CN114323174B - 一种超声波流量计 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超声波流量计，属于超声波流量计技术领域。一种超声波流量计，包括：稳压腔，包括进口稳压腔和出口稳压腔，进口稳压腔设置于测量段外围，出口稳压腔设置在流体出口的前端，进口稳压腔设置在出口稳压腔和流体进口之间；挡流板，设置在流体进口与测量段之间，且内置于进口稳压腔中，避免流体进口处过高流速的流体直接进入测量段；待测量的流体从流体进口进入，由于挡流板的作用使得流体先进入进口稳压腔，稳定后再流入测量段进行测量，测量完成后流体经过出口稳压腔从流体出口流出。该超声波流量计中稳压腔和挡流板协同作用，确保流体流场稳定，进入测量部的流体流速均匀分布，进而获取更高的测量精度。

Description

一种超声波流量计

技术领域

本申请涉及一种超声波流量计，属于超声波流量计技术领域。

背景技术

随着国民经济的发展，科技的进步，工业生产自动化程度的提高，人们对计量产品的需求也在不断增加。计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。在计量科学技术中，流量计量是其中的重要组成部分，它与国民的生产生活、国防的建设发展和科技的研究息息相关。流量计是国民经济中不可或缺的一部分，对产品质量的改进、生产效率的提高、计量科学技术的发展等方面都起到了重要作用。

超声波流量计相比于其他类型的流量计，噪音低，压损小，测量精度高，量程比大，并且容易实现电气化，可以测量大多数气态流体，具有广阔的市场发展前景。现有超声波流量计还存在准确度不够、计量不稳定的缺陷。中国专利CN113670395A公开了一种超声波流量计，通过设置挡块，避免了杂质等附着在换能器的表面，并且，通过设置清理机构和监测机构，能够实现对挡块表面的杂质进行持续清理，避免杂质对测量结果的影响，并且，能够对安装管和换能器之间的密封情况进行实时监控，保证测量结果准确和安全性；虽然该方案确保了测量时的准确性，但没有从根本上解决问题，流体流速不均匀、流场不稳定使得测量时依然无法准确测出不同流体的流量。因此，急需设计一种流体流速分布均匀、流场稳定和检测精度高的超声波流量计。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种超声波流量计，稳压腔和挡流板协同作用，确保流体流场稳定，进入测量部的流体流速均匀分布，进而获取更高的测量精度。

本发明采用如下技术方案：

一种超声波流量计，包括：

流体进口；

流体出口；

测量段，所述测量段一端与流体进口相连，所述测量段另一端与流体出口相连，所述测量段内设置测量件，用于测量经过流体的流量；

稳压腔，包括进口稳压腔和出口稳压腔，所述进口稳压腔设置于所述测量段外围，所述出口稳压腔设置在流体出口的前端，所述进口稳压腔设置在出口稳压腔和流体进口之间，确保通入超声波流量计的流体流速均匀分布；

挡流板，设置在流体进口与所述测量段之间，且内置于所述进口稳压腔中，避免流体进口处过高流速的流体直接进入测量段；

待测量的流体从流体进口进入，由于挡流板的作用使得流体先进入进口稳压腔，稳定后再流入测量段进行测量，测量完成后流体经过出口稳压腔从流体出口流出，整个测量过程受外界干扰小，流体流场稳定，进入测量部的流体流速均匀分布，能够高精度地进行流量测量。

优选地，所述挡流板的横截面积小于进口稳压腔的横截面积，且大于或等于测量段进口的横截面积，避免流体进口的流体直接进入测量段，使其顺利流入进口稳压腔。

优选地，所述挡流板与进口稳压腔相连，所述挡流板与流体进口之间设置第一间隙，所述挡流板与测量段进口之间设置第二间隙，所述第二间隙的高度高于所述第一间隙的高度，便于流体流入进口稳压腔并从进口稳压腔顺利进入测量段。

