CN220063082U - 一种全塑结构对射式超声波水表 - Google Patents

Abstract

本实用新型隶属于流量计量设备的技术领域，具体涉及一种全塑结构对射式超声波水表，旨在解决现有技术无法同时满足小口径超声波流量计的五项原则。本实用新型采取：一种换能器的支架结构，在其上能安装小型等径换能器，密封且留有信号线的走线通道；它能与水表的整体套管相嵌接、能与水表的整体套管的信号线走线管对接及密封。这样，水表两端的换能器可以尽可能地靠管道两端安置，而且换能器信号线可从整体套管中部引出；外壳上包裹了电路盒，与电路盒间以卡扣固定及密封圈密封；外壳下通过凸柱三与整体套管上的加强筋紧配连接，从而构成一种满足上述五项原则的全塑结构对射式超声波水表。

Description

一种全塑结构对射式超声波水表

技术领域

本实用新型隶属流量计量设备的技术领域，具体涉及一种全塑结构对射式超声波水表。

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口径规格兼容性好、低压损、大量程比、高精度、高可靠性、无磨损器件、耐久性及经济性好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超声波流量计。

超声波流量计是伴随其时差计时芯片(2012～2017，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，完全满足了流体的计量应用需求)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(电磁流量计则是通过模拟信号采样)。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所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，有故障即报废)、可测量各种低粘度液体(而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)。

超声波流量计的技术改进与升级在迅速推进，形成了其技术发展所遵循的原则。通常，流量计的主要性能指标为计量精度和量程比，计量精度为流量计的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的保证之下，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。

超声波流量计由四大部分构成，除了时差积算电路，还有换能器、换能器安装方式及流道整流结构等，前者时差积算电路性能决定着可测流量的最小量值或分辨率，而后者整体架构决定着超声波流量计的综合性能和品质，例如可决定被测流体的稳定性、信号强度、量程比及其生产成本等。以超声波水表为例，特别是按照新国标R1000量程比标准的约束，超声波流量计最优化的解决方案应遵循以下原则：

(一)声程最大化原则：为使超声波流量计具有大的量程比，应使得超声波换能器之间距离，即声程采取最大化模式。对流量计而言，大量程比为工业应用和贸易结算极其重要的技术指标，要使得超声波流量计具有大量程比，就应将超声波流量计的两个换能器间距连线在管道内与水流方向的投影距离最大化，这样，可获得较大的量程比及较小的始动流量。

对此，通过理论分析，可推导出超声波流量计两个换能器间的声程与量程比之间的关系:

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。

(二)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，便于适应更大的声程。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，当反射面足够大时，理想状态声能损耗10～20％，一般不至于影响计量，但当反射面有角度偏差或使用后结垢，其反射后的能量损失就可达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，特别是对反射面水阻分布处理不当，也会影响到计量精度。

(三)换能器小型化原则：如前所述，换能器是构成超声波流量计的四大核心要素之一。换能器小型化，除了能方便封装、减少封装难度和降低成本、提高成品率之外，如果其结构合理，还能方便对射式安装、减少密封圈的使用、减小对流体流动阻力；另外，小型换能器频率为2MHz或4MHz，相对较大体积的1MHz换能器来说，能提高计时电路的信号触发精度。

(四)一致性原则：超声波水表基表的流道成型及加工工艺，须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变，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。

(五)结构简单、方便装配、低成本原则：超声波水表结构简约化、尽可能减少零部件、安装有唯一的确定性，从而使其整体易装配，即稳定可靠，又成本较低且有较高的一致性。

根据上述五条原则，对于全塑小口径超声水表，最有效的方式是在保证流量计管段完整性的同时，应用小尺寸换能器，安装成内置对射式结构，方便换能器信号线的引出以及有安全可靠、有较高防护等级的电路盒来安置积算电路部件。

专利申请公布号CN 115628787 A提供了一种全塑结构的超声波水表，从专利附图2中可以看到，其一对换能器间的声通道为反射式，而且换能器间距即声程受换能器的安置所限，无法做到最大化，故有悖于原则(一)、原则(二)；但优点是其流量管为整体结构而非分段结构，有助于提高管段强度和减少安装成本，流道平顺，一致性也较好。

专利授权公告号CN 215064699 U所提供一种全塑超声波对射式水表，其一对换能器被安置在流量计管道内且与水流方向一致，故符合原则(二)；但是，如专利附图2中的3-3所示，该水表的对射式换能器组件为一种含有安装支架、管段及其密封圈的结构件，整体体积较大，这种带有较复杂结构且体积较大的换能器，封装效率低、难度大且成本高，如果封装失败，报废的材料成本也较高，故与原则(三)相悖；另外，如专利附图2中的4所示，该流量计的管道两端用螺丝固定，加装了活接头，由于流量计管段均为标准规定的长度，所以，可以看出，其两个换能器之间的距离即声程无法做到最大化，有悖于原则(一)；该技术方案的流量计管路，由多个较大部件拼接而成，组装较复杂、整体强度低且成本高，有悖于原则(五)。

