CN205449335U - 超声波热能表 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种超声波热能表。超声波热能表包括：第一管体，第一管体具有用于输送待计量流体的流路管道和分别与流路管道相连通的第一进出口和第二进出口；两个超声波收发器，设置在流路管道的内部，两个超声波收发器沿流路管道的轴向间隔设置；两个反射元件，设置在流路管道的内部，其中，两个反射元件与两个超声波收发器一一对应设置，一个超声波收发器发射的超声波经两个反射元件反射之后被另一个超声波收发器接收。本实用新型的超声波热能表的结构紧凑、体积较小。

Description

超声波热能表

技术领域

本实用新型涉及流量计量领域，具体而言，涉及一种超声波热能表。

背景技术

为节约采暖成本及降低能耗，中国北方地区冬季供暖系统管网中水流通常具有水质低及高温度变化范围的特点。针对供暖管网中热水流量测量，采用现有技术的叶轮式流量计通常由于水质较低且含有杂质等因素，容易造成管网堵塞。此外，由于水温变化范围较大，温度给流量测量带来的影响也不易消除，加之叶轮式流量计自身的压损较大，不利于节能降耗。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种超声波热能表，该超声波热能表的结构紧凑、体积较小。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种超声波热能表，超声波热能表包括：第一管体，第一管体具有用于输送待计量流体的流路管道和分别与流路管道相连通的第一进出口和第二进出口；两个超声波收发器，设置在流路管道的内部，两个超声波收发器沿流路管道的轴向间隔设置；两个反射元件，设置在流路管道的内部，其中，两个反射元件与两个超声波收发器一一对应设置，一个超声波收发器发射的超声波经两个反射元件反射之后被另一个超声波收发器接收。

进一步地，一个超声波收发器发射的超声波在两个反射元件之间的传播路径与流路管道的中心轴线平行或者重合。

进一步地，一个超声波收发器发射的超声波分别经两个反射元件反射后被另一个超声波收发器接收以使超声波在流路管道内形成N型传播路径。

进一步地，两个超声波收发器在流路管道的轴向上错位设置，且两个超声波收发器在流路管道的周向上间隔设置。

进一步地，两个反射元件在流路管道的轴向上错位设置，且两个反射元件在流路管道的周向上间隔设置，其中，反射元件与超声波收发器沿流路管道的周向间隔设置。

进一步地，两个超声波收发器相对于流路管道的中心轴线呈180°对称设置，两个反射元件相对于流路管道的中心轴线呈180°对称设置。

进一步地，一个超声波收发器发射的超声波与一个反射元件的反射面之间具有第一入射夹角α，另一个超声波收发器接收的超声波与另一个反射元件的反射面之间具有第二入射夹角β。

进一步地，第一入射夹角α和第二入射夹角β均为45°。

进一步地，流路管道包括第一管段和分别对应设置在第一管段两端的两个第二管段，其中，第一管段的内径小于第二管段的内径，两个反射元件分别对应设置在两个第二管段内部。

进一步地，反射元件包括反射面和与反射面连接的紊流部。

进一步地，超声波热能表还包括设置在流路管道的管壁上的两个第一安装通孔，第一安装通孔与流路管道的内部连通，两个第一安装通孔分别与两个超声波收发器一一对应设置。

进一步地，超声波热能表还包括：传播时间计量部件，用于计量两个超声波收发器之间的超声波传播时间；流量计算部件，根据传播时间计量部件传递的信号计算待计量流体的流量。

应用本实用新型的技术方案，由于超声波收发器和反射元件均设置在流路管道的内部，可以使整个超声波热能表的结构更加紧凑、体积较小；进一步地，与现有技术中采用叶轮式流量计测量相比，超声波热能表压损小，具有测量精度高的优点。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本实用新型的超声波热能表的实施例的立体结构示意图；

图2示出了根据本实用新型的超声波热能表的实施例的主视结构示意图；

图3a示出了图2的超声波热能表的待测流体流量为0.05m³/h时位于流路管道中心轴线上的流体的速度分布图；

图3b示出了图2的超声波热能表的待测流体流量为2.5m³/h时位于流路管道中心轴线上的流体的速度分布图；

图4a示出了图2的超声波热能表的待测流体流量为0.05m³/h时一个方向的纵截面上的流场分布示意图；

图4b示出了图2的超声波热能表的待测流体流量为0.05m³/h时另一个方向的纵截面上的流场分布示意图；

图5a示出了图2的超声波热能表的待测流体流量为2.5m³/h时一个方向的纵截面上的流场分布示意图；

图5b示出了图2的超声波热能表的待测流体流量为2.5m³/h时另一个方向的纵截面上的流场分布示意图；以及

图6示出了图2的超声波热能表在不同流量范围及温度变化条件下进行测量的测量结果及精度的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、第一管体；1、流路管道；11、第一管段；12、第二管段；13、第一进出口；14、第二进出口；15、第一安装通孔；16、第二安装通孔；17、定位柱；2、超声波收发器；20、第二管体；3、反射元件；31、反射面；32、紊流部。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

