CN115900855A - 一种适应dn15口径换能器立柱固定对射式超声波水表 - Google Patents

Abstract

本发明隶属于流量计量设备的技术领域，具体为一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表，旨在解决现有技术即对射式超声波DN15口径水表存在的管内水流间隙过小、采用变径转换接头而导致计量量程比低以及与超声波水表技术发展的最优化解决方案六项原则间的差距；通过采取在流量计外管体内两端设置超声波换能器的换能器固定柱，并对换能器固定柱进行上、下高度和方向定位，由此在流量计外管体内形成了一双对射式换能器，对基表管体采用黄铜/不锈钢一体化锻造/铸造成型工艺制造，使管内最小水流间隙大于3mm，方便杂质通过。在给定直通管长度下，使本发明具有计量量程比最大化、始动流量最小化、测量高精度和批量生产高度一致性的特点。

Description

一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表

技术领域

本发明隶属超声波流量计量设备的技术领域，具体涉及一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表。

背景技术

在步入物联网大数据及人工智能与工业自控时代，对于工业及民生水、热、燃气供给计量领域，由全电子模式流量计逐步取代机械式或机电组合模式流量计，已成不可逆转的大趋势。

按照实际应用所需，流体计量行业或场合期待兼容各口径规格范围、低压损、高精度、高可靠性、无磨损器件、耐久性及经济性的标准流量计量器具。目前，在世界范围内全电子流量计量应用最广的为电磁流量计以及后起之秀的超声波流量计。

超声波流量计是伴随其时差计时芯片（2012～2017年，国际上AMS、D-FLOW、TI等公司先后推出了较先进的时差计时芯片，目前，其分辨率都已达到5～10ps，完全满足了水计量应用需求）的技术突破而崛起的。对比电磁流量计，超声波流量计是通过时差数字信号进行采样的（而电磁流量计则是通过模拟信号采样）。以水表为例，它具有突出的技术优势：更小的始动流量（如可测量流速0.8～1mm/s的液体）、更宽的量程比、能以声波主动测量过程时差、换算成流体流速及温度并同步对所计量的体积变化进行补偿（对此，电磁流量计需要安装温度计）、大口径多声道具有更高精度及安全性（电磁流量计只有一对线圈和相应电极，有故障即得报废）、可测量各种低粘度液体（而电磁流量计则不能测量低电导率液体，如纯净水），另外，对于燃气等气体亦可测量/计量（而电磁流量计则不能测量气体流量）。

那么，超声波水表的升级改进的技术发展方向与原则该如何界定，通常，流量计的主要性能指标为计量精度和量程比，计量精度为流量计流量计量值与流量实际值之比，提高流体流动稳定性和批量生产一致性是决定精度的重要条件；量程比为在流量计计量精度保证之下，常用流量与最小流量之比，体现了可精确计量的范围，增大超声波换能器间的有效距离是提高量程比的必要条件。显然，计量精度越高、量程比越大，则流量计的计量性能就越好。

近几年，计量行业对于超声波流量计的实践应用有较大的提升。超声波流量计的构成，除了时差积算电路，还有换能器、换能器安装方式及流道结构等，前者性能决定着可测流量的最小量值，后者整体架构决定着超声波流量计的综合性能和品质。以超声波水表为例，特别是按照水表新标准的约束，业内明确了技术发展方向，其最优化的解决方案应遵循以下原则，归纳如下：

 (1)声程最大化原则：为使超声波水表具有大的量程比，对于超声波水表，特别是应用最普遍的DN15口径，应采用超声波换能器之间声程最大化模式。因为对水表而言，大量程比是贸易结算极其重要的指标，也是水表最主要的技术指标，要使得超声波水表具有大量程比，就应将超声波水表的两个换能器间距连线在主管内水流方向的投影距离最大化，以获得较大的量程比及更小的始动流量，（对于水表，国标于2018年将量程比或称流量比的最大值提升至R=1000）。

对此，通过理论分析，可得出超声波流量计计量品质的结论：

在水计量领域，量程比定义为，其中，为对应某管径下的常用流量，它是一个给定值；为满足一定计量精度要求的最小流量（比如二级流量计的计量精度为±5%）。

以下本文经深入分析与推导，得出了一个重要的结论：对通过流量计管路内的流体而言，所计量的始动流量（即流量计可感知计量的最小流量）越低（对应其流速就越低，而与超声波流量计的时差芯片分辨率及流量计的管路结构有关），与此对应，也成比例地对应变低（即对应的最小流速就变低）。通常，在实际应用中，其经验值是（随超声波流量计电路及换能器产生总体零漂及流量计管路水阻设计不同而不同）。由此，可以导出在某个口径下（流过流量计管路的与所用的时间间隔相等），量程比与两换能器间距之间的关系为：

上式中，为某口径流量计的常用流量，为与相对应的流量计管路内流体的流速，为满足一定计量精度要求的最小流量，为与相对应的流量计管路内流体的流速，对某口径流量计而言，和为常量(选定值)，为圆周率，为流量计管路的内半径，为计量用时，为超声波流量计管路内两换能器对射面之间的间距，为两换能器之间连线在流量计管路水流方向的夹角（为锐角，当时，两换能器连线与水流方向一致，, 为与流量计的计量时差、声速有关的已知量，为与流量计的计量时差、声速有关的已知量，令= ,为常数，而通过超声波流量计时差公式计算得出，即，因而，在具体计算时，按照代入。由上面的关系式可得出如下结论：