优选地，所述测量段包括测量部，整流片将所述测量部分割成多个层状流路，使测量部内的流体流场保持在稳定状态；

所述测量段还包括呈喇叭状的稳流部，所述稳流部安装在所述测量部的进口处，使得进入测量部的流体流速均匀稳定。

优选地，所述测量件为超声波换能器，其倾斜安装在所述测量部的上下两侧，用于收发超声波信号；

所述超声波换能器的数量为两个，两个超声波换能器分别倾斜安装在所述测量部的上下两侧，且位于同一条直线上，降低信号衰减，保证良好的信号质量。

优选地，所述挡流板呈机翼状，包括翼板支架和翼板，所述翼板连接在所述翼板支架的四角处，便于流体流过到达目的位置；

所述挡流板的外周端部形成有倒角表面，便于流体顺利流向进口稳压腔。

优选地，所述挡流板与进口稳压腔的顶部相连，所述翼板支架的上表面设置有与进口稳压腔顶部相连的圆柱状凸起，所述凸起分布在所述翼板支架的四角处，确保挡流板连接稳固，且降低扰流。

优选地，所述进口稳压腔包括第一腔室和第二腔室，所述第一腔室的横截面积与所述出口稳压腔的横截面积相同，且小于所述第二腔室的横截面积，稳定流体进口处和流体出口处的流场，降低测量时的干扰。

优选地，所述第一腔室连接在流体进口的末端，所述出口稳压腔设置在所述第二腔室和流体出口之间；

所述挡流板和稳流部内置于所述第一腔室中，所述超声波换能器内置于所述第二腔室中，所述测量部贯通设置在所述第一腔室和第二腔室中，结构合理，降低干扰，提高测量精确度。

优选地，所述整流片呈矩形，且沿流体流向均匀分布在所述测量部的内腔中，所述测量部的横截面积与整流片的横截面积相同，使被测流体更加均匀稳定，从而达到提高气体流量测量精度的技术效果。

本申请能产生的有益效果包括但不限于：

1.本申请所提供的超声波流量计，具有挡流片和稳压腔，使得进入超声波流量计中的流体先在稳压腔中稳定后，再流入测量段进行测量，确保待测流体流速均匀稳定，提高测量精度；挡流片呈机翼状设计，便于流体流过到达目的位置；稳压腔的设计使得到达超声波流量计中的流体流场稳定、流速均匀分布，为流体的高精度测量提供保障。

2.本申请所提供的超声波流量计，挡流板的外周端部形成有倒角表面，便于流体顺利流向进口稳压腔；进口稳压腔设置于测量段外围，出口稳压腔设置在流体出口的前端，进口稳压腔设置在出口稳压腔和流体进口之间，确保通入超声波流量计的流体流速均匀分布；进口稳压腔中第一腔室和第二腔室的设计使得超声波流量计的内部构造更加合理，降低干扰，提高测量精确度。

3.本申请所提供的超声波流量计，具有呈喇叭状的稳流部，使得进入测量部的流体流速均匀稳定；整流片将测量部分割成多个层状流路，使测量部内的流体流场保持在稳定状态。

4.本申请所提供的超声波流量计，两个超声波换能器分别倾斜安装在测量部的上下两侧，且位于同一条直线上，降低信号衰减，保证良好的信号质量，同时合理减少超声波换能器个数，降低成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例涉及的超声波流量计的剖视示意图；

图2为本申请实施例涉及的超声波流量计的结构示意图；

图3为本申请实施例涉及的挡流板的结构示意图；

图4为本申请实施例涉及的挡流板的俯视示意图；

图5为本申请实施例涉及的超声波流量计的侧截面示意图；

图6为本申请实施例涉及的测量段的结构示意图；

图7为本申请实施例涉及的两个超声波换能器间声波的传播模拟图；

图8为本申请实施例涉及的不同气表模型的各声道K系数曲线图；

图9为本申请实施例涉及的不同方案的△K-q_v图。

部件和附图标记列表：

1、流体进口，2、流体出口，3、第一腔室，4、第二腔室，5、出口稳压腔，6、测量部，7、挡流板，71、翼板支架，72、翼板，73、倒角，8、超声波换能器，9、稳流部，10、凸起，11、整流片，12、进口稳压腔。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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申请和简化描述，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申请的限制。

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该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，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，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；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或两个元件的相互作用关系。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申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例1