从对上述以公布的专利分析来看，现有技术仍然存在缺陷或不足，无法同时满足上述的五项原则，对此，需要寻找更有效的解决方案。

实用新型内容

鉴于现有技术所存在的不足，本申请拟通过改变换能器结构、换能器在流量计管路中的安装方式、换能器信号线的引出方式、电路盒结构变化等系列的变革与调整，从而提出一种全塑结构对射式超声波水表，并且这种全塑结构对射式超声波水表能够同时满足所述的五项原则。

本实用新型提供一种全塑结构对射式超声波水表，其技术方案为：采用一种换能器的支架结构，在其上能安装小型等径换能器，密封且留有信号线的走线通道；它能与水表的整体套管相嵌接、能与水表的整体套管的信号线走线管对接且密封。这样，水表两端的换能器可以尽可能地靠管道两端安置，而且换能器的信号线可从整体套管中部引出；外壳上包裹了电路盒，与电路盒间以卡扣固定及密封圈密封；外壳下通过凸柱三与整体套管上的加强筋紧配连接，从而构成一种满足所述五项原则的全塑结构对射式超声波水表。

本实用新型为一种全塑结构对射式超声波水表，包括整体套管、电路盒、支架、走线管二、嵌件三、换能器、信号线、外壳上、挡圈、外壳下；所述的换能器安装在支架上对应的孔三中，且换能器与支架间为紧配合；所述的支架与整体套管相嵌接；所述的走线管二与走线管一相套接；所述的嵌件三与支架上的孔一嵌入紧配；另外，所述的外壳上套在电路盒外侧，与电路盒间以密封圈一密封、以凸沿三卡住外壳上的底面拉紧固定；所述的外壳下通过凸柱三上的凸柱头与整体套管上的加强筋紧配连接；所述的换能器的信号线穿过走线管二、走线管一，从开口伸出并与电路板电性连接，从而构成一种满足上述五项原则的全塑结构对射式超声波水表。

所述的换能器安装在支架上对应的换能器安装的孔三中，且换能器与支架间为紧配合；进一步，即凸柱四与定位曲面一紧配、定位面五与定位面二接触配合。

所述的支架与整体套管相嵌接，其之间涂有环氧树脂粘接；进一步，即嵌件一、嵌件二、分别嵌入定位槽一、定位槽二；与此同时，走线管二嵌入走线管一内且由定位面三截止定位。

所述的嵌件三与支架上的孔一嵌入紧配，其之间涂有环氧树脂粘接；进一步，定位面四与定位面一接触定位。

另外，所述的外壳上套在电路盒外侧，与电路盒间以密封圈一密封、以凸沿三与电路盒的底面卡住拉紧固定；进一步，所述的挡圈与外壳上的外圈配合，将密封圈一夹在两者之间。

所述的外壳下通过凸柱三上的凸柱头与整体套管上的加强筋紧配连接；进一步，所述的凸柱头上有十字槽，方便与强筋紧配。

综上所述，与现有技术相比，本实用新型具有突出的实质性改进和显著进步，具体表现为：

第一，满足(一)声程最大化原则和(二)对射式安装原则：由于本实用新型所采用的技术方案是将一对换能器通过设置换能器的支架结构，安置在流量计的整体套管流道内，而信号线从整体套管的中部引出；所以，对于按照标准要求、长度给定的超声波流量计而言，其一对换能器可以分别尽可能地嵌入、安置在管道的两端，而无需考虑反射式的换能器的反射面安装或对射式的转接头安装等问题，所以，在一对换能器的发声面间可以获得声程的最大化，即，可实现取得量程比最大值。

第二，满足(三)换能器小型化原则：由于本实用新型所采用的技术方案就是围绕换能器小型化安装而提出了支架结构，及其工艺实施做到了简化安装的目标，所以能做到等径换能器封装工作容易、节约封装工时；并且，由于可将换能器与安置换能器的支架用不同价格的材料制造，不但降低了成本，还能提高了成品率。

第三，满足(四)一致性原则：由于换能器与支架间的安装有定位，换能器的支架与整体套管间采用嵌入方式、走线管之间的套接都有定位；而支架及整体套管中间的流道，都是由精密模具、工程塑料注塑加工完成，所以，对不同流量计的管道及其管道内流动的流体特性都有较高的一致性，大大简化了后期对批量水表的标定工作。

