CN111561976A - 全零截面检测流道结构的气体超声流量计及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全零截面检测流道结构的气体超声流量计及其检测方法，气体超声流量计包括截面呈圆形的气体流道，在气体流道上至少布置两对的声道，在声道内设置超声换能器组件，每一对的两个超声换能器组件交替发射和接收超声波，超声波发射后在气体流道内经过管壁两次反射后由该对的另一个超声换能器组件接收，超声波的路径在气体流道径向截面上的投影呈三角形。本发明超声波的路径在气体流道径向截面上的投影呈三角形，能覆盖整个管道内的气流，从而能均匀检测管道内气体流速，大大降低涡流对测量精度的影响，提高了流量计的精度与稳定性；并且至少两对声道在圆周方向上错开布置，更提高了流量计的线性、流量范围和精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种全零截面检测流道结构的气体超声流量计及其检测方法。
背景技术
随着我国西气东输全面开展，天然气作为城市民用燃气大规模使用，在天然气贸易计量时，传统燃气表存在计量精度低，流量范围小，可动部件多，使用寿命短等缺点，越来越不适用燃气贸易结算。
传统超声流量计声道路径以平行布置或交叉布置为主，计量精度低（1.5级），流量范围小（目前市场上为10～100m3/h）。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种全零截面检测流道结构的气体超声流量计及其检测方法，该全零截面检测流道结构的气体超声流量计设计合理，有利于提高流量计精度与稳定性。
本发明全零截面检测流道结构的气体超声流量计，其特征在于：包括截面呈圆形的气体流道，在气体流道上至少布置两对的声道，在声道内设置超声换能器组件，每一对的两个超声换能器组件交替发射和接收超声波，超声波发射后在气体流道内经过管壁两次反射后由该对的另一个超声换能器组件接收，超声波的路径在气体流道径向截面上的投影呈三角形。
进一步的，上述声道上具有安装超声换能器组件的安装孔，其中每一对超声换能器组件一个安装孔轴线在气体流道正视方位上其入射角为51°±3°，在气体流道俯视方位上其入射角为35°±2°，每一对超声换能器组件中另一个的安装孔轴线在正视方位上其入射角为0°±3°，在俯视方位上其入射角为55°±2°。
进一步的，上述声道上具有安装超声换能器组件的安装孔，其中每一对超声换能器组件一个安装孔轴线在气体流道正视方位上其入射角为51°，在气体流道俯视方位上其入射角为35°，每一对超声换能器组件中另一个的安装孔轴线在正视方位上其入射角为0°，在俯视方位上其入射角为55°。
进一步的，上述超声波的路径在气体流道的管壁内两次反射，在三维空间内呈“Z”型走向。
进一步的，两对以上的声道在气体流道的圆周方向上均匀或非均匀布置，相邻对之间在圆周方向上具有圆周夹角。
进一步的，上述超声换能器组件包括设在护套中的超声波换能器和连接在护套上端的换能器连接套，所述护套周部上开设有至少二个的压力平衡孔。
进一步的，上述换能器连接套的中心部具有穿过超声波换能器导线的中心孔，所述中心孔内灌注有抗干扰用的硅胶。
进一步的，上述换能器连接套呈阶梯型管套，其下端部螺纹连接在护套上端的内螺纹上，并且在其下端部螺纹连接有抵靠在护套上表面的止动环，所述换能器连接套上部螺纹连接于台阶状螺接套的下部，所述台阶状螺接套的中心部设有阶梯孔，所述阶梯孔内设有承压器，所述承压器内设有穿孔，所述穿孔内间隙穿有金属导柱，金属导柱与穿孔内表面之间设有陶瓷圈，在承压器外设有套设有第一密封圈，承压器金属导柱下端与换能器伸出硅胶的导线焊接，承压器金属导柱上端与设在台阶状螺接套上部槽底的线路板焊接，所述线路板上方电性连接有插线头，所述插线头与台阶状螺接套上部槽体之间涂覆有胶水。
进一步的，上述台阶状螺接套上部外凸缘下方设有第二密封圈，在台阶状螺接套外周位于第二密封圈下方设有与声道安装孔螺接的外螺纹，所述换能器连接套上部与台阶状螺接套下部之间设有第三密封圈，在超声波换能器与护套之间设有第四密封圈。
