CN220932135U - 一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型隶属于流量计量设备的技术领域，具体涉及一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构，旨在解决超声波指数衰减大传播距离短，致使大口径流量计无法实现原则（一）的难题。本案采取在管体套管内设置内衬管及以网格形式布局分区隔板，在内衬管入口和出口内侧垂直管轴线平面的多个分区格中部，布局支架，将换能器嵌入两侧支架内，而刚性套管包裹在一对换能器外侧且由一对金属支架固定；配对的换能器在同一分区的刚性套管内形成测量通道，以θ波束角在刚性套管内传播的部分声波经管壁反射与中心轴方向的声波叠加加强，通过一种能在刚性套管内反射加强声波信号的结构，从而增加了声波传播距离，达到流量计量程比最大化目标。

Description

一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构

技术领域

本实用新型隶属流量计量设备的技术领域，具体涉及一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构。

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，对于工业生产及民生水、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，超声波流量计是一全电子模式流量的后起之秀。

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。超声波流量计是通过时差数字信号进行采样、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、大口径多声道的超声波测量具有更高精度及安全性，能适用液体及气体计量。

超声波流量计为速度式流量计，其采用时差方式测量原理为：在流动流体中，按前、后一定间隔，布置两个超声波换能器，提取声波顺流和逆流所需的时差，联立计算出流体流速，再按照管道截面积及流通的时间，计算出流量。超声波测量流速的采样是声波在两个换能器之间形成的柱状空间内完成而不是一个点，所以，如果在管道内的截面上，按照不同高度与方位，布置多对组合的换能器，那么就能有代表性地、全方位、有效地测量流体流速。

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总体原则：

(一)量程比最大化的原则：为使超声波流量计在满足规定精度要求时，具有大的测量范围即量程比，特别是对于大口径流量计，采用超声波换能器之间声程最大化即量程比最大化，极为重要；因为对流量计而言，大量程比是贸易结算极其重要的指标，也是流量计最主要的技术指标:

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流体流动方向的夹角(α为锐角，当α＝0时，两换能器连线与流体流动方向一致，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流体流动方向的投影距离L•cos(α)，就可有效提高流量计的量程比R。

(二)对射式多声道分区稳流原则：大口径流量计尺寸较大，为了减少信号衰减、保障信号接收强度，换能器应选择对射式安装模式。另外，流体流动，在管道内不同位置的流速不同，客观需要多组换能器测量,即安装多组换能器的测量声道，求得可靠的流速均值，如果能保障流体流动的稳定性，计量精度就有保障。为了阻止流体窜动带来的较大的不稳定因素，需要采取措施，尽力做到流体的窜动小、所选取的每一束流体有代表性，以便使一对换能器能更为准确的对其采样，提高计量精度；另外，对于管道内流体流动的稳定性，流体力学指出：雷诺数指标是判别流体流动是否为层流或紊流(即湍流)的性态准则，是流体惯性力与黏性力比值的量度，它是一个无量纲数。雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流体流动稳定，流体流动呈现为层流。反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，伴随着脉动，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流动,这里做一个理论实验推导：

设大口径直管的内径为D、管内流体的流速为V、流体的密度为ρ、流体的动力粘度为μ，则该大口径直管的流体流通面积则为A＝πD²/4、流体的质量流量则为G＝AρV、流体的雷诺数为Re＝ρVD/μ。若将该大口径直管的流体导入到一个由n根小管径d直管并联组成的组合流道、并且保持该组合流道的总流体流量与大口径直管的流体流量相同、保持该组合流道的流通面积Az＝nπd²/4与大口径直管的流体流通面积A相同，即Az＝A，则组合流道中的小管径d直管内流体的雷诺数就为由此可见，当n>1时，就得出这样如下的结论：