本实用新型及本实用新型的实施例中，流体是按照图2所示从左向右流动的。

如图1和图2所示，本实用新型提供了一种超声波热能表。超声波热能表包括第一管体10、两个超声波收发器2和两个反射元件3。第一管体10具有用于输送待计量流体的流路管道1和分别与流路管道1相连通的第一进出口13和第二进出口14；两个超声波收发器2设置在流路管道1的内部，两个超声波收发器2沿流路管道1的轴向间隔设置；两个反射元件3设置在流路管道1的内部，两个反射元件3与两个超声波收发器2一一对应设置，一个超声波收发器2发射的超声波经两个反射元件3反射之后被另一个超声波收发器2接收。

上述设置中，由于超声波收发器2和反射元件3均设置在流路管道1的内部，可以使整个超声波热能表的结构更加紧凑、体积较小。

优选地，两个反射元件3与两个超声波收发器2一一对应设置，一个超声波收发器2发射的超声波在两个反射元件3之间的传播路径与流路管道1的中心轴线重合。

通过上述设置，由于一个超声波收发器2发射的超声波在两个反射元件3之间的传播路径与流路管道1的中心轴线重合，使得流路管道1内的流场变化更加顺畅，有利于获得更加平稳的流场分布，而且位于中心线上的流体的流速最大，对应的顺、逆流时间差也最大，而时间差越大越有利于测量，从而提高了超声波热能表的测量精度，进而提高了超声波热能表的测量精度和测量的准确性。

如图1所示，本实用新型的实施例中，超声波热能表还包括设置在流路管道1的管壁上且与流路管道1的内部连通的两个第一安装通孔15，两个第一安装通孔15分别与两个超声波收发器2一一对应设置。

如图1所示，超声波热能表还包括设置在流路管道1上的两个第二安装通孔16，两个反射元件3分别对应设置在两个第二安装通孔16的内部。

通过将超声波收发器2设置在第一安装通孔15内部，反射元件3设置在第二安装通孔16内，可以使整个超声波热能表的结构更加紧凑、体积较小。

如图1所示，超声波热能表还包括设置在第一管体10外壁上的定位柱17。具体地，定位柱17为两个。显示模块和控制器集成为一个模块化的整体结构，且该整体结构通过定位柱支撑在第一管体10上。

如图1所示，超声波热能表还包括第二管体20和温度传感器。第二管体20相对于第一管体10倾斜设置；温度传感器设置在第二管体20内以测试待测流体的温度。

如图2所示，本实用新型的实施例中，两个超声波收发器2相对于流路管道1的中心轴线呈180°对称设置，即两个超声波收发器2分别置于流路管道1上下游的两侧；两个反射元件3相对于流路管道1的中心轴线呈180°对称设置且两个反射元件3分别对应设置在两个超声波收发器2的对立侧。

一个超声波收发器2发射的超声波分别经两个反射元件3反射后被另一个超声波收发器2接收以使超声波在流路管道1内形成N型传播路径。

通过上述设置，由于两个反射元件3相对于流路管道1的中心轴线呈180°对称设置，从而使得流路管道1内流场变化更加顺畅，有利于在两个反射元件3之间的管路中获得更加稳定的流场分布，有利于测量，提高测量精度，且不易堵塞。

具体地，本实施例的具有N型传播路径的声道反射有利于流场相对于流路管道1的中心轴线的对称性，所以位于流路管道1中心轴线上的流场更平稳。本实用新型的实施例避免了传统的U型反射声道使得流场向流路管道1一侧发生偏移的现象。

具体地，N型传播路径由三段声程L1、L2和L3组成。其中，L1＝L3＝10mm，L2＝72mm。其中，L1为其中一个超声波收发器2发出的超声波传播至反射元件3的反射面之间的距离；L2为超声波由一个反射元件3传播至另一个反射元件3的传播距离；L3为超声波由反射元件3的反射面传播至另一个超声波收发器2的距离。

如图2所示，本实用新型的实施例中，一个超声波收发器2发射的超声波与一个反射元件3的反射面之间具有第一入射夹角α，另一个超声波收发器2接收的超声波与另一个反射元件3的反射面之间具有第二入射夹角β。

