CN110793580B - 一种超声波水表测量段两侧的圆弧过渡结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声波水表测量段两侧的圆弧过渡结构，包括测量细管段，所述测量细管段的两侧分别连接有粗管段，所述测量细管段的两侧分别通过缩径段和扩散段与粗管段相接，所述扩散段和缩径段的横截面曲线由以下方程定义：
Figure DDA0002262241530000011
Figure DDA0002262241530000012
其中，R0为所述测量细管段的内管半径，R1为所述粗管段的内管半径，L为扩散段或缩径段的总长，R为扩散段或缩径段中相距粗管段x距离处的点与对称轴的距离，m和n为常数；其优点为，可以根据不同的使用场景，变动曲线的形状，自由灵活。

Description

一种超声波水表测量段两侧的圆弧过渡结构
技术领域
本发明涉及水表，尤其涉及一种超声波水表测量段两侧的圆弧过渡结构。
背景技术
超声波流量计是最具发展前景的新技术流量计，其测量原理是依据流体运动对超声波脉冲的信号调制作用，通过检测信号的变化得到流体体积流量。由于超声波流量计测量段内部无障碍物，并且管道的压力损失小，使得与传统流量计相比有许多优势。
由于超声波流量计直接测得量为换能器对射线上线的平均速度，需通过流量修正系数换算得到流体体积流量，因此超声波流量计安装条件应为管道内流场充分发展的流动。由于实际安装效应的存在，特别是测量段上游平面弯管、阀门等阻流件等会影响管道内流场分布，导致测量段流场出现非理想分布，从而会降低流量测量准确度。超声波流量计的安装条件是管道内流体流型为轴对称分布，即只存在平行于管道轴线方向的速度，而不存在垂直于轴线方向上的速度分量，也就是测量段流场达到充分发展的直管流动。由于实际应用场合安装效应的存在，很难实现设计的计量准确度。
在超声波水表测量段使用缩径可以起到整流的作用，提高流场的稳定性，消除或削弱安装效应的不利影响，实现高精度测量。同时缩径可以有效提高超声波水表对小流量的测量，提高水表的实测范围。使用缩径还可以降低超声波束的声程，降低能耗，提高超声波水表的使用年限。
目前超声波水表缩径普遍采用线性缩径，少数采用了维多辛斯基曲线进行缩径。线性缩径即收缩段管径均匀变小，测量段管径保持不变，扩散段管径均匀变大。这种直线缩径形式结构简单，制作难度小，因此被普遍采用。但收缩段与测量段、测量段与扩散段之间不能圆滑过渡，容易产生局部流场扰动，在收缩段容易产生流动分离，造成能量损失和流动脉动增加，流场稳定性相对较差，不利于高精度测量；维多辛斯基曲线方程只与测量段和测量段之前的粗管段内径相关，两段的内径确定则该曲线就随之确定，当使用要求变化但管径不变时，则该曲线无法根据使用要求的变化而做出相应的调整，如需要缩径段前部快速窄缩后段缓慢收缩的场景时，需要更改相应管径或者重新寻找一条适合的曲线，需要耗费相当大的人力物力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够适应不同使用环境的超声波水表的缩径结构。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种超声波水表测量段两侧的圆弧过渡结构，包括测量细管段，所述测量细管段的两侧分别连接有粗管段，所述测量细管段的两侧分别通过缩径段和扩散段与粗管段相接，所述扩散段和缩径段的横截面曲线由以下方程定义：
Figure BDA0002262241510000021
其中，R0为所述测量细管段的内管半径，R1为所述粗管段的内管半径，L为扩散段或缩径段的总长，R为扩散段或缩径段中相距粗管段x距离处的点与对称轴的距离，m和n为常数。本曲线函数通过m和n的调整可以生成一系列的曲线，在这一系列的曲线中可以挑选出适应于相应使用场景的曲线，而且曲线的生成是受到缩径段或扩散段的的长度决定的，可以适应不同缩径段或扩散段长度的曲线。
相比上述方案更进一步的改进，所述m＜1，n＞1时，所述缩径段和扩散段的两端过渡圆滑而中段较快。
相比上述方案更进一步的改进，所述m＝0.4，n＝5时，水流在所述窄缩段处的波动情况和压力损失较小。