组合流道中的小管径d直管内流体的雷诺数Rez小于大口径直管内流体的雷诺数Re，即Rez<Re，例如n＝9，就有Rez＝Re/3，这揭示了组合流道中小管径d直管内流体与大口径直管内的流体相比，雷诺数要小，即组合流道中小管径d直管内流体流动的稳定性更高、脉动性更小、超声波计量测量流体流速就更为准确。特别是当在管道井内空间较小的地方安装流量计时，如果前端或后端有弯管，就无法保证流量计安装处须有前十后五直管长度的严格条件限制，而采用组合流道的计量方法，将一个大流道分为多个小流道，不仅可对流体实施自动整流，同时也可以消除或减小流量计安装地须有前十后五直管长度这一严格的条件限制，提高计量精度。即如果能在流量计管道内分区，形成稳定的层流，那将解决流量计前后不需要苛求有直管段这一条件，将对流量计在各种复杂场合的应用提供有力保障。

对于进行分区处理的局部格形腔体，形成稳定层流的状态下，其流速的分布为抛物线形状，在网格中部安装换能器，获得每个分区中部的流速可作为速度有代表性的采样柱。

超声波流量计的最优化解决方案，除了应遵循上述两条总体原则外，还应遵循和结合超声波固有的特性，即声波在媒介中的传播、衰减、反射、相互叠加规律及应用说明：

(1)为了保证计量精度的要求，超声波芯片的计时电路的时差分辨率已经达到了相当高的水平，即5～10ps(1ps＝10^-12s)；而与此配合，在保证应有的计量精度的条件下，就要求规定超声波的频率(频率低不能满足精度要求)。从满足实际需求的水平看，频率越高，声波半波上升沿用时就少，必然电路触发精确就越高，计量精度也就越高。所以，根据不同需求，计量行业将在液体中应用的超声波测量频率规定为1MHz、2MHz和4MHz；在气体中应用的超声波测量频率规定为200KHz、500KHz。

(2)对流量计换能器的合理选择：已知，计量行业对于在液体中应用的超声波测量频率规定为1MHz、2MHz和4MHz三种，而(a)1MHz换能器的外观直径(尺寸)比2MHz及4MHz换能器的外观直径尺寸几乎大一倍，所以，2MHz及4MHz的换能器可以减小换能器的安装座的尺寸及有助于在流量计管道内安装的优势，以减小对流体的阻力；(b)根据说明(1)，频率越高电路计时触发越精确，所以也应该选择2MHz及4MHz的换能器。

(3)计量用的超声波换能器的陶瓷振子为厚度d直径D的圆形片，超声波的方向性很强，其振动发出的超声波在流体媒质中传播的表现可看作平面波，但通常振动产生的超声波存在一波束角θ，波以锥形传播扩展，在x方向传播声强可表述为：

在①式中ρ为媒质的密度，v为声速，A为声振动的振幅，ω为声振动的角频率。

(4)由于行业所限定的超声波频率很高，按照声强沿单方向x轴传播，其位于x位置声强I的衰减规律为：

I＝I_oe^-2αx………………………………………②

其中I_o为初始声强，α为吸收衰减系数(此处忽略了散射衰减)，那么其中，f为声波频率，β为媒质的切变粘滞系数、导热系数、定容比热、定压比热及各种施豫过程等参数相关量，ρ_o为密度，C为声速；由②可得到：声传播的声强是按照指数衰减的，沿x方向传播，距离越远、频率f越高，衰减就越大，密度ρ_o及声速C越小，衰减也越大，气体比液体衰减大得多，超声波频率高、随距离成指数衰减越大，就严重影响测量用超声有效的波传播距离。

(5)为了保证计量精度的总体要求，在电路时差分辨率达到5～10ps的条件下，计量行业将液体测量的超声波频率规定为1MHz、2MHz和4MHz。已知，一对换能器的之间相互发送与接收超声波信号，例如，按照信号处理电路要求，在液体测量应用中，接收信号所产生的转换电压的有效电压峰峰值应≧300mv，这样就可以保证信号触发及计算的需求，而就频率2MHz而言，电路激励电压18v时(目前时差芯片电路激励电压最大值)，从式

②可知，由于声强沿传播被媒介吸收，指数衰减很大，测量可知，能保证满足300mv接收电压要求时的两个换能器间的实际最大间距为400mm(安全距离为380mm)。液体流量计，如DN300口径流量计的管段规定长度为500mm，如果要按照原则(一)的要求，要取得量程比的最大值，换能器安装在管段流道内的两侧，其间距就接近500mm。那么，采用2MHz换能器，对于实际应用，不能够满足要求。

