CN217716516U - 一种换能器法兰内置的大口径多声道超声波水表 - Google Patents

Abstract

本实用新型隶属于流量计量设备的技术领域，具体为一种换能器法兰内置的大口径多声道超声波水表，旨在解决现有各类超声波大口径水表在换能器斜插模式下，其一对对射换能器的安装无法做到有效声程最大化即流量计量程比最大化的难题；本实用新型的技术方案为，提出一种L形的换能器，将换能器密封固定柱安置在法兰内，而将换能器功能柱安置在内衬上换能器对射孔中，从而实现了换能器的固定密封及其方向定位的分离，将换能器间的有效声程达到最大化；同时，也做到了在法兰内安装压力和温度传感器以及从法兰内侧将信号线密封引出至电路仪表盒的密封结构；至此，实现了超声波大口径水表量程比的最大化，而且便于加工制造，成本低。

Description

一种换能器法兰内置的大口径多声道超声波水表

技术领域

本实用新型隶属流量计量设备的技术领域，具体涉及一种换能器法兰内置的大口径多声道超声波水表。

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的)。以超声波水表为例，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计量的体积变化进行补偿(对此，电磁流量计则需要安装温度计)、大口径多声道的测量具有更高精度及安全性(而电磁流量计只有一对线圈和相应电极，有线圈故障即得报废)、可测量各种低粘度液体(电磁流量计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(电磁流量计则不能测量气体流量)。

超声波水表升级改进的技术发展方向与原则需要明确界定。通常，流量计的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计量精度的重要条件；量程比为在流量计计量精度保证下，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、换能器布局方式及流道结构等，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。以水表为例，特别是按照水表新标准的约束，可将超声波水表的技术的升级，归纳为如下十条原则：

(1)声程最大化原则：为使超声波水表具有大的量程比，对于大口径流量计，特别是超声波水表，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，这点与工业流量计截然不同。例如，某生产厂，白天生产时间的用水量是夜晚用水量的500倍，如果流量计量程比低(比如量程比R＝200)，那么，要兼顾白天大流量段的计量，就必然舍去对夜间小流量用水量段的计量。换句话说，流量计可能在小流量情况下无法计量或计量误差很大(计量精度值偏负，如目前旋翼式机械水表)，这就必然造成供水方计量损失。要使得超声波水表具有大量程比，做到公平贸易结算，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较小的始动流量。

有关超声波流量计的量程比与换能器间距的关系推导如下：

在水计量领域，量程比R定义为R＝Q₃/Q₁，其中，Q₃为对应某管径下的常用流量，它是一个给定值；Q₁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)Q_q越低(对应其流速V_q就越低，而V_q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，Q₁也成比例地对应变低(即对应的最小流速V₁就变低)。通常，在实际应用中，其经验值是Q₁＝(5～10)Q_q(Q₁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Q₃与Q₁所用的时间间隔相等)，量程比R与两换能器间距L之间的关系为：

上式中，Q₃为某口径流量计的常用流量，V₃为与Q₃相对应的流量计管路内流体的流速，Q₁为满足一定计量精度要求的最小流量，V₁为与Q₁相对应的流量计管路内流体的流速，对某口径流量计而言，Q₃和V₃为常量(选定值)，π为圆周率，r为流量计管路的内半径，t为计量用时，L为超声波流量计管路内两换能器对射面之间的间距，α为两换能器之间连线在流量计管路水流方向的夹角(α为锐角，当α＝0时，两换能器连线与水流方向一致，cos(α)＝1)，k为与流量计的计量时差、声速有关的已知量，β为与流量计的计量时差、声速有关的已知量，令β＝V₃/10k，为常数，而V₁通过超声波流量计时差公式计算V_q得出，即

因而，在具体计算时，V₁按照V₁＝10V_q代入。由上面R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L·cos(α)，就可有效提高流量计的量程比R(对于水表，中国国标于2018年将量程比或流量比的最大值提升至R＝1000)。

(2)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，这样有效信号幅值就最强。大口径流量计尺寸较大，为了保障信号接收强度，换能器应选择对射式安装模式。在换能器声波反射式安装模式情况下，因有一个或数个反射面，声波反射传递有能量损耗(反射面足够大时，理想状态的反射面声能损耗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％，这将严重影响正常计量。所以，近几年，大口径流量计基本淘汰了换能器间声波反射收、发模式。

(3)多声道原则：为使大口径超声波水表具有高的计量精度和可靠性，大口径超声波流量计应采取多声道模式(即多组换能器)。这是因为，对射多声道换能器模式，除了能对流体在管道内不同层面进行分别计算，提高计量精度和准确性外，多声道还是计量可靠性的重要保障(电磁流量计的励磁线圈如果断路，流量计就会报废；而多声道超声波流量计，即便有一对或多对换能器损坏，只要保留一对工作，也能进行流量计量)。

(4)内管壁完整性原则：为提高超声波流量计的计量精度和减小流量计流道内的流体阻力，应使流量计流道的内管壁具有完整性。流量计流道表面因为安装换能器的原因而出现凹凸结构，会产生流体紊乱，从而导致小流量的计量精度偏差较大(流体紊乱流动对流量计大、小流量的计量都受影响，小流量受影响更大)，导致流量计量程比低及流量计的一致性差。