与现有技术相比，本发明的优点是，余弦函数从零开始的半个周期的曲线和缩径段的曲线结构相似度比较高，都是两端斜率小且变化缓慢而中间变化较快；同时余弦函数中引入缩径段和扩散段的长度，使得所述缩径段和扩散段的长度可以根据实际应用场景不同而变化的同时，不用担心过渡曲线不适应该使用场景；通过m和n的变化对曲线进行调整可以获得不同的曲线，如头端过渡快而尾端过渡圆滑、头端和尾端都过渡圆滑等；本专利的曲线过渡相比直线过渡具有过渡圆滑、测量精度高且能根据实际需求进行快速更改的优点。
附图说明
图1为本发明的缩径段的结构示意图。
图2为当m＝1，n＝1时的缩径段曲线渐变速率的变化图。
图3为当m＝1，n＝1时的缩径段示意图。
图4、图5和图6分别为m＝1时，n＝0.5、1.5和2时的缩径段示意图。
图7为m＝1时，n＝0.5、1.5和2时，渐变系数的变化图。
图8、图9、图10分别为n＝1时，m＝0.5、1.5和2时的缩径段示意图。
图11为n＝1时，m＝0.5、1.5和2时，渐变系数的变化图。
图12为m＝0.4，n＝5时，本发明的缩径段和扩散段的结构。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
图12为一种超声波水表测量段两侧的圆弧过渡结构，包括测量细管段，所述测量细管段的侧壁上设置有斜向突起的安装台，所述安装台用于安装换能器，所述换能器用于对测量细管段内的水流就行超声波检测以获得管内的流量。
所述测量细管段的两侧分别连接有粗管段，所述粗管段的直径比测量细管段的直径小。所述粗管段用于和水表两端的水管相接。所述测量细管段的两侧分别通过缩径段和扩散段与粗管段相接过渡。
所述扩散段和缩径段的横截面曲线由以下方程定义：
Figure BDA0002262241510000031
Figure BDA0002262241510000032
其中，R0为所述测量细管段的管内半径，R1为所述粗管段的管内半径，L为扩散段或缩径段的总长，R为扩散段或缩径段中相距粗管段x距离处的点与对称轴的距离，m和n为可以常数可以根据需要进行变更。
R0、R1、L由超声波水表的内部结构所决定，而m和n根据超声波检测传感器或算法对缩径段和扩散段的过渡结构的要求进行相应选择。
在该曲线方程中：m为余弦函数中轴向比例的指数，因此m控制过渡结构轴向方向上的渐变速率；n的大小控制了
Figure BDA0002262241510000033
的大小，影响(R1-R0)的大小，因此n控制半径方向上的渐变速率。通过调节系数n和m的大小，可以得到一系列的具有不同渐变速率的过渡曲线。
本曲线函数通过m和n的调整可以生成一系列的曲线，在这一系列的曲线中可以挑选出适应于相应使用场景的曲线，而且曲线的生成是受到缩径段或扩散段的的长度决定的，可以适应不同缩径段或扩散段长度的曲线。
令渐变系数
Figure BDA0002262241510000034
为了表达系数m、n的取值对渐变系数的作用，以下举例展示系数m、n对于圆弧过渡曲线的影响。因缩径段和扩散段的结构相互对称，下文仅探讨m和n对于缩径段的影响。
当m＝1，n＝1时，缩径由R1渐变到R0的过渡曲线的渐变系数如图2示。
系数m＝1，n＝1时对应的缩径样式如图3所示。
其中系数n控制渐变系数在径向方向上的变化速率。当n＜1时，渐变系数α在起始端(R1端)变化速率加快，在结束端(R0端)变化速率减慢。
当m＝1，n＝0.5时的缩径样式如图4所示。这种缩径在结束端的变化较为缓慢，过渡更为平滑，适合于超声波测量对起始端流场湍动不敏感的情况。
当n大于1的时候，渐变系数α在起始端(R1端)变化速率较慢，即过渡更加细腻顺滑，在结束端(R0端)变化速率略有加快。系数n越大时这种趋势就越明显。
当m＝1，n＝1.5时，缩径形式如图5所示，这种缩径在起始端的渐变速率较慢，过渡平滑，而在结束端变化较快。这种缩径适合于超声波测量对缩径段的结束端流场湍动不敏感的情况。
当m＝1，n＝2时，缩径形式如图6所示。较之n＝1.5的情况，n＝2时在起始端过渡更加缓慢顺滑(对渐变速率减弱的力度更大)。
m＝1，n分别为0.5、1、1.5、2时，渐变系数α沿径向的变化速率对比图如图7所示。图7表明n＜1时渐变系数在结束端变化更为缓慢，而n＞1时渐变系数在起始端变化更为缓慢，其随着系数的增加，放缓的力度更大，过渡更加平滑。