(6)根据(3)可知，换能器的陶瓷片所振动发出的平面超声波以波束角θ为锥形沿x轴传播扩展，而两个换能器的陶瓷振子直径D，相距L，所以在相距L处接收端的陶瓷片所能接收的声能，只有直径D面积范围，是十分有限的。而以波束角θ为锥形沿x轴扩散传播的部分超声波，实际上是无用波。测量知，这部分无用波的能量超过声波总能量的40％。由于波束是呈θ角锥形传播的，而接收换能器陶瓷片的直径只有D，所以这部分波的能量不可能到达对面的换能器，因此，尽管发射端换能器的激励电压已经很高了，但对面换能器接收到的能量却十分有限。

(7)假如将以θ波束角发射的这部分波能量进行某种反射，从而与沿x方向的波叠加加强且部分能被配对换能器接收，那么就有可能在频率2MHz时，对于上述(5)中的有效信号得到加强，从而满足传播距离500mm的要求。

根据斯奈尔声波反射与折射定律：

θi＝θr；………………………………………③

即波的入射角等于反射角，折射角与波在两介质式中的声速有关。式中，θi为入射角，θr为反射角，θt为折射角，而C₁为入射波介质中的声速，C₂为折射波介质中的声速。当θt＝90°，即没有折射，那么声波将全反射，这时也就是说，全反射要求声波的入射角/>

(8)声波叠加原理

对于两列具有相同频率、固定相位差的声波叠加，会发声干涉现象。

设到达空间某位置的两列声波分别为

式中P₁、P₂为两列波的声压，P_1a、P_2a为两列波在空间某位置的声压，及为两列波各自的相位，由叠加原理，合成声场的声压为

上式中，

为相位差

上式说明，在a位置上合成声压仍然是一个相同频率的声振动，但合成声压的振幅不等于两列声波声压的振幅之和，而是与两列声波的相位差有关。

合成声压的能量密度由声压振幅的平方表示：

式中及/>分别为P₁及P₂的平均能量密度，而/>与两列声波达到该位置时的相位差有关。

当这意味着两列波始终以相同的相位到达，则

P_a＝P_1a+P_2a………………………………………

如果P_1a＝P_2a，那么这些位置上，合成声压幅值为每列声压幅值的2倍，平均声能量密度为每列声波平均能量密度的4倍。

现有技术在对射式多声道超声波换能器安装、流道分区、量程比最优化等方面已取得可喜的进步，如专利授权公告号CN 215726162 U提供了一种大口径多声道分区对射式超声波流量计的结构，因为采取换能器在流道内布局的方式，所以该解决方案对比斜插式换能器安置方式的一对换能器间距更大，对超声波流量测量能做到：在流量计管段两端、流体流动方向上布局多组对射换能器，对给定的流量计管长，可充分利用有效声程，提高量程比，满足原则(一)的要求；对射式、多声道，能对流道空间进行全方位测量的要求；对流道在全空间范围内进行分区的结构，可有效稳定流体的流动状态，克服湍流影响，计量稳定，满足原则(二)要求。但如果采用安装2MHz或4MHz换能器，根据说明(5)，在保证满足300mv接收电压要求时，测得两个换能器间的最大间距只有400mm，对于如长度500mm、DN300(DN400，DN500)口径流量计，该方案则不能满足原则(一)的要求。

从以上8条声波传播规律或应用说明中可以看出，按照式①，平面高频超声波的声强与频率平方成正比，能量大；但根据式②，超声波在媒介中传播，声强又以声波的园频率平方随传播距离成指数大幅衰减，因此，相比低频声波，高频声波的能量虽然大，但传播有效距离却较短；根据说明(3)，平面超声波存在以θ波束角发射，那么，如果能设置装置，将说明(7)对以θ波束角发射的这部分波能量的一部分进行某种反射，从而与沿x方向的声波叠加加强，即得到根据说明(8)将两列具有相同频率、固定相位差的声波叠加，且满足当±2π，±4π，…条件，根据式/>可知，接收换能器所接收到的声能得到有效的加强，这就意味着，在保证满足300mv接收电压要求时的两个换能器间的实际间距可以增大，超过400mm，即可能解决如长度500mm、DN300口径流量计无法将一对换能器安装在管段两端，满足原则(一)要求这一难题。