(5)先进制造工艺原则：为降低制造成本和方便制造，应采取优良制造工艺，使大口径超声波水表具有高的计量精度和一致性与可靠性。尽量不使用成本高、制造流程复杂、精度低的铸造工艺来加工生产流量计管段，而应采用拉伸或锻造成型的成品管段焊接、加工制造。因为用铸造工艺制造的管段，除了管壁较厚(薄管壁不易浇铸，容易有沙眼)成本高以外，其管内径一致性相差较大(有缩径时，内孔加工困难)，这使得大口径的流量标定费工费时，每个流量计基表都要单独修正补偿。

(6)低压损原则：流量计通道尽量不缩径，避免在流量计通道内造成流体压力损失。为了克服声程短，即量程比低的劣势，目前许多斜插式流量计都要缩径，有些甚至将流量计流道做成扁腔，如专利授权公告号CN 202083425 U，以提高相对流速(因为时差芯片所能计算的最小有效时差是定值，为了得到有效计算，当这一最小值达不到时，提高流速就能提高时差)，这样做的后果除了增大了流量计的压损以外，还会带来在常用流量Q₃或过载流量Q₄时，由于过度缩径造成流体局部流速过快，从而产生水白化现象(即少部分水被流道汽化)，其结果会导致流量计停止计量(含气水的声速会大幅降低，时差值产生紊乱)，这就是为什么许多大口径超声波水表在大流量情况下不能计量的原因。

(7)一致性性原则；大口径流量计管体及换能器安装，即流道加工与换能器组件安装工艺须有较高的精度和一致性(铸造管体无法做到高度一致性)，它决定了流量计批量生产的品质，此项水平，决定流量计等级水平及在其标定时是否省时省力。

(8)管体密封安全原则：较大口径超声波流量计，在解决管体密封时，采用与管径相同较大尺寸的密封圈，安装难度大，密封效果存在隐患。所以，尽量采用较小尺寸的密封圈，以保障其密封的可靠性、耐久性。

(9)适配性原则：方便配置压力传感器及温度传感器(适应不同应用，如供热计量、气体计量)，以便适用于质量流量的计量或供热、天然气的输配计量。

(10)结构简单、方便装配原则：结构简约化、安装有唯一的确定性，从而整体易装配，且能保障流量计既稳定可靠，又有高的一致性。

对照上述超声波水表的十条技术导则，现有技术仍然存在缺陷或不足。

超声波水表的技术性能为计量精度和量程比，而计量精度和量程比的决定因素在于超声波换能器的安置模式及流量计流道的完整性。

斜插式换能器的安置，声程短、声道少、斜孔加工精度要求高：如专利授权公告号CN 201993129 U为斜插式，两换能器连线在管段内水流方向的投影距离很短，与技术导则(1)不符；另外在口径较小时管外端无空间安置较多声道，这与技术导则(3)不符；流道内有换能器凸出部分，这又与技术导则(4)不符，对安装换能器的斜孔角度要求很高，偏移微小角度，声波接收强度大幅减少，因此加工难度大。

超声波水表的立柱式换能器的安置方式，它相对于斜插式，声程有所加长，得到较大改善，声道数也比斜插式要多并且方便安装，如专利授权公告号CN 208921195 U。但这种柱状换能器安装结构将柱体排列在管道两侧，由于换能器间连线的对射模式也与水流方向有夹角，为了保障一对对射换能器声道畅通，所以不得不切去较大宽度的管体通道内壁，造成了内部流道的破坏(如该专利附图3)；又如专利公告号CN 202770480U，图2，其将换能器安装柱凸出于流道表面(换能器柱凸出，但换能器位置流道仍然有较大凹陷)，这种流道的凹凸在流速较低时产生紊流，其结果是小流量流动不稳定，流量计的测量精度低，对满足一定计量精度要求的流量计最小流量Q₁影响较大，从而降低了流量计的量程比，这与技术导则(4)不符。对应流道内壁的损坏程度而言，立柱式安装方式比斜插式安装方式要严重的多；另外，这种模式目前只能铸造成型，效率低，一致性差，成本较高，与技术导则(5)不符。

内衬斜插式换能器的安置，是一种较新模式，申请公告号CN 111121895 A比起前两种模式无论是声道数量、声程、流道完整性及壳体制造方便程度(可不用铸造，直接用成品管焊接成型即可)都有所提升。但这种模式亦有弊端：由于换能器安装在内衬上，两侧环形排布，如果在内衬上直接封装换能器，换能器的孔位由于是大斜角及环形分布，所以封装难度很大，如果有个别封装失败就整管报废(换能器封装工艺技术步骤多、难度大、要求高、在大体积部件内封装难以实现)；如果用独立换能器分立安装，由于内衬厚度有限，孔眼斜度大，空间狭小，密封及固定较困难。又由于，换能器安装内衬厚度有限，随着换能器间距的拉开，对射换能器安装孔倾斜度就越大、孔边沿就越薄，安装空间就更受限制，所以一对换能器的间距不可能在有限的管长情况下，拉开至最大，相对的声程无法做到最大化。该专利所示的这种模式采用与管内径相同的大密封圈将内衬与金属管内侧密封，耐久性及安全性无法保障，与技术导则(9)不符。此解决方案是将整体内衬与管体套管内侧整体密封，所以，若要在管体上安装温度或压力传感器，有一定难度，有悖于技术导则(10)。