本发明全零截面检测流道结构气体超声流量计的检测方法，其特征在于：所述气体超声流量计包括截面呈圆形的气体流道，在气体流道上至少布置两对的声道，在声道内设置超声换能器组件，每一对的两个超声换能器组件交替发射和接收超声波，超声波发射后在气体流道内经过管壁两次反射后由该对的另一个超声换能器组件接收，超声波的路径在气体流道径向截面上的投影呈三角形；检测时，当一对两个超声换能器组件中的第一个超声波换能器I-1发射超声波I，经管道两次反射，到达该对超声换能器组件中的第二个超声换能器I-2，换能器I-2接收超声信号转化为电信号提供给处理器，继而第二个超声换能器I-2发射超声波Ⅱ，经管道两次反射超声波回到第一个超声波换能器I-1并被接收，超声波I与超声波Ⅱ路径相同、传递方向相反，第一个超声波换能器I-1接收超声信号又转化为电信号供处理器计算；每一对声道的两个超声波换能器分别在发射超声波与接收超声波交替进行。
本发明的工作原理：当气体在气体流道（管道）内以一定流速流动时，超声波在流动介质传播时，因声波速度恒定，而超声波在顺流或逆流产生的接收信号的时间差，从而计算出介质的流动速度；综合其管道面积，进而测算出流径流量计的气体流量（上述计算方法为现有技术），本发明气体流道上至少布置两对的声道，每对声道的超声波从一个超声波换能器发射，另一个超声波换能器接收超声信号，并交替进行，发射换能器发射超声信号径流道内壁两次反射后，回到接收换能器，超声波在管道内呈三维“Z”型路径形式，其超声波的路径在气体流道径向截面上的投影呈三角形，能覆盖整个管道内的气流，从而能均匀检测管道内气体流速，大大降低涡流对测量精度的影响，提高了流量计的精度与稳定性；并且至少两对声道在圆周方向上错开布置，更提高了流量计的线性、流量范围和精度。
附图说明
图1是本发明气体超声流量计的主视图；
图2是图1的俯视图；
图3是气体流道安装超声换能器组件的构造示意图；
图4是超声换能器组件的剖面构造示意图；
图5是承压器的剖面构造示意图；
图中4是压力传感器，5是流量积算仪，6是温度传感器，I表示声道I，II表示声道II。
图6-11是该气体超声流量计性能及耐用度的检测报告。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明方法作进一步的详细说明。需要特别说明的是，本发明的保护范围应当包括但不限于本实施例所公开的技术内容。
本发明全零截面检测流道结构的气体超声流量计包括截面呈圆形的气体流道，在气体流道1上至少布置两对的声道，每对声道处于圆形流道的上、下游，声道上具有安装超声换能器组件A的安装孔2，在声道内设置超声换能器组件A，每一对的两个超声换能器组件A交替发射和接收超声波，超声波发射后在气体流道内经过管壁两次反射后由该对的另一个超声换能器组件接收，超声波的路径在气体流道径向截面上的投影呈三角形；上述超声波的路径在气体流道的管壁内两次反射，在三维空间内呈“Z”型走向。
工作时，当一对两个超声换能器组件中的第一个超声波换能器I-1发射超声波I，经管道两次反射，到达该对超声换能器组件中的第二个超声换能器I-2，换能器I-2接收超声信号转化为电信号提供给处理器，继而第二个超声换能器I-2发射超声波Ⅱ，经管道两次反射超声波回到第一个超声波换能器I-1并被接收，超声波I与超声波Ⅱ路径相同、传递方向相反，第一个超声波换能器I-1接收超声信号又转化为电信号供处理器计算；每一对声道的两个超声波换能器分别在发射超声波与接收超声波交替进行。
进一步的，为了设计合理，其中每一对超声换能器组件一个安装孔轴线（也即是支管）在气体流道正视方位上其入射角为51°±3°，在气体流道俯视方位上其入射角为35°±2°，每一对超声换能器组件中另一个的安装孔轴线在正视方位上其入射角为0°±3°，在俯视方位上其入射角为55°±2°。
较佳的是，上述声道上具有安装超声换能器组件的安装孔，其中每一对超声换能器组件一个安装孔轴线在气体流道正视方位上其入射角为51°，在气体流道俯视方位上其入射角为35°，每一对超声换能器组件中另一个的安装孔轴线在正视方位上其入射角为0°，在俯视方位上其入射角为55°，安装孔设置在旁支于气体流道1的支管3，每一对声道的两个支管3在气体流道1轴向上的间距为1.9D±10毫米(D为气体流道的外径)，超声波的路径在气体流道径向截面上的投影呈三角形，并在换能器的超声发射面上能法面方向上发射与接收超声波，达到超声波发射与接收功率最大，在管道反射时抗干扰能力最高，并在流量计整体结构上达到最优化、最稳定。
本发明具有三维“Z”型全截面测量，大大提高流量计性能，对流量计前后直管段要求低，无须整流器等优点，本发明的超声流量计每提升一个声道，计算精度有显著提升，对安装工艺难度也有降低，设备成本降低，为加工、维护带来方便。