实用新型内容

为了解决未解难题，本案提出一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构，且满足流道分区稳流、量程比最大化的要求，实现如长度500mm、DN300等大口径超声波流量计量程比最大化的技术目标，其技术方案为：在管体套管内设置内衬管，在内衬管内的水平和垂直方向按照一定间距呈网格形式布局分区隔板，在内衬管的入口和出口内侧垂直于管轴线的平面内布局安置多个支架，将换能器嵌入在支架内、将圆形的刚性套管安装在一对金属支架之间，包裹着换能器，位于分区格的中部；在与管体截面平行的两个面内的支架上，直线对应的换能器两两配对，从而在同一分区的刚性套管内形成测量通道，以θ波束角在圆形的刚性套管内传播的部分声波经过管壁反射与中心轴方向的声波叠加加强；而位于管体套管两端的支架则通过法兰的内部密封，换能器信号线则通过支架内孔，经法兰内部通道及管体套管外侧连接到仪表盒内；通过一种法兰安装换能器支架、水阻抗低、流道分区、在刚性套管内反射加强一对换能器间声波信号的结构，在满足有效测量电压条件下，增加了一对换能器间信号的传播距离，从而达到了大口径对射式多声道超声波流量计量程比最大化目标。

本实用新型为一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构，其特征是:包括法兰一；法兰二；孔一；管体套管；固定座一；凸台一；孔三；孔四；内衬管一；分区隔板；内衬管二；孔五；平面一；支架一；平面二；柱一；柱二；曲面一；定位面一；孔六；平面三；扁柱一；平面四；固定头；定位面二；换能器；平面五；信号线；垫片；螺栓一；螺栓二；支架二；孔七；柱三；凸沿一；缺口一；曲面三；缺口二；平面八；管一；缺口三；在管体套管内设置内衬管一，且在内衬管一内的水平和垂直方向按照一定间距呈网格形式布局分区隔板，在内衬管一的入口和出口内侧垂直于管轴线的平面内布局安置多个配对的支架一、支架二，将换能器嵌入安置在支架一内，将管一安装在一对支架二之间，包裹着换能器，位于分区格的中部；在与内衬管一截面平行的两个面内的支架一上，直线对应的换能器两两配对，从而在同一分区、同一个管一内形成测量通道；而支架一位于管体套管的一侧，则通过法兰内部的固定头密封，换能器的信号线则通过支架一的孔六，经法兰内部通道及管体套管外侧连接到仪表盒二内；通过一种法兰安装换能器支架、流道分区、在管一内反射加强声波信号的结构，增加了信号传播距离，从而达到大口径对射式多声道超声波流量计量程比最大化目标。

所述的分区隔板位于金属内衬管一的内侧，在水平和垂直方向按照一定间距呈网格形式布局，且分别与金属内衬管一的内壁通过焊接连接；所述的内衬管一、内衬管二，根据需要可以用同一种材质，即俩俩合为一体的结构。

所述的支架二的两端在与金属内衬管一内侧和分区隔板对应的位置焊接连接；进一步，在内衬管一的入口和出口内侧垂直于管轴线的平面内布局的配对支架二之间，嵌入管一，并且缺口二与管一的管壁重合，固定管一。

所述的换能器外侧紧配嵌入支架一的曲面一内，其中凸起与曲面二紧配，平面五与定位面一重合，信号线穿过孔六。

所述的支架一通过柱一与支架二的孔七紧配合、柱二与曲面三紧配合，支架一的平面四穿过缺口一与支架二平面八重合，平面三与凸沿一重合；进一步，支架一的平面二嵌入内衬管二内与平面一重合，扁柱一与缺口三重合。