综上分析可知，在斜插式换能器安置模式、立柱式换能器安置模式、内衬斜插式换能器安置模式这三种安置模式中，内衬斜插式换能器安置模式的性能更好，它有其显著的优点：(1)在流量计管体套管的外侧，不需要像斜插式换能器安置模式或立柱式换能器安置模式那样，设置(铸造或焊接完成)换能器金属固定部件；(2)方便尽可能地排布更多的换能器即更形成多声道，利于提高计量精度；(3)与立柱式换能器安置模式不同，其流量计管内壁完整，利于提高小流量的计量精度，即提升量程比；(4)流量计基表用焊接管段方式形成而不采用成本较高的铸造方式等。

但内衬斜插式换能器安置模式也有致命的缺点：即按照专利公告号CN 111121895A所述，其换能器安装在内衬上，两侧环形排布，采用独立换能器分立安装时，由于内衬厚度有限(受法兰螺栓安装孔的位置限制)，如果拉开一对对射式换能器的间距，那么，孔眼斜度变大，孔壁很薄，空间狭小，换能器的密封、定位及固定较困难。因此，由于内衬厚度限制，会随着声程增长而将换能器间距拉开时，对射换能器安装孔倾斜度就会变得更大、孔边沿就越薄，几乎没有换能器安置空间，更不用说还要解决固定和密封问题，所以，在该种换能器安置模式下，一对换能器的间距不可能做到在有限的管长情况下，拉开至最大。事实上，对于实际的应用，其换能器间距即量程比很有限。另外，该专利的内衬采用大密封圈整体密封的方式，除了不利于安装温度/压力传感器外，整体密封也存在耐久性问题。

对于大口径超声波水表，现有技术还不能符合上述超声波水表的十条技术导则，还存在许多不足之处，尽管在斜插式换能器安置模式、立柱式换能器安置模式、内衬斜插式换能器安置模式这三种安置模式中，内衬斜插式换能器安置模式的性能更好，但也存在致命的缺点。针对内衬斜插式换能器安置模式，如果能保留其四大优点而克服其一对换能器在内衬中安装时，间距拉开受限的致命缺陷，以及解决换能器固定和密封难题，那么，就能使大口径多声道超声波流量计的性能得到突破，达到新的高度；另外，还需要同时解决将内衬的整体密封转变为局部密封且便于安装温度/压力传感器等相关问题，这些正是本实用新型要解决的问题，为此，本申请按照上述超声波水表的十条技术导则，提出一种法兰换能器式大口径多声道超声波水表。

实用新型内容

鉴于大口径现有技术所存在的不足，针对内衬换能器安装模式，如果能保留其四大优点而克服其一对换能器在内衬中安装时，间距拉开受限的致命缺陷，即解决换能器固定和密封难题，那么，就能使大口径多声道超声波流量计的性能突破，达到新的高度；另外需要同时解决将内衬的整体密封转变为局部密封且便于安装温度/压力传感器。

本实用新型提出了一种换能器法兰内安装的大口径多声道超声波水表，遵从超声波水表的技术发展的十条原则，保留内衬换能器安装模式四大优点，提供了一种新的L形换能器及其特殊的安装结构，其技术方案为：(1)对换能器结构进行创新，即提出一种L形的小尺寸超声波换能器，分上、下两部分，其上端部分柱体起密封及固定作用，而发出超声波功能的下端部分，起到方向定位作用；(2)对换能器的安装位置进行创新，即将这种L形换能器能巧妙地安置于法兰内圈底部与内衬之间，即将上端起密封及固定作用的柱体安置在法兰内，起到定位与密封；而将下端功能部分安置在内衬中的换能器对射通道中，自然解决了换能器方向的定位且无需密封。上述两条措施巧妙地解决了换能器的固定与密封占用空间较大而实际上发出超声波的功能部分体积小不易定位和密封的实际应用难题；由于换能器安装在法兰里面，而一对法兰的间距就是流量计基表的长度，所以一对换能器在规定的流量计管段长度条件下，其有效间距已达到最大值，故，能较完美地实现了超声波流量计声程最大化即量程比最大化原则，将大口径超声波流量计的技术水平及产品性能提升到一个新高度等级；(3)在法兰内采取多声道及不同高度位置的换能器布局模式，由此提高超声波水表的计量精度；(4)对超声波流量计流体管路布局为直通的平滑流道，避免在流量计流体管路内形成流体的压力损失和对计量精度的影响；(5)方便在法兰内安装压力及温度传感器；(6)超声波流量计管体采取由成品拉伸管段加工焊接而成的制造方式，而非铸造方式。

