CN101576399B - 超声波水表、热量表流量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及声学、传感器技术领域，特别涉及一种超声波水表、热量表流量传感器。超声波水表、热量表流量传感器：包括传感器壳体，超声波换能器，位于超声波换能器下部的反射器，其特征在于：所述的传感器壳体中心置有整流管，整流管内表面有整流波纹。本发明的有益效果是：测量精确，换能器安装密封性好，压力损耗小，而且组装操作简单。

Description

超声波水表、热量表流量传感器 

(一)技术领域

本发明涉及声学、传感器技术流量测量技术领域，特别涉及超声波水表、热量表流量传感器。 

(二)背景技术

目前，国内外现有超声波水表、热量表流量传感器一般由传感器壳体、换能器、反射器组成。两个反射器中间的内孔壁为光滑管壁，不做处理。以上情况的水流形态比较混乱，规律不明显。且水流速度不同，水流的形态差别很大。很难对检测到的数据进行修正，所以很难达到一个比较高的准确度，而且校表难度大。 

如要开发出高质量且实用的超声波水表、热量表流量传感器应满足以下条件：1、流体形态在各流量点的一致性要好。2流体速度尽量快，有利于小流量的测量。3、压力损失小。本发明针对上述特点优化设计。 

(三)发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种测量准确、组装方便的超声波水表、热量表的流量传感器。 

本发明是通过如下技术方案实现的： 

一种超声波水表、热量表的流量传感器：包括传感器壳体，超声波换能器，超声波反射器。 

本发明更优的技术方案是：所述的传感器壳体置有换能器安装平台，反射器安装平台，温度传感器安装孔和位于超声波反射器之间的整流管，所述的整流管内壁加工有整流波纹。 

所述的反射器包括工作面和安装面，所述的工作面与安装面的夹角为45度。，所述的反射器工作面和反射器安装面只通过一个小于反射面直经的连接支点支撑连接。超声波反射器安装方法是用螺钉固定在传感器壳体的底部。 

所述的换能器周围环绕有密封圈，超声波换能器上端设置有压盖用来压住换能器和密封圈。 

所述温度传感器安装孔，温度传感器安装孔轴线在传感器壳体的对称面内。 

所述的超声波换能器包括钢片、和压电陶瓷振子，所述压电陶瓷振子为圆片状，所述钢片为圆片状，钢片和压电陶瓷振子为平面同心圆片，其直径大于压电陶瓷振子的直径。 

本发明的有益效果是：测量精确，换能器安装密封性好，压力损失小而且结构简单。 

(四)说明书附图 

附图1为本发明的结构示意图； 

附图2为本发明反射器的结构示意图； 

附图3为超声波换能器的结构示意图； 

附图4为本发明螺纹形整流波纹的波纹横剖示意图。 

附图5为光滑管和粗糙管内水流速度分布系数α同水流速度μ的变化关系趋势图。 

图中：1换能器压盖，2超声波换能器，3密封圈，4反射器，5整流管及整流波纹，6温度传感器安装孔，7反射器工作面，8反射器安装面，9压电陶瓷振子，10钢片。 

(五)具体实施方式

附图为本发明的一种具体实施例，本实施例超声波水表、热量表流量传感器：包括传感器壳体，超声波换能器2，超声波反射器4和位于超声波换能器2之间的整流管，其特征在于：所述的超声波反射器4用螺丝固定在传感器壳体的底部，所述的整流直管带有整流波纹5，可根据机械加工设备的功能，将整流直管内壁加工成内螺纹状或其他粗糙的内表面形状，在本实例中我们将其加工成双线内螺纹。整流波纹5，包括多种加工成型方式：一、整流管内表面为一个个的连续的沟槽；二、在整流管内表面加工出内螺纹；三、在整流管内表面加工出一个个突起。还包括其他有助于提高内表面粗糙程度的形态，其波纹的宽度和深度与测量管内径之比在0.05-0.2之间。所述的超声波换能器2只有两部分组成：钢片10、和压电陶瓷振子9。 

使用时将本传感器串接入需要进行流量计量的管道。有两个换能 器及两个反射器4，首先由一个换能器发出超声波，经两个反射器后，在另一个换能器收到超声波，通过电子技术测出传播时间。然后反向发送超声波并测出传播时间。最后CPU会计算出时间差，并最后计算出管体内的水的瞬时流量。 

所述的反射器4有两部分组成：工作面7和安装面8，所述的工作面7与安装面8的夹角为45度，工作面7和安装面8只有一个连接支点支撑连接，故对流动水的阻力小，这样压力损耗就小。采用管内安装工艺，将反射器安装在传感器壳体底部。安装反射器时，螺丝从换能器安装孔进入管体，将反射器固定在传感器壳体的底部反射器安装平台上。反射器阻碍水流的面积小，反射器迎着水流方向的造型为圆弧或斜面，所以对流动水的阻力很小。 

