CN108871475A - 超声波计量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了超声波计量装置，属于计量表技术领域，解决了现有超声波计量装置无法满足家用燃气表小流量测量准确度要求的问题，本发明超声波计量装置，包括壳体和设置在所述壳体上的换能器，所述壳体内设有供流体通过的计量通道，所述壳体沿流体流通方向形成进流段和测量段，所述换能器包括发射振子和接收振子，所述发射振子和所述接收振子安装在所述测量段同一侧，以使超声波的传播路径呈V形，所述进流段的流通面积为S1，所述测量段的流通面积为S2，其中，S2＜S1。使得流体流经测量段时的面速度增加，增大超声波测量时的飞行时间差，进而提升测量精度，尤其是满足了小流量情况的测量精度要求。
Description
【技术领域】
本发明涉及计量表技术领域，尤其涉及超声波计量表中的超声波计量装置。
【背景技术】
超声波计量表作为一种家用天然气计量的速度式仪表已经得到广泛应用，这种燃气计量表通过超声波在流体中的顺流飞行时间与逆流飞行时间的飞行时间差来测得流体流速，进而获取流体流量。根据这样的测量原理，对于家用燃气表流量下限小的特点，提高其小流量测量时的飞行时间差，则有利于提高家用燃气表小流量时的测量准确度。另外，由于家用天然气介质中含有细小颗粒、灰尘和尘埃等污染物，长期使用后流体流道内壁会积累污染物，从而对测量精度造成影响，现有技术中在流体流道内壁设置内凹的圆弧槽，圆弧槽具有聚波的作用，使绝大部分的超声波经反射后都能被接收，以此来提高测量精度，但在实际应用中，气体中的细小颗粒、灰尘和尘埃等污染物更易堆积在圆弧槽内，反而会影响到超声波计量表的计量精度。因此，如何满足家用超声波燃气表小流量的计量精度要求和实现耐污染效果是亟待解决的问题。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足而提供一种超声波计量装置，提升测量精度，尤其是能满足小流量时的测量精度要求。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
超声波计量装置，包括壳体和设置在所述壳体上的换能器，所述壳体内设有供流体通过的计量通道，所述壳体沿流体流通方向形成进流段和测量段，所述换能器包括发射振子和接收振子，所述发射振子和所述接收振子安装在所述测量段同一侧，以使超声波的传播路径呈V形，所述进流段的流通面积为S1，所述测量段的流通面积为S2，其中，S2＜S1。
在上述的超声波计量装置中，所述测量段内相对所述换能器的另一侧形成有用于反射超声波的反射凸台。
在上述的超声波计量装置中，所述反射凸台包括呈平面的反射部，所述发射振子发射的超声波经所述反射部反射至所述接收振子，所述反射部的长度为L1，所述发射振子和所述接收振子的间距为L2，其中，L1≥L2。
在上述的超声波计量装置中，所述发射振子和所述接收振子对称分布于所述反射部中线两侧。
在上述的超声波计量装置中，所述反射凸台上靠近所述进流段的一侧具有斜坡状的进流过渡部，所述反射部与所述进流过渡部圆弧过渡连接。
在上述的超声波计量装置中，所述进流过渡部相对于所述反射部的倾斜角度为α，其中，30°≤α≤60°。
在上述的超声波计量装置中，所述反射凸台由所述测量段侧壁内凹形成。
在上述的超声波计量装置中，所述反射凸台相对于所述测量段内表面的凸起高度为H，其中，1mm≤H≤3mm。
在上述的超声波计量装置中，所述发射振子发射的超声波传播路径与所述接收振子接收的超声波传播路径之间形成夹角θ，其中，30°≤θ≤120°。
在上述的超声波计量装置中，所述壳体还包括出流段，所述出流段的流通面积为S3，其中，S2＜S3，所述测量段位于所述进流段与所述出流段之间，所述测量段与所述出流段之间连接有斜坡状的出流过渡部。
本发明的有益效果：
本发明超声波计量装置，包括壳体和设置在所述壳体上的换能器，所述壳体内设有供流体通过的计量通道，所述壳体沿流体流通方向形成进流段和测量段，所述换能器包括发射振子和接收振子，所述发射振子和所述接收振子安装在所述测量段同一侧，以使超声波的传播路径呈V形，所述进流段的流通面积为S1，所述测量段的流通面积为S2，其中，S2＜S1。
首先，发射振子和接收振子安装在测量段同一侧，使得超声波的传播路径呈V形，增加了超声波在计量通道内的行程，利于增大顺流飞行时间与逆流飞行时间的飞行时间差，以获得更高的测量精度；其次，进流段的流通面积大于测量段的流通面积，使得流体流经测量段时的面速度增加，而对于时差法测量原理来说，面流速与飞行时间差成正比，故本发明设置的测量段可以增大超声波测量时的飞行时间差，进而提升测量精度，尤其是满足了小流量情况的测量精度要求。
