CN205534543U - 一种带气量检测功能的燃气比例阀 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种带气量检测功能的燃气比例阀，在燃气比例阀的燃气流道上设有第一超声波发射换能器、第二超声波发生换能器、第一超声波接收换能器和第二超声波接收换能器，所述第一超声波发射换能器与第一超声波接收换能器构成第一收发装置，所述第二超声波发射换能器和第二超声波接收换能器构成第二收发装置，且第一收发装置的超声波传输方向与燃气流向相同，第二收发装置的超声波传输方向与燃气流向相反。工作中，通过对超声波接收换能器的接收时间进行高精度检测从而实时获取流过燃气比例阀的气量，而非理论计算量，突破行业内无气流量检测的传统燃气比例阀结构，大幅度提高燃气热水器竞争力。

Description

一种带气量检测功能的燃气比例阀

技术领域

本实用新型涉及燃气热水器用零部件，尤其涉及一种带气量检测功能的燃气比例阀。

背景技术

燃气比例阀是燃气热水器的核心部件之一，目前燃气比例阀技术相对成熟，各厂家燃气比例阀大同小异，相对新颖的也只是在其进气口或出气口增加气压传感器，虽然进、出气口气压比较重要，但相对燃气热水器而言，耗气量将显得更加重要，因为通过耗气量不仅可以实时知道热水器的气量使用情况，还能根据气量实时控制风机转速，使之始终处于最佳燃烧状况。

目前市场上虽已有显示用气量的燃气热水器，但是均是通过理论计算的方式得出，然后将该计算量通过显示模块将其显示出来，而理论计算是通过Q＝cmΔT，其中c为比热容，m为水质量，ΔT为温升，虽然可以相对准确的计算出实际所需的有效热负荷，但是由于热水器各状态的效率不一致，使得实际用气量难以相对准确地计算出来，显示的只是有效用气量，而实际用气量肯定比计算值大，更不能用该理论用气量去作为控制量，因此目前市场上能显示用气量的燃气热水器在一定程度上仅供参考。

因此，开发一款能实时准确显示用气量燃气热水器显得尤为重要，而用气量的检测最直接、最可靠的部位就是燃气比例阀，虽然流量检测技术比较成熟，所采用的流量传感器也多种多样，有电磁、超声波、涡轮、光纤、差压等，但现有技术中并没有一种燃气比例阀能够实现用气量的检测。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种结构简单、带气量检测功能、测量精度高的燃气比例阀。

为达到以上目的，本实用新型采用如下技术方案。

一种带气量检测功能的燃气比例阀，其特征在于，在燃气比例阀的燃气流道上设有第一超声波发射换能器、第二超声波发生换能器、第一超声波接收换能器和第二超声波接收换能器，所述第一超声波发射换能器与第一超声波接收换能器构成第一收发装置，所述第二超声波发射换能器和第二超声波接收换能器构成第二收发装置，且第一收发装置的超声波传输方向与燃气流向相同，第二收发装置的超声波传输方向与燃气流向相反。

作为改进地，所述第一收发装置的超声波传输方向、第二收发装置的超声波传输方向都与燃气流向呈一夹角，所述夹角都取锐角，且两夹角角度相同。

作为改进地，所述第一收发装置的超声波传输方向与燃气流向呈一夹角α，所述第二收发装置的超声波传输方向与燃气进气方向呈一夹角β，所述夹角α和夹角β都取锐角，且α≠β。

作为改进地，所述第一超声波发射换能器、第二超声波发生换能器、第一超声波接收换能器和第二超声波接收换能器都嵌在燃气比例阀的进气管上。

作为改进地，在进气管上设有贯穿管壁的四个安装孔，四个安装孔两两对应，所述第一超声波发射换能器、第二超声波发生换能器、第一超声波接收换能器和第二超声波接收换能器分别安装在相应的安装孔上。

