CN114766004A - 超声波水表 - Google Patents

Abstract

本发明的超声波水表作为直管连接超声波传感器的结构，是使用测量管的全电子式水表，测量管使得在水管中可能产生的空气层的影响最小化并且因为在测量管路内部没有因水流动的位置导致的路径差，所以测量信赖度高，本发明涉及一种超声波水表，其具有智能计量器的功能，具有可将用水的使用量信息和表示计量器的运转状态和使用状态的信息显示在计量器的信息显示用显示装置(LCD)并提供至远程管理系统的装置。

Description

超声波水表

技术领域

本发明涉及一种超声波水表，利用水通过配管流动时在水中传播的超声波的传播速度在与水的流动方向相同即为正方向时变快，与水流动方向为反方向时变慢的特性，并利用超声波的正方向和反方向的传播时间差来测量自来水的使用量。

背景技术

超声波水表内置具有产生超声波的功能和能感知传播来的超声波的功能的超声波收发器(Ultrasonic Transducer)，包括具有结合配管结构的壳体的传感器模块，以下称为超声波传感器，在配管的一定部分形成测量管路，将2个超声波传感器在水流动的测量管路中直管连接或利用2个反射板，在测量管路形成超声波传播线路，从而一侧的超声波传感器产生超声波，互相相对的超声波传感器接收时分别对测量管路中流动的水的流动和反方向、正方向的传播时间进行测量，利用该时间差求出水的流动速度，并计算和配管的截面积的乘积，从而测量通过配管的水量。

发明内容

超声波的传播速度在常温的空气中为343m/sec，在水中为1480m/sec。超声波传感器间具有测量间隔距离的测量管路内的介质为空气或水。

因此，超声波的传播速度差异大。在超声波速度计量器的测量管路内部填充有一定量以上的空气时，该测量管路内超声波传感器的测量速度可能感知为空气内的速度或水中的速度。以水中的传播速度为基准时，如果感知到空气中的超声波测量速度，则成为不可测量状态，如果感知到水的测量速度，则成为没有信赖度的测量结果。家用水表设置环境各种各样，根据断水逆流等管路的状态或水的流动状态，超声波水表的测量管路内流入空气并对测量产生影响的情况，如果超声波信号脱离感知范围，则作为电子式计量器的超声波水表报告传感器故障状态，或者，如果超声波信号在感知范围内，则作为电子式计量器的超声波水表显示无法信赖的测量值。

以下说明中，如图1-A所示，从前面来看，流入管路20和流出管路21(以下称为连接管路20、21)的中心轴线30向下方形成段差a，在与中心轴线31平行的测量管路14和测量管路14的两端部设置的超声波传感器10、11互相面对并形成直管形，该结构体称为U形测量管，如图1-B所示，从上面来看，连接管路20、21的中心轴线33和测量管路15的中心轴线32形成具有一定倾斜的超声波传感器直管形，该结构体称为X形测量管，在水平的测量管路结合流入管路的部位的连接口称为上流流入口25，测量管路和流出管路的连接口称为下流流出口26。

在水表的小口径用超声波测量管，无法实现配管无变形地构成超声波传感器直管形测量管路，因此有一种反射板型超声波水表，其像U形测量管或X形测量管一样使得管路变形来构成测量管路，或在水平配管的上部设置2个超声波传感器，在传感器下部水平配管的流路将2个超声波反射板以相对的形式设置来构成测量管路。反射板型测量管路的特性和以下说明的X形测量管路的特性并无不同。

对于测量管路内的水流动的路径和测量管路内存在空气层的情况，把握U形测量管和X形测量管表现的特性和问题，欲提出该问题的解决方案。

参考图1，通过流入管路流入的水通过测量管路向流出管路流出时，观察与测量管路内超声波的进行方向相同的水平方向的水的流动，图1的1-A的U形测量管的情况，在测量管路14，上流流入口25和下流流出口26在测量管路14的轴线31的上部位于相同方向，因此测量管路14内水的流动的水平方向的移动距离根据其位置可不同地表示为a1、b1、c1，a1＝L1，b1＝a1+d1，c1＝a1+2d1，在水表的小口径测量管路，d1的值为L1的10％以上无法无视的大值，即使在同样的流速，超声波的传播速度也可根据测量管路14内感知的超声波的传播路径变化，是测量值可能会产生误差的结构。

与之相比，将图1的1-B的X形测量管水平设置时，从上面看X形测量管的测量管路15，上流流入口25和下流流出口26位于测量管路15的轴线32的相反方向，因此测量管路14内水的流动的水平方向的移动距离表示为a2、b2、c2，在配管内与其位置无关相同，a2＝L2+d2，b2＝L2+d2，c2＝L2+d2，因此，测量管路15内没有根据超声波的传播路径的变化，具有优秀的测量性能。