进一步的，所述测量段内相对所述换能器的另一侧形成有用于反射超声波的反射凸台。首先，反射凸台向计量通道轴心方向凸出，使得反射凸台所在测量段部位的流通面积变小，以使流体流经测量段时的面速度增加；其次，利用反射凸台对气流中灰尘、小颗粒物的阻挡、反弹，起到自吹扫、自清洁的效果，有效改善测量段中细小颗粒、灰尘和尘埃等污染物的沉积问题，保证测量精度的同时延长计量装置的使用寿命。
进一步的，所述反射凸台包括呈平面的反射部，所述发射振子发射的超声波经所述反射部反射至所述接收振子，所述反射部的长度为L1，所述发射振子和所述接收振子的间距为L2，其中，L1≥L2。首先，设置呈平面的反射部，保证超声波在光滑、平整度高的平面上进行反射，减少超声波的漫反射，使得绝大部分的超声波经反射部反射后都能处于接收振子的接收范围，由此提高测量精度，增加了测量准确性；其次，本发明设计反射凸台的目的在于：减小测量段的流通面积，以提高流体经过测量段时的面流速，本方案中使反射部的长度(反射部在计量通道轴向方向上的长度)不小于发射振子和接收振子的间距，至少能够保证流体在流经超声波V形传播路径所在区域时能获得稳定地且大于进流段的面流速，使得计量装置的计量更加准确和稳定。
进一步的，所述发射振子和所述接收振子对称分布于所述反射部中线两侧。根据时差法测量原理，需同时考虑到顺流飞行时间与逆流飞行时间，发射振子和接收振子对称分布于反射部中线两侧，使得发射振子侧和接收振子侧的流体面流速基本保持一致，由此测得的飞行时间差更加准确，利于提升计量精度。
进一步的，所述反射凸台上靠近所述进流段的一侧具有斜坡状的进流过渡部，所述反射部与所述进流过渡部圆弧过渡连接。进流过渡部起到流体缓冲作用，使流体由进流段向测量段平稳过渡，减少反射凸台靠近进流段一侧产生涡流现象，进而减小计量通道内流场不稳定变化对计量精度的影响。
进一步的，所述反射凸台由所述测量段侧壁内凹形成。即反射凸台与壳体一体成型，结构设计简单，易于实现，而且能缩小计量装置壳体体积，易于安装。
本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。
【附图说明】
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明实施例中超声波计量装置的剖面示意图。
附图标记：
100壳体、110进流段、120测量段、130出流段、140计量通道、141进流口、142出流口、150反射凸台、151反射部、152进流过渡部、153出流过渡部
200发射振子
300接收振子
【具体实施方式】
下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参照图1，本发明实施例提出的超声波计量装置，包括壳体100和设置在壳体100上的换能器，壳体100大致呈长方体，壳体100的前后两端分别形成进流口141和出流口142，壳体100内形成连通进流口141和出流口142以供流体通过的计量通道140，壳体100沿流体流通方向形成进流段110、测量段120和出流段130，燃气经进流口141进入进流段110，依次通过测量段120和出流段130后，由出流口142流入。本发明实施例在测量段120同一侧(如图1所示测量段120的上侧)沿着计量通道140轴向方向间隔安装发射振子200和接收振子300，根据时差法测量原理可以理解：本实施例所述的发射振子200既可以发射超声波，也能接收反射的超声波，接收振子300既可以接收反射的超声波，也能发射超声波，发射振子200以其超声波收发面朝向出流口142方向偏斜的方式安装，接收振子300以其超声波收发面朝向进流口141方向偏斜的方式安装，超声波在流体中的顺流飞行：发射振子200发射超声波，经测量段120内壁反射后被接收振子300接收，超声波在测量段120中形成V形传播路径；超声波在流体中的逆流飞行：接收振子300发射超声波，经测量段120内壁反射后被发射振子200接收，超声波在测量段120中同样形成V形传播路径。超声波的传播路径呈V形，增加了超声波在计量通道140内的行程，利于增大顺流飞行时间与逆流飞行时间的飞行时间差，以获得更高的测量精度；而且将发射振子200和接收振子300设置在测量段120同一侧，能够缩短换能器与计量电路板的连线长度，使计量电路板小型化，节省安装空间。
