CN103868628A - 一种超声波热量表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波热量表，包括密封连接的基表和管段，所述管段的进口端和出口端与供热系统的管道连接，其特征在于，所述管段的中部内部通径小于其进口端的内径，所述超声波热量表还包括固定安装在管段内腔进口端的整流器，所述整流器上设有至少一个通孔。本发明的超声波热量表的管段中部采用缩颈的方案以提高量程范围内流体的流速，减少了量程范围内流体出现层流状态的几率。而整流器的使用则增加了进入量程范围的流体的扰动，进一步降低了量程范围内流体出现层流状态的几率。从而提高测量的准确性。

Description

一种超声波热量表

技术领域

本发明涉及热交换领域，更具体的说，涉及一种超声波热量表。

背景技术

超声波热量表的测量原理是利用超声波在顺逆流的时间差，测量流速。具体使用时是用两个超声波换能器，一个超声波换能器发射超声波，另外一个换能器接收超声波，超声波在管段中穿过，超声波穿过管段中的流体的不同位置，携带的流速信号不同。

现有技术中，超声波热量表在具体使用的过程中存在以下缺陷：

现有技术中，超声波热量表在具体使用的过程中存在以下缺陷：

1）超声波热量表在其量程范围内的流体一般处于层流、混合流和紊流状态。层流状态是实际测量中所不希望出现的流体状态，量程范围内流体出现层流状态会影响测量结果的准确性；

2）超声波热量表的管壁上容易结垢，而且声程短，影响测量结果的准确性；

3）超声波热量表一般采用电池供电，受成本及空间的限制，电池的容量一般不大，一般通过积分仪的设计不断的降低功耗，积分仪的线路板上采用低功耗的芯片，不工作时，使积分仪处于休眠模式，减少信号发射采集的频率等。而过分的从线路板上降低功耗， 会给热量表的使用带来不方便。例如减少信号发射采集的频率，会降低测量结果的准确性。

发明内容

本发明的目的之一在于：为解决上述现有技术所述的缺陷提供一种测量准确性较高的超声波热量表。

本发明为解决上述现有技术的缺陷，提供了一种超声波热量表，包括密封连接的基表和管段，所述管段的进口端和出口端与供热系统的管道连接，所述管段的中部内部通径小于其进口端的内径，所述超声波热量表还包括固定安装在管段内腔进口端的整流器，所述整流器上设有至少一个通孔。

优选地，所述管段设有两个外接端口，所述端口内分别设有密封安装的换能器，所述管段中部每个换能器正对的位置分别设有固定安装的超声波反射器，所述超声波反射器具有与水平面保持一定角度的反射面，所述两个超声波反射器的反射面正对设置。

本发明的超声波热量表通过使用具有反射面的超声波反射器，且反射面位于量程管段的中心位置，反射面的使用增加了一定量程内的超声波传递路径的长度，提高了测量数据的精度；而且在管段中，越靠近中心位置的流体流速越大，出现层流状态的几率越低，且不易结垢，进一步提高了测量数据的准确性。

优选地，所述超声波反射器为空心的柱状体，两个超声波反射器的反射面的中心连线与管段中部内腔轴线重合。

本发明的超声波热量表通过使用空心柱状体的超声波反射器，使得超声波信号在超声波反射器中的能量损失大为降低，后期接收到的超声波信号能量较高，信号准确率得以提高，提高了测量数据的准确性。

优选地，所述超声波反射器与跟其对应的换能器同轴，同轴度在±0.05mm的范围内， 两个超声波反射器的反射面的中心连线与管段中部内腔轴线重合度在±0.05mm的范围内。

优选地，所述超声波反射器的反射面为椭圆反射面，所述两个反射面的短轴与两个超声波反射器的反射面的中心连线大致垂直，所述两个反射面的长轴与两个超声波反射器的反射面的中心连线所成的锐角的角度相等。

优选地，所述反射面的长轴与两个超声波反射器的反射面的中心连线所成的锐角大致为45度。

优选地，所述管段的中部内部通径与其进口端的内径的比值为缩颈比S，则S的取值范围为0.5≤S≤0.8。

本发明的超声波热量表的缩颈比S的取值范围为05~0.8，既在一定范围内降低了量程管段内流体出现层流状态的几率，又使得缩颈带来的管段压损保持在标准范围内而不会破坏整个供暖系统的流体压力平衡，进一步提高了测量数据的准确性。

