一种小口径内衬反射式直管超声波水表的制作方法

本技术隶属流量计量设备的，具体涉及一种小口径内衬反射式直管超声波水表。

背景技术：

1、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。

2、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超声波流量计。

3、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（电磁流量计则是通过模拟信号采样）。以水表为例，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（而电磁流量计则不能测量气体流量）。

4、那么，超声波水表的升级改进的技术发展方向与原则该如何界定，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。

5、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、换能器安装方式及流道结构等，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，业内明确了技术发展方向，其最优化的解决方案应遵循以下原则，归纳如下：

6、 (1)声程最大化原则：为使超声波水表具有大的量程比，对于超声波水表，特别是应用最普遍的dn15口径，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。要使得超声波水表具有大量程比，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。（对于水表，国标于2018年将量程比或流量比的最大值提升至r=1000）

7、对此，通过理论分析，可得出有关超声波流量计计量品质结论：

8、在水计量领域，量程比定义为，其中，为对应某管径下的常用流量，它是一个给定值；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%）。

9、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）越低（对应其流速就越低，而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，也成比例地对应变低（即对应的最小流速就变低）。通常，在实际应用中，其经验值是（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（流过流量计管路的与所用的时间间隔相等），量程比与两换能器间距之间的关系为：

10、

11、上式中，为某口径流量计的常用流量，为与相对应的流量计管路内流体的流速，为满足一定计量精度要求的最小流量，为与相对应的流量计管路内流体的流速，对某口径流量计而言，和为常量(选定值)，为圆周率，为流量计管路的内半径，为计量用时，为超声波流量计管路内两换能器对射面之间的间距，为两换能器之间连线在流量计管路水流方向的夹角（为锐角，当时，两换能器连线与水流方向一致，, 为与流量计的计量时差、声速有关的已知量，为与流量计的计量时差、声速有关的已知量，令= ,为常数，而通过超声波流量计时差公式计算得出，即，因而，在具体计算时，按照代入。由上面的关系式可得出如下结论：

12、增大两换能器间在流量计管路水流方向的投影距离，就可有效提高流量计的量程比。

13、（2）一对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，因此，有效信号的幅值就最高。反射式因有一个或数个反射面，声波反射传递就有声波能量损耗（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），特别是当反射面有角度偏差或使用后结垢，其声波能量损失就可达40～60%，这将严重影响正常计量。另外，有反射面存在，其安装结构复杂，特别是反射面水阻分布处理不当，也会影响到计量精度。

14、值得重视的是，反射式超声波流量计也有其潜在的应用优势，若能发挥其潜在的应用优势、消除其存在的劣势，反射式超声波流量计同样具有广阔的应用价值。为消除反射式超声波流量计存在的劣势，就应探寻有效的解决途径与方案，去解决反射面因反射声波而造成的声波能量损失问题、去解决反射面结垢问题、去解决反射面对水流阻力不均产生的湍流问题，一旦这些问题得到有效解决，反射式超声波流量计就大有用武之地，特别是在高温流体输运领域与场合（同理对低温流体输运领域与场合也同样如此），所测流体温度较高，相比在管内安装换能器的超声波流量计，在这种情况下，就更容易对超声波换能器进行与流体之间的隔离与密封，也很容易对超声波换能器采取隔热或温控措施，反射式超声波流量计就凸显其极大的应用优势。

15、（3）一致性原则；超声波水表基表的流道成型及加工工艺，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。对于反射式，要特别保证两换能器声波在两反射面之间的距离固定，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。

16、（4）管体密封安全原则：在有超声波流量计内衬管的情况下，为了保证密封安全，尽量采用局部密封而非整体密封的方式，以保障其密封的可靠性、耐久性。

17、（5）适配性原则：超声波水表不仅可用作水计量，还应考虑适配为其它用途，如方便安装温度传感器，以适应供热计量需求，作为供热计量的热能表使用。

18、（6）结构简单、方便装配原则：超声波水表结构简约化、安装具有唯一的确定性，从而使其整体易装配，且能保障流量计有较高的一致性。

19、按照上述原则的标准来对照，现有技术，仍然存在缺陷或不足。

20、专利申请公布号cn 105890818 a是一种早期较为典型的立柱式小口径超声波反射式，以这种模式应用的流量计，其分立安装的支撑柱无法做到两反射面角度一致、没有考虑立柱及反射面对流体形成湍流的影响，所以，导致小流量偏差较大，量程比较低，主要应用于供热计量。

21、鉴于支撑柱反射面的缺陷，目前大多数采用插片式反射面，如专利申请公布号cn106679749 a为其中一种。这种结构的反射面相对立柱式有较大改进，主要是去除了支撑柱对流体的影响。实验说明，插片式的量程比可提高一倍（对于dn20口径水表，立柱式通常r=100，插片式r=200）。但是，这种有倾斜度的的反射迎水面，仍然会对流体产生湍流，影响小流量稳定，其特性仍有待进一步提高。