上述即一种换能器法兰内置的大口径多声道超声波水表，具体为：包括有内衬固定柱孔的半个法兰和有压力/温度传感器孔的半个法兰、管体套管、L形的换能器、半个内衬一和半个内衬二、内衬定位柱、引出线固定头、引出线金属管、温度传感器、压力传感器、仪表电路盒；水表的流量计基表由进水口法兰整体和出水口法兰整体、管体套管、及内衬)、L形的换能器组成；其中，所述有内衬固定柱孔的半个法兰和有压力/温度传感器孔的半个法兰分别组合、焊接形成进水口法兰整体和出水口法兰整体；所述半个内衬一和半个内衬二镶嵌对接形成内衬；所述L形的换能器)的一端安装在有内衬固定柱孔的半个法兰)和有压力/温度传感器孔的半个法兰内，另一端斜插固定在半个内衬一和半个内衬二中，由此构成一种换能器法兰内置的大口径多声道超声波水表。

所述的有内衬固定柱孔的半个法兰和有压力/温度传感器孔的半个法兰在法兰内段部分比标准法兰的宽度增加6～8mm；所述有内衬固定柱孔的半个法兰的内圈有内衬固定柱孔、换能器密封固定柱孔)；所述的有压力/温度传感器孔的半个法兰的内圈有压力/温度传感器安装孔、换能器密封固定柱孔；法兰外侧有法兰密封面，该密封面的内侧位于内衬两端的外侧；法兰内侧，有安装、固定金属套管的法兰缺口，该缺口的深度为6～10mm。

进一步，所述的内衬上有内衬定位柱，与所述的内衬固定柱孔相配合；内衬上有换能器对射孔以及压力/温度传感器伸出孔；所述的内衬是由半个内衬一和半个内衬二合并形成，合并处由凸、凹结构镶嵌对接。

所述的换能器对射孔有多个，在内衬上按照不同高度层面排布。

所述的L形的换能器由换能器密封固定柱与换能器功能柱两部分组成，两者之间有焊接线；所述的换能器功能柱内有陶瓷片、PCB及信号线；换能器密封固定柱上有密封圈一，其顶部有弹性胶圈；换能器密封固定柱与换能器密封固定柱孔配合；换能器功能柱与换能器对射孔配合；所述信号线由管体套管外侧、法兰内侧的孔引出至仪表固定柱内再通至仪表电路盒内的积算电路PCB上电性连接。

所述的压力传感器安装于流量计基表的进水端的压力/温度传感器安装孔内，通过螺纹连接、压紧铜垫圈密封，压力传感器的外侧端头在压力/温度传感器伸出孔内；所述的温度传感器安装于流量计基表的出水端的压力/温度传感器安装孔内，通过螺纹连接、压紧铜垫圈密封，温度传感器的测温杆从内衬上的压力/温度传感器伸出孔伸出至流道的中心位置。

所述的信号线从法兰内侧靠近金属套管外侧引出；在引出线孔中，通过穿过引出线金属管的引出线固定头的外螺纹柱旋入孔中挤压垫圈、压缩密封圈二于金属套管外侧和孔壁间密封。

与现有技术的大口径换能器斜插式超声波流量计相比，本实用新型具有突出的实质性特点和显著进步，表现为：

第一，与给定流量计直通管长度、各种口径的换能器斜插式安装结构的大口径超声波水表相比，本实用新型首创地采取在基表法兰内径厚壁上布局、设置和装配对射式超声波换能器，在两法兰内布局的一对对射式换能器在水流方向上的投影距离最长，即L·cos(α)值最大，近似等于流量计的管段长度，所以根据

可知，实现了大口径超声波水表计量的有效声程最大化，即量程比最大化、始动流量最小化。

第二，本实用新型在法兰内采取多声道的换能器布局模式，显著提高了超声波水表的计量精度，具体为在两法兰内布局了多组换能器并安置在内衬管内不同高度的层面上，以便对不同层面高度管体内流体流速进行计算，由此得到高精度的计量值，图2展示4通道的换能器设置，a、b、c、d在4个不同高度层面上得以布局。

第三，本实用新型创新地提出了一种L形结构的换能器，成功解决了普通凸形换能器在内衬中定位与密封困难的问题。L形结构的换能器由密封固定柱与功能柱两部分组成，两者之间经定位对接后，用激光焊接成一个整体；L形结构的换能器将体积较大的定位与密封部分，即换能器密封固定柱安置于法兰内，而将体积较小、只需要定位不需密封的换能器功能柱部分斜插安装于内衬的换能器对射孔中，从而达到了可靠的换能器密封、固定及定位安装目的。

