CN114877960A - 一种小流量超声波水表 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小流量超声波水表，包括流量传感器、信号处理模块和显示模块，其中流量传感器包括流量管和两个超声波换能器，两个超声波换能器对射安装在流量管上，工作时两个超声波换能器的检测信号传输给信号处理模块，信号处理模块将流量信号传输给显示模块，两个超声波换能器之间的流量管为检测段，该检测段为直管，其两端分别密封安装有一个超声波换能器，两个超声波换能器的连线沿着检测段的管心线方向；检测段的两端分别连接有进液段和出液段。本发明的有益效果：解决了现有技术中超声波水表不能用于小管径管道流量测量的使用需求的难题，换能器采用对射型布置方式实现小微管径管道的流量测量，测量精度高，整个水表结构紧凑。
Description
技术领域
本发明属于流量检测技术领域，涉及超声流量检测装置，具体涉及一种小流量超声波水表。
背景技术
基于超声波在流体内的传播特性以及超声波换能器器件的经济性和结构简洁性等优点，超声波流量计在流体测量领域广泛使用，特别是水管流量测量。超声波流量计的工作原理为利用超声波在流动的流体中传播时，顺着流向传播与逆着流向传播存在速度差，同样的传播距离下，顺向传播与逆向传播的时间不同，接收到的超声波频率也不同，根据这些信息可以计算流体流速，从而换算为流量。根据超声波流量计的工作原理可知，为保证测量结果的准确性，超声波束必须达到一定的传播距离，才能使传播时差或频率改变累积到适当的量。对于大口径测量流道，对射型超声波传感器的两个超声波换能器可以分别安装在测量流道中心线两侧，并在流动方向上相互错开，就能够保证传播距离符合测量要求。但是对于小口径测量流道，采用这种布设超声波换能器的方式无法满足达到有效传播距离的要求。在一些设计中，两个超声波换能器采用反射型布设方式，两者之间的超声波束传播路径为“V”型或“W”型。但是每次反射都将使超声波束能量降低，增大超声波探测接收困难。另一方面，对于小口径测量流道，采用反射型布设时，超声波在流体中传播速度或频率变化累积量仍然不够显著。此外，超声波流量计还集成了数据处理模块和显示器模块，因此传感器的结构设计影响整个流量计的结构布局。常规的超声波流量计不满足小口径管道的流量检测需要。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种小流量超声波水表。
其技术方案如下：
一种小流量超声波水表，包括流量传感器、信号处理模块和显示模块，所述流量传感器包括流量管和两个超声波换能器，在所述流量管上对射安装有两个所述超声波换能器，两个所述超声波换能器的信号输出端连接所述信号处理模块的信号输入端，所述信号处理模块的信号输出端连接所述显示模块的信号输入端，其关键在于，
两个所述超声波换能器之间的所述流量管为检测段，该检测段为直管，该检测段的两端分别密封安装有一个所述超声波换能器，两个所述超声波换能器的连线沿着所述检测段的管心线方向；
所述检测段的两端分别连接有进液段和出液段。
作为优选技术方案，上述超声波水表还包括壳体，所述壳体内设置有所述流量传感器；
所述检测段的两端分别连接所述进液段的出口端和所述出液段的进口端，所述进液段的进口端设置有进液接头，所述出液段的出口端设置有出液接头；
所述进液接头和出液接头分别穿出所述壳体外。
作为优选技术方案，上述壳体内固定设置有隔板，该隔板将所述壳体内腔分隔为传感器腔和电子腔；
所述传感器腔内设置有所述流量传感器，所述电子腔内设置有所述信号处理模块和显示模块；
所述隔板上贯穿有两个电池孔，两个电池孔分别位于所述检测段两侧，每个所述电池孔正对的所述传感器腔和电子腔局部区域连通以形成电池腔。
作为优选技术方案，上述检测段与进液段和出液段的连接处外壁之间分别连接有加强板；
所述隔板上对应每块所述加强板分别成型有安装柱，所述安装柱向相应的所述加强板伸出，所述加强板与所述安装柱之间通过螺钉连接，以将所述流量传感器固定。
作为优选技术方案，上述进液段、检测段和出液段的内孔截面均为圆形，三者的内孔连接以形成连续的弯曲的测量流道；
所述超声波换能器位于所述测量流道以外。
作为优选技术方案，上述出液段与所述进液段分居于所述检测段两侧，二者结构一致；
所述进液段的内孔包括第一段和第二段，所述第二段连接在所述第一段和所述检测段的内孔之间；
