之间。垫片209为聚四氟垫片，为了安装方便避免定位压板206与压环207摩擦损伤。

如图5所示，为了防止外部杂质进入定位孔中，设置了端盖14和O型圈11，端盖14与定位孔17螺纹连接，O型圈11设置于端盖14和定位孔17之间。

Claims (8)

1.一种大口径超声波流量计，其特征在于：包括管段壳体(1)和换能器组件(2)，所述管段壳体(1)两端设置有定位孔(17),所述定位孔(17)与管段壳体(1)的轴线垂直，所述换能器组件(2)设置于定位孔(17)中，所述换能器组件(2)两个为一组，配合使用，所述两个配合使用的换能器组件(2)分别用于发射和接收超声波，所述超声波传播路径与管段壳体(1)轴线成一定夹角。

2.如权利要求1所述的大口径超声波流量计，其特征在于：所述换能器组件(2)包括壳体(201)和换能器(202)，所述定位孔(17)设置有台阶面(171)，所述壳体(201)上设置有与所述定位孔(17)台阶面(171)配合的定位面(208)，所述壳体(201)上还设置有斜向安装孔(203)，所述换能器(202)安装于所述安装孔(203)中。

3.如权利要求2所述的大口径超声波流量计，其特征在于：所述换能器组件(2)还包括固定板(211)和密封圈(210)，所述固定板(211)与壳体(201)通过螺钉(212)可拆卸连接，所述固定板(211)用于固定换能器(202)，所述密封圈(210)设置于固定板(211)和换能器(202)之间。

4.如权利要求3所述的大口径超声波流量计，其特征在于：所述换能器组件(2)还包括压环(207)、上密封圈(205)和下密封圈(204)，所述下密封圈(204)设置于所述定位面(208)上，所述压环(207)与定位孔(17)螺纹连接，所述压环(207)用于固定壳体(201)，所述上密封圈(205)设置于压环(207)与壳体(201)之间。

5.如权利要求4所述的大口径超声波流量计，其特征在于：所述换能器组件(2)还包括定位压板(206)、垫片(209)和定位销(213)，所述定位压板(206)设置有与定位销(213)适配的第一定位孔(2062)，所述壳体(201)设置有与定位销(213)适配的第二定位孔(214)，所述定位销(213)穿过所述第一定位孔(2062)和所述第二定位孔(214)，所述定位压板(206)设置有防转凸起(2061)，所述定位孔(17)设置有与所述防转凸起(2061)相适配的卡槽，所述定位压板(206)设置于所述上密封圈(205)和压环(207)之间，所述垫片(209)设置于所述定位压板(206)与所述压环(207)之间，所述定位销(213)、第一定位孔(2062)和第二定位孔(214)设置一个以上。

6.如权利要求5所述的大口径超声波流量计，其特征在于：还包括端盖(14)和O型圈(11)，所述端盖(14)与定位孔(17)螺纹连接，所述O型圈(11)设置于端盖(14)和定位孔(17)之间。

7.如权利要求1所述的大口径超声波流量计，其特征在于：还包括控制器和电路盒(4)，所述电路盒(4)设置于管段壳体(1)外部，所述控制器设置于所述电路盒(4)中，所述控制器与所述换能器(202)电连接。

8.如权利要求1-7任一项所述的大口径超声波流量计，其特征在于：所述一个换能器组件(2)中设置有两个换能器(202),所述换能器组件(2)可设置若干组。