22、专利申请公布号cn 103983316 a公布了一种导流罩减少水湍流的方案。这种结构在反射面进水端（出水端）前侧加装了子弹头型稳流器，这样可以减少湍流，提高流量计小流量测量的精度。但是，从专利图示可以看出子弹头型稳流器的安装结构架与中间套管之间没有设置平缓缩径过度的套管或平滑管壁，这就必然会对水流产生阻挡，特别是在大流量情况下会增加水阻及引起紊流影响测量精度

23、专利授权公告号cn 204373718 u公布一种计量表用测量管段，可以看出，其两个换能器安装孔比较居中，声程短，这种结构有悖声程最大化原则，所以，其量程比会受到限制。

24、通过对现有技术的分析，以及根据上述超声波水表技术发展的最优化解决方案六条原则，就小口径超声波水表而言，对应超声波反射式原理，如果采取有效的技术方案，就能做到声程最大化、过水流道完整、提高反射面的反射效率、降低反射面产生的紊流影响、反射面长期使用而不结垢、用整体管段加工、制造流量计的基表等，这样就可以有效提高超声波反射式水表性能。

技术实现思路

1、本实用新型，拟解决现有技术的不足即现有超声波反射式流量计基表的设计、应用的不足，提出一种小口径内衬反射式直管超声波水表，使它具有：声程最大化结构、反射面高反射效率、消减反射面产生紊流影响的结构形状、构建过水流道整体结构、对反射面采用长期不结垢的材料、用整体金属外管加工和构建流量计的基表、仪表壳体方便安装、固定的结构等，这样就可大幅提高超声波反射式水表的整体性能。

2、本实用新型的技术方案为：以换能器及反射面声程最大化为目标，优先考虑换能器、反射面在流量计基表中的布局，在小口径超声波水表的等径金属外管内侧的两端安置、固定导流及换能器反射面固定支架，由此实现超声波换能器的声程最大化；在两反射面固定支架之间由缩径整流管连接形成了一双反射式换能器内衬管体结构，由此不仅实现过水流道完整化，而且有效保证两反射面之间的距离永久不变，得以做到使批量加工出的流量计具有高度一致的流量特性；将导流与反射面固定支架由对称两部分镶嵌对接而成一整体，分为外圈与中间两部分，并由上、下两根支撑筋连接，使水流通过支撑筋及反射面后立即平稳进入缩径整流管，由此不会产生任何阻挡，而且还使水流平稳、通畅，构成了反射面消减紊流产生的结构形状；通过理论分析、实验分析和实验验证的途径，探寻反射面以及反射面材料，使反射面不仅具有无损耗的反射效率，且能在高温、水质较硬情况下，长期使用而不会结垢。

3、本实用新型一种小口径内衬反射式直管超声波水表，包括等径金属外管、导流与反射面固定支架、整流管及其固定座、换能器及其换能器固定座、换能器及仪表底壳固定螺母；所述小口径内衬反射式直管超声波水表与外部管路的接口及基表为等径金属外管，在等径金属外管内侧的两端安置、固定导流及换能器反射面固定支架，由此实现了超声波换能器的声程最大化；所述两反射面固定支架之间由缩径整流管连接形成了一双反射式换能器内衬管体结构，由此不仅实现了过水流道完整化，而且有效保证两反射面之间的距离永久不变，并且使批量加工出的流量计具有高度一致的流量特性；通过优选的换能器、反射面形状以及反射面材料，使换能器间声波顺畅且低耗损传递；在换能器固定座及仪表下壳固定螺母及仪表盒的协同下，组成小口径内衬反射式直管超声波水表，在小口径超声波水表限定的直管长度下，实现了超声波换能器间的声程最大化，从而使超声波水表达到量程比最大化、始动流量最小化的性能。

4、所述的等径金属外管与外管的接口两端有管螺纹，所述等径金属外管上有换能器固定座、整流管固定座以及需要时加装温度传感器安装座。所述导流与反射面固定支架由中间对称两部分镶嵌对接而成。对接后，前端有导流帽及后端有反射面固定支架及支撑筋和外管组成。所述整流管由整流管固定螺母固定，与导流与反射面固定支架紧配对接。所述换能器固定座内有换能器，其凸沿由定位凸台定位，侧密封圈、顶密封圈密封；所述弹性垫圈位于换能器上方、固定螺母下方；所述固定螺母位于换能器固定座内最上方，它具有两个作用：其一，通过压紧弹性垫圈而压紧换能器，同时，换能器下端，伸入导流与反射面固定支架内，起到定位作用；其二，通过压紧仪表底壳的圆筒结构，固定仪表底壳。所述仪表盒由仪表盒底壳、仪表盒上壳组成，其内有电池、电路板、显示屏。换能器信号线通过固定螺母中心通孔连接到电路板上。

