超声波计量装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种超声波计量装置。超声波计量装置包括：流路管道，用于输送待计量的流体；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。本实用新型的超声波计量装置测量精度较高。
【专利说明】
超声波计量装置
技术领域
[0001] 本实用新型设及流量计量领域，具体而言，设及一种超声波计量装置。
【背景技术】
[0002] 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 质低及高溫度变化范围的特点。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，由于水溫变化范围较 大，溫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。为此，基于超声流量测量原理的超声波计量装置正成为采暖系统管网中热水流量 测量的发展趋势。
[0003] 超声波计量装置由于具有压损小，不受测量水质影响，精度高等优点，正在成为供 热管网用热水流量表研发领域中新的焦点。其基本原理是通过安装在管道上下游两侧的超 声波收发器向管道内流体发射超声波，由于流体的调制作用可W测算出超声波顺流传播和 逆流传播的时间差，得到管道内的流速信息并进而计算出流量。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的主要目的在于提供一种超声波计量装置，该超声波计量装置测量精 度较高。
[0005] 为了实现上述目的，本实用新型提供了一种超声波计量装置，包括:流路管道，用 于输送待计量的流体;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在两个反射元件之间的传播路径与流路管道的中屯、轴线平行或者重 厶 1=1 〇
[0006] 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W使超声波在流路管道内形成N型传播路径。
[0007] 进一步地，两个超声波收发器相对于流路管道的中屯、轴线呈180°对称设置。
[000引进一步地，两个反射元件相对于流路管道的中屯、轴线呈180°对称设置。
[0009] 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 一入射夹角〇,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 ^入射夹角0。
[0010] 进一步地，第一入射夹角α和第二入射夹角肚匀为45°。
[0011] 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 段的内部。
[0012] 进一步地，反射元件包括反射面和与反射面连接的素流部。
[0013] 进一步地，超声波计量装置还包括设置在流路管道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，两个超声波收发器分别对应设置在两个第一安装通孔的 内部。
[0014] 进一步地，超声波计量装置还包括设置在流路管道上的两个第二安装通孔，第二 安装通孔与流路管道的内部连通。
[0015] 进一步地，超声波计量装置还包括: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。
[0016] 应用本实用新型的技术方案，由于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屯、轴线平行或者重合，使得流路管道内的流场变化更加 顺杨，有利于获得更加平稳的流场分布，从而提高了超声波计量装置的测量精度。
【附图说明】
[0017] 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：
[0018] 图1示出了根据本实用新型的超声波计量装置的实施例的主视结构示意图；
[0019] 图2a示出了图1的超声波计量装置的待测流体流量为0.05m3/h时位于流路管道中 屯、轴线上的流体的速度分布图；
[0020] 图2b示出了图1的超声波计量装置的待测流体流量为2.5m3/h时位于流路管道中 屯、轴线上的流体的速度分布图；
[0021 ]图3a示出了图1的超声波计量装置的待测流体流量为0.05m3/h时一个方向的纵截 面上的流场分布示意图；
[0022] 图3b示出了图1的超声波计量装置的待测流体流量为0.05m3/h时另一个方向的纵 截面上的流场分布示意图；
[0023] 图4a示出了图1的超声波计量装置的待测流体流量为2.5m3/h时一个方向的纵截 面上的流场分布示意图；
[0024] 图4b示出了图1的超声波计量装置的待测流体流量为2.5m3/h时另一个方向的纵 截面上的流场分布示意图；W及
[0025] 图5示出了图1的超声波计量装置在不同流量范围及溫度变化条件下进行测量的 测量结果及精度的示意图。
[00%]其中，上述附图包括W下附图标记：
[0027] 1、流路管道；11、第一管段；12、第二管段;2、超声波收发器;3、反射元件;31、反射 面;32、素流部。
【具体实施方式】
[0028] 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W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。
[0029] 本实用新型及本实用新型的实施例中，流体是按照图1所示从左向右流动的。
[0030] 如图1所示，本实用新型提供了一种超声波计量装置，包括用于输送待计量的流体 的流路管道1、沿流路管道1的轴向间隔设置的两个超声波收发器2和设置在流路管道1的内 部的两个反射元件3。其中，两个反射元件3与两个超声波收发器2-一对应设置，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的中屯、轴线重合。
[0031] 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的中屯、轴线重合，使得流路管道1内的流场变化更加顺杨，有利于获得 更加平稳的流场分布，而且位于中屯、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，从而提高了超声波计量装置的测量精度。
[0032] 如图1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的中屯、 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的中屯、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。