所述第二段的内孔出液口外侧圆弧与所述检测段相应端面相切，所述检测段的内孔与所述第二段的孔心线垂直；
所述检测段的内孔与所述第一段的孔心线夹角记为θ，0°<θ<90°，所述第一段与所述第二段之间平滑过渡连接，并且所述第一段与所述检测段分居于所述第二段管心线两侧。
作为优选技术方案，上述进液接头和出液接头的管心线在同一直线上，该直线与所述检测段的夹角为45°。
作为优选技术方案，上述测量流道的直径记为d，d≤15mm。
作为优选技术方案，上述检测段的两端分别连接有筒状的换能器安装座，所述换能器安装座与所述检测段共管心线设置，每个所述换能器安装座内设置有一个所述超声波换能器，所述超声波换能器的探头端面正对所述检测段的内孔。
作为优选技术方案，上述换能器安装座的内孔为台阶孔，所述台阶孔的小径端朝向所述检测段并与其内孔连通，所述台阶孔的内径不小于所述检测段的内孔孔径；
所述超声波换能器的壳体与所述台阶孔形状相适应，所述超声波换能器的壳体与所述台阶孔的台阶面之间夹设有密封圈；
所述超声波换能器的外端设置有抵紧环，该抵紧环与所述台阶孔的大径部内壁螺纹配合，以使所述超声波换能器固定在所述台阶孔内；
所述超声波换能器的信号引线从所述抵紧环的孔内穿出。
与现有技术相比，本发明的有益效果：解决了现有技术中超声波水表不能用于小管径管道流量测量的使用需求的难题，换能器采用对射型布置方式实现小微管径管道的流量测量，测量精度高，整个水表结构紧凑。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为图1中A-A剖视图；
图3为图1的俯视图；
图4为图3中B-B剖视图
图5为流量传感器的结构示意图；
图6为图5中C-C剖视图；
图7为图5中D-D剖视图；
图8为图5的仰视图；
图9为图8中E-E剖视图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1～4所示，一种小流量超声波水表，包括壳体400，所述壳体400内固定设置有隔板410，该隔板410将所述壳体400内腔分隔为传感器腔420和电子腔430。所述传感器腔420内设置有流量传感器100，所述电子腔430内设置有信号处理模块200和显示模块300。
所述流量传感器100包括流量管110和两个超声波换能器140，两个所述超声波换能器140对射安装在所述流量管110上，两个所述超声波换能器140的信号输出端连接所述信号处理模块200的信号输入端，所述信号处理模块200的信号输出端连接所述显示模块300的信号输入端，两个所述超声波换能器140之间的所述流量管110为检测段112，该检测段112为直管，该检测段112的两端分别密封安装有一个所述超声波换能器140，两个超声波换能器140的连线沿着所述检测段112的管心线方向。
所述隔板410上贯穿有两个电池孔411，两个电池孔411分别位于所述检测段112两侧，每个所述电池孔411正对的所述传感器腔420和电子腔430局部区域连通以形成电池腔，用于安装电池。
所述检测段112的两端分别连接有进液段111和出液段113，所述检测段112的两端分别连接所述进液段111的出口端和所述出液段113的进口端，所述进液段111的进口端设置有进液接头114，所述出液段113的出口端设置有出液接头115。所述进液接头114和出液接头115分别穿出所述壳体400外。出液接头115和进液接头114均加工有端部外螺纹。
如图5～9所示，超声波传感器的流量管110由顺次连接的进液段111、检测段112和出液段113组成，形成弯曲的流量管110。为保证液体流动阻力最小，所述进液段111、检测段112和出液段113的内孔截面均为圆形，三者的内孔连接以形成连续的弯曲的测量流道。所述进液段111、检测段112和出液段113的内孔孔心线位于同一平面内。超声波换能器140位于所述测量流道以外。
结合图7和图9可以看到，所述进液段111的内孔出液口外侧圆弧以及所述出液段113的内孔进液口外侧圆弧分别与所述检测段112相应端面相切。需要说明的是，前述的外侧圆弧是指进液段111的内孔出液口或出液段113的内孔进液口远离检测段112中心的一侧圆弧。由于必须为超声波换能器140的安装预留空间，所以进液段111与检测段112的连接处必须为弯曲管道，但同时进液段111的内孔出液口必须尽可能靠近检测段112的内孔端部，故将进液段111的内孔出液口设计为与检测段112的内孔端面相切，有利于流体填充满检测段112的内孔端部。