具体地，第一入射夹角α和第二入射夹角β均为45°。

通过上述设置，超声波收发器2发射的超声波在两个反射元件3之间的传播路径与流路管道1的中心轴线重合，由于中心轴线上的流场较平稳，在中心轴线上的流速最大，所以对应的顺逆流条件下的时间差也最大，时间差越大越有利于测量。

如图2所示，本实用新型的实施例中，流路管道1包括第一管段11和分别对应设置在第一管段11两端的两个第二管段12，其中，第一管段11的内径小于第二管段12的内径，两个反射元件3分别对应设置在两个第二管段12内部。

通过上述设置，对流路管道1进行缩径设计，可以提高超声波热能表的测量精度。

具体地，可以将第一管段11的内径D1设置为20mm，将第二管段12的内径D2设置为14mm。根据流体在流路管道1中流动时的连续性特性(质量守恒特性)，缩径后的流路管道1横截面减小，流体流通第二管段12的横截面的平均流速将增大，L2路径上的流体流速也将增加，在相同流量条件下缩径后顺逆流超声波传播信号之间的时间差将增大，有利于提高测量精度。

同样的，还可以将该N型传播路径应用于其他大管径时差式超声波热能表的设计中。

如图2所示，本实用新型的实施例中，反射元件3包括反射面31和与反射面31连接的紊流部32。

其中，紊流部32为半球体。将紊流部32设置为半球体主要起导流作用，让流体流经该部分管体时更流畅，有利于稳定流场及减小压力损失。

本实用新型的超声波热能表还包括传播时间计量部件和流量计算部件。传播时间计量部件用于计量两个超声波收发器之间的超声波传播时间；流量计算部件根据传播时间计量部件传递的信号计算待计量流体的流量。

图3a示出了根据本实用新型的超声波热能表的待测流体流量为0.05m³/h时位于流路管道中心轴线上的流体的速度分布图；图3b示出了根据本实用新型的超声波热能表的待测流体流量为2.5m³/h时位于流路管道中心轴线上的流体的速度分布图。

在图3a和图3b中，横坐标均表示超声波传播的有效声程L2对应的不同位置，纵坐标均为流速。通过对比图3a和图3b可以发现，随着流体流量的增加，N型传播路径的有效声程L2上的速度分布变化更加平滑。

由于根据超声波收发器2发射的超声波顺流传播(即依次沿路径L1、L2和L3传播)与逆流传播的时间差获得的流体流速为超声波传播路径上的流体平均流速，为进一步获得流路管道内流体流量需将超声波传播路径上的流体平均流速修正为流路管道1横截面上的流体平均流速，超声波传播路径上流体速度分布越平滑将越有助于管道截面上流体平均流速的修正。

图4a示出了根据本实用新型的超声波热能表的待测流体流量为0.05m³/h时一个方向的纵截面上的流场分布示意图；图4b示出了根据本实用新型的超声波热能表的待测流体流量为0.05m³/h时另一个方向的纵截面上的流场分布示意图。

在图4a中，横坐标表示超声波传播的有效声程L2对应的不同位置，纵坐标表示流路管道水平剖面的不同位置；在图4b中，横坐标表示超声波传播的有效声程L2对应的不同位置，纵坐标表示流路管道垂直剖面的不同位置。在图4a和图4b中，不同颜色均表示不同的流速。

如图4a所示，具体地，X表示流路管道1的中心轴线所在的水平平面内的流体对应的不同位置。当待测流体以0.05m³/h的流量通过上述的超声波热能表后，位于两个反射元件3之间的水平平面内的流体的流速较大、流场较平稳，具体地，流速大于等于0.08m/s且小于等于0.12m/s；而位于左侧的反射元件3上游的流体的流速较小，流速小于等于0.08m/s，同样地，位于右侧的反射元件3的下游的流体的流速也较小，流速小于0.08m/s。

如图4b所示，具体地，X表示流路管道1的中心轴线所在的竖直平面内的流体对应的不同位置。当待测流体以0.05m³/h的流量通过上述的超声波热能表后，当0.24m≤X≤0.28m时，位于两个反射元件3之间的竖直平面内的流体的流速较大、流场较平稳，流速为大于等于0.1m/s且小于等于0.12m/s；位于左侧反射元件3上游的流体的流速较小，流场变化较大，流速在[-0.04,0.08]范围内变化；同样地，位于右侧反射元件3的下游的流体的流速也较小，流速均小于0.08m/s。