第四，满足(五)结构简单、方便装配、低成本原则：采用本实用新型所实施的技术方案，使得全塑的超声波水表整体只使用了一个电路盒密封胶圈，没有使用一颗螺丝固定；器件间都是在紧配的情况下，采用涂胶粘接，即防水又牢靠(如换能器所受的外力只起到压紧作用)。使用零部件少、结构简单、装配方便、低成本。

附图说明

图1是一种全塑结构对射式超声波水表外观示意图；

图2是一种全塑结构对射式超声波水表局部剖视图；

图3是一种换能器的支架嵌件结构示意图；

图4是一种换能器的支架结构示意图；

图5是一种换能器的支架及其嵌件和换能器的组装爆炸图；

图6是一种全塑结构对射式超声波水表主体件侧视图；

图7是一种全塑结构对射式超声波水表主体件局部剖视图；

图8是一种全塑结构对射式超声波水表主体件俯视效果图；

图9是一种全塑结构对射式超声波水表外壳上示意图；

图10是一种全塑结构对射式超声波水表外壳下示意图；

图11是一种全塑结构对射式超声波水表主体件仰视图；

图12是主体件、零部件及外壳上、外壳下的安装局部剖视图；

图13是换能器信号线在主体件内部的局部剖视图。

图中：

11.整体套管；111.外螺纹A；112.外螺纹B；113.加强筋；1131.铅封孔；114.定位槽一；115.定位槽二；116.流道；12.走线管一；121.开口；122.管头；13.电路盒；131.底面；14.凸柱一；141.凸柱二；15.透气阀；22.支架；221.走线管二；222.定位面一；223.孔一；224.嵌件一；225.嵌件二；226.整流罩；227.定位面二；228.孔二；229.定位面三；230.孔三；231.定位曲面一；24.嵌件三；241.定位面四；33.换能器；331.凸柱四；332.定位面五；333.信号线；41.外壳上；411.凸沿一；412.挡圈；413.凸沿三；414.定位槽三；42.外壳下；421.凸沿二；422.凸柱三；4221.凸柱头；43.密封圈一；51.显示屏；52.电路板；53.电池。

具体实施方式

实施例：

下面结合附图和实例对本实用新型的实施做进一步详细说明。

如附图1所示，本实施例为一种DN15全塑结构的对射式超声波水表，包括整体套管11、电路盒13、支架22、嵌件三24、走线管二221、换能器33、信号线333、外壳上41、挡圈412、外壳下42；所述的换能器33安装在支架22上对应的孔三230中，且换能器与支架间为紧配合；所述的支架22与整体套管11相嵌接；所述的走线管二221与走线管一12相套接；所述的嵌件三24与支架上的孔一223嵌入紧配；另外，所述的外壳上41套在电路盒13的外侧，与电路盒间以密封圈一43密封、以凸沿三413卡住外壳上41的底面131拉紧固定；所述的外壳下42通过凸柱三422上的凸柱头4221与整体套管11上的加强筋113紧配连接；所述换能器的信号线333穿过走线管二221、走线管一12，从开口121伸出并与电路板52电性连接，从而构成一种满足所述五项原则的全塑结构对射式超声波水表。

如附4、5图所示，所述的换能器33安装在支架22上对应的换能器安装孔三230中，且换能器与支架间为紧配合，其之间涂有环氧树脂粘接；进一步，即凸柱四331与定位曲面一231紧配、定位面五332与定位面二227接触配合。

如附图5、7所示，所述的支架22与整体套管11相嵌接，其之间涂有环氧树脂粘接，进一步，即嵌件一224、嵌件二225、分别嵌入定位槽一114、定位槽二115内；与此同时，走线管二221嵌入走线管一12内，其之间涂有环氧树脂粘接，且由定位面三229截止定位。

如附图5所示，所述的嵌件三24与支架上的孔一223嵌入紧配，其之间涂有环氧树脂粘接；进一步，定位面四241与定位面一222接触定位。

另外，如附图9、12所示，所述的外壳上41为透明塑料件，它套在电路盒13外侧，与电路盒间以密封圈一43密封、以凸沿三413与电路盒的底面131卡住拉紧固定；进一步，所述的挡圈412与外壳上41的外圈配合，将密封圈一43夹在两者之间。

如附图8所示，为了提高电路盒13的防护等级，避免在温度、压力骤变情况下电路盒吸入水汽，故在电路盒的底面131上安装了透气阀15；进一步，所述透气阀具有双向透气及从里而外的单项透水功能，可以减轻密封圈的受力，使电路盒内外压力平衡，长期保持电路盒内干燥。