优选地，所述整流器为圆柱状部件，其外轮廓尺寸与所述管段进口端的内径相匹配，所述整流器上的通孔在整流器的横截面上对称分布。

优选地，所述端口与所述管段内腔的连接处设有台阶状的肩部，所述换能器与所述肩部压紧接触，所述超声波反射器的轴线垂直于所述换能器与肩部的安装接触面所在的平面，且所述两个端口的肩部分别与换能器的安装接触面所在的平面大致保持在同一平面内，所述肩部的安装接触面的加工精度在±0.05mm的范围内。

本发明的超声波换能器在具体使用的过程中具有以下有益效果：

本发明的超声波热量表通过缩颈提高量程范围的管段内流体流速以减少量程范围的管段内流体为层流状态的几率，并配合使用整流器增加量程范围的管段内流体的扰动进一步降低了量程范围的管段内流体为层流状态的几率，使得实际测得的流体流速更接近真实流速，提高了测量数据的准确性。

附图说明

图1所示为本发明的超声波热量表具体实施方式的轴侧示意图；

图2所示为本发明的超声波热量表的基表部分的具体实施方式的爆炸示意图；

图3所示为本发明的超声波热量表的管段部分的具体实施方式的爆炸示意图；

图4所示为本发明的超声波热量表的管段部分的具体实施方式的剖视图；

图5所示为本发明的超声波热量表的整流器的第一具体实施方式的轴侧示意图；

图6所示为本发明的超声波热量表的整流器的第一具体实施方式的主视图；

图7所示为图6中所示的A-A方向的剖视图；

图8所示为本发明的超声波热量表的整流器的第二具体实施方式的轴侧示意图；

图9所示为本发明的超声波热量表的整流器的第二具体实施方式的主视图；

图10所示为图9中所示的B-B方向的剖视图；

图11所示为本发明的超声波热量表的整流器的第三具体实施方式的轴侧示意图；

图12所示为本发明的超声波热量表的整流器的第三具体实施方式的主视图；

图13所示为图12中所示的C-C方向的剖视图。

具体实施方式

本发明的超声波热量表通过缩颈提高量程范围的管段内流体流速以减少量程范围的管段内流体为层流状态的几率，并配合使用整流器增加量程范围的管段内流体的扰动进一步降低了量程范围的管段内流体为层流状态的几率，使得实际测得的流体流速更接近真实流速，提高了测量数据的准确性。下面通过附图详细介绍本发明的超声波热量表。

本说明书中的方位名词都是针对附图中所示的方位，不对本发明的技术方案构成局限。

如图1-图3所示为本发明的超声波热量表，包括密封连接的基表和管段3，实际使用的时候管段的进口端和出口端与供热系统的管道连接。

本发明的超声波热量表的基表包括盒体和密封固定安装在盒体内的控制模块。基表的盒体包括上盖411和下盖421，上盖411和下盖421之间密封固定连接。本实施例中，上盖411和下盖421之间通过螺栓连接的方式固定连接，实际使用过程中也可以使用其它固定连接的方式实现固定连接。上盖411和下盖421的安装接触面设有处于压缩状态的第一密封圈401。

基表的盒体上开设有安装孔，下盖421的安装孔中安装有处于压缩状态的弹性材质的电缆线密封圈431，密封圈内设通孔，电缆线密封圈431的通孔一端端口处的内径小于其另一端端口处的内径，防水电缆线从电缆线密封圈431的通孔穿过，从而实现密封的效果。

本发明的超声波热量表的基表盒体内设有密封安装的控制模块和电源402，管段3设有两个外接端口301，端口内分别设有密封安装且与控制模块电连接的换能器5。

控制模块包括一块PCB板403和显示屏413，控制模块与电源402电连接。PCB板403焊接有电子元器件的表面覆盖有灌封胶以保护PCB板403的印刷电路和电子元器件的引脚。

基表的盒体上开设有安装孔，下盖421的安装孔中安装有处于压缩状态的弹性材质的电缆线密封圈431，密封圈内设通孔，电缆线密封圈431的通孔一端端口处的内径小于其另一端端口处的内径，防水电缆线从电缆线密封圈431的通孔穿过，从而实现密封的效果，换能器5通过防水电缆线与PCB板403电连接。

如图4所示，管段3的中部303内部通径小于其进口端306的内径，管段的中部303的内部通径与其进口端306的内径的比值为缩颈比S，则S的取值范围为0.5≤S≤0.8。

超声波热量表的管段采用缩颈的方法以提高流体在管段的量程范围内的流速，既在一定范围内降低了量程管段内流体出现层流状态的几率。流体在系统中是通过泵压等方式对流体施加压力而产生流动的。