增大两换能器间在流量计管路水流方向的投影距离，就可有效提高流量计的量程比。

（2）一对换能器间对射式安装原则：对射式安装的声波信号由一对换能器间相互直接发、收，因此，有效信号的幅值就最高。反射式因有一个或数个反射面，声波反射传递就有能量损耗（反射面足够大时，理想状态声能损耗10～20%，一般不至于影响计量），特别是当反射面有角度偏差或使用后结垢，其能量损失就可达40～60%，将严重影响正常计量。另外，有反射面存在，其安装结构复杂，特别是反射面水阻分布处理不当，也会影响到计量精度。

（3）一致性原则；超声波水表基表的流道成型及加工工艺，有较高的组件安装精度和一致性要求，它决定了流量计批量生产的品质。特别是要保证两换能器发射面之间的距离固定，不受管段加工及换能器安装而产生差异，此项水平提升，能缩小对基表个体误差补偿及精度修正的范围，减少后期人为对其个体进行误差修正的繁杂工作量；

（4）管体密封安全原则：为了保证密封安全，尽量不采用整体密封而采用局部密封方式，保障其密封的可靠性、耐久性。

（5）适配性原则：小口径方便安装温度传感器，以适应供热计量需求；

（6）结构简单、方便装配原则：超声波水表结构简约化、安装有唯一的确定性，从而使其整体易装配，且能保障流量计有较高的一致性。

根据上述六条原则，对于小口径超声波水表，特别是民用最普遍的DN15口径而言，最有效的方式是内置对射式换能器结构及直接应用整体管段加工、制造成DN15流量计的基表。

根据声程最大化原则，要获得较好的性能（小始动流量及大量程比R），必须要在DN15直管不变的条件下，在其管道内安置一对对射模式的小直径换能器，且尽可能获得较大的换能器间距；另外，要考虑兼容不同地区水处理及水质状况，根据经验，自来水中杂质直径小于3mm。对应超声波流量计，表前端需要安装低水阻过滤网，由于面积较小，根据普通单流速机械表前的应用经验，网孔直径需要达到Φ2.5～3mm，才能保证不易堵塞。所以，通常情况下，对于全电子表来说，最好要保证流量计基表内部的最小水流通过间隙≥3mm。这样，过滤网的作用仅是去除个别毛发等异物，而让小颗粒杂质通过，保障过滤网能长期使用而不会堵塞。另外还要解决流量计具有简单、安全的系统密封方式和方便操作的换能器引出线结构（引出线不能泡水）等一系列问题。到目前为止，上述议题的实现，仍缺乏安全、有效的解决方案。

按照上述原则的标准来对照，现有技术仍然存在技术缺陷或不足。

专利授权公告号 CN 201503288 U提供了一种超声波直通对射式流量计基表，图中可以看出，专利中采用了大号换能器（1MHz换能器，常规凸形尺寸前端Φ17，后端Φ21），换能器安装、固定占据空间较大。空间体积的扩充，使得其管道不得不加大、采用分段加工后再组装，这种结构不但复杂、安装费工，还需要多级密封，可靠性差。由于管路是分段用螺母组装集合，这会带来器件变形和偏差，直接影响流量计批量的一致性。另外，大号换能器在流道中产生较大水阻，其绕流会直接影响到不同流速下流量测量的精度值。另外，专利中换能器引出线的密封也未做详细描述。

专利授权公告号 CN 201716054 U所提供另一种换能器对射模式，这种模式的换能器由管道侧面伸入。对射式超声波流量计要求换能器的两对射面必须严格平行，而这种单孔伸入、下方无支撑方式固定换能器，且按图示以换能器凸沿挤压下方密封圈的方式密封加上定位，是极不可靠的。换能器下方在水道中悬空，经强水流冲击时，在杠杆力矩作用下，存在着密封面压力不均而微倾斜（密封圈压缩量是有规定的，不能过紧，所以一般不能以此面为定位面），两换能器对射面就存在难于保持平行的风险。实验表明，对于平面波，因两换能器面不平行而导致的声能损失是致命的，这种方式也存在着单一密封圈耐久性的问题。

专利授权公告号CN 211317425 U，提出了一种小口径对射直通式超声波流量计，这种直通对射模式的稳定性较好。但是，DN15的标准管长为165mm，如果这种模式应用在DN15口径上，按专利所指出的密封及引出线的方式，决定了必须采用中间管段口径较大的结构，才能安置对射模式换能器，以保证最小间隙≥3mm。而管两头则要通过如专利授权公告号CN 208223575 U中所述的方式进行变径连接，达到DN15规格。这种带螺纹的变径头方式，其声程较短，量程比R低，没有充分拉开两换能器的间距，这与声程最大化原则相悖。

专利授权公告号 CN 205317274 U所提供另一种换能器立柱固定对射模式，这种模式的换能器柱的上方做了定位及固定，柱的下方，也固定于管道底部凹槽中，两换能器及其对射面的位置稳定可靠。但该专利对于柱状换能器的结构及其具体实施，未给出明确、具体的方法细节，实施者无法应用，因而专利缺乏实用性。

对专利授权公告号CN 211317425 U做进一步分析，超声波水表（流量计）由时差电路系统、换能器、换能器安装模式与管路结构等三部分组成。目前时差电路系统主要由AMS、D-Flow、TI提供，其精度已经满足水表应用需求。所以，要提高水表的性能与品质，主要由换能器及其形状结构、换能器与管路结合形式，以及在管路中的安装结构决定。