超声波计量装置用于测量流体流量Qv，流体流量Qv＝S×V，其中，S为通道的流通面积，V为面流速，在流体流量Qv相同的情况下，流通面积S越小，则V面流速越大。时差法测量中：超声波顺流飞行时间超声波逆流流飞行时间因此，飞行时间差因为超声波传播速度远大于流体流速，飞行时间差可化简为：其中，L为超波传播路程，C为超声波传播速度，α为超声波传播路径与通道轴向方向的夹角，由此可知：流体的面流速V与飞行时间差△t呈正比关系，除了上述超声波的V形传播路径可以增加飞行时间差△t，增加面流速V同样可以增加飞行时间差△t，从而提高测量精度。故本实施例中，进流段110的流通面积为S1，测量段120的流通面积为S2，其中，S2＜S1，使得流体流经测量段120时的面速度增加，增大超声波测量时的飞行时间差，进而提升测量精度，尤其是满足了家庭燃气计量表小流量时的测量精度要求。示例性的：在一个流量测量实例中，进口流量为0.016m3/h，根据现有的计量装置，计量通道140的截面积为198mm2，测得超声波顺流飞行时间与逆流飞行时间的飞行时间差为18.8ns；采用本发明设计方案后，测量段120的流通面积(计量通道140在测量段120处的截面积)为180mm2，测得超声波顺流飞行时间与逆流飞行时间的飞行时间差为22ns，相比现有技术，飞行时间差增加了17％，相应的流量测量精度也有了提升。
参照图1，根据本发明的一个实施例，在测量段120内相对换能器的另一侧(如图1所示测量段120的下侧)形成有用于反射超声波的反射凸台150，反射凸台150向计量通道140轴心方向凸出，使得反射凸台150所在测量段120部位的流通面积变小，以使流体流经测量段120时的面速度增加；其次，利用反射凸台150对气流中灰尘、小颗粒物的阻挡、反弹，起到自吹扫、自清洁的效果，有效改善测量段120中细小颗粒、灰尘和尘埃等污染物的沉积问题，保证测量精度的同时延长计量装置的使用寿命。优选的：反射凸台150相对于所述测量段120内表面的凸起高度为H，1mm≤H≤3mm，在H＜1mm时，进流段110与测量段120的流通面积差值太小，导致测量段120中流体面流速的增值过小，不利于本发明目的的实现，在H＞3mm时，增加面流速的同时也对流体形成了较大的流通阻力，易导致计量通道140内流体流场紊乱，影响测量精度，故限定H在1mm～3mm范围内，可选的：H为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm等。
根据上述的实施例，反射凸台150包括呈平面的反射部151，发射振子200发射的超声波经反射部151反射至接收振子300，同理，接收振子300发射的超声波也能经反射部151反射至发射振子200，超声波在光滑、平整度高的反射部151上进行反射，减少超声波的漫反射，使得绝大部分的超声波经反射部151反射后都能处于接收振子300的接收范围，由此提高测量精度，增加了测量准确性。优选的：发射振子200和接收振子300对称分布于反射部151中线两侧，使得发射振子200侧和接收振子300侧的流体面流速基本保持一致，由此测得的飞行时间差更加准确，利于提升计量精度；上述反射部151的长度为L1，发射振子200和接收振子300的间距为L2，L1≥L2，至少能够保证流体在流经计量通道140位于发射振子200和接收振子300之间区域，也即超声波V形传播路径所在区域时能获得稳定地且大于进流段110的面流速，使得计量装置的计量更加准确和稳定。
根据上述的实施例，发射振子200发射的超声波传播路径与接收振子300接收的超声波传播路径之间形成夹角θ，30°≤θ≤120°，在θ＜30°时，发射振子200和接收振子300间距过小，不仅安装不便，而且存在信号干涉的问题；在θ＞120°时，要满足测量精度要求，就需要增加反射部151的长度，使得计量装置的壳体100体积增大，增加成本且不利于安装，故限定θ在30°～120°范围内，可选的：θ为30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°、120°等。
根据上述的实施例，反射凸台150的设置增加了流体的流动阻力，尤其是反射凸台150靠近进流段110的一侧与流体的撞击产生的涡流会影响到计量精度，为此，本实施例在反射凸台150上靠近进流段110的一侧设置斜坡状的进流过渡部152，反射部151与进流过渡部152圆弧过渡连接，进流过渡部152起到流体缓冲作用，使流体由进流段110向测量段120平稳过渡，减少反射凸台150靠近进流段110一侧产生的涡流现象，进而减小计量通道140内流场不稳定变化对计量精度的影响。具体的：上述斜坡状的进流过渡部152可以是斜面或者带有一定弯曲度的弧面，进流过渡部152相对于反射部151的倾斜角度为α，30°≤α≤60°，在α＜30°时，进流过渡部152趋于平坦，减弱了反射凸台150的自吹扫、自清洁效果，在α＞60°时，进流过渡部152对流体造成较大阻力，易形成涡流，故限定α在30°～60°范围内，可选的：α为30°、35°、40°、50°、55°、60°等。