第四，本实用新型创新地提出了一种可内置换能器的水表法兰，实现了在水表法兰内方便安置换能器密封固定柱部分、压力传感器、温度传感器以及内衬定位柱结构；本实用新型所提出的水表法兰由对称的两半后期焊接形成，在靠法兰孔外圈厚度为标准法兰，便于常规安装螺栓；为了安置换能器及压力/温度传感器，法兰内段加厚；法兰内圈有内衬固定柱孔、换能器密封固定柱孔、压力/温度传感器安装孔；安装孔中心线与法兰半径同轴；内衬固定柱孔的作用是与内衬外侧的内衬定位柱结合，对内衬与法兰间进行位置定位；进一步，法兰外侧有密封面，该密封面的一部分起到保护在管体内安装的内衬两端不外露的作用；法兰内侧，有安装、固定金属套管的法兰缺口；安装时，当金属套管嵌入该缺口后，可对法兰及金属套管间进行激光焊接连接固定。

第五，本实用新型提出了一种新的内衬结构，内衬位于管体套管内，内衬与管体套管间不需要密封，内衬与法兰间通过内衬定位柱，插入法兰内侧对应的内衬固定柱孔内而达到定位；两内衬的端面紧靠法兰密封面内侧端面，流量计基表的长度是由定位后的内衬长度和法兰厚度共同确定；内衬上有若干对对射式换能器的通道孔；内衬上还对称地留有压力传感器和温度传感器孔，此孔与压力传感器和温度传感器在法兰上的安装孔对应；筒状的内衬是由对称的两部分合并形成，对接面上有凸、凹结构对接；筒状内衬上面有换能器方向定位孔及压力/温度传感器伸出孔，两个半边组成的筒状内衬实现了模具及注塑方便加工；一对对应的换能器孔的对射位置，完全由模具一次性确定，实现了一组对射换能器的对射面角度永久不会发生偏离，有效保障了换能器超声波信号的长期稳定。

第六，本实用新型提出了利用法兰及其宽度的内径厚壁上安置换能器及压力、温度传感器的方式，能够避免如专利公布号CN 111121895 A所述的大口径流量计基表内衬，因为需要整体密封而难以安装压力及温度传感器，巧妙地只进行局部密封，就将换能器及压力、温度传感器的引出线从法兰内侧、管体套管外侧，通过引出线固定头引出。

第七，本实用新型采取所有信号线都从法兰内侧靠近管体套管外侧引出，在引出线孔中，通过穿过引出线金属管的引出线固定头的外螺纹柱来挤压密封圈一于引出线金属管外侧和孔壁间密封。

第八，本实用新型流量计基表不需要铸造，而采用拉伸形式的成品管段焊接成型，管壁相对铸造工艺要薄，节约成本，方便加工制造。

第九，本实用新型采取的法兰与内衬间安装换能器的方式，采用封装后直接10mm的换能器，斜插于内衬孔中，几乎没有对内衬管壁造成凹凸损坏，对流体的流动(特别是小流量)不会产生紊流、涡流等，保证了被测流体流动的稳定性。

第十，本实用新型的流量计管体流道为直通管路，低压损。

第十一，本实用新型管体内的所有塑料器件，均用模具注塑加工成型，有较高的一致性和互换性，从而使得流量计管体流道内流体特性十分接近，方便批量生产流量计的后期检测及标定。

综上所述，与现有大口径超声波水表相比，本实用新型不仅提出了L形换能器，而且提出了在法兰内径厚壁上布局对射L形换能器、以及一种新的内衬结构，并且在法兰内采取多声道的超声波换能器，在内衬上按照不同高度进行布局的结构，以此构成完整结构的超声波水表，做到了结构简单、成本低、性能高及安全可靠，实现了在给定长度给定管径下，超声波水表的量程比最大化、始动流量最小化和高精度的计量。

附图说明

图1一种换能器法兰内安装的大口径多声道超声波水表外观示意图；

图2是一种换能器法兰内安装的大口径多声道超声水表的剖视图；

图3是一种换能器法兰内安装的大口径多声道超声波水表的法兰示意图；

图4是法兰内安装换能器、温度传感器、内衬定位柱的剖视图；

图5是一种L形换能器的组成部件示意图；

图6是一种L形换能器剖视图；

图7是内衬安装示意图；

图8是法兰、管体套管、内衬及传感器安装示意图；

图9是引出线固定头及配件示意图；

图10是压力传感器示意图；

图11是温度传感器示意图；

图中：

11.进水口法兰整体；12.出水口法兰整体；11a.有内衬固定柱孔的半个法兰；11b.有压力/温度传感器孔的半个法兰；21.管体套管；211.金属套管与法兰间的焊接位；13.法兰密封面；14.安装、固定金属套管的法兰缺口；15.压力/温度传感器安装孔；16.内衬固定柱孔；17.换能器密封固定柱孔；18.法兰内段部分；32.换能器；32a.换能器功能柱；32b.换能器密封固定柱；321.密封圈一；322.弹性胶圈；313.信号线；323.焊接线；32a1.陶瓷片；32a2.PCB；61.内衬；61a.半个内衬一；61b.半个内衬二；64.换能器对射孔；62.压力传感器；63.温度传感器；65.凸、凹结构；66.内衬定位柱；67.压力/温度传感器伸出孔；42.引出线固定头；421.垫圈；422.密封圈二；41.引出线金属管；51.仪表电路盒；512.积算电路PCB；511.显示屏；513.电池；52.仪表盒固定柱；521.螺丝。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型实施做进一步详细说明。