所述的支架一通过安置在法兰一或法兰二中的孔一内的固定头密封；进一步，定位面二与孔一内的定位平台重合，胶圈四与内衬管二及平面二接触密封，胶圈三与孔一内壁接触密封，胶圈二与孔一内壁及垫片接触密封；更进一步，所述的螺栓一通过垫片压紧固定头，从而固定了内衬管二；所述的孔一内有孔四为通孔，孔四位于螺栓一上侧，螺栓二位于孔一上端口。

通过实施以上的技术方案，对于大口径超声波流量计的重要性能技术指标可获得实质性提高，效果显著，由此使得大口径的实际应用水平，取得飞跃进步，具体如下：

第一、在流量计管体套管的两侧，巧妙利用法兰固定支架，不仅省去了常规安置固定头的安装座，而且由于将换能器置于法兰下方顺流设置，对于长度固定的流量计，在两个法兰下方安装换能器，其一对换能器间的间距接近流量计管道长度，根据R＝β·L·

cos(α)可知，这时，R＝β·L，即一对换能器间的声程达到了最大值，从而，流量计亦获得量程比的最大化，满足原则(一)要求。

第二、实现对射式多声道及分区稳流：每对换能器都是对射安置且与流体流动方向一致，运用分区隔板，在流量计的管体套管内进行分区稳流设置，且将数对换能器安置在各个分区内，由于分区隔离，根据原则(二)，在小分割腔内形成稳定层流，所以该流量计能够抵抗前置弯管的偏流冲击，在数个分区内精确测量各自的流速变化，最终得到拟合的平均流速，计算出准确的体积流量，满足原则(二)要求。

第三、采用2MHz的换能器，体积小，在管道内顺着水流方向安装，管道不缩颈，流量计能获得低压损和更精确的信号触发精度；进一步，通过在内衬管的入口和出口内侧垂直于轴线的平面内布局配对的支架二之间，嵌入刚性的管一且包裹着换能器，刚性的管一位于某分区区域的中部，在稳定的层流中采样，从而在一对换能器间的声波可以通过管一的内壁反射且与一对换能器在连线方向的声波相互叠加加强，只要调整管一的内径即反射波的行程(相位)，使反射波与直射波的相位差满足±2π，

±4π，…条件，根据式可知，接收换能器所接收到的声能得到有效的加强，这一创新的结构能延长一对换能器间的信号触发的有效距离，即能将一对换能器安装在流量计管段的两侧，实际应用于更大口径的流量计，如长度为500mm的流量计(DN300、DN400、DN500等)，且取得量程比最大化。

第四、巧妙地将管一及固定换能器的工程塑料支架一安置在金属支架二上，除了金属支架方便焊接固定外，由于其强度高，能辅助支架一抵抗管道内的水锤或高流速的冲击。

附图说明:

图1是一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构外观示意图；

图2是一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构整体剖视图；

图3是一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构侧视图；

图4是一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构法兰剖面图；

图5是一种法兰内密封换能器支架的安装结构剖视图；

图6是支架一及换能器装配示意图；

图7是支架一及换能器与金属支架二装配示意图；

图8是金属支架二与内衬管一间焊接位置示意图；

图9是一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构信号线走线示意图；

图10是仪表盒结构及信号线连接示意图。

图11是管一与支架二间的安装结构示意图。

图12是固定头结构示意图。

图中：

11.法兰一；12.法兰二；1112.孔一；13.管体套管；14.固定座一；141.孔二；142.胶圈一；15.凸台一；151.孔三；152.孔四；22.内衬管一；221.分区隔板；23.内衬管二；231.孔五；232.平面一；31.支架一；311.平面二；312.柱一；313.柱二；314.导流帽；315.曲面一；316.定位面一；317.孔六；318.曲面二；319.平面三；320.扁柱一；324.平面四；32.固定头；321.胶圈二；322.胶圈三；323.胶圈四；326.定位面二；33.换能器；331.凸起；332.平面五；333.平面六；34.信号线；35.垫片；36.螺栓一；37.螺栓二；41.支架二；411.孔七；412.柱三；413.凸沿一；414.缺口一；415.平面七；416.曲面三；417.缺口二；418.平面八；42.管一；421.缺口三；51.仪表盒一；511.固定管一；52.压盖；53.玻璃面；531.胶圈五；54.电路板；55.电池；56.仪表盒二；57.螺栓三；61.护壳；62.螺丝。