对于超声换能器陶瓷振子的规格，中国计量协会水表委员会对换能器应用标准进行如下限定：

规定换能器陶瓷片振动频率可为： 1MHz、 2MHz、 4MHz，

陶瓷片对应常用直径与厚度比为： Φ12/2mm；Φ8/1mm；Φ8/0.5mm；

某材料在各频率对应的波长为： 2.5mm 1.25mm 0.625mm

（假定某导声材料常温下的声速为2500m/s）

按常规，换能器的尺寸越大，发出声波强度越大，但安装尺寸就越大；而换能器频率越高即波长越短其物理直径及体积就变小，便于安装，而且其电路计时触发的精度就越高，时差计算也越精确。早期换能器制造水平低，反射式有声波损耗，所以大多厂家采用较大体积1MHz换能器（采用Φ12～14mm陶瓷片）。近几年随着精密制造水平的提升，小尺寸、高频率的换能器电/声转换效率得到大幅提高，已完全满足应用需求。特别是对于超声波小口径对射模式，可以选用尺寸较小（Φ8mm陶瓷片）、频率为2MHz或4MHz换能器形式。那么，加上封装塑壳需要的1mm厚度，换能器尺寸最小直径可以做到Φ10mm。

换能器频率、尺寸一旦确定，换能器的形状以及与管路的结合，及其在管路中的安装结构就成为了决定性能的关键所在。

专利CN 211317425 U是一种能保证两换能器间距最大化的换能器对射内置解决方案，其能较好的应用于DN20及以上口径。但是，通常，对于DN15的水表流量计，如果要换能器内置，也必须保证管内换能器位置的水流最小间隙≥3mm，以保障水中杂质顺利通过。

对于该专利的实施分析可见，如果应用于DN15口径水表，即采用内置换能器，换能器即流量计管（成为了一体）两头采用内置有外丝的金属压环及密封圈固定与密封，换能器引出线由管中部引出，那么，可以推算出其水流最小间隙：

DN15流量计管螺纹外径26.44mm（标准），为了加工内螺纹，其安全厚度至少为3.2mm（外丝牙高度约1.2mm，内丝牙高度1mm，剩余壁厚约1mm）；换能器最小直径Φ10mm（8mm陶瓷谐振片+单边1mm的保护壳）；管内，与有外丝金属压环相接触固定的换能器支架外管厚度至少为2.5mm（侧密封圈1.5～2mm，换能器双股屏蔽带外套引出线较小的直径Φ1.5mm，在内管的外侧有槽，深度必须1.5mm，塑料槽剩余壁厚1mm）；

那么，可计算出，流体流过管内位于换能器处的水流间隙为：

（26.44mm-2×3.2mm-2×2.5mm-10mm）/2=5.04mm/2=2.52mm≤3mm。

所以，对DN15口径，内置换能器由管两头金属压环固定且密封的方式无法做到水流中杂质安全通过，容易堵塞，必须采用中间管口径较大，两头用DN20-DN15转接头转换，即按专利公告号CN 208223575 U那样方式。这时，两换能器发射面的距离大约为L=63mm，所以，这种模式有违与声程最大化原则，水表量程比R大幅降低。

通过上面的分析可知，专利授权公告号CN 211317425 U的方案无法直接应用于DN15口径的主要原因是：将换能器安置在等径直管的两端，为了从管中部引出信号线及其密封需要，而采用在管两端以金属压环于管口处，对内衬管进行了整体密封，由于安置密封圈及在内衬管外走线需要加厚内衬管外圈厚度，导致管内水流间隙过窄；另外，这种模式在管两头使用了有外丝的内压环，装配费工、效率低；又由于外管内螺纹的存在，两端挤压安装密封圈的密封方式也存在安全隐患（易划伤）；还有，对内衬管进行了整体密封，鉴于防水要求，所以不方便安装插入式温度传感器；特别是，内管与金属外管间的内部空间狭小，此种模式的两换能器引出线要沿着内管外槽走线，且都从管的中部线孔中引出（两端引出线较长的部分都在管内经过，多余的线头，没有安放及操作空间）相当困难，装配费工费时。

综上所述，对于DN15口径超声波水表，能尽可能满足上述六条原则要求且具有密封安全，引出线方便的方案，从目前已公布的专利来看，仍缺乏有效的解决方案。

发明内容

鉴于现有技术所存在的不足，本发明拟通过改变小口径超声波水表换能器安装、固定结构、换能器的密封方式及换能器引出线方式、积算电路盒与流量计基表的固定安装方式，达到解决DN15口径在保障有大声程和有较大水流间隙的前提下，减少整体密封部件、方便换能器信号线的引出操作，做到结构简单、安全可靠。

可见，对于长度165mm、DN15口径的超声波水表，如果可以实现如附图1所示，在安置对射模式换能器的同时，保证最小水流间隙≥3mm，尽可能将换能器安置在金属管内两端头，这样，其换能器发射面间距大约为105mm左右，两发射面间距将远大于有转接头时的63mm，由（这里，）,可知，改进后，量程比大约提高105/63=167%,达到了质的飞跃。再加上流量计中部适当的缩径（在满足压损要求的前提下），就能进一步有效提高DN15水表的量程比、流量的稳定性和降低水表的始动流量（本方案经实际测试可以实现始动流量<0.5L/h）。