结合图5、6、8和9，所述出液段113与所述进液段111分居于所述检测段112两侧，二者结构一致。所述进液段111的内孔包括第一段111a和第二段111b，所述第二段111b连接在所述第一段111a和所述检测段112的内孔之间。所述检测段112的内孔与所述第二段111b的孔心线垂直，所述第二段111b的内孔出液口外侧圆弧与所述检测段112相应端面相切，所述检测段112的内孔与所述第一段111a的孔心线夹角记为θ，0°<θ<90°，所述第一段111a与所述第二段111b之间平滑过渡连接，并且所述第一段111a与所述检测段112分居于所述第二段111b管心线两侧。
这样设计的目的在于，整个测量流道的转弯部越少、弯曲度越小，则流体流过整个流量管110的阻力和用时越小。因此，优选θ＝45°，一方面，流体从进入流量管110到流出流量管的过程中流动方向变化相对较小，另一方面也使得整个流量管110结构较紧凑。
为方便与外部管道连接，进液段111的进口端与出液段113的出口端分别向远离检测段112中心的方向延伸。
本实施例中，所述进液接头114和出液接头115的管心线在同一直线上，该直线与所述检测段112孔心线的夹角为45°。
如图5和8所示，所述检测段112与进液段111和出液段113的连接处外壁之间分别连接有加强板130，加强板130沿着测量流道的中心线所在平面延伸。所述隔板410上对应每块所述加强板130分别成型有安装柱412，所述安装柱412向相应的所述加强板130伸出，所述加强板130与所述安装柱412之间通过螺钉连接，以将所述流量传感器100固定。
为使整个水表结构紧凑，其中一个电池腔对应于传感器腔420的部分位于检测段112与进液段111之间的区域，另一个电池腔对应于传感器腔420的部分位于检测段112与出液段113之间的区域。
超声波换能器140的安装方式如下：如图7和9所示，检测段112的两端分别连接有筒状的换能器安装座120，所述换能器安装座120与所述检测段112共管心线设置，每个所述换能器安装座120内设置有一个所述超声波换能器140，所述超声波换能器140的探头端面正对所述检测段112的内孔。
所述换能器安装座120的内孔为台阶孔，所述台阶孔的小径端朝向所述检测段112并与其内孔连通，所述台阶孔的内径不小于所述检测段112的内孔孔径。台阶孔的小径部与检测段112的内孔连接处形成限位台阶，使得超声波换能器140被定位。所述超声波换能器140的壳体与所述台阶孔形状相适应，所述超声波换能器140的壳体与所述台阶孔的台阶面之间夹设有密封圈160，实现密封安装。
所述超声波换能器140的外端设置有抵紧环150，该抵紧环150与所述台阶孔的大径部内壁螺纹配合，以使所述超声波换能器140固定在所述台阶孔内。所述超声波换能器140的信号引线从所述抵紧环150的孔内穿出。
所述隔板410上靠近每个超声波换能器140的部位分别开设有引线孔，两个超声波换能器140的信号引线分别从相应的引线孔穿过，连接到信号处理模块200。
本实施例的超声水表尤其适用于安装在小微管道上进行流量测量，例如直饮水饮水机的出水流量测量。将测量流道的内径记为d，优选d≤15mm，即本实施例的传感器特别适用于DN15或以下尺寸管道，如DN8管。
本发明通过传感器结构的优化创新设计，解决了现有技术中超声波水表不能用于小管径管道流量测量的使用需求的难题，换能器采用对射型布置方式实现小微管径管道的流量测量，测量精度高，整个水表结构紧凑。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种小流量超声波水表，包括流量传感器(100)、信号处理模块(200)和显示模块(300)，所述流量传感器(100)包括流量管(110)和两个超声波换能器(140)，在所述流量管(110)上对射安装有两个所述超声波换能器(140)，两个所述超声波换能器(140)的信号输出端连接所述信号处理模块(200)的信号输入端，所述信号处理模块(200)的信号输出端连接所述显示模块(300)的信号输入端，其特征在于：
两个所述超声波换能器(140)之间的所述流量管(110)为检测段(112)，该检测段(112)为直管，该检测段(112)的两端分别密封安装有一个所述超声波换能器(140)，两个所述超声波换能器(140)的连线沿着所述检测段(112)的管心线方向；