如附图10、12所示，所述的外壳下42通过凸柱三422上的凸柱头4221与整体套管上的加强筋113紧配连接；进一步，所述的凸柱头4221上有十字槽，方便与强筋紧配。

为了便于杂质通过及降低压损，通常要求流量计管道内的最小间隙大于3mm(比如单流速小口径水表过滤网格的间隙)，所以对于一种DN15口径全塑结构对射式超声波水表，其最小间隙为4.25mm，满足要求，其计算过程为：(20.5mm-12mm)/2＝4.25>3mm，其中20.5mm是DN15口径的内径(外径26.5mm)，12mm是安装10mm等径换能器的孔三的外径。

一种DN15全塑结构对射式超声波水表，其装配过程如下：

(1)如附图5所示，将换能器33嵌入换能器支架22上对应的换能器安装孔三230中紧配，其之间涂有环氧树脂粘接。

(2)如附图5所示，将换能器33的信号线333经过支架22的孔二228，从孔一223穿出。

(3)如附图1、7所示，将含有换能器的支架22与整体套管11相嵌接紧配，其之间涂有环氧树脂粘接。

(4)如附图13所示，将换能器33的信号线333经过走线管二221、走线管一12从开口121穿出。

(5)如附图5所示，将嵌件三23与换能器支架上的定位槽二223嵌入紧配，其之间涂有环氧树脂粘接。

(6)如附图6所示，在电路盒13的内侧的底面上贴装透气阀15。

(7)如附图8、12所示，将电路板52固定在凸柱二141上与信号线电性连接；将电池53放入电路盒内与电路板连接。

(8)如附图9、12所示，将外壳上41套在电路盒13外侧，与电路盒间以密封圈一43密封、以凸沿三413与电路盒的底面131卡住拉紧固定。

(9)如附图12所示，将外壳下42通过凸柱三422上的凸柱头4221与整体套管上的加强筋113紧配连接，至此，完成了DN15口径反射式超声波水表电路盒的装配。

通过以上实施例一种DN15全塑结构对射式超声波水表对本实用新型做了实施应用说明，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 (6)

1.一种全塑结构对射式超声波水表，其特征是:包括整体套管(11)、电路盒(13)、支架(22)、嵌件三(24)、走线管二(221)、换能器(33)、信号线(333)、外壳上(41)、挡圈(412)、外壳下(42)；所述的换能器(33)安装在支架(22)上对应的孔三(230)中，且换能器与支架间为紧配合；所述的支架(22)与整体套管(11)相嵌接；所述的走线管二(221)与走线管一(12)相套接；所述的嵌件三(24)与支架上的孔一(223)嵌入紧配；另外，所述的外壳上(41)套在电路盒(13)的外侧，与电路盒间以密封圈一(43)密封、以凸沿三(413)卡住外壳上(41)的底面(131)拉紧固定；所述的外壳下(42)通过凸柱三(422)上的凸柱头(4221)与整体套管(11)上的加强筋(113)紧配连接；所述换能器的信号线(333)穿过走线管二(221)、走线管一(12)，从开口(121)伸出并与电路板(52)电性连接。

2.根据权利要求1所述一种全塑结构对射式超声波水表，其特征是:所述的换能器(33)安装在支架(22)上对应的孔三(230)中，且换能器与支架间为紧配合；进一步，即凸柱四(331)与定位曲面一(231)紧配、定位面五(332)与定位面二(227)接触配合。

3.根据权利要求1所述一种全塑结构对射式超声波水表，其特征是:所述的支架(22)与整体套管(11)相嵌接；进一步，即嵌件一(224)、嵌件二(225)、分别嵌入定位槽一(114)、定位槽二(115)内；与此同时，走线管二(221)嵌入走线管一(12)内且由定位面三(229)截止定位。

4.根据权利要求1所述一种全塑结构对射式超声波水表，其特征是:所述的嵌件三(24)与支架上的孔一(223)嵌入紧配；进一步，定位面四(241)与定位面一(222)接触定位。

5.根据权利要求1所述一种全塑结构对射式超声波水表，其特征是:所述的外壳上(41)套在电路盒(13)外侧，与电路盒间以密封圈一(43)密封、以凸沿三(413)与外壳上(41)的底面(131)卡住拉紧固定；进一步，所述的挡圈(412)与外壳上(41)的外圈配合，将密封圈一(43)夹在两者之间。

6.根据权利要求1所述一种全塑结构对射式超声波水表，其特征是:所述的外壳下(42)通过凸柱三(422)上的凸柱头(4221)与整体套管上的加强筋(113)紧配连接；进一步，所述的凸柱头(4221)上有十字槽，方便与强筋紧配。