参考图2，通过流入管路流入的水通过测量管路向流出管路流出时，观察水管里有空气层的情况对测量管路的影响。

在水流动的水管设置超声波水表时或在断水逆流等配管产生可能流入空气的影响，在超声波测量管路内产生或存在空气层的情况，或超声波水表的设置位置比水栓高，配管所需的压力低，通过流出口流动的水为少量的情况，以在配管内部形成一定空气层的状态，可能会产生水仅向配管的下部流动的情况。这样的情况下，在配管水平设置超声波测量管的如图2的2-A所示，X形测量管的情况，根据空气层的大小可能会成为无法测量的状态或获得无法信赖的测量值。如图2的2-B所示，U形测量管路14的情况，水通过流入管路20和流出管路21向空气层下流动的情况，成为水充满测量管路14的状态，从而在配管产生空气层的情况也表现出优秀的测量性能。

在超声波传感器对应并面对的直管形测量管路，在U形测量管或X形测量管的形态下，可以得知，U形测量管虽然在配管有空气层的情况优秀，但在测量管路14内产生根据位置的水流的路径差，X形测量管虽然在测量管路15内没有根据位置的水流的路径差，但在配管有空气层的情况产生测量问题。理想地，水管经常有高水压，因此即使内部产生空气层，使用自来水时空气排出，配管内充满水的状态为正常，但现实上经常并非如此。就叶轮驱动型的机械式水表而言，计量器在管路有空气流动的情况也识别为运转，但电子式超声波计量器通过感知超声波传感器异常并报告故障状态，如果空气从正常的水流管路内排出，则转换为正常状态，从而给使用者带来混乱。

本发明作为解决如上所述的问题的方案，提供一种超声波水表，如图3的3-A所示，将超声波测量管的结构构成连接管路20、21和测量管路15，以U形测量管的形态获得上部结构，下部的超声波测量管路15获得X形测量管的测量管路的形态，如图3的3-C所示，从正面看时，测量管路15和连接管路20、21形成下方段差a，从而解决配管内的空气层的问题，如图3的3-B所示，从上面看时，连接管路的中心轴线18和测量管路的中心轴线19形成一定扭角θ，将测量管路16的上流流入口25和下流流入口26设置于测量管路16的两侧面端部，从而通过测量管路15内没有水流的路径差的测量管提高信赖度。

本发明的超声波水表作为直管连接超声波传感器的结构，是使用测量管的全电子式水表，测量管使得在水管可能产生的空气层的影响最小化并且因为在测量管路内部没有因水流动的位置导致的路径差，所以测量信赖度高，能够实施这样一种超声波水表，其具有智能水表的功能，具有可以将用水的使用量信息和表示计量器的运转状态和使用状态的信息显示在计量器的信息显示用显示装置(LCD)并提供至远程管理系统的通信装置。

附图说明

图1表示在1-A的U形超声波测量管的测量管路14和1-B的X形超声波测量管的测量管路15内根据上流流入口25和下流流出口26的位置在测量管路内部流动的水的路径。

图2表示在2-A的连接管路20、21和测量管路15形成水平的X形测量管和2-B的连接管路20、21和测量管路14具有段差a的U形测量管的测量管路14中在连接管路形成空气层时测量管路的状态。

图3作为本发明超声波水表的测量管的形态和结合于测量管路的两端部12、13的超声波传感器，3-A是测量管的立体图，3-B是从上面看的图，3-C是从正面看的图，3-D是超声波传感器的结合结构的一个例子。

图4中4-A是分为根据本发明的超声波水表的流入部34和测量管路部35、流出管路部36制作的结合结构，4-B表示在4-A的结合结构中，形成于水从流入部34和测量管路部35的结合面和流入管向上流流入口25流动的结合部的水路41的水平截断面38。

图5是5-A中根据本发明的超声波水表的测量管的模样和内置的功能模块图。

标号说明

10、11：超声波收发器(Ultrasonic Transducer)

12、13：超声波传感器结合口 14：U形测量管路 15：X形测量管路

16：O形环 17：超声波收发壳

18：连接管路(20+21)的中心轴线 19：测量管路的中心轴线

20：流入管路 21：流出管路

22：流入管路的向下曲部 23：流出管路的向下曲部

25：测量管路的上流流入口 26：测量管路的下流流出口

27、28：测量管的分离制作时切断部

30：流入部法兰 31、32：测量管路部法兰 33：流出部法兰

34：流入部 35：测量管路部 36：流出部

37：切断27时向下曲部的横截面图

38：使得37变形的产品的向下水路的横截面图

41：从流入管向上流流入口流动的上流水路

42：从下流流出口向流出管流动的下流水路

a：连接管路20、21和测量管路的高度差(段差)