根据上述的实施例，出流段130的流通面积为S3，S2＜S3，测量段120位于进流段110与出流段130之间，壳体100形成两端较宽中间较窄的结构，测量段120与出流段130之间连接有斜坡状的出流过渡部153，使流体由测量段120向出流段130平稳过渡，增加出流段130输出流体的平稳度。
本发明实施例中的反射凸台150由测量段120侧壁内凹形成，即反射凸台150与壳体100一体成型，结构设计简单，易于实现，而且能缩小计量装置壳体100体积，易于安装。其它实施例中，计量装置的壳体外形不做改变，在壳体内壁上单独设置反射凸台亦可满足本发明的需求。
根据本发明设计原理可知，本实施例中反射凸台与换能器相对设置仅仅是一种优选方案，其它实施例中，测量段安装换能器的一侧向计量通道内凹陷，或者是测量段相对两侧均向向计量通道内凹陷形成，换能器安装于其中一侧，这样的方案都可以达到本发明的目的，即测量段的流通面积S2小于进流段的流通面积S2，进而提升测量精度，尤其满足了小流量情况下的测量精度要求。
本发明上述实施例应用于超声波计量表，超声波计量表包括基表，基表上设有流体进口端和流体出口端，通常的，在流体进口端安装有控制阀，超声波计量表使用中出现异常状态时可通过控制阀切断进气，以保证使用安全，超声波计量装置优选安装在流体出口端，控制阀和超声波计量装置互不干涉，既实现对燃气的精确计量，也保证控制阀的工作可靠性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (10)
1.超声波计量装置，包括壳体和设置在所述壳体上的换能器，所述壳体内设有供流体通过的计量通道，其特征在于，所述壳体沿流体流通方向形成进流段和测量段，所述换能器包括发射振子和接收振子，所述发射振子和所述接收振子安装在所述测量段同一侧，以使超声波的传播路径呈V形，所述进流段的流通面积为S1，所述测量段的流通面积为S2，其中，S2＜S1。
2.如权利要求1所述的超声波计量装置，其特征在于，所述测量段内相对所述换能器的另一侧形成有用于反射超声波的反射凸台。
3.如权利要求2所述的超声波计量装置，其特征在于，所述反射凸台包括呈平面的反射部，所述发射振子发射的超声波经所述反射部反射至所述接收振子，所述反射部的长度为L1，所述发射振子和所述接收振子的间距为L2，其中，L1≥L2。
4.如权利要求3所述的超声波计量装置，其特征在于，所述发射振子和所述接收振子对称分布于所述反射部中线两侧。
5.如权利要求3所述的超声波计量装置，其特征在于，所述反射凸台上靠近所述进流段的一侧具有斜坡状的进流过渡部，所述反射部与所述进流过渡部圆弧过渡连接。
6.如权利要求5所述的超声波计量装置，其特征在于，所述进流过渡部相对于所述反射部的倾斜角度为α，其中，30°≤α≤60°。
7.如权利要求2所述的超声波计量装置，其特征在于，所述反射凸台由所述测量段侧壁内凹形成。
8.如权利要求2至7之一所述的超声波计量装置，其特征在于，所述反射凸台相对于所述测量段内表面的凸起高度为H，其中，1mm≤H≤3mm。
9.如权利要求2至7之一所述的超声波计量装置，其特征在于，所述发射振子发射的超声波传播路径与所述接收振子接收的超声波传播路径之间形成夹角θ，其中，30°≤θ≤120°。
10.如权利要求1至7之一所述的超声波计量装置，其特征在于，所述壳体还包括出流段，所述出流段的流通面积为S3，其中，S2＜S3，所述测量段位于所述进流段与所述出流段之间，所述测量段与所述出流段之间连接有斜坡状的出流过渡部。
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| CN (1) | CN108871475A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110487342A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-11-22 | 广东美的白色家电技术创新中心有限公司 | 流量计管道及具有其的流量计装置 |
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| CN103201599A (zh) * | 2010-11-10 | 2013-07-10 | 松下电器产业株式会社 | 超声波流量计量装置 |
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2018
- 2018-05-04 CN CN201810418864.3A patent/CN108871475A/zh active Pending
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