参考图1和图2，本实施例中的一种超声波流量计，包括：流体进口1；流体出口2；测量段，测量段一端与流体进口1相连，测量段另一端与流体出口2相连，测量段内设置测量件，用于测量经过流体的流量；稳压腔，包括进口稳压腔12和出口稳压腔5，进口稳压腔12设置于测量段外围，出口稳压腔5设置在流体出口2的前端，进口稳压腔12设置在出口稳压腔5和流体进口1之间，确保通入超声波流量计的流体流速均匀分布；挡流板7，设置在流体进口1与测量段之间，且内置于进口稳压腔12中，避免流体进口处过高流速的流体直接进入测量段。

本实施例在使用时，待测量的流体从流体进口1进入，由于挡流板7的作用使得流体先进入进口稳压腔12，稳定后再流入测量段进行测量，测量完成后流体经过出口稳压腔5从流体出口2流出，整个测量过程受外界干扰小，流体流场稳定，进入测量部6的流体流速均匀分布，能够高精度地进行流量测量。

可以理解的，挡流板7的横截面积小于进口稳压腔12的横截面积，且大于或等于测量段进口的横截面积，避免流体进口1的流体直接进入测量段，使其顺利流入进口稳压腔12。

实施例2

参考图1、图3和图4，本实施例中的一种超声波流量计，挡流7呈机翼状，包括翼板支架71和翼板72，翼板72连接在翼板支架71的四角处，便于流体流过到达目的位置；优选地，翼板支架71和翼板72一体成型设置；挡流板7的外周端部形成有倒角73表面，便于流体顺利流向进口稳压腔12；优选地，倒角73为45°倒角73；挡流板7与进口稳压腔12的顶部相连，翼板支架71的上表面设置有与进口稳压腔12顶部相连的圆柱状凸起10，凸起10分布在翼板支架71的四角处，确保挡流板7连接稳固，且降低扰流。

挡流板7与进口稳压腔12相连，挡流板7与流体进口1之间设置第一间隙，挡流板7与测量段进口之间设置第二间隙，第二间隙的高度高于第一间隙的高度，便于流体流入进口稳压腔12并从进口稳压腔12顺利进入测量段。

本实施例在使用时，流体到达第一间隙后经过挡流板7上表面流向进口稳压腔12，进口稳压腔12中流体稳定后，流体进口1持续流入流体，推动进口稳压腔12中流体向测量段进口移动，第二间隙周围的流体经过挡流板7下表面流入测量段。

可以理解的，圆柱状凸起10的高度与第一间隙的高度相同，且低于第二间隙的高度，便于流体流入进口稳压腔12并从进口稳压腔12顺利进入测量段。

实施例3

参考图5和图6，本实施例中的一种超声波流量计，测量段包括测量部6，整流片11将测量部6分割成多个层状流路，使测量部6内的流体流场保持在稳定状态；测量段还包括呈喇叭状的稳流部9，稳流部9安装在测量部6的进口处，使得进入测量部6的流体流速均匀稳定。

测量件为超声波换能器8，其倾斜安装在测量部6的上下两侧，用于收发超声波信号；优选地，超声波换能器8的数量为两个，两个超声波换能器8分别倾斜安装在测量部6的上下两侧，且位于同一条直线上，降低信号衰减，保证良好的信号质量。

进口稳压腔12包括第一腔室3和第二腔室4，第一腔室3的横截面积与出口稳压腔5的横截面积相同，且小于所述第二腔室4的横截面积，稳定流体进口1处和流体出口2处的流场，降低测量时的干扰；第一腔室3连接在流体进口1的末端，出口稳压腔5设置在第二腔室4和流体出口2之间，挡流板7和稳流部9内置于第一腔室3中，两个超声波换能器8均内置于第二腔室4中，测量部6贯通设置在第一腔室3和第二腔室4中，结构合理，降低干扰，提高测量精确度。

本实施例在使用时，流体依次流向第一腔室2和稳流部9，然后进入测量部6，通过超声波换能器8进行测量，测量完成后流体经过出口稳压腔5从流体出口2流出。

可以理解的，整流片11呈矩形，且沿流体流向均匀分布在测量部6的内腔中，测量部6的横截面积与整流片11的横截面积相同，使被测流体更加均匀稳定，从而达到提高气体流量测量精度的技术效果。