本发明提供一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表，其技术方案可描述为：超声波基表管体采用黄铜/不锈钢一体化锻造/铸造加工成型的工艺制造，换能器固定于换能器固定柱上，换能器固定柱有上、下高度及方向定位，换能器与管体内侧的水流间隙大于3mm，方便杂质通过。在给定的超声波水表直通管长度，对应用最普遍的户用DN15口径，可以避免采用繁琐的大径变小径的转换接头，用一个整体管段加工，保障了两个换能器发射面间能保持平行且声程长，可获得较小的始动流量和较大的量程比。

本发明为一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表，其特征在于:包括流量计外管体、换能器及其换能器固定柱、换能器固定柱上、下定位及其密封结构、积算电路盒下壳与流量计基表的连接结构；其中，流量计外管体两端分别通过管螺纹与待测流量的外部管路相接，在流量计外管体内的两端设有安装超声波换能器的换能器固定柱，由此在流量计外管体内形成了一双对射式换能器；在流量计外管体中部区域内壁上嵌装有内衬整流管；由于金属外管体由锻造/铸造成型，便于调整管内局部直径，所以很容易做到局部内径较大，确保管内最小过水间隙大于3mm，利于常规杂质通过；又由于换能器固定柱与内衬整流管都是由精密模具注塑成型，其一致性可保证批量制造时流量计基表的一致性，方便流量计的检测标定。所以，在给定的超声波水表直通管长度下，本发明实现了DN15口径计量的量程比最大化和始动流量最小化目标。

所述流量计基表为金属外管体，金属外管两端有管螺纹，所述的金属外管体上有换能器柱安装座和换能器柱下定位槽；换能器固定整体结构由换能器固定柱和导流罩组成；所述的换能器或换能器组件安置于换能器固定柱上，其安置方式有两种：一种是用独立的换能器安装于换能器固定柱中部孔中，此处的孔为通孔；另一种是直接将换能器组件封装于换能器固定柱中部孔内，虽然位置相同，但此处的孔结构为盲孔；所述换能器固定柱下端定位、安装于换能器柱下定位槽内，上端安装于换能器柱安装座通孔中，由定位台对高度定位；所述换能器固定柱上端外圈有侧密封及顶密封；金属弹性垫圈位于换能器固定柱与顶密封圈上方；所述外丝金属帽位于弹性垫圈上方，与换能器柱安装座内螺纹连接；所述积算电路盒下壳通过螺丝与换能器柱安装座上的下壳固定螺孔固定连接；对于量程比及精度要求很高的水表应用时，要加装内衬整流管，所述内衬整流管位于金属外壳体内的中部，由整流管固定栓固定。所述内衬整流管外圈有密封圈，仅起到紧配内衬整流管及阻水作用。

所述的流量计基表采用黄铜/不锈钢一体化锻造/铸造加工成型，金属外管体上的换能器柱安装座及管体的粗细变径部分等采用同一副模具一次冲压/铸造成型，外管一致，其内部定位台和定位槽经由专机一次性多孔定位加工完成，从而使流量计基表批量生产的一致性水平大幅提高。

所述换能器固定柱由PPS/PPT通过精密注塑模具制造。

所述换能器固定柱上有换能器安装孔，所述换能器安装孔中形成的换能器有两种安装固定方式，这两种方式都方便安装及实现换能器信号线的引出：

第一种换能器安装固定方式为：如附图1所示，采用完整的换能器，安装于通孔中，换能器通过密封圈密封，通过定位台定位，引出线由换能器后端引出，最终换能器后端，由带外螺纹的导流罩，用工具旋入换能器固定柱内螺纹孔中，用以压紧换能器。这种换能器及引出线的装配方式的具体的操作过程为：将换能器安装于换能器柱的通孔中，将引出线穿过过线斜孔，送至换能器固定柱上端空腔体。接下来，将所述换能器固定柱从换能器柱安装座孔中插入至定位槽内进行方向定位，所述的换能器柱下定位槽为矩形槽。然后，将导流罩的外螺纹旋入换能器固定柱内螺纹孔中，用以压紧换能器。为了更好的对流体导流，所述导流帽有一定长度，所以必须在安装完换能器固定柱后，从管体的前/后端，用工具安装。安装完导流帽后，用平头细针，通过线孔向导流罩内注入双组份A、B高强度胶，将导流罩与换能器固定柱固定，导流罩上的密封圈起到注胶时防漏作用。

第二种换能器安装固定方式为：如附图2所示，与上述独立换能器不同的是换能器与换能器固定柱成为一体。即将换能器组件，封装于换能器固定柱中部的盲孔中。其方法是将陶瓷片，通过双组份A、B胶粘接于盲孔底部，陶瓷片引线焊接于PCB上，引出线也在PCB上焊接、引出。在这种方式中，换能器引出线的装配也是将引出线穿过过线斜孔，送到换能器固定柱上端空腔体，然后将换能器固定柱从换能器柱安装座孔中插入，将其下端伸入换能器柱下矩形定位槽内进行方向定位，特别的，与上种方法不同，此处的导流罩没有外螺纹，通孔内也没有内螺纹，故，将导流罩挤入换能器固定柱盲孔中即可。最后，用平头细针，通过线孔向导流罩内注入双组份A、B高强度胶，特殊的，导流罩上的密封圈起到注胶时防渗漏作用，而导流罩最下端的一圈沟槽倒勾结构起到与A、B胶结合起拉紧、固定导流罩的作用。