系数m作用在
Figure BDA0002262241510000041
上，因此控制渐变系数α在缩径轴向(L方向)上的变化率。
当m＜1时，渐变系数α在近R1端变化速率较快，在近R0段变化速率较慢，整体缩径呈喇叭状，起始端缩径较快。这种缩径方式流场截面变化快，起始端过渡不够圆滑。但这种缩径方式对流场流动速度加速快，对一些应用，如喷嘴，有比较好的加速效果。应用在超声波测量时，当m过小时，这种缩径方式在起始端有可能会产生局部涡流，但是在结束端，即缩径出口端能很好的整直流场。
当m＝0.5，n＝1时，缩径样式如图8所示。
当m＝1.5，n＝1时，缩径形式如图9所示。
当m＝2，n＝1时，缩径形式如图10所示。其在起始端渐变更加缓慢，平滑的力度更强。
当m＞1时，渐变系数α在近R1端变化速率较慢，过渡平缓，在近R0段截面积缩小速度加快。m越大时这种趋势越明显。
n＝1，m分别为0.5、1、1.5、2时，渐变系数α沿径向的变化速率对比图如图11所示。
由以上分析可以看出，系数n控制半径方向上的渐变速率，系数m控制缩径轴向方向上的渐变速率。
m和n＜1时，起始端(R1端)截面积缩小较快，渐变系数变化速率快；缩径段的结束端(R0端)截面积减小慢，过渡较平缓。
m和n＞1时，起始端(R1段)变化平缓，结束端(R0端)变化较快。
其中系数m比系数n对于过渡系数α变化速率影响较大。
实际使用过程当中若只调整m或只调整n时，则只对起始端或只对结束端的过渡曲线产生较大作用，这种缩径方法适用于超声测量只对一端的流场波动敏感的情况，只需对缩径的一端进行圆滑过渡。
当需要起始端和结束端都有圆滑的过渡时，则需要合理配置系数m和n的取值，使得缩径段的两端(进口和出口端)均有圆滑的过渡，而中间过渡稍快。
为了得到符合这样规律的缩径形式，取m＜1，n＞1的一组系数组合λij(＝mi,nj)，其中m＜1，n＞1。
通过计算流体动力学(CFD)方法，对比不同m和n系数组合时流场的波动情况(如对比湍流强度、观察局部流场矢量图)和造成的压力损失，综合评定，择出最优的m和n系数分别为0.4和5，从而获得了适合于超声波水表测量段最佳缩径方式。即：
Figure BDA0002262241510000051
由此可得到超声波水表缩径段两端均缓慢平滑过渡的缩径形式。超声波水表扩散段可采用与收缩段镜像对称的缩径方式获得，即渐变系数为
Figure BDA0002262241510000052
由此可得到理想的超声波水表渐变形式如图12所示。
如图12所示，当m＝0.4，n＝5时，即可以达到缩径进出口均能圆滑过渡，避免产生局部涡流影响超声测量。当超声测量对于缩径进口端和出口端的流场湍动均敏感时，本发明提供了一种行之有效的，动态的缩径方法，较之单一固定的缩径形式具有较大的优势。
本发明提供的超声波水表测量段缩径方法，通过调整m和n的系数改变渐变速率，可以得到一系列不同特征的缩径，可适用于不同的应用场景(如只对一端流场敏感、对两端流场均敏感)。使用时可根据应用场景先确定系数m和n的取值范围，再细化m和n的具体取值，通过正交实验选择出特征(m，n)组合，通过计算流体动力学(CFD)方法，对比不同m和n值时流场的波动情况(如对比湍流强度、观察局部流场矢量图)和造成的压力损失，综合评定，选出最优的m和n系数，从而获得最佳缩径方式。

Claims (2)

1. 一种超声波水表测量段两侧的圆弧过渡结构，包括测量细管段，所述测量细管段的两侧分别连接有粗管段，所述测量细管段的两侧分别通过缩径段和扩散段与粗管段相接，其特征在于，所述扩散段和缩径段的横截面曲线由以下方程定义：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；其中，R0为所述测量细管段的内管半径，R1为所述粗管段的内管半径，L为扩散段或缩径段的总长，R为扩散段或缩径段中相距粗管段x距离处的点与对称轴的距离，其中，对称轴为扩散段或缩径段的中轴线，m和n为常数，所述m＜1，n＞1。
2.如权利要求1所述的一种超声波水表测量段两侧的圆弧过渡结构，其特征在于，所述m=0.4，n=5。
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