具体实施方式

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。

实施例一：

本实施例是一种用于DN300口径的4声道、流道4分区、安装4个声波反射管的对射式超声波水表。

如附图1、2所示，本实施例包括法兰一11；法兰二12；孔一1112；管体套管13；固定座一14；凸台一15；孔三151；孔四152；内衬管一22；分区隔板221；内衬管二23；孔五231；平面一232；支架一31；平面二311；柱一312；柱二313；曲面一315；定位面一316；孔六317；平面三319；扁柱一320；平面四324；固定头32；定位面二326；换能器33；平面五332；信号线34；垫片35；螺栓一36；螺栓二37；支架二41；孔七411；柱三412；凸沿一413；缺口一414；曲面三416；缺口二417；平面八418；管一42；缺口三421；仪表盒一51；固定管一511；压盖52；玻璃面53；仪表盒二56；螺栓三57；护壳61；在管体套管13内设置内衬管一22，且在内衬管一22内的水平和垂直方向按照一定间距呈网格形式布局分区隔板221，在内衬管一22的入口和出口内侧垂直于管轴线的平面内布局安置多个配对的支架一31、支架二41，将换能器33嵌入安置在支架一31内，将管一42安装在一对支架二41之间，包裹着换能器，位于分区格的中部；在与内衬管一22截面平行的两个面内的支架一31上，直线对应的换能器33两两配对，从而在同一分区、同一个管一42内形成测量通道；而支架一31位于管体套管13的一侧，则通过法兰内部的固定头32密封，换能器的信号线34则通过支架一31的孔六317，经法兰内部通道及管体套管13外侧连接到仪表盒二56内；通过一种法兰安装换能器支架、流道分区、在管一内反射加强声波信号的结构，增加了信号传播距离，从而达到大口径多声道超声波流量计量程比最大化目标。

如附图2、3所示，所述的分区隔板221位于金属的内衬管一22的内侧，在水平和垂直方向按照一定间距呈网格形式布局，且与金属的内衬管一22的内壁通过焊接连接；所述的内衬管一22、内衬管二23，根据需要可以用同一种材质，即俩俩合为一体的结构。

如附图8、11所示，所述的支架二41的两端在与金属的内衬管一22内侧和分区隔板221对应的位置焊接连接；进一步，在内衬管一的入口和出口内侧垂直于管轴线的平面内布局的配对支架二41之间，嵌入管一42，并且缺口二417与管一42的管壁重合，固定管一42。

如附图6所示，所述的换能器33外侧紧配嵌入支架一31的曲面一315内，其中凸起331与曲面二318紧配，平面五332与定位面一316重合，信号线34穿过孔六317。

如附图7、11所示，所述的支架一31通过柱一312与支架二41的孔七411紧配合、柱二313与曲面三416紧配合，支架一31的平面四324穿过缺口一414与支架二平面八418重合，平面三319与凸沿一413重合；进一步，支架一的平面二311嵌入内衬管二23内与平面一232重合，扁柱一320与缺口三421重合。

如附图5所示，所述的支架一31通过安置在法兰一11、法兰二12中的孔一1112内的固定头32密封；进一步，定位面二326与孔一1112内的定位平台重合，胶圈四323与内衬管二23及平面二311接触密封，胶圈三322与孔一1112内壁接触密封，胶圈二321与孔一1112内壁及垫片35接触密封；更进一步，所述的螺栓一36通过垫片35压紧固定头32，从而固定了内衬管二23；所述的孔一1112内有孔四152为通孔，孔四152位于螺栓一36上侧，螺栓二37位于孔一1112的上端口。

如附图9、1所示，所述的凸台一15有两个，分别连接于法兰一11及法兰二12的内侧、管体套管13的外侧；进一步，凸台一15的侧面有孔四152、上侧面有孔三151；所述的护壳61内侧与凸台一15的上侧面重合，通过螺丝62与孔三151配合固定。