实验表明，对于平面波而言，一对对射式换能器的安装，要求两换能器发射面严格平行，其间微小的角度偏差将会造成信号接收幅值有较大衰减；而两平行面换能器中心线有较小移位（如错位1mm）对接收信号幅值几乎没有衰减，所以保持两换能器发射面（接收面）平行，十分重要。本发明所述换能器固定柱下端定位、安装于换能器柱下定位槽内，进行方向、角度定位，所述的换能器柱下定位槽为长方形盲孔；上端安装于换能器柱安装座通孔中，由定位台对高度定位，以保证一对换能器在流道中的高度一致。所述换能器固定柱上部外圈有侧密封圈及顶密封圈，形成两级、两种密封方式，保证了密封的可靠性。所述弹性垫圈位于换能器固定柱顶密封圈上方。所述外丝帽位于弹性垫圈上方，通过旋紧外丝帽中心六角内孔，其外螺纹与换能器柱安装座内螺纹连接，将换能器固定柱紧压于定位台上对高度进行定位。

由于基表金属外管体为锻造/铸造成型，故所述换能器固定柱位置与金属外管体内腔间的局部直径可以扩大，所以，换能器固定柱与金属外管体的内腔间隙能较容易满足≥3mm。在加工方面，换能器安置区的金属管外直径/内直径都较粗，内腔采用内槽车刀进行加工，属常规工艺，极为方便。

对于量程比及精度要求很高的水表应用而言，由于都是以精密模具用工程塑料注塑成型，所以换能器固定柱及内衬整流管各自有很高的一致性，保障了批量产品流道及性能的一致性，对简化流量计后期检测标定起到重要作用。在供热计量应用时，由于对量程比要求不高（供热标准量程比的最高值R为250），所以可不用安装内衬整流管。

所述积算电路盒下壳通过螺丝与换能器柱安装座上的下壳固定螺孔固定连接，极为方便。如果需要IP68防水，积算电路盒内部可以灌封透明防水胶。

在本发明中，如果要对流体所携热能进行计量，那么就另外需要安装温度传感器。由于是整体金属外管是由锻造/铸造成型，所以这种直通、换能器立柱固定对射式超声波流量计结构不但用模具方便形成温度传感器安装座，而且由于内部不需要做密封，所以非常方便安装温度传感器。在进行热计量应用时，金属外管外端靠近出水口处可安置温度传感器安装座，所述温度传感器可方便安装于温度传感器安装座中，温度传感器测温杆斜插于换能器导流盖外侧，不影响对流体的测量。

本发明可以应用于较大口径，例如DN40，如附图4、5、6所示，这时，流道只有中部缩径，换能器可以采用三对三通道模式，即单边有三个换能器。对于口径DN50及以上的应用，可将基表管螺纹接口连接换成法兰连接即可。

综上所述，与现有技术相比，本申请提出的实质性改进和进步，可归为以下方面：

第一，本发明提出的一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表，对于给定长度的DN15口径或小口径的超声波流量计基表而言，通过设置具有上、下定位的换能器固定柱、换能器的引出线和密封结构，引出线通过换能器固定柱斜孔引出，做到了能将两个内置的换能器紧靠流量计直管内侧两头安置，以增加一对换能器之间的间距。由于金属外管体由锻造/铸造成型，所以很容易做到保证管内最小过水间隙大于3mm，便于常规杂质通过，而不需要对流量计直通管路，采用大变小接头转换螺纹方式缩径连接。所以，在给定的超声波水表直通管长度下，本发明实现了DN15口径计量的量程比最大化和始动流量最小化目标。

第二，本发明所述换能器固定柱下端定位、安装于换能器柱下定位矩形盲孔槽内，进行方向、角度定位；所述的换能器柱上端安装于换能器柱安装座通孔中，由定位台对高度定位。换能器的这种安装、定位方式可以保证两换能器发射面间严格平行，克服了因换能器单侧固定而在换能器发射面间存在微小的角度偏差的缺陷，保证了换能器接收信号幅值强度；

第三，本发明所述换能器固定柱上有换能器安装孔，所述换能器安装孔中形成的换能器有两种方式安装固定，这两种方式都方便安装及实现换能器信号线的引出：第一种是采用完整的换能器，安装于通孔中，换能器通过密封圈密封，通过定位台定位，引出线由换能器后端通过过线斜孔引出。最终换能器后端，将由导流罩的外螺纹旋入换能器固定柱内螺纹孔中，用以压紧固定换能器；第二种是换能器与换能器固定柱成为一体。即将换能器组件，封装于盲孔中，将所述换能器固定柱从换能器柱安装座孔中插入，将其下端伸入换能器柱下定位槽内进行方向定位，将导流罩挤入换能器固定支架通孔中，然后灌胶密封。

第四，本发明对于量程比及精度要求很高的水表应用而言，由于部件都是以精密模具用工程塑料注塑成型，所以换能器固定柱及内衬整流管分别都有很高的一致性，保障了批量产品流道及性能的一致性，对简化流量计后期检测标定起到重要作用。

第五，本发明所述积算电路盒下壳通过螺丝与换能器柱安装座上的下壳固定螺孔固定连接，极为方便。

第六，本发明提出的一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表的结构，方便安装温度传感器，能用于热能计量。