以申请公司开发的DN50口径的为HUZ-50超声流量计为例，计量精度0.5级，流量范围为1～250m3/h，经3000小时耐久试验，产品质量达国际顶尖水平（试验数据见附图）。
两对以上的声道在气体流道的圆周方向上均匀或非均匀布置，相邻对之间在圆周方向上具有圆周夹角。
本发明超声换能器组件A包括设在护套A1中的超声波换能器A2和连接在护套上端的换能器连接套A3，所述护套A1周部上开设有至少一个的压力平衡孔A4，通过在护套A1周部壁体上开设压力平衡孔A4，使通过护套A1下端口作用于超声波换能器A2下端的压力，可以通过该压力平衡孔A4泄压，让换能器能平衡压力压力环境下工作，起到保护超声波换能器A2的作用，使其寿命延长至五年或更长，相较于没有设置压力平衡孔A4，延长了使用寿命3-4年。
进一步的，为了降低干扰，上述换能器连接套A3的中心部具有穿过超声波换能器导线的中心孔A5，所述中心孔A5内灌注有抗干扰用的硅胶A6，通过在换能器连接套A3的中心孔A5内灌注有硅胶A6，从而保护了换能器不受反射杂波的影响。
换能器连接套A3呈阶梯型管套，其下端部螺纹连接在护套上端的内螺纹上，并且在其下端部螺纹连接有抵靠在护套上表面的止动环A7，通过护套上端的内螺纹与换能器连接套A3下端部螺纹连接，并通过具有内螺纹的止动环A7锁紧使换能器连接套A3和护套两者固定牢靠，并限定换能垂直位置定位，保证换能器安装精度。
所述换能器连接套上部螺纹连接于台阶状螺接套A23的下部，所述台阶状螺接套的中心部设有阶梯孔A8，所述阶梯孔A8内设有承压器A9，所述承压器A9内设有穿孔A10，承压器A9由金属材料制成，所述穿孔A10内间隙穿有金属导柱A11，金属导柱A11与穿孔A10内表面之间设有陶瓷圈A12，在承压器外设有套设有第一密封圈A13，承压器金属导柱下端与换能器伸出硅胶的导线A21焊接，承压器金属导柱上端与设在台阶状螺接套上部槽底的线路板A22焊接，所述线路板上方电性连接有插线头A14，所述插线头A14与台阶状螺接套上部槽体A16之间涂覆有胶水A15，由于承压器设在台阶状螺接套的阶梯孔A8内，使得气流管道内的压力受到该承压器的抵挡，从而提高各部件的安装稳定性。
进一步的，上述台阶状螺接套上部外凸缘A17下方设有第二密封圈A18，在台阶状螺接套外周位于第二密封圈下方设有与声道安装孔螺接的外螺纹，所述换能器连接套上部与台阶状螺接套下部之间设有第三密封圈A19，在超声波换能器与护套之间设有第四密封圈A20，通过上述各密封圈的作用，使管道内气流不会外溢，该外凸缘A17端面定位在安装孔2口端端面上，第二密封圈A18采用O型密封径向密封，实现换能器组件密封，又不影响定位性能。
本发明全零截面检测流道结构气体超声流量计的检测方法，所述气体超声流量计包括截面呈圆形的气体流道，在气体流道上至少布置两对的声道，在声道内设置超声换能器组件，每一对的两个超声换能器组件交替发射和接收超声波，超声波发射后在气体流道内经过管壁两次反射后由该对的另一个超声换能器组件接收，超声波的路径在气体流道径向截面上的投影呈三角形；检测时，当一对两个超声换能器组件中的第一个超声波换能器I-1发射超声波I，经管道两次反射，到达该对超声换能器组件中的第二个超声换能器I-2，换能器I-2接收超声信号转化为电信号提供给处理器，继而第二个超声换能器I-2发射超声波Ⅱ，经管道两次反射超声波回到第一个超声波换能器I-1并被接收，超声波I与超声波Ⅱ路径相同、传递方向相反，第一个超声波换能器I-1接收超声信号又转化为电信号供处理器计算；每一对声道的两个超声波换能器分别在发射超声波与接收超声波交替进行。
本发明的工作原理：当气体在气体流道（管道）内以一定流速流动时，超声波在流动介质传播时，因声波速度恒定，而超声波在顺流或逆流产生的接收信号的时间差，从而计算出介质的流动速度；综合其管道面积，进而测算出流径流量计的气体流量（上述计算方法为现有技术），本发明气体流道上至少布置两对的声道，每对声道的超声波从一个超声波换能器发射，另一个超声波换能器接收超声信号，并交替进行，发射换能器发射超声信号径流道内壁两次反射后，回到接收换能器，超声波在管道内呈三维“Z”型路径形式，其超声波的路径在气体流道径向截面上的投影呈三角形，能覆盖整个管道内的气流，从而能均匀检测管道内气体流速，大大降低涡流对测量精度的影响，提高了流量计的精度与稳定性；并且至少两对声道在圆周方向上错开布置，更提高了流量计的线性、流量范围和精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种全零截面检测流道结构的气体超声流量计，其特征在于：包括截面呈圆形的气体流道，在气体流道上至少布置两对的声道，在声道内设置超声换能器组件，每一对的两个超声换能器组件交替发射和接收超声波，超声波发射后在气体流道内经过管壁两次反射后由该对的另一个超声换能器组件接收，超声波的路径在气体流道径向截面上的投影呈三角形。