所述检测段(112)的两端分别连接有进液段(111)和出液段(113)。
2.根据权利要求1所述的一种小流量超声波水表，其特征在于：还包括壳体(400)，所述壳体(400)内设置有所述流量传感器(100)；
所述检测段(112)的两端分别连接所述进液段(111)的出口端和所述出液段(113)的进口端，所述进液段(111)的进口端设置有进液接头(114)，所述出液段(113)的出口端设置有出液接头(115)；
所述进液接头(114)和出液接头(115)分别穿出所述壳体(400)外。
3.根据权利要求2所述的一种小流量超声波水表，其特征在于：所述壳体(400)内固定设置有隔板(410)，该隔板(410)将所述壳体(400)内腔分隔为传感器腔(420)和电子腔(430)；
所述传感器腔(420)内设置有所述流量传感器(100)，所述电子腔(430)内设置有所述信号处理模块(200)和显示模块(300)；
所述隔板(410)上贯穿有两个电池孔(411)，两个电池孔(411)分别位于所述检测段(112)两侧，每个所述电池孔(411)正对的所述传感器腔(420)和电子腔(430)局部区域连通以形成电池腔。
4.根据权利要求3所述的一种小流量超声波水表，其特征在于：所述检测段(112)与进液段(111)和出液段(113)的连接处外壁之间分别连接有加强板(130)；
所述隔板(410)上对应每块所述加强板(130)分别成型有安装柱(412)，所述安装柱(412)向相应的所述加强板(130)伸出，所述加强板(130)与所述安装柱(412)之间通过螺钉连接，以将所述流量传感器(100)固定。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种小流量超声波水表，其特征在于：所述进液段(111)、检测段(112)和出液段(113)的内孔截面均为圆形，三者的内孔连接以形成连续的弯曲的测量流道；
所述超声波换能器(140)位于所述测量流道以外。
6.根据权利要求5所述的一种小流量超声波水表，其特征在于：所述出液段(113)与所述进液段(111)分居于所述检测段(112)两侧，二者结构一致；
所述进液段(111)的内孔包括第一段(111a)和第二段(111b)，所述第二段(111b)连接在所述第一段(111a)和所述检测段(112)的内孔之间；
所述第二段(111b)的内孔出液口外侧圆弧与所述检测段(112)相应端面相切，所述检测段(112)的内孔与所述第二段(111b)的孔心线垂直；
所述检测段(112)的内孔与所述第一段(111a)的孔心线夹角记为θ，0°<θ<90°，所述第一段(111a)与所述第二段(111b)之间平滑过渡连接，并且所述第一段(111a)与所述检测段(112)分居于所述第二段(111b)管心线两侧。
7.根据权利要求6所述的一种小流量超声波水表，其特征在于：所述进液接头(114)和出液接头(115)的管心线在同一直线上，该直线与所述检测段(112)的夹角为45°。
8.根据权利要求5所述的一种小流量超声波水表，其特征在于：所述测量流道的直径记为d，d≤15mm。
9.根据权利要求1所述的一种小流量超声波水表，其特征在于：所述检测段(112)的两端分别连接有筒状的换能器安装座(120)，所述换能器安装座(120)与所述检测段(112)共管心线设置，每个所述换能器安装座(120)内设置有一个所述超声波换能器(140)，所述超声波换能器(140)的探头端面正对所述检测段(112)的内孔。
10.根据权利要求9所述的一种小流量超声波水表，其特征在于：所述换能器安装座(120)的内孔为台阶孔，所述台阶孔的小径端朝向所述检测段(112)并与其内孔连通，所述台阶孔的内径不小于所述检测段(112)的内孔孔径；
所述超声波换能器(140)的壳体与所述台阶孔形状相适应，所述超声波换能器(140)的壳体与所述台阶孔的台阶面之间夹设有密封圈(160)；
所述超声波换能器(140)的外端设置有抵紧环(150)，该抵紧环(150)与所述台阶孔的大径部内壁螺纹配合，以使所述超声波换能器(140)固定在所述台阶孔内；
所述超声波换能器(140)的信号引线从所述抵紧环(150)的孔内穿出。
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