同理，图5a示出了根据本实用新型的超声波热能表的待测流体流量为2.5m³/h时一个方向的纵截面上的流场分布示意图；图5b示出了根据本实用新型的超声波热能表的待测流体流量为2.5m³/h时另一个方向的纵截面上的流场分布示意图。

在图5a和图5b中，横坐标均表示超声波传播的有效声程L2对应的不同位置；不同之处在于，在图5a中，纵坐标表示流路管道水平剖面的不同位置，在图4b中，纵坐标表示流路管道垂直剖面的不同位置。在图5a和图5b中，不同颜色均表示不同的流速。

如图5a所示，具体地，X表示流路管道1的中心轴线所在的水平平面内的流体对应的不同位置。当待测流体以2.5m³/h的流量通过上述的超声波热能表后，位于两个反射元件3之间的水平平面内的流体的流速较大、流场较平稳。具体地，当0.235m≤X≤0.28m时，位于两个反射元件3之间的水平平面内的流体的流速大于等于5m/s且小于等于6m/s，且流场较平稳；而位于左侧的反射元件3上游的流体的流速较小(流速小于等于4m/s)，流场变化较大；同样地，位于右侧的反射元件3的下游的流体的流速也较小(流速小于等于4m/s)。

如图5b所示，具体地，X表示流路管道1的中心轴线所在的竖直平面内的流体对应的不同位置。当待测流体以2.5m³/h的流量通过上述的超声波热能表后，位于两个反射元件3之间的竖直平面内的流体的流速较大、流场较平稳。具体地，当0.235m≤X≤0.285m时，位于两个反射元件3之间的竖直平面内的流体的流速大于等于4m/s且小于等于6m/s，且流场较平稳；而位于左侧的反射元件3上游的流体的流速较小(流速小于4m/s)，流场变化较大；同样地，位于右侧的反射元件3的下游的流体的流速也较小(流速小于等于4m/s)，流场变化较大。

通过对比图4a和图5a或者对比图4b和图5b可以发现，在反射元件3附近，流路管道1内的流场由于反射元件3的存在发生剧烈变化，但下游反射元件3附近的流场变化程度要小于上游区域。采用具有该N型传播路径的超声波热能表，从结构上做到了分别位于上游和下游的反射元件3相对于流路管道1的中心轴线成180度对称，有利于获得更加平稳的流场分布从而提高测量精度。

图6示出了根据本实用新型的超声波热能表在不同流量范围及温度变化条件下进行测量的测量结果及精度的示意图。图中虚线为超声波热能表达到2级精度(2％)应满足的流量误差上限及下限。

从图6中可以发现，当待测流体的流量位于0.025m³/h～2.5m³/h之间，且温度分别为25℃、38℃、50℃、60℃、和80℃时，利用该超声波热能表进行测量的测量精度达到2级标准，因此该超声波热能表具有较好的测量精度，且能够适应较大的流体介质温度变化范围。

表1至表3为本实用新型的超声波热能表与现有技术的超声波热能表在不同流量范围及不同流体温度下的测试结果。

表1水温21℃时分别利用本实施例的超声波热能表与现有技术的超声波热能表进行测试的测试结果

表2水温50℃时分别利用本实施例的超声波热能表与现有技术的超声波热能表进行测试的测试结果

表3水温50℃时分别利用本实施例的超声波热能表与现有技术的超声波热能表进行测试的测试结果

表1示出了当待测流量水温为21℃，待测流体流量分别为0.05m³/h、0.25m³/h和2.5m³/h时，利用本实施例的超声波热能表和现有技术的超声波热能表进行测试的测试结果。

如表1所示，在相同的水温下，待测流体分别处于不同的流量时，利用本实施例的超声波热能表对流体进行测量的测量相对误差绝对值的平均值均小于2％，达到2级精度要求。

而利用现有技术的超声波热能表对流体进行测量的测量精度(即相对误差值)则较大，当待测流体流量为2.5m³/h时，测量精度为2.22％；当待测流体流量为0.25m³/h，测量精度为2.6％；当待测流体流量为0.05m³/h，测量精度为5.72％。

表2示出了当待测流量水温为50℃，待测流体流量分别为0.05m³/h、0.25m³/h和2.5m³/h时，利用本实施例的超声波热能表和现有技术的超声波热能表进行测试的测试结果。

如表2所示，当待测量流体的水温为50℃，当待测量流体流量分别为0.05m³/h、0.25m³/h和2.5m³/h时，与现有技术相比，利用本实施例的超声波热能表对流体进行测量的测量精度的平均值均有所提高。

表3示出了当待测流量水温为50℃，待测流体流量分别为0.03m³/h、0.15m³/h和1.5m³/h时，分别利用本实施例的超声波热能表和现有技术的超声波热能表进行测试的测试结果。