作为改进地，所述第一超声波发射换能器、第二超声波发生换能器、第一超声波接收换能器和第二超声波接收换能器与燃气流道之间通过密封圈密封。

作为改进地，所述燃气比例阀还包括处理器，所述处理器与第一超声波发射换能器、第二超声波发生换能器、第一超声波接收换能器和第二超声波接收换能器信号连接。

作为改进地，所述处理器为燃气热水器主控制器。

作为改进地，在处理器上连接有显示器。

作为改进地，所述处理器为单片机。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

一、由于在燃气比例阀的燃气流道上安装有两组走向不同的超声波发射换能器与超声波接收换能器，工作中，通过对超声波接收换能器的波接收时间进行高精度检测对比，从而实时获取流过燃气比例阀的气量，而非理论计算量，突破行业内无气流量检测的传统燃气比例阀结构，大幅度提高燃气热水器竞争力。

二、将超声波发射换能器与超声波接收换能器与燃气热水器主控制信号连接，根据主控制器对接收换能器接收信号的时间差的检测，通过单片机的计算模块实时地将通过燃气比例阀进气口的燃气流量准确计算出来，通过对流量的积分处理，就可以得出一段时间内热水器的实际燃气使用量，该量可以通过热水器显示界面实时显示出来，实用性强。

三、采用超声波发射换能器与接收换能器，可以完全消除温度和压力变化声速的影响，提高检测灵敏度。

附图说明

图1所示为本实用新型提供的燃气比例阀结构示意图。

图2所示为图1的局部放大图。(图中箭头代表燃气流动方向)

具体实施方式

为方便本领域技术人员更好地理解本实用新型的实质，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细阐述。

如图1、图2所示，一种带气量检测功能的燃气比例阀，适当增加燃气比例阀进气管的长度尺寸，以便于安装中超声波发射换能器F1、F2与接收换能器J1、J2。

其中F1、F2、J1、J2分别通过密封圈2进行密封，另外F1、F2、J1、J2均带有输出引脚1。为了便于安装，F1、F2、J1、J2结构尺寸在精度许可的条件下尽可能地小，且F1、J1、F2、J2分别配套使用，F1、F2发出固定频率的超声波，超声波在气体中传播时，频率越高，衰减越严重，有资料表明频率在150kHz以内衰减影响不大，这也限制了有效声程不能做得很长，不过对于单片机的处理速度已经足够，所以在结构尺寸尽可能小的情况下，超声波发射换能器发射频率选择在150kHz以内，同时接收换能器的接收有效频率段与之相匹配，具体实现如下：

图2中，F1、J1和F2、J2与管道轴线夹角均为α，燃气比例阀进气口管径为D，燃气由下向上流动，速度为V,则此时由F1到J1超声波传播速度为：

c₁＝c+vcosα (1)

F2到J2超声波传播速度为：

c₂＝c-vcosα (2)

式(1)、式(2)中c为超声波的声波速度，考虑到超声波接收换能器J1、J2在接收到超声波信号到电位信号输出会受电子器件滞后性影响，因为此实用新型所述的气量检测精度要求较高，因此还需考虑滞后性因素对测量时间的影响。

每隔20ms超声波发射换能器F1、F2同时发射固定频率的短小脉冲，由式(1)与式(2)分别得出顺流传播时间t₁与逆流传播时间t₂，J1与J2接收到信号时分别启动单片机的两路定时计数器，通过单片机时钟信号量，分别计算出F1、F2的滞后时间t_d1、t_d2，则：

$t_1=\frac{D/sin\mathrm{\α}}{c+vcos\mathrm{\α}}+t_{d1}---\left(3\right)$

$t_2=\frac{D/sin\mathrm{\α}}{c-vcos\mathrm{\α}}+t_{d2}---\left(4\right)$

由式(3)与式(4)解方程可得：

$c=\frac{2D}{\[t_1+t_2-(t_{d1}+t_{d2})\]sin\mathrm{\α}}---\left(5\right)$

$V=\[\frac{1}{t_1-t_{d1}}-\frac{1}{t_2-t_{d2}}\]\×\frac{D}{sin2\mathrm{\α}}---\left(6\right)$

令Τ₁＝t₁-t_d1，Τ₂＝t₂-t_d2；则式(6)可进一步化简为：

$V=\frac{{(2D/sin\mathrm{\α})}^2}{{\[t_1+t_2-(t_{d1}+t_{d2})\]}^2}\×\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}}{2D\cot \mathrm{\α}}---\left(7\right)$