所述的超声波换能器2周围用密封圈密封，换能器上端设置有压盖1用于压住换能器密封圈和固定超声波换能器。所述的超声波换能器包括不锈钢片10、和压电陶瓷振子9，所述压电陶瓷振子9为圆片状，钢片10和压电陶瓷振子9为同心圆片，其直径大于压电陶瓷振子9的直径。将所述的压电陶瓷固定在所述的不锈钢片上。只需通过不锈钢片的边缘，将超声波换能器安装在换能器安装平台，不锈钢片的下面与换能器安装平台接触面用密封材料密封.超声波换能器2的结构简单，安装方便，而且密封性和声波传导性的效果都非常好。 

本发明的一个特征是在两个反射器间的整流管(内孔)的内壁加工有整流波纹，当水在管内流动时，由于内壁波纹结构的存在，所以流动面积和流速方向不断变化，使水受到了强烈的扰动，就会使水很大的速度范围内处于高度湍流状态，所以在不同流速的情况下，水的速度分布系数变化不大，易于对检测到的数据进行修正。 

表1光滑管和粗糙管内水流速度分布系数α 

在表1中Re是雷诺数其计算公式为： 

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\μl\ρ}}{\mathrm{\η}}$ 公式1 

式中，μ是流体的平均流速(m/s)；l流束的特征尺寸(m)；ρ是流体密度(kg/m³)；η是流体的动力黏度(Pa·s) 

有公式1可得，在其他条件不变时，水的平均流速μ越大，其雷诺系数Re越大。结合表1可得出，光滑管和粗糙管内水流速度分布系数α同水流速度μ的变化关系。 

我们可以清晰的看到，管壁粗糙程度越大，其速度分布系数α越稳定。所以整流波纹的存在，会非常有利于数据的修正，可以把误差降到比较小的范围。 

常用流量和大流量时，由于波纹的存在，整流管(内孔)内的空间会有所增大，这样压力损失就会有所减小。 

另外一个显著的效果是：由于内壁波纹结构的存在，使水受到了强烈的扰动，所以水中的杂质就很难沉淀下来，减少对整流管的污染。 

所述的整流波纹5可以有多种实现方法，比如把整流管内表面加工出一个个沟槽；在整流管内表面加工出内螺纹；在整流管内表面加工出一个个突起，以及其他提高内孔管壁粗糙程度的方法。其波纹的宽度和深度与测量管内径之比在0.05-0.2之间。 

所述的整流管的内径小于传感器入口和传感器出口的直径，整流 直管与传感器入(出)口之间有一段连接管段，所述连接管段的直径是连续变化的，其变化曲线是流线型。所述连接管段的长度大于入(出)口与整流直管的半径差值。 

所述传感器壳体设置有温度传感器安装孔6。温度传感器安装孔轴线在传感器壳体的对称面内，所以安装温度传感器后，温度传感器和反射器在管段横截面上的投影重合，这样不会因为安装温度传感器带来太大的水阻。 

Claims (5)

1.一种超声波水表、热量表流量传感器：包括传感器壳体，超声波换能器(2)，超声波反射器(4)，其特征在于：所述的传感器壳体置有换能器安装平台、反射器安装平台、温度传感器安装孔(6)和位于两个超声波反射器(4)之间的整流管，所述的超声波反射器(4)包括工作面(7)和安装面(8)，所述的反射器工作面(7)和反射器安装面(8)只通过一个小于反射面直径的连接支点支撑连接，所述的超声波反射器(4)是用螺钉固定在传感器壳体底部的反射器安装平台上，所述的超声波换能器(2)只有钢片(10)和压电陶瓷振子(9)两部分组成，所述压电陶瓷振子(9)为圆片状，所述钢片(10)为圆片状，钢片(10)和压电陶瓷振子(9)为平面同心圆片，钢片(10)直径大于压电陶瓷振子(9)的直径，所述的整流管内壁加工有整流波纹(5)。

2.根据权利要求1所述的超声波水表、热量表流量传感器，其特征在于：所述的反射器工作面(7)和反射器安装面(8)的夹角为45度。

3.根据权利要求1所述的超声波水表、热量表流量传感器，其特征在于：所述的换能器周围环绕有密封圈(3)，超声波换能器(2)上端设置有压盖(1)用来压住换能器和密封圈。

4.根据权利要求1所述的超声波水表、热量表流量传感器，其特征在于：所述温度传感器安装孔(6)安装温度传感器后，温度传感器和超声波反射器(4)在管段横截面上的投影重合。 

5.根据权利要求3所述的超声波水表、热量表流量传感器，其特征在于：所述钢片(10)的下表面与换能器安装平台接触面之间有密封材料密封。 

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