如附图10所示，所述的仪表盒一51下方的固定管一511套在固定座一14外侧，其间由胶圈一142密封。

所述的仪表盒二56在仪表盒一51内，二者由螺栓三57穿过仪表盒二56的中孔，以其外螺纹与固定座一14的内螺纹连接配合固定。

所述的玻璃面53位于仪表盒二56上方开口处，其下方有胶圈五531；进一步，通过压盖52的内螺纹与仪表盒一51外螺纹配合，压紧玻璃面53固定。

对本实施例所采用的技术方案，其零部件组装过程如下：

1.如附图5、11所示，将分区隔板211焊接于金属的内衬管一22的内侧；在内衬管一的入口和出口内侧垂直于管轴线的平面内布局的配对支架二41之间，嵌入管一42，并且缺口二417与管一的壁重合，固定管一42，将支架二41焊接在金属的内衬管一22内侧和分区隔板一211对应的位置。

2.如附图6所示，对于支架一31、换能器33，先将信号线34穿过孔六317、然后将换能器33紧配嵌入内侧涂有环氧树脂的曲面一315内，完成安装。

3.如附图7、8所示，对于支架一31的安装，先将信号线34穿过孔五231，再将支架一31通过柱一312与支架二41的孔七411紧配合、柱二313与曲面三416紧配合；进一步，支架一31的平面二311嵌入内衬管二23内与平面一232重合，其配合处均涂有环氧树脂固定。

4.如附图5、9所示，将信号线34在孔一1112的上方依次穿过固定头32、垫片35、螺栓一36；支架一31通过安置在法兰一11、法兰二12中孔一1112内的固定头32密封；由于孔一1112及固定头32的定位作用，也固定了内衬管二23；用细勾子通过通孔孔四152将信号线34从凸台一15侧面、管体套管13的外侧拉出。

5.如图9、10所示，将信号线34穿入孔二141，通过固定座一14、螺栓三57，进入仪表盒二56内。

6.如图10所示，在固定座一14外圈放好胶圈一142，随后将仪表盒一51下面的固定管一511套在其外侧对接；在仪表盒一51内，安放胶圈、仪表盒二56，用螺栓三57旋紧固定；在仪表盒二56内放入电路板54固定、接上电池55，将信号线34与电路板54电性连接，放好胶圈五531、玻璃面53，旋紧压盖52，打上铅封，完成组装。

7.如图5、10所示，可根据流量计的密封等级，在孔一1112及固定座一14内灌封密封胶。对于声波反射所选的管一的直径及声波叠加所需规则和效果的说明：

已知2MHz换能器圆形陶瓷片厚度1mm、直径d＝8mm(Φ8mm)，封装后的等径换能器直径Φ10mm；DN300水表管段长度为500mm，换能器在支架一上安装后，两换能器声波发射/接收面的实际距离为L＝450mm；套装在一对换能器外侧的管一的内径为D。

显然，换能器在水中所接收到声波的声能ε＝f(d,L,D)，即f是d,L,D的函数，当d,L为定值时，改变D值，使得反射波与直射波叠加的相位差尽量满足±2π，±4π，…条件，因为还要考虑(S_D-S_d)即管一内的面积S_D与陶瓷片的面积S_d差，也就是陶瓷片不能接收到声波的面积，因为这部分声波能量实际上也损失了。

所以，选择管一的内径D的值是一综合结果，即反射波与直射波叠加的相位差尽量满足±2π，±4π，…条件，同时兼顾S_D在分区中取样有代表性(不能太小)。

对于本案，当L＝450mm，取D＝20mm左右时，声波电压信号的峰峰达到320mv﹥300mv，满足信号触发电路对触发电压的需求(未加管一时的峰峰值为210mv)，叠加后的声波电压峰峰值，提升了52％。

通过以上例证及说明对本实用新型一种用于DN300口径的4声道、流道4分区、安装4个声波反射管的对射式超声波水表，进行了实施应用说明，但不限于上述具体实施例，如果更换超声波换能器陶瓷片的尺寸及声波频率，本实用新型在气体计量领域同样适用，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)