实施例一：

本实施例为一种换能器法兰内置的DN150口径多声道超声波水表。

如图1、4所示，本实施例包括有内衬固定柱孔的半个法兰11a和有压力/温度传感器孔的半个法兰11b、管体套管21、L形的换能器32、半个内衬一61a和半个内衬二61b、内衬定位柱66、引出线固定头42、引出线金属管41、温度传感器63、压力传感器62、仪表电路盒51等；水表的流量计基表由进水口法兰整体11和出水口法兰整体12、管体套管21、及内衬61、L形的换能器32组成；其中，所述有内衬固定柱孔的半个法兰11a和有压力/温度传感器孔的半个法兰11b分别组合、焊接形成进水口法兰整体11和出水口法兰整体12；所述半个内衬一61a和半个内衬二61b镶嵌对接形成内衬61；所述L形的换能器32的一端安装在有内衬固定柱孔的半个法兰11a和有压力/温度传感器孔的半个法兰11b内，另一端斜插固定在半个内衬一61a和半个内衬二61b中，由此构成一种换能器法兰内置的大口径多声道超声波水表。

如图2、3、7所示，所述有内衬固定柱孔的半个法兰11a、有压力/温度传感器孔的半个法兰12b在靠法兰孔外圈厚度同标准法兰，便于常规安装螺栓；为了安置换能器及压力/温度传感器，法兰内段部分18加厚；法兰内圈有内衬固定柱孔16、换能器密封固定柱孔17、压力/温度传感器安装孔15；安装孔中心线与法兰半径同轴；内衬固定柱孔16的作用是与内衬61外侧的内衬定位柱66结合，对内衬与法兰间进行位置定位；进一步，法兰外侧有法兰密封面13，该密封面的一部分起到保护在管体内安装的内衬两端不外露的作用；法兰内侧，有安装、固定金属套管的法兰缺口14；安装时，当管体套管21嵌入该安装、固定金属套管的法兰缺口后，可对法兰与管体套管间进行激光焊接连接固定；所述法兰内段部分18比标准法兰加宽6～8mm,以便法兰内孔直径能满足安装温度及压力传感器。管体套管21嵌入法兰内侧对应的缺口14内，缺口的深度为6～10mm；对称的两半法兰间、法兰与管体套管间，后期都采用激光焊接方法，形成流量计的基表。

如图2、7所示，所述管体套管21内安装有内衬61，与专利公告号CN 111121895 A中所述内衬不同，本实用新型的内衬与管体套管间不需要需密封，内衬与法兰间通过内衬定位柱66，插入法兰内侧对应的内衬固定柱孔16内而达到定位；当内衬与法兰间定位固定后，即可焊接法兰与管体套管之间的连接处(管体套管与法兰间有间隙，不做定位)；两法兰密封面13内侧紧靠内衬的两端面,所以，流量计基表的长度是由定位后的内衬长度和法兰共同决定；内衬上可排布数对对射式换能器对射孔64，由若干对对射式换能器的通道，形成多声道，该换能器对射孔的直径为10mm，直径很小，不影响流道内壁的完整性；内衬上还对称的留有压力/温度传感器伸出孔67，此孔与压力传感器62和温度传感器63在法兰上的压力/温度传感器安装孔15对应；筒状的内衬61是由两部分即半个内衬一61a和半个内衬二61b合并形成，对接面上有凸、凹结构65镶嵌对接；筒状内衬上面有换能器对射孔64；由于筒状内衬是由PPO、PPS、PA66等工程塑料注塑形成，分两个半边组合而成，所以模具及注塑加工方便；另外，一对对应的换能器对射孔64的对射位置，完全由模具一次性确定，所以，一组对射换能器的对射面间的角度永远不会发生偏离，这就有效保障率信号的长期稳定。

如图2所示，为了对流体的计量更为精确，本实用新型将多组换能器排布安置在内衬61管内不同高度的层面上，以便在不同高度层面对管体内流体流速进行计算，以得到更为精确的计量值。图2展示4通道换能器32的安置，a、b、c、d在4个不同高度层面上得以分布。

如图5、6所示，为一种创新结构的L形换能器32，它由换能器密封固定柱32b与换能器功能柱32a两部分组成，两者之间经定位对接后，用激光在焊接线323处焊接成一个整体；功能柱内有超声波陶瓷片等组件即陶瓷片32a1、PCB 32a2及信号线313；换能器密封固定柱上安装密封圈一321，且其顶部有弹性胶圈322；换能器密封固定柱32b安置于法兰内圈底部换能器密封固定柱孔17中；换能器功能柱32a斜插于内衬的换能器对射孔64中；换能器的信号线313由管体套管外侧、法兰内侧引出至仪表固定柱52内，通至仪表电路盒51的积算电路PCB 512上；进一步，所述L形换能器的陶瓷振子频率为2MHz或4MHz,尺寸Φ8mm；其中，L形换能器的密封固定柱安装于法兰内圈底部的换能器密封固定柱孔17内；而L形换能器的功能柱直径为Φ10mm安装于内衬套管对应的换能器对射孔64内，这个孔较小，对流量计内腔的影响可忽略不计。