[0033] -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W使超声波在流路管道1内形成N型传播路径。
[0034] 通过上述设置，由于两个反射元件3相对于流路管道1的中屯、轴线呈180°对称设 置，从而使得流路管道1内流场变化更加顺杨，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。
[0035] 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 中屯、轴线的对称性，所W位于流路管道1中屯、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。
[0036] 具体地，N型传播路径由Ξ段声程L1、L2和L3组成。其中，Ll=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。
[0037] 如图1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。
[0038] 具体地，第一入射夹角α和第二入射夹角肚匀为45°。
[0039] 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的中屯、轴线重合，由于中屯、轴线上的流场较平稳，在中屯、轴线上的流速最大，所 W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。
[0040] 如图1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。
[0041] 通过上述设置，对流路管道1进行缩径设计，可W提高超声波计量装置的测量精 度。
[0042] 具体地，可W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。
[0043] 同样的，还可W将该N型传播路径应用于其他大管径时差式超声波计量装置的设 计中。
[0044] 如图1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 的素流部32。
[0045] 其中，素流部32为半球体。将素流部32设置为半球体主要起导流作用，让流体流经 该部分管体时更流杨，有利于稳定流场及减小压力损失。
[0046] 如图1所示，本实用新型的实施例中，超声波计量装置还包括设置在流路管道1上 的两个第一安装通孔，第一安装通孔与流路管道1的内部连通，两个超声波收发器2分别对 应设置在两个第一安装通孔的内部。
[0047] 通过将超声波收发器2设置在第一安装通孔的内部，可W使整个超声波计量装置 的结构更加紧凑、体积较小。
[0048] 在本实用新型的实施例中，超声波计量装置还包括设置在流路管道1上的两个第 二安装通孔，第二安装通孔与流路管道1的内部连通。
[0049] 设置第二安装通孔，便于操作人员将反射元件3安装至流路管道1的内部。
[0050] 本实用新型的超声波计量装置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。
[0051] 本实用新型还提供了一种水表，包括超声波计量装置，其中，该超声波计量装置为 前述的超声波计量装置。
[0052] 当然，本实用新型的超声波计量装置还可W应用于其他的用于测量流体流量的超 声波热能表等装置中。
[0053] 图2a示出了根据本实用新型的超声波计量装置的待测流体流量为0.05m3/h时位 于流路管道中屯、轴线上的流体的速度分布图；图化示出了根据本实用新型的超声波计量装 置的待测流体流量为2.5m3A时位于流路管道中屯、轴线上的流体的速度分布图。
[0054] 在图2a和图2b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2a和图化可W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。
[0055] 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。
[0056] 图3a示出了根据本实用新型的超声波计量装置的待测流体流量为0.05m3/h时一 个方向的纵截面上的流场分布示意图；图3b示出了根据本实用新型的超声波计量装置的待 测流体流量为0.05m3A时另一个方向的纵截面上的流场分布示意图。
[0057] 在图3a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3b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3a和图3b中，不同颜色均表示不同的 流速。
[0058] 如图3a所示，具体地，X表示流路管道1的中屯、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W〇.〇5m3/h的流量通过上述的超声波计量装置后，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。
[0059] 如图3b所示，具体地，X表示流路管道1的中屯、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W0. 〇5m3A的流量通过上述的超声波计量装置后，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0.1 m/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. 〇8m/s。
[0060] 同理，图4a示出了根据本实用新型的超声波计量装置的待测流体流量为2.5m^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计量装置 的待测流体流量为2.5m3A时另一个方向的纵截面上的流场分布示意图。
[0061] 在图4a和图4b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4a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4a和图4b中，不同颜色均表示不同的流速。
[0062] 如图4a所示，具体地，X表示流路管道1的中屯、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W2.5m3A的流量通过上述的超声波计量装置后，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)。
[0063] 如图4b所示，具体地，X表示流路管道1的中屯、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W2.5m3A的流量通过上述的超声波计量装置后，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。