1.一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构，其特征是:包括法兰一(11)；法兰二(12)；孔一(1112)；管体套管(13)；固定座一(14)；凸台一(15)；孔三(151)；孔四(152)；内衬管一(22)；分区隔板(221)；内衬管二(23)；孔五(231)；平面一(232)；支架一(31)；平面二(311)；柱一(312)；柱二(313)；曲面一(315)；定位面一(316)；孔六(317)；平面三(319)；扁柱一(320)；平面四(324)；固定头(32)；定位面二(326)；换能器(33)；平面五(332)；信号线(34)；垫片(35)；螺栓一(36)；螺栓二(37)；支架二(41)；孔七(411)；柱三(412)；凸沿一(413)；缺口一(414)；曲面三(416)；缺口二(417)；平面八(418)；管一(42)；缺口三(421)；在管体套管(13)内设置内衬管一(22)，且在内衬管一(22)内的水平和垂直方向按照一定间距呈网格形式布局分区隔板(221)，在内衬管一(22)的入口和出口内侧垂直于管轴线的平面内布局安置多个配对的支架一(31)、支架二(41)，将换能器(33)嵌入安置在支架一(31)内，将管一(42)安装在一对支架二(41)之间，包裹着换能器，位于分区格的中部；在与内衬管一(22)截面平行的两个面内的支架一(31)上，直线对应的换能器(33)两两配对，从而在同一分区、同一个管一(42)内形成测量通道；而支架一(31)位于管体套管的一侧，则通过法兰内部的固定头(32)密封，换能器的信号线(34)则通过支架一(31)的孔六(317)，经法兰内部通道及管体套管(13)外侧连接到仪表盒二(56)内。

2.根据权利要求1所述一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构，其特征是:所述的分区隔板(221)位于金属的内衬管一(22)的内侧，在水平和垂直方向按照一定间距呈网格形式布局，且与金属的内衬管一(22)的内壁通过焊接连接；所述的内衬管一(22)、内衬管二(23)，根据需要可以用同一种材质，即俩俩合为一体的结构。

3.根据权利要求1所述一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构，其特征是:所述的支架二(41)的两端在金属的内衬管一(22)内侧和分区隔板(221)对应的位置焊接连接；进一步，在内衬管一的入口和出口内侧垂直于管轴线的平面内布局的配对支架二(41)之间，嵌入管一(42)，并且缺口二(417)与管一(42)的管壁重合，固定管一(42)。

4.根据权利要求1所述一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构，其特征是:所述的换能器(33)外侧紧配嵌入支架一(31)的曲面一(315)内，其中凸起(331)与曲面二(318)紧配，平面五(332)与定位面一(316)重合，信号线(34)穿过孔六(317)。

5.根据权利要求1所述一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构，其特征是:所述的支架一(31)通过柱一(312)与支架二(41)的孔七(411)紧配合、柱二(313)与曲面三(416)紧配合，支架一(31)的平面四(324)穿过缺口一(414)与支架二平面八(418)重合，平面三(319)与凸沿一(413)重合；进一步，支架一的平面二(311)嵌入内衬管二(23)内与平面一(232)重合，扁柱一(320)与缺口三(421)重合。

6.根据权利要求1所述一种适配大口径超声波流量计声波信号增强的管状结构，其特征是:所述的支架一(31)通过安置在法兰一(11)、法兰二(12)中的孔一(1112)内的固定头(32)密封；进一步，定位面二(326)与孔一(1112)内的定位平台重合，胶圈四(323)与内衬管二(23)及平面二(311)接触密封，胶圈三(322)与孔一(1112)内壁接触密封，胶圈二(321)与孔一(1112)内壁及垫片(35)接触密封；更进一步，所述的螺栓一(36)通过垫片(35)压紧固定头(32)，从而固定了内衬管二(23)；所述的孔一(1112)内有孔四(152)为通孔，孔四(152)位于螺栓一(36)上侧，螺栓二(37)位于孔一(1112)的上端口。