如图5、6所示，所述的换能器是这样制作的：

1)L形换能器密封固定柱32b与换能器功能柱32a都是分别注塑完成，其注塑材料可用PPS或PEEK。

2)将换能器组件，陶瓷片32a1胶粘封装、信号线313焊接于PCB 32a2上，组件均在换能器功能柱盲孔内。

3)将换能器功能柱32a内的信号线313穿过换能器密封固定柱32b中心孔之后，可将这两柱对接，对接口有唯一的对接方位，形成L形状。

4)将L形状换能器放入机械夹具中固定，以激光对焊接线323处焊接完成。

如图2、10所示，所述的压力传感器62安装于进水口法兰整体11上的带有压力/温度传感器孔的半个法兰11b底部的压力/温度传感器安装孔15内，通过螺纹连接、压紧铜垫圈密封。压力传感器的外侧端头在内衬61上的压力/温度传感器伸出孔67内，压力传感器不露头，不会影响进水端被测流体的流动状态。

如图1、11所示，所述的温度传感器63安装于出水口法兰整体12上的带有压力/温度传感器孔的半个法兰11b底部的压力/温度传感器安装孔15内，通过螺纹连接、压紧铜垫圈密封。温度传感器的外侧测温杆从内衬61上的压力/温度传感器伸出孔67伸出至流道中心位置，测量温度。由于温度传感器安装在出水端，所以也不会影响被测流体的流动状态。

如图1、4所示，所有信号线313都从法兰内侧靠近管体套管21外侧引出。又如图9所示，在引出线孔中，通过穿过引出线金属管41的引出线固定头42上的外螺纹柱旋入法兰内侧孔中、挤压垫圈421压缩密封圈二422于引出线金属管外侧和孔壁间密封。

如图1、2所示，所述仪表电路盒51通过螺丝521固定在仪表盒固定柱52上，仪表电路盒内有积算电路PCB 512、显示屏511、电池513。

流量计基表的装配过程为：

1)如图7、8所示，在管体套管21内合并及对接安装法兰内衬61，即将半个内衬一61a和半个内衬二61b从管体套管的两端分别插入管体套管内，在插入的同时，对接凸、凹结构65。

2)如图3所示，在有压力/温度传感器孔的半个法兰11b上安装压力传感器或温度传感器：先将压力/温度传感器的信号线从压力/温度传感器安装孔15穿入，然后将压力传感器62或温度传感器63的螺纹，对准压力/温度传感器安装孔15，装好铜垫片，旋紧螺纹即可密封固定。

3)如图3、7所示，对有内衬固定柱孔的半个法兰11a，将其上的内衬固定柱孔16与内衬61上的内衬定位柱66对接；同时，在内衬的两端，有换能器对射孔64，将换能器功能柱32a一端插入换能器对射孔中；又如附图8所示，四声道换能器的设置，对于半边法兰，那么插入两个换能器，即先穿信号线313，然后将换能器密封固定柱32b插入换能器密封固定柱孔17内，完成后扣上这半边法兰，完成安装；如果法兰上安装了压力或温度传感器，那么要将压力传感器六角螺栓头或温度传感器六角螺栓头插入内衬上对应的压力/温度传感器伸出孔67内；注意，换能器密封固定柱上提前套上密封圈一321，在法兰上对应的孔内可提前放置弹性胶圈322。

4)按照管体套管21外侧箭头方向安装压力或温度传感器：按照3)操作时，由于管体套管的外侧有流量计流体流动方向的箭头，所以，安装半个法兰时，要将带压力传感器的法兰，安装在入水口端；带温度传感器的法兰，安装在出水口端。

5)将两个半边法兰定位，点焊固定：完成上述步骤后，先将一侧两个半边法兰用夹具夹住，即让法兰断面的平面间紧密对接，此后，用手动激光枪，点焊接缝处临时固定。同理完成另外一侧的两个半边法兰的对接固定；图4为换能器、内衬固定柱和温度传感器在法兰内部的位置。

6)摆正法兰及仪表盒位置：两边两个法兰转动方向定位，包括两个半边形成的法兰的焊缝都会由于内衬外侧的内衬定位柱66的限制而自动对齐，此后用夹具固定；调整中间管体套管21，将仪表盒固定柱52的中线与两侧法兰的焊接缝对齐(仪表盒固定柱提前焊接于管体套管上)，即摆正仪表电路盒51表头的方向(采用在夹具上，用左、右法兰孔连接柱定位即可)，做到法兰面与管体套管之间通过夹具调整水平与垂直定位固定。

7)焊接法兰及法兰与管体套管：用激光机械手，自动完成焊接前面6)所述已经用夹具固定好的4个半边法兰及管体套管，形成完整的流量计基表。

8)安装信号引出线金属管41：如图1、9所示，在法兰内侧信号线输出孔处，用引出线固定头42的螺纹柱挤压挤压垫圈421于引出线金属管外侧和孔壁间，通过压缩密封圈二密封及固定引出线金属管41；同理，也将换能器或压力、温度传感器信号线引出，通至仪表盒固定柱52内；在引出线金属管的另一端，也用引出线固定头的螺纹柱挤压密封圈二、固定引出线金属管与仪表盒固定柱间的密封。