第七，本发明所述一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表的结构，其设置的两个换能器柱安装座分别位于等径金属外管的两端，这就为流量管中部设置、安装流量控制阀提供了可能和便利。

第八，本发明可以应用于较大口径，例如DN40。这时，流道只有中部缩径，换能器可以采用三对三通道模式，即单边有三个换能器。对于口径DN50及以上的应用，可将基表管螺纹接口连接换成法兰连接即可。

附图说明

图1是一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表示意图；

图2是换能器组件直接封装在换能器固定柱盲孔中的结构示意图；

图3是换能器立柱固定对射式超声波流量计温度传感器固定安装示意图；

图4是较大口径多声道直通、换能器立柱固定对射式超声波水表示意图；

图5是较大口径超声波多声道换能器与立柱固定结构示意图；

图6是较大口径多声道超声波换能器组件装配示意图；

图中：

11.金属外管体；111.管螺纹；33.换能器柱安装座；113.换能器柱下定位槽；114.换能器固定柱管内控；115.无整流管流道；116.大口径管口流道；22.换能器固定柱；23.导流罩；231.密封圈；24.换能器；241.密封圈；242.换能器组件；25.弹性垫圈；26.固定帽；27.固定螺丝；28.换能器信号线；34.固定螺孔；221.换能器定位台；222.通孔；223.过线斜孔；226.下柱；227.上柱；331.定位台；224.侧密封；225.顶密封；25.弹性垫圈；26.外丝帽；77.仪表盒；77A.仪表电路盒下壳；77B.仪表电路盒上壳；771.积算电路PCB；772.显示屏；773.仪表电路盒下壳孔；774.仪表电路盒下壳线孔；775.电池； 66.内衬整流管；661.密封圈；55.整流管固定栓；551.密封圈；227.盲孔；44.温度传感器座；441.温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明实施做进一步详细说明。

实施例：

如附图1所示，本实施例是一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波热水表，包括流量计外管体11、换能器24及其换能器固定柱22、换能器固定柱上、下定位及其密封结构、积算电路盒下壳77A与流量计基表的连接结构、温度传感器座44；其中，流量计外管体11两端分别通过管螺纹111与待测流量的外部管道相接，在流量计外管体11内的两端设有安装超声波换能器的换能器固定柱22，由此形成了在流量计外管体内形成了一双对射式换能器24；在流量计外管体中部区域内壁上嵌装有内衬整流管66；由于金属外管体11由锻造/铸造成型，便于调整管内局部直径，所以很容易做到保证管内最小过水间隙大于3mm，利于常规杂质通过；又由于换能器固定柱22与内衬整流管66都是由精密模具注塑成型，其一致性可保证批量制造时流量计基表的一致性，方便流量计的检测标定。所以，在给定的超声波水表直通管长度下，本发明实现了DN15口径计量的量程比最大化和始动流量最小化目标。

所述流量计基表为金属外管体11，金属外管两端有管螺纹111，所述的金属外管体上有换能器柱安装座33和换能器柱下定位槽113；换能器固定整体结构由换能器固定柱22和导流罩组成23；所述的换能器24或换能器组件242安置于换能器固定柱22上，其安置方式有两种：一种是用独立的换能器24安装于换能器固定柱中部孔222中，此处的孔为通孔；另一种是直接将换能器组件242封装于换能器固定柱中部孔222内，虽然位置相同，但此处的孔结构为盲孔；所述换能器固定柱22下端定位、安装于换能器柱下定位槽113内，上端安装于换能器柱安装座33通孔中，由定位台331对高度定位；所述换能器固定柱22上端外圈有侧密封224及顶密封225；弹性垫圈25位于换能器固定柱22与顶密封圈225上方；所述外丝金属帽26位于弹性垫圈25上方，与换能器柱安装座33内螺纹连接；所述积算电路盒下壳77A通过螺丝27与换能器柱安装座上的下壳固定螺孔34固定连接；对于量程比及精度要求很高的水表应用而言，要加装内衬整流管66，所述内衬整流管66位于金属外壳体内的中部，由整流管固定栓55固定。所述内衬整流管66外圈的密封圈661仅起到紧配内衬整流管及阻水作用。

所述的流量计基表采用黄铜/不锈钢一体化锻造/铸造加工成型，金属外管体11上的换能器柱安装座33及管体的粗细变径等采用同一副模具一次冲压/铸造成型，外管一致，其内部定位台331和定位槽113经由专机一次性多孔定位加工完成，从而使流量计基表批量生产的一致性水平大幅提高。

所述换能器固定柱由PPS/PPT通过精密注塑模具制造。

所述换能器固定柱22上有换能器安装孔222，所述换能器安装孔中形成的换能器有两种方式安装固定方式，这两种方式都方便安装及实现换能器信号线28的引出：

第一种换能器安装固定方式为：如附图1所示，采用完整的换能器24，安装于通孔222中，换能器通过密封圈241密封，通过定位台221定位，引出线28由换能器后端引出，最终换能器后端，由带外螺纹的导流罩，用工具旋入换能器固定柱22内螺纹孔中，用以压紧换能器24。这种方式的具体的操作过程为：，换能器及引出线的装配是将换能器24安装于通孔中，将引出线28穿过过线斜孔223，送至换能器固定柱22上端空腔体。接下来，将所述换能器固定柱22从换能器柱安装座33孔中插入，将其下端伸入换能器柱下定位槽113内进行方向定位，然后，用工具，将导流罩23的外螺纹旋入换能器固定柱内螺纹通孔222中，用以压紧换能器24。为了更好的对流体导流，所述导流帽23有一定长度，所以必须在安装完换能器固定柱22后，从管体的前/后端，用工具安装。对于这种换能器安装方式而言，换能器固定柱通孔222位于安装导流罩的一端，有数圈内螺纹。最后，用平头细针，通过过线孔223向导流罩23内注入双组份A、B高强度胶，将导流罩23与换能器固定柱22固定，导流罩上的密封圈231起到注胶时防漏作用。