通过对比表1、表2和表3可以发现，本实用新型的超声波热能表在保证精度达标的条件下对流体温度变化有较好的适应性，本实用新型的超声波热能表具有更加优越的整体性能。

由于超声波热能表的测量精度较现有技术有所提高，所以包括超声波热能表的测量精度也较高。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：两个超声波收发器相对于流路管道的中心轴线呈180°对称设置，即两个超声波收发器分别置于流路管道上下游的两侧；两个反射元件相对于流路管道1的中心轴线呈180°对称设置且两个反射元件分别对应设置在两个超声波收发器的对立侧，一个超声波收发器发射的超声波分别经两个反射元件反射后被另一个超声波收发器接收以使超声波在流路管道内形成N型传播路径；通过上述设置，由于两个反射元件相对于流路管道的中心轴线呈180°对称设置，从而使得流路管道内流场变化更加顺畅，有利于在两个反射组件之间的管路中获得更加稳定的流场分布，有利于测量，提高测量精度，且不易堵塞。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种超声波热能表，其特征在于，所述超声波热能表包括：

第一管体(10)，所述第一管体(10)具有用于输送待计量流体的流路管道(1)和分别与所述流路管道(1)相连通的第一进出口(13)和第二进出口(14)；

两个超声波收发器(2)，设置在所述流路管道(1)的内部，两个所述超声波收发器(2)沿所述流路管道(1)的轴向间隔设置；

两个反射元件(3)，设置在所述流路管道(1)的内部，其中，两个所述反射元件(3)与两个所述超声波收发器(2)一一对应设置，一个所述超声波收发器(2)发射的超声波经两个所述反射元件(3)反射之后被另一个所述超声波收发器(2)接收。

2.根据权利要求1所述的超声波热能表，其特征在于，一个所述超声波收发器(2)发射的超声波在两个所述反射元件(3)之间的传播路径与所述流路管道(1)的中心轴线平行或者重合。

3.根据权利要求2所述的超声波热能表，其特征在于，一个所述超声波收发器(2)发射的超声波分别经两个所述反射元件(3)反射后被另一个所述超声波收发器(2)接收以使所述超声波在所述流路管道(1)内形成N型传播路径。

4.根据权利要求3所述的超声波热能表，其特征在于，两个所述超声波收发器(2)在所述流路管道(1)的轴向上错位设置，且两个所述超声波收发器(2)在所述流路管道(1)的周向上间隔设置。

5.根据权利要求4所述的超声波热能表，其特征在于，两个所述反射元件(3)在所述流路管道(1)的轴向上错位设置，且两个所述反射元件(3)在所述流路管道(1)的周向上间隔设置，其中，所述反射元件(3)与所述超声波收发器(2)沿所述流路管道(1)的周向间隔设置。

6.根据权利要求5所述的超声波热能表，其特征在于，两个所述超声波收发器(2)相对于所述流路管道(1)的中心轴线呈180°对称设置，两个所述反射元件(3)相对于所述流路管道(1)的中心轴线呈180°对称设置。

7.根据权利要求3所述的超声波热能表，其特征在于，一个所述超声波收发器(2)发射的超声波与一个所述反射元件(3)的反射面之间具有第一入射夹角α，另一个所述超声波收发器(2)接收的超声波与另一个所述反射元件(3)的反射面之间具有第二入射夹角β。

8.根据权利要求7所述的超声波热能表，其特征在于，所述第一入射夹角α和所述第二入射夹角β均为45°。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的超声波热能表，其特征在于，所述流路管道(1)包括第一管段(11)和分别对应设置在所述第一管段(11)两端的两个第二管段(12)，其中，所述第一管段(11)的内径小于所述第二管段(12)的内径，两个所述反射元件(3)分别对应设置在两个所述第二管段(12)内部。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的超声波热能表，其特征在于，所述反射元件(3)包括反射面(31)和与所述反射面(31)连接的紊流部(32)。

11.根据权利要求1至8中任一项所述的超声波热能表，其特征在于，所述超声波热能表还包括设置在所述流路管道(1)的管壁上的两个第一安装通孔(15)，所述第一安装通孔(15)与所述流路管道(1)的内部连通，两个所述第一安装通孔(15)分别与两个所述超声波收发器(2)一一对应设置。

12.根据权利要求1至8中任一项所述的超声波热能表，其特征在于，所述超声波热能表还包括：

传播时间计量部件，用于计量所述两个超声波收发器之间的超声波传播时间；

流量计算部件，根据所述传播时间计量部件传递的信号计算待计量流体的流量。