可以理解的，第一腔室3和第二腔室4可以连通，也可以不连通；优选地，第一腔室3和第二腔室4不连通，避免流体进入第二腔室4对超声波换能器8的测量过程产生干扰。

实施例4

根据实施例1-3所述超声波流量计的结构及优选设计方案，由于两个超声波换能器8间声波的传播为球面波，为更真实的反映这一状态，在超声波换能器8上以等间距做出7条平行线段作为声道，记声道从左到右依次为line1，line2，line3……line7，通过FLUENT软件可求出不同声道上的线速度，如图7所示。

为了证明本方案的可行性，选用了已有实验值的U型水表进行实流实验验证，对其采用与本超声波流量计相同的网格绘制方案来进行网格的绘制，保证了通过CFD来模拟本方案的结果的真实可靠性。

通过设计比较a、b、c、d、e5种不同的方案的K与△K来找到流场最为稳定的本方案(方案e)，见图8与图9。优化了挡流板7、在测量部6设置整流片11的e方案在所有流量下的K值远大于其它模型，且标准差最小，它的流速分布最均匀、流量特性最佳。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种超声波流量计，其特征在于，包括：

流体进口；

流体出口；

测量段，所述测量段一端与流体进口相连，所述测量段另一端与流体出口相连，所述测量段内设置测量件，所述测量件为超声波换能器；

稳压腔，包括进口稳压腔和出口稳压腔，所述进口稳压腔设置于所述测量段外围，所述出口稳压腔设置在流体出口的前端，所述进口稳压腔设置在出口稳压腔和流体进口之间；

所述进口稳压腔包括第一腔室和第二腔室，所述第一腔室的横截面积与所述出口稳压腔的横截面积相同，且小于所述第二腔室的横截面积；

所述第一腔室连接在流体进口的末端，所述出口稳压腔设置在所述第二腔室和流体出口之间；

挡流板，设置在流体进口与所述测量段之间，且内置于所述进口稳压腔中，避免流体进口处过高流速的流体直接进入测量段；

所述测量段包括呈喇叭状的稳流部和测量部，所述挡流板和稳流部内置于所述第一腔室中，超声波换能器内置于所述第二腔室中，测量部贯通设置在所述第一腔室和第二腔室中；

待测量的流体从流体进口进入，由于挡流板的作用使得流体先进入进口稳压腔，稳定后再流入测量段进行测量，测量完成后流体经过出口稳压腔从流体出口流出。

2.根据权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述挡流板的横截面积小于进口稳压腔的横截面积，且大于或等于测量段进口的横截面积。

3.根据权利要求2所述的超声波流量计，其特征在于，所述挡流板与进口稳压腔相连，所述挡流板与流体进口之间设置第一间隙，所述挡流板与测量段进口之间设置第二间隙，所述第二间隙的高度高于所述第一间隙的高度。

4.根据权利要求3所述的超声波流量计，其特征在于，整流片将所述测量部分割成多个层状流路，使测量部内的流体流场保持在稳定状态。

5.根据权利要求4所述的超声波流量计，其特征在于，所述超声波换能器倾斜安装在所述测量部的上下两侧，用于收发超声波信号；

所述超声波换能器的数量为两个，两个超声波换能器分别倾斜安装在所述测量部的上下两侧，且位于同一条直线上。

6.根据权利要求5所述的超声波流量计，其特征在于，所述挡流板呈机翼状，包括翼板支架和翼板，所述翼板连接在所述翼板支架的四角处；

所述挡流板的外周端部形成有倒角表面。

7.根据权利要求6所述的超声波流量计，其特征在于，所述挡流板与进口稳压腔的顶部相连，所述翼板支架的上表面设置有与进口稳压腔顶部相连的圆柱状凸起，所述凸起分布在所述翼板支架的四角处。

8.根据权利要求7所述的超声波流量计，其特征在于，所述整流片呈矩形，且沿流体流向均匀分布在所述测量部的内腔中，所述测量部的横截面积与整流片的横截面积相同。

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