第二种换能器安装固定方式为：如附图2所示，与上述独立换能器不同的是换能器与换能器固定柱22成为一体。即将换能器组件242，封装于盲孔222中。其方法是将陶瓷片，通过双组份A、B胶粘接于盲孔底部，陶瓷片引线焊接于PCB上，引出线28也在PCB上焊接、引出。在这种方式中，换能器引出线的装配也是将引出线穿过过线斜孔223，送到换能器固定柱22上端空腔体。然后将换能器固定柱22从换能器柱安装座33孔中插入，将其下端伸入换能器柱矩形下定位槽113内进行方向定位。特别的，与上种方法不同，此处的导流罩23没有外螺纹，通孔内也没有内螺纹故，将导流罩23挤入换能器固定柱盲孔中紧配即可。最后，用平头细针，通过线孔223向导流罩内注入双组份A、B高强度胶，导流罩上的密封圈231起到注胶时防渗漏作用，而导流罩下端的一圈沟槽倒勾结构232与A、B胶结合后起拉紧、固定导流罩23的作用。

实验表明，对于平面波而言，一对对射式换能器的安装，要求两换能器发射面严格平行，其间微小的角度偏差将会造成信号接收幅值有较大衰减；而两平行面换能器中心线有较小移位（错位如1mm）对接收信号幅值几乎没有衰减，所以保持两换能器发射面（接收面）平行，十分重要。本申请所述换能器固定柱22下端定位、安装于换能器柱下定位槽113内，进行方向、角度定位，所述的换能器柱下定位槽113为长方形盲孔；上端安装于换能器柱安装座33通孔中，由定位台331对高度定位。所述换能器固定柱上部外圈有侧密封圈224及顶密封圈225，形成两级、两种密封形式，保证了密封的可靠性。所述弹性垫圈25位于换能器固定柱顶密封圈225上方。所述外丝帽26位于弹性垫圈25上方，通过旋紧外丝帽26中心六角螺孔，其外丝与换能器柱安装座33内螺纹连接，将换能器固定柱22紧压于定位台331上对高度进行定位。

由于基表金属外管体11为锻造/铸造成型，故所述换能器固定柱与金属外管体内腔间的局部直径114可以按照需求扩大，所以，换能器固定柱22与金属外壳体11的内腔114间隙能较容易满足≥3mm。在加工方面，换能器安置区的金属管外直径/内直径都较粗，内腔采用内槽车刀进行加工，属常规工艺，极为方便。

对于本实施例为热水表的应用，对量程比及精度要求较高。由于是以同一模具用工程塑料注塑PPS/ PPT加工，所以换能器固定柱22及内衬整流管66各自都有很高的一致性，保障了批量产品流道及性能的一致性，对简化流量计后期检测标定起到重要作用。

所述积算电路盒下壳77A通过螺丝27与换能器柱安装座33上的下壳固定螺孔34固定连接，极为方便。如果需要IP68防水，积算电路盒55内部可以灌封透明防水胶。

在本实施例中，除了要对热水流量计量外，还需要采集流体所携热能，所以，必须安装温度传感器441。由于整体金属外管体11是由锻造/铸造成型，所以这种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波热水表不但方便形成温度传感器安装座44，而且由于内部不需要做密封，因而非常方便安装温度传感器441。由于在金属外管外端靠近出水口处安置温度传感器安装座，所述温度传感器441可方便安装于温度传感器安装座44中，在出水口位置，温度传感器测温杆斜插于换能器导流盖23外侧，不影响对流体的测量。

通过以上例证对本发明一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波热水表，进行了实施应用说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明内容所做的任何改动或变形均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表，其特征在于:包括流量计外管体（11）、换能器（24）及其换能器固定柱（22）、换能器固定柱上、下定位及其密封结构、积算电路盒下壳77A与流量计基表的连接结构、温度传感器座（44）；其中，流量计外管体（11）两端分别通过管螺纹（111）与待测流量的外部管道相接，在流量计外管体（11）内的两端设有安装超声波换能器的换能器固定柱（22），由此，在流量计外管体（11）内形成了一双对射式换能器（24）；在流量计外管体中部区域内壁上嵌装有内衬整流管（66）；由于金属外管体（11）由锻造/铸造成型，便于调整管内局部直径，所以很容易做到保证管内最小过水间隙大于3mm，利于常规杂质通过；流量计管体（11）内部的定位台（331）和定位槽（113）经由专机一次性多孔定位加工完成，从而使流量计基表批量生产的一致性水平大幅提高；由于换能器固定柱（22）与内衬整流管（66）都是由精密模具注塑成型，其一致性可保证批量制造时流量计基表的一致性，方便流量计的检测标定；所以，在给定的超声波水表直通管长度下，实现了DN15口径计量的量程比最大化和始动流量最小化目标。