具体实施方式

超声波水表中在管路流动的流体为水，流量为Q＝A*V。

A＝流体流动的管路的截面积，V＝流体的速度

测量管路15内超声波传感器10、11之间的距离＝L，从上流侧超声波传感器10向下流侧超声波传感器11的超声波传播速度＝T12，从下流侧超声波传感器11向上流侧超声波传感器10的超声波传播速度＝T21，如果说△T＝T21-T12，则V＝L/2*(1/T12-1/T21)＝L/2*(T21-T12)/T12*T21＝L/2*△T/(T12*T21)，速度V是计算值的绝对值。得知超声波水表中测量管路15的截面积A和超声波传感器之间的距离L，测量超声波传感器10、11之间的超声波传播时间T12、T21则可以计算出流量。

测量管路15的口径A和长度L由根据连接超声波测量管的水管的口径的最大流量、最小流量的规格条件和使用的超声波传感器的口径及超声波传播特性和电子部的电子线路和运用软件的处理能力而决定。根据流速的变化的速度V的变化越大，越可进行精密地测量，因此测量管路15的口径在可能范围内比连接的水管的口径较小地决定。

参照图3对本发明超声波水表的测量管进行说明，在测量管路15的上流侧侧面有上流流入口25，在与其对应的下流侧侧面有下流流出口26，连接的轴线18在直线上的流入管路20和流出管路21如图3-C的正面图所示，沿水平高度方向与测量管路15形成段差a，如图3-B所示，从上面看时测量管路的轴线19和连接管路的轴线18形成一定扭转角θ。扭转角θ根据测量管路的口径可决定为10度至50度以内的值。流入管路向下的同时，形成朝向测量管路15的侧面的上流流入口25的弯曲管路22并与测量管路15的上流流入口25连接，流出管路21向下的同时，形成朝向测量管路15的侧面的下流流出口26的弯曲管路23并与测量管路15的下流流出口26连接。通过如上的方法制作的本发明超声波水表表现出图3-A的完成的模样，在测量管路15的两端部的超声波传感器插入口12、13，如图3-D所示，如果利用O形环16和超声波收发器10、11结合的壳17，为了防水而结合，则完成超声波测量管路。

如图3-A所示设计的超声波测量管可由黄铜管、不锈钢管等金属的材料，或高硬度塑料材料制造，流入管路20和测量管路15、流出管路21和测量管路15之间形成有弯曲管22、23，因此为了制造过程的生产性提高，如图4-A所示，为了使得各零部件没有弯曲管，如果分离制作为流入部34、测量管路部35、流出部36并结合的结构，则在模具的制作或注塑及加工过程中可减少制作费并提高生产性。分离制作的测量管以图3-C的测量管路15的上流侧截断线27和下流侧截断线28为基准面截断，在各部分分为没有弯管部的零部件，在各截断部形成法兰30、31、32、33，如图4-A所示，如果分为流入部34、测量管路部35、流出部36制作，则流入部34和流出部36可共有相同的形状。如果以上流侧截断线27和下流侧截断线28为基准面截断，则测量管路部的向下曲管部25、26的水平截面图为图4-B的37所示的截断面的水路形状，因此为了制造过程的便利，结构变形为图4-C的38所示的水路形态。

如果如上所述制造超声波测量管，则超声波传感器的信号线与电子线路连接，通过电子线路部和内置的运用软件的操作检测出测量管路内的水流的速度，收集通过管路的水量信息及超声波传感器有无异常、漏水、超负荷、未使用状态等的信息并在显示部(LCD)显示，以及通过有、无线通信装置提供至远程查表系统，如此具有全电子式智能水表的功能。

工业上利用可能性

本发明的水表可以说是接收从上水道设施提供的饮用水的供给的所有家庭中使用的品类。

Claims (3)

1.一种超声波水表，具有与水管连接的超声波测量管，利用水内超声波的传播速度来测量通过管道的水量，其特征在于，

a.测量管具有测量管路、流入管路和流出管路；

b.测量管路构成为直线管路，在两侧端部，超声波传感器以对应且直管的结构插入并紧密连接，流入管路及流出管路与测量管路向下方形成段差(a)，连接流入管路和流出管路的连接轴线形成直线，连接轴线和测量管路的轴线在上面看时，形成10度至50度的一定扭转角；

c.流入管路形成向下曲管，与测量管路的上流侧端部的侧面的上流流入口连接，流出管路形成向下曲管，与测量管路的下流侧端部的上流流入口的相反侧的侧面的下流流出口连接；

利用测量管路内的水流动方向和超声波进行方向为反方向时和正方向时的时间来测量水量。

2.根据权利要求1所述的超声波水表，其特征在于，

如图4的4-A所示，超声波水表具有分为流入部(34)、测量管路部(35)、流出部(36)的零部件制作并结合的结构。

3.根据权利要求1所述的超声波水表，其特征在于，

连接超声波水表的测量管的流入管路和流出管路的轴线在直线上并和测量管路向下方形成段差，连接至测量管路的流入管路的流入部和连接至测量管路的流出管路的流出部分别在测量管路的两端部以与水平方向的相反侧侧面相对应的形式形成。

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