流体在管道系统中流动的过程中会产生压力损失，管段的压损分为沿程压力损失与局部压力损失。沿程压力损失是因为流体在沿流程受到的摩擦阻力，与流程长度成正比，所以也叫长度损失。局部阻力损失当流体截面大小、形状和方位沿流向有急剧的变化时，在局部区域内产生阻力而造成的压力损失。因此，过度的缩颈则会导致超声波热量表的管段内的压损过大。限制缩颈比例保持在一定范围内则使得缩颈带来的管段压损保持在标准范围内而不会破坏整个供暖系统的流体压力平衡，进一步提高了测量数据的准确性。

超声波热量表还包括固定安装在管段内腔进口端306的整流器304，整流器304上设有至少一个通孔。具体的，如图5-图13所示，整流器304为圆柱状部件，其外轮廓尺寸与管段进口端的内径相匹配，整流器304上的通孔在整流器304的横截面上对称分布。

实际加工过程中，整流器304的通孔的具体形状不限，具体数量也不受限。理论上来说，整流器304的任一横截面上通孔总的面积之和占的所在横截面面积的比例越大越好，这样整流器304对于流体流速的实际影响就越小。整流器304的通孔的数量越多越好，通孔的数量越多，实际进入管段中部被测量的流体流速在管段中部横截面的任意位置的流速越相近，使得实际测得的流体流速与供暖系统中流体的真实流速越接近。

在管段3的内、每个换能器5正对的位置分别设有固定安装的超声波反射器（305、307），超声波反射器（305、307）与跟其对应的换能器5大致同轴，超声波反射器（305、307）具有与水平面保持一定角度的反射面（315、317），两个超声波反射器（305、307）的反射面（315、317）正对设置。

本发明的超声波热量表通过使用具有反射面的超声波反射器，且反射面位于量程管段的中心位置，反射面的使用增加了一定量程内的超声波传递路径的长度，提高了测量数据的精度；而且在管段中，越靠近中心位置的流体流速越大，出现层流状态的几率越低，且不易结垢，进一步提高了测量数据的准确性。

具体的，在管段中部缩颈处的量程段内的进口端和出口端分别设有超声波反射器（305、307）的安装座（325、327）。其中，第一超声波反射器305固定安装在第一安装座325中，第二超声波反射器307固定安装在第二安装座327中。

进一步的，超声波反射器（305、307）为空心的柱状体，超声波反射器的反射面（315、317）为椭圆反射面。两个超声波反射器（305、307）的反射面（315、317）的中心连线与管段中部内腔轴线基本重合。即管段中部内腔轴线分别与两个超声波反射器（305、307）的轴线相交且垂直。

空心的反射器阻止了超声波在反射器内部的继续传播，降低了超声波在反射过程中的能量损失。在实现获取同等幅值的超声波回波信号的前提下，空心柱状的超声波反射器降低了超声波热量表的整体功耗。

与此同时，本发明的超声波热量表通过使用空心柱状体的超声波反射器，使得超声波信号在超声波反射器中的能量损失大为降低，后期接收到的超声波信号能量较高，信号准确率得以提高，提高了测量数据的准确性。

优选地，超声波反射器（305、307）与跟其对应的换能器同轴，同轴度在±0.05mm的范围内， 两个超声波反射器的反射面的中心连线与管段中部内腔轴线重合度在±0.05mm的范围内。

超声波反射器的反射面（315、317）为椭圆反射面，两个超声波反射器的反射面（315、317）的短轴与两个超声波反射器的反射面的中心连线大致垂直，两个反射面的长轴与两个超声波反射器的反射面的中心连线所成的锐角的角度相等。

优选的，反射面（315、317）的长轴与两个超声波反射器的反射面的中心连线所成的角度K、L大致为45度，具体为45±0.5度。主要通过以下方式控制精度：一是通过安装的工装控制，二是通过加工方式控制，三是通过机床加工精度控制。

具体的，超声波反射器内壁对应反射面的侧面大致与反射面平行，以提高超声波信号被反射出去的几率。

如图3和图4所示，端口304与管段内腔的连接处设有台阶状的肩部404，换能器5与肩部404压紧接触，超声波反射器（305、307）的轴线垂直于换能器5与肩部的安装接触面所在的平面，且两个端口的肩部404分别与换能器5的安装接触面所在的平面大致保持在同一平面内，肩部404的安装接触面的加工精度在±0.05mm的范围内。