2.如权利1所述一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表，其特征在于：所述水表基表为金属外管体(11)，所述的金属外管两端有管螺纹(111)，所述的金属外管体上有换能器柱安装座(33)和换能器柱下定位槽(113)；所述换能器固定柱（22）下端定位、安装于换能器柱下定位槽（113）内，进行方向、角度定位；所述的换能器柱下定位槽（113）为长方形盲孔，而上端安装于换能器柱安装座（33）通孔中，由定位台（331）对高度定位；所述换能器固定柱上部外圈有侧密封圈（224）及顶密封圈（225），形成两级、两种密封形式，保证了密封的可靠性；所述弹性垫圈（25）位于换能器固定柱顶密封圈（225）上方；所述外丝帽（26）位于弹性垫圈（25）上方，通过旋紧外丝帽（26）中心六角螺孔，其外丝与换能器柱安装座（33）内螺纹连接，将换能器固定柱（22）紧压于定位台（331）上对高度进行定位；通过换能器信号线28通过换能器固定柱斜孔223引出，做到了能将两个内置的换能器紧靠流量计直管内侧两头安置，以增加一对换能器之间的间距，从而提高量程比R。

3.如权利1所述一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表，其特征在于：所述的流量计基表采用黄铜/不锈钢一体化锻造/铸造加工成型，金属外管体（11）上的换能器柱安装座(33)及管体的粗细变径等采用同一副模具一次冲压/铸造成型，外管一致，其内部定位台（331）和定位槽（113）经由专机一次性多孔定位加工完成，内腔（114）采用内槽车刀进行加工，从而使流量计基表批量生产的一致性大幅提高。

4.如权利1所述一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表，其特征在于：所述换能器固定柱（22）及内衬整流管(66)由PPS/PPT通过精密注塑模具制造，其各自保持高度的一致性，不但简化及方便流量计的检测和标定过程，而且可提高流量计的精度；所述内衬整流管(66)位于金属外壳体内的中部，由整流管固定栓(55)固定。

5.如权利1所述一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表，其特征在于：所述换能器安装孔中形成的换能器，方便安装及实现换能器信号线（28）的引出，第一种换能器安装固定方式为：采用完整的换能器（24），安装于通孔（222）中，换能器通过密封圈（241）密封，通过定位台（221）定位，引出线（28）由换能器后端引出，最终换能器后端，由带外螺纹的导流罩，用工具旋入换能器固定柱（22）内螺纹孔中，用以压紧换能器（24）；这种方式的具体的操作过程为：换能器及引出线的装配是将换能器（24）安装于通孔中，将引出线（28）穿过过线斜孔（223），送至换能器固定柱（22）上端空腔体；接下来，将所述换能器固定柱（22）从换能器柱安装座（33）孔中插入，将其下端伸入换能器柱下定位槽（113）内进行方向定位，然后，用工具，将导流罩（23）的外螺纹旋入换能器固定柱内螺纹通孔（222）中，用以压紧换能器（24）；为了更好的对流体导流，所述导流帽（23）有一定长度，所以必须在安装完换能器固定柱（22）后，从管体的前/后端，用工具安装；对于这种换能器安装方式而言，换能器固定柱通孔（222）位于安装导流罩的一端，有数圈内螺纹；最后，用平头细针，通过过线孔（223）向导流罩（23）内注入双组份A、B高强度胶，将导流罩（23）与换能器固定柱（22）固定，导流罩上的密封圈（231）起到注胶时防漏作用。

6.如权利1所述一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表，其特征在于：所述换能器安装孔中形成的换能器，方便安装及实现换能器信号线（28）的引出，第二种换能器安装固定方式为：与上述独立换能器不同的是换能器与换能器固定柱（22）成为一体，即将换能器组件（242），封装于盲孔（222）中；其方法是将陶瓷片，通过双组份A、B胶粘接于盲孔底部，陶瓷片引线焊接于PCB上，引出线（28）也在PCB上焊接、引出；在这种方式中，换能器引出线的装配也是将引出线穿过过线斜孔(223)，送到换能器固定柱(220上端空腔体；然后将换能器固定柱（22）从换能器柱安装座（33）孔中插入，将其下端伸入换能器柱矩形下定位槽（113）内进行方向定位；特别的，与5所述方法不同，此处的导流罩（23）没有外螺纹，通孔内也没有内螺纹故，将导流罩（23）挤入换能器固定柱盲孔中紧配即可；最后，用平头细针，通过线孔（223）向导流罩内注入双组份A、B高强度胶，导流罩上的密封圈（231）起到注胶时防渗漏作用，而导流罩下端的一圈沟槽倒勾结构（232）与A、B胶结合后起拉紧、固定导流罩（230）的作用。

7.如权利1所述一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表，其特征在于：所述积算电路盒下壳（77A）通过螺丝与换能器柱安装座（33）上的下壳固定螺孔（34）固定连接，如果需要IP68防水，积算电路盒内部可以灌封透明防水胶。

8.如权利1所述一种适应DN15口径换能器立柱固定对射式超声波水表，其特征在于：所述直通、换能器立柱固定对射式超声波流量计金属外管结构（11）在出水口位置，不但方便形成温度传感器安装座（44），而且由于内部不需要再做密封，所以非常方便安装温度传感器（441）。

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