2.根据权利要求1所述的全零截面检测流道结构的气体超声流量计，其特征在于：所述声道上具有安装超声换能器组件的安装孔，其中每一对超声换能器组件一个安装孔轴线在气体流道正视方位上其入射角为51°±3°，在气体流道俯视方位上其入射角为35°±2°，每一对超声换能器组件中另一个的安装孔轴线在正视方位上其入射角为0°±3°，在俯视方位上其入射角为55°±2°。
3.根据权利要求1所述的全零截面检测流道结构的气体超声流量计，其特征在于：所述声道上具有安装超声换能器组件的安装孔，其中每一对超声换能器组件一个安装孔轴线在气体流道正视方位上其入射角为51°，在气体流道俯视方位上其入射角为35°，每一对超声换能器组件中另一个的安装孔轴线在正视方位上其入射角为0°，在俯视方位上其入射角为55°。
4.根据权利要求1所述的全零截面检测流道结构的气体超声流量计，其特征在于：所述超声波的路径在气体流道的管壁内两次反射，在三维空间内呈“Z”型走向。
5.根据权利要求1所述的全零截面检测流道结构的气体超声流量计，其特征在于：两对以上的声道在气体流道的圆周方向上均匀或非均匀布置，相邻对之间在圆周方向上具有圆周夹角。
6.根据权利要求1所述的全零截面检测流道结构的气体超声流量计，其特征在于：所述超声换能器组件包括设在护套中的超声波换能器和连接在护套上端的换能器连接套，所述护套周部上开设有至少二个的压力平衡孔。
7.根据权利要求6所述的全零截面检测流道结构的气体超声流量计，其特征在于：所述换能器连接套的中心部具有穿过超声波换能器导线的中心孔，所述中心孔内灌注有抗干扰用的硅胶。
8.根据权利要求7所述的全零截面检测流道结构的气体超声流量计，其特征在于：所述换能器连接套呈阶梯型管套，其下端部螺纹连接在护套上端的内螺纹上，并且在其下端部螺纹连接有抵靠在护套上表面的止动环，所述换能器连接套上部螺纹连接于台阶状螺接套的下部，所述台阶状螺接套的中心部设有阶梯孔，所述阶梯孔内设有承压器，所述承压器内设有穿孔，所述穿孔内间隙穿有金属导柱，金属导柱与穿孔内表面之间设有陶瓷圈，在承压器外设有套设有第一密封圈，承压器金属导柱下端与换能器伸出硅胶的导线焊接，承压器金属导柱上端与设在台阶状螺接套上部槽底的线路板焊接，所述线路板上方电性连接有插线头，所述插线头与台阶状螺接套上部槽体之间涂覆有胶水。
9.根据权利要求8所述的全零截面检测流道结构的气体超声流量计，其特征在于：所述台阶状螺接套上部外凸缘下方设有第二密封圈，在台阶状螺接套外周位于第二密封圈下方设有与声道安装孔螺接的外螺纹，所述换能器连接套上部与台阶状螺接套下部之间设有第三密封圈，在超声波换能器与护套之间设有第四密封圈。
10.一种全零截面检测流道结构气体超声流量计的检测方法，其特征在于：所述气体超声流量计包括截面呈圆形的气体流道，在气体流道上至少布置两对的声道，在声道内设置超声换能器组件，每一对的两个超声换能器组件交替发射和接收超声波，超声波发射后在气体流道内经过管壁两次反射后由该对的另一个超声换能器组件接收，超声波的路径在气体流道径向截面上的投影呈三角形；检测时，当一对两个超声换能器组件中的第一个超声波换能器I-1发射超声波I，经管道两次反射，到达该对超声换能器组件中的第二个超声换能器I-2，换能器I-2接收超声信号转化为电信号提供给处理器，继而第二个超声换能器I-2发射超声波Ⅱ，经管道两次反射超声波回到第一个超声波换能器I-1并被接收，超声波I与超声波Ⅱ路径相同、传递方向相反，第一个超声波换能器I-1接收超声信号又转化为电信号供处理器计算；每一对声道的两个超声波换能器分别在发射超声波与接收超声波交替进行。
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