[0064] 通过对比图3a和图4a或者对比图3b和图4b可W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计量装置，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的中屯、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。
[0065] 图5示出了根据本实用新型的超声波计量装置在不同流量范围及溫度变化条件下 进行测量的测量结果及精度的示意图。图中虚线为超声波计量装置达到2级精度(2%)应满 足的流量误差上限及下限。
[0066] 从图5中可W发现，当待测流体的流量位于0.025mVh~2.5mVh之间，且溫度分别 为25°C、38°C、50°C、60°C、和80°C时，利用该超声波计量装置进行测量的测量精度能够达到 2级精度标准，因此该超声波计量装置具有较好的测量精度，且能够适应较大的流体介质溫 度变化范围。
[0067] 表1至表3为本实用新型的超声波计量装置与现有技术的超声波计量装置在不同 流量范围及不同流体溫度下的测试结果。
[0068] 表1水溫21°C时分别利用本实施例的超声波计量装置与现有技术的超声波计量装 置进行测试的测试结果
[0069]
[0070] 表2水溫50°C时分别利用本实施例的超声波计量装置与现有技术的超声波计量装 置进行测试的测试结果
[0071]
[0072] 表3水溫50°C时分别利用本实施例的超声波计量装置与现有技术的超声波计量装 置进行测试的测试结果
[0073]
[0074] 表1示出了当待测流量水溫为2TC，待测流体流量分别为0.05mVh、0.25mVh和 2.5m3/h时，利用本实施例的超声波计量装置和现有技术的超声波计量装置进行测试的测 试结果。
[0075] 如表1所示，在相同的水溫下，待测流体分别处于不同的流量时，利用本实施例的 超声波计量装置对流体进行测量的相对误差的绝对值的平均值均小于2%，可W达到2级精 度要求。
[0076] 而利用现有技术的超声波计量装置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%。
[0077] 表2示出了当待测流量水溫为50°C，待测流体流量分别为0.05m3/h、0.25m 3/h和 2.5m3/h时，利用本实施例的超声波计量装置和现有技术的超声波计量装置进行测试的测 试结果。
[0078 ]如表2所示，当待测量流体的水溫为5 0 °C，当待测量流体流量分别为0.0 5 m3 /h、 0.25m3/h和2.5m3A时，与现有技术相比，利用本实施例的超声波计量装置对流体进行测量 的测量精度的平均值均有所提高。
[0079] 表3示出了当待测流量水溫为50°C，待测流体流量分别为0.03mVh、0.15mVh和 1.5m3/h时，分别利用本实施例的超声波计量装置和现有技术的超声波计量装置进行测试 的测试结果。
[0080] 通过对比表1、表2和表3可W发现，本实用新型的超声波计量装置在保证精度达标 的条件下对流体溫度变化有较好的适应性，本实用新型的超声波计量装置具有更加优越的 整体性能。
[0081] 从W上的描述中，可W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屯、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的中屯、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W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屯、轴线呈180°对称设置， 从而使得流路管道内流场变化更加顺杨，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。
[0082] W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W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。
【主权项】
1. 一种超声波计量装置，其特征在于，包括： 流路管道(1 )，用于输送待计量的流体； 两个超声波收发器(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)-一对应设置，一个所述超声波收发器(2)发射的超声波在所述两 个反射元件(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。2. 根据权利要求1所述的超声波计量装置，其特征在于，一个所述超声波收发器(2)发 射的超声波分别经所述两个反射元件(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。3. 根据权利要求2所述的超声波计量装置，其特征在于，所述两个超声波收发器(2)相 对于所述流路管道(1)的中心轴线呈180°对称设置。4. 根据权利要求2所述的超声波计量装置，其特征在于，所述两个反射元件(3)相对于 所述流路管道(1)的中心轴线呈180°对称设置。5. 根据权利要求2所述的超声波计量装置，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。6. 根据权利要求5所述的超声波计量装置，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°。7. 根据权利要求1至6中任一项所述的超声波计量装置，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)的内部。8. 根据权利要求1至6中任一项所述的超声波计量装置，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)。9. 根据权利要求1至6中任一项所述的超声波计量装置，其特征在于，所述超声波计量 装置还包括设置在所述流路管道（1)上的两个第一安装通孔，所述第一安装通孔与所述流 路管道(1)的内部连通，所述两个超声波收发器(2)分别对应设置在所述两个第一安装通孔 的内部。10. 根据权利要求1至6中任一项所述的超声波计量装置，其特征在于，所述超声波计量 装置还包括设置在所述流路管道（1)上的两个第二安装通孔，所述第二安装通孔与所述流 路管道(1)的内部连通。11. 根据权利要求1至6中任一项所述的超声波计量装置，其特征在于，所述超声波计量 装置还包括： 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。
【文档编号】G01F1/66GK205449177SQ201521100709
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年12月24日
【发明人】杉时夫
【申请人】东京计装株式会社