具体的，如图3和图4所示，换能器5与端口（301、302）的安装接触面上分别设有第二密封圈405；外接端口通过封盖406密封封装，封盖406内灌注有将换能器密封封装的灌封胶；换能器5与端口（301、302）的侧壁（311、312）为间隙配合，换能器5与端口侧壁（311、312）的间隙之间填充有灌封胶。

进一步的，端口（301、302）与管段3内腔的连接处设有台阶状的肩部404，换能器5与肩部404压紧接触，换能器5与肩部404的安装接触面之间设有处于压缩状态的第二密封圈405；换能器5和封盖406之间设有隔离板，隔离板和封盖406围合的空间灌注有灌封胶。

在本实施例中，换能器5和封盖406之间从上到下依次设有金属盖板416和塑料盖板426。端口（301、302）的端部分别设有封盖安装台（321、322）。金属盖板416固定安装在封盖安装台（321、322）上，塑料盖板426安装在金属盖板416和换能器5之间。

金属盖板416和塑料盖板426中间部分对应换能器引线柱的部分开设有通孔。封盖406固定安装在金属盖板416上，封盖406和金属盖板416之间形成的空腔内填充油灌封胶。封装的时候从封盖406顶部的引线出口中灌入灌封胶，灌封胶向下流动充满端口内剩余的空隙，以实现二次密封和防震的作用。

上述灌封胶需流动性良好，能承受高温、高压，且有一定强度，在密闭的空间中也可以固化的胶。在本实施例中，灌封胶采用有固化剂的AB胶，实际加工过程中则以实际需要为准自行选择。

具体使用的时候，其中一个换能器接到一个电压信号，将电压信号转换成超声波信号，超声波信号在水中逆流/顺流经过反射到达第二个换能器，超声波到达第二个换能器的外壳时对外壳产生一定压力，对第二个换能器的压电陶瓷片产生一个作用力是的第二个换能器将接收到的超声波信号转化成电信号。与此同时第二个换能器也进行上述工作步骤。超声波在水中顺流/逆流到达第一换能器。通过比较两个换能器接收到电压信号之间的时差，根据超声波在水中顺逆流的速度即可计算出水流速度，从而计算出水流量，再根据水的及时温度计算出用户所使用的热量。

以上对本发明所提供的超声波热量表进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超声波热量表，包括密封连接的基表和管段，所述管段的进口端和出口端与供热系统的管道连接，其特征在于，所述管段的中部内部通径小于其进口端的内径，所述超声波热量表还包括固定安装在管段内腔进口端的整流器，所述整流器上设有至少一个通孔。

2.根据权利要求1所述的超声波热量表，其特征在于，所述管段设有两个外接端口，所述端口内分别设有密封安装的换能器，所述管段中部每个换能器正对的位置分别设有固定安装的超声波反射器，所述超声波反射器具有与水平面保持一定角度的反射面，所述两个超声波反射器的反射面正对设置。

3.根据权利要求2所述的超声波热量表，其特征在于，所述超声波反射器为空心的柱状体，两个超声波反射器的反射面的中心连线与管段中部内腔轴线重合。

4.根据权利要求3所述的超声波热量表，其特征在于，所述超声波反射器与跟其对应的换能器同轴，同轴度在±0.05mm的范围内， 两个超声波反射器的反射面的中心连线与管段中部内腔轴线重合度在±0.05mm的范围内。

5.根据权利要求3所述的超声波热量表，其特征在于，所述超声波反射器的反射面为椭圆反射面，所述两个反射面的短轴与两个超声波反射器的反射面的中心连线大致垂直，所述两个反射面的长轴与两个超声波反射器的反射面的中心连线所成的锐角的角度相等。

6.根据权利要求5所述的超声波热量表，其特征在于，所述反射面的长轴与两个超声波反射器的反射面的中心连线所成的锐角大致为45度。

7.根据权利要求1-6任一项所述的超声波热量表，其特征在于，所述管段的中部内部通径与其进口端的内径的比值为缩颈比S，则S的取值范围为0.5≤S≤0.8。

8.根据权利要求7所述的超声波热量表，其特征在于，所述整流器为圆柱状部件，其外轮廓尺寸与所述管段进口端的内径相匹配，所述整流器上的通孔在整流器的横截面上对称分布。

9.根据权利要求7所述的超声波热量表，其特征在于，所述端口与所述管段内腔的连接处设有台阶状的肩部，所述换能器与所述肩部压紧接触，所述超声波反射器的轴线垂直于所述换能器与肩部的安装接触面所在的平面，且所述两个端口的肩部分别与换能器的安装接触面所在的平面大致保持在同一平面内，所述肩部的安装接触面的加工精度在±0.05mm的范围内。

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