式中Δτ＝Τ₂－Τ₁＝(t₂-t₁)－(t_d2-t_d1)，则此时流过比例阀的燃气流量为：

$q_v=AV=\frac{\mathrm{\π}{(D^2/sin\mathrm{\α})}^2}{{\[t_1+t_2-(t_{d1}+t_{d2})\]}^2}\×\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}}{2D\cot \mathrm{\α}}---\left(8\right)$

超声波声速受介质成分、压力、温度影响较大，而对于气体流量测量精度要求较高，必须对上述因素进行补偿，假设超声波标准声速为c₀，受到压力与温度影响后，声速变化Δc_pt，则此时超声波声速为c_i＝c₀+Δc_pt，同理有流速为V的燃气流过比例阀，则此时由F1到J1超声波传播速度为：

c_sl＝c₀+Δc_pt+vcosα (9)

F2到J2超声波传播速度为：

c_nl＝c₀+Δc_pt-vcosα (10)

由式(9)和式(10)可得超声波由F1到J1与F2到J2的声速差：

Δ_c＝c_sl-c_nl＝2vcosα (11)

根据以上分析可知，燃气比例阀流量检测采用此法不仅可以完全消除温度、压力对声速的影响，并且将声速差提高两倍，使得测量的灵敏度提高两倍；另外由于t₁、t₂、t_d1、t_d2一般为毫秒级，在该时间段气体组分对声速的影响完全可以忽略，并且常规燃气成分相对稳定；因此利用单片机的定时计数模块通过对t₁、t₂、t_d1、t_d2的高精度检测，代入式(8)即可实时知道流过燃气比例阀的气流量q_v，通过对q_v的积分处理即可知道一段时间内燃气热水器的用气量Q，将上述气流量q_v、用气量Q通过热水器显示界面实时显示出来，并且还可以用该量作为风机转速控制量，从而使热水器处于最佳燃烧状态。

以上具体实施方式对本实用新型的实质进行了详细说明，但并不能以此来对本实用新型的保护范围进行限制。显而易见地，在本实用新型实质的启示下，本技术领域普通技术人员还可进行许多改进和修饰，需要注意的是，这些改进和修饰都落在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带气量检测功能的燃气比例阀，其特征在于，在燃气比例阀的燃气流道上设有第一超声波发射换能器、第二超声波发生换能器、第一超声波接收换能器和第二超声波接收换能器，所述第一超声波发射换能器与第一超声波接收换能器构成第一收发装置，所述第二超声波发射换能器和第二超声波接收换能器构成第二收发装置，且第一收发装置的超声波传输方向与燃气流向相同，第二收发装置的超声波传输方向与燃气流向相反。

2.根据权利要求1所述的燃气比例阀，其特征在于，所述第一收发装置的超声波传输方向、第二收发装置的超声波传输方向都与燃气流向呈一夹角，所述夹角都取锐角，且两夹角角度相同。

3.根据权利要求1所述的燃气比例阀，其特征在于，所述第一收发装置的超声波传输方向与燃气流向呈一夹角α，所述第二收发装置的超声波传输方向与燃气进气方向呈一夹角β，所述夹角α和夹角β都取锐角，且α≠β。

4.根据权利要求1所述的燃气比例阀，其特征在于，所述第一超声波发射换能器、第二超声波发生换能器、第一超声波接收换能器和第二超声波接收换能器都嵌在燃气比例阀的进气管上。

5.根据权利要求4所述的燃气比例阀，其特征在于，在进气管上设有贯穿管壁的四个安装孔，四个安装孔两两对应，所述第一超声波发射换能器、第二超声波发生换能器、第一超声波接收换能器和第二超声波接收换能器分别安装在相应的安装孔上。

6.根据权利要求1所述的燃气比例阀，其特征在于，所述第一超声波发射换能器、第二超声波发生换能器、第一超声波接收换能器和第二超声波接收换能器与燃气流道之间通过密封圈密封。

7.根据权利要求1所述的燃气比例阀，其特征在于，它还包括处理器，所述处理器与第一超声波发射换能器、第二超声波发生换能器、第一超声波接收换能器和第二超声波接收换能器信号连接。

8.根据权利要求7所述的燃气比例阀，其特征在于，所述处理器为燃气热水器主控制器。

9.根据权利要求7所述的燃气比例阀，其特征在于，在处理器上连接有显示器。

10.根据权利要求7所述的燃气比例阀，其特征在于，所述处理器为单片机。