9)安装仪表电路盒51：将信号线313导入电路仪表盒51与积算电路PCB 512焊接，用螺丝521将仪表电路盒固定在仪表盒固定柱52上，完成装配。

通过以上例证对本实用新型一种换能器法兰内置的DN150口径多声道超声波水表，进行了实施应用说明，但本实用新型不限于上述具体实施例，凡基于本实用新型内容所做的任何改动或变形均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种换能器法兰内置的大口径多声道超声波水表，其特征是: 包括有内衬固定柱孔的半个法兰（11a）和有压力/温度传感器孔的半个法兰（11b）、管体套管（21）、L形的换能器（32）、半个内衬一（61a）和半个内衬二（61b）、内衬定位柱（66）、引出线固定头（42）、引出线金属管（41）、温度传感器（63）、压力传感器（62）、仪表电路盒（51）；水表的流量计基表由进水口法兰整体（11）和出水口法兰整体（12）、管体套管（21）、及内衬（61）、L形的换能器（32）组成；其中，所述有内衬固定柱孔的半个法兰（11a）和有压力/温度传感器孔的半个法兰（11b）分别组合、焊接形成进水口法兰整体（11）和出水口法兰整体（12）；所述半个内衬一（61a）和半个内衬二（61b）镶嵌对接形成内衬（61）；所述L形的换能器（32）的一端安装在有内衬固定柱孔的半个法兰（11a）和有压力/温度传感器孔的半个法兰（11b）内，另一端斜插固定在半个内衬一（61a）和半个内衬二（61b）中，由此构成一种换能器法兰内置的大口径多声道超声波水表。

2.根据权利要求1所述的一种换能器法兰内置的大口径多声道超声波水表，其特征是：所述的有内衬固定柱孔的半个法兰（11a）和有压力/温度传感器孔的半个法兰（11b）在法兰内段部分（18）比标准法兰的宽度增加6～8mm；所述有内衬固定柱孔的半个法兰（11a）的内圈有内衬固定柱孔（16）、换能器密封固定柱孔（17）；所述的有压力/温度传感器孔的半个法兰（11b）的内圈有压力/温度传感器安装孔（15）、换能器密封固定柱孔（17）；法兰外侧有法兰密封面（13），该密封面的内侧位于内衬（61）两端的外侧；法兰内侧，有安装、固定金属套管的法兰缺口（14），该缺口的深度为6～10mm。

3.根据权利要求1所述的一种换能器法兰内置的大口径多声道超声波水表，其特征是：所述的内衬（61）上有内衬定位柱（66），与所述的内衬固定柱孔（16）相配合；内衬上有换能器对射孔（64）以及压力/温度传感器伸出孔（67）；所述的内衬（61）是由半个内衬一（61a）和半个内衬二（61b）合并形成，合并处由凸、凹结构（65）镶嵌对接。

4.根据权利要求3所述的一种换能器法兰内置的大口径多声道超声波水表，其特征是：所述的换能器对射孔（64）有多个，在内衬（61）上按照不同高度层面排布。

5.根据权利要求1所述的一种换能器法兰内置的大口径多声道超声波水表，其特征是：所述的L形的换能器（32）由换能器密封固定柱（32b）与换能器功能柱（32a）两部分组成，两者之间有焊接线（323）；所述的换能器功能柱（32a）内有陶瓷片（32a1）、PCB （32a2）及信号线（313）；换能器密封固定柱（32b）上有密封圈一（321），其顶部有弹性胶圈（322）；换能器密封固定柱（32b）与换能器密封固定柱孔（17）配合；换能器功能柱（32a）与换能器对射孔（64）配合；所述信号线（313）由管体套管外侧、法兰内侧的孔引出至仪表固定柱（52）内再通至仪表电路盒（51）内的积算电路PCB （512）上电性连接。

6.根据权利要求1所述的一种换能器法兰内置的大口径多声道超声波水表，其特征是：所述的压力传感器（62）安装于流量计基表的进水端的压力/温度传感器安装孔（15）内，通过螺纹连接、压紧铜垫圈密封，压力传感器的外侧端头在压力/温度传感器伸出孔（67）内；所述的温度传感器（63）安装于流量计基表的出水端的压力/温度传感器安装孔（15）内，通过螺纹连接、压紧铜垫圈密封，温度传感器的测温杆从内衬（61）上的压力/温度传感器伸出孔（67）伸出至流道的中心位置。

7.根据权利要求5所述的一种换能器法兰内置的大口径多声道超声波水表，其特征是：所述的信号线（313）从法兰内侧靠近金属套管外侧引出；在引出线孔中，通过穿过引出线金属管（41）的引出线固定头（42）的外螺纹柱旋入孔中挤压垫圈（421）、压缩密封圈二（422）于金属套管外侧和孔壁间密封。

Images