5、在需要温度参数或进行热计量应用时，金属外管外端靠近出水口处可安置温度传感器安装座，所述温度传感器安装于温度传感器安装座中。

6、所述的流量计基表外管为等径金属外管，其两端有管螺纹，所述等径金属外管外侧通过激光焊接，连接有换能器固定座、整流管固定座以及需要时加装温度传感器安装座。

7、专利申请公布号cn 103983316 a公布了的一种子弹头稳流器方案有影响流场的缺陷：水流通过cn 103983316 a公布了一种子弹头稳流器后，暴露于弹头稳流器固定支架段，在进入中间管道之间，没有连接平缓的缩径管体，这就会使水流稳流器固定支架与中间段管口边沿产生阻挡，特别是在大流量情况下，由于阻挡阻力增大产生湍流，影响时差及流量计精度。

8、本实用新型所述导流与反射面固定支架由对称两部分镶嵌对接而成一整体。对接后，分为外圈与中间部分，这两部分由上、下两根支撑筋连接而不是多根，对水的分流均匀，即利于水流通过，又有较高强度及对称性。水流通过支撑筋及反射面圆柱形侧面后立即平稳进入缩径整流管，此间无断口，不会产生任何阻挡，所以水流平稳、通畅，流体特性稳定，有助于提高时差精度即计量精度。

9、所述导流与反射面固定支架，即前端有导流帽及后端有反射面固定支架及支撑筋和外管组成。如附图2所示，所述一体的导流帽与反射面固定支架由两部分凸、凹结构紧配对接形成；所述声波椭圆形反射面由导流与反射面固定支架的两部分对椭圆形长轴即上、下弧形凹槽对接、包裹而固定，椭圆形短轴位置毋须固定，这就保证了反射面积足够大。

10、所述反射面由厚度1mm，宽度9mm、长度11mm的椭圆形zro2、si3n4或sic材料制作。实验证明，这三种材料不但对超声波具有极高反射效果，而且在高温、水质较硬情况下，长期使用不会结垢，能长久、有效保证超声波的反射强度不会衰减。

11、导流与反射面固定支架装配：所述固定胶圈的作用，一是在反射面处放上反射片，将导流与反射面固定支架的两部分对接合拢，加上固定胶圈进行固定；二是将导流与反射面固定支架插入等径金属外管后，起到挤紧稳定的作用，此胶圈不起密封作用。

12、导流帽及后端反射面固定支架总体为圆形柱，其直径为9mm，所以，对于dn15管径来说，经过计算，其在上述圆柱形与内侧间的最小间隙为4.42mm，如果在流量计前端采用网孔2.5～3mm的过滤网时，就能够保障管内最小水流间隙≥3mm，即保证水中常规杂质顺利通过。

13、所述整流管由整流管固定螺母及密封圈将其固定于盲孔中，与导流与反射面固定支架紧配对接。对接后，再用胶粘或激光焊接其对接缝，使两个导流与反射面固定支架与整流管成为一体。这样，能有效保证两反射面之间的距离永久不变以及批量生产流量特性的一致性。胶圈起到整流管与金属管内腔紧配及阻止水从其间流动的作用，不起密封作用。

14、本实用新型中所采用的换能器为小口径换能器，其结构为：前端直径φ10mm、后端直径φ14mm，2mhz或4mhz频率。换能器的中部有槽，其中部及上部可安装密封圈，分别为侧密封和顶密封，即采用了两级、两种不同的密封方式，以确保密封的安全性。

15、有关换能器采用陶瓷片的规格符合中国计量协会水表委员会对超声换能器陶瓷振子的频率应用标准的要求，即：

16、规定换能器陶瓷片振动频率可为： 1mhz、 2mhz、 4mhz，

17、陶瓷片对应常用直径与厚度比为： φ12/2mm；φ8/1mm；φ8/0.5mm；

18、某材料在各频率对应的波长为： 2.5mm 1.25mm 0.625mm

19、（假定某导声材料常温下的声速为2500m/s）

20、按常规，换能器的尺寸越大，发出声波强度越大，但安装尺寸就大；而换能器频率越高即波长越短其物理直径及体积就变小，不但便于安装，而且其电路计时触发的精度也越高，时差计算越精确。早期换能器制造水平低，即电/声转换效率低，而反射式有声波损耗，所以大多厂家采用较大体积1mhz换能器（采用φ12～14mm陶瓷片）。近几年随着精密制造水平的提升，电/声转换效率有了飞跃，小尺寸、高频率的换能器电/声转换效率得到大幅提高，已完全满足应用需求。

21、常用dn15插片反射式流量计换能器采用φ12mm陶瓷片、频率为1mhz，封装后凸型换能器的前端直径φ17mm，后端直径φ21mm。考虑到在流道内的尺寸要小，尽量减少对流体的干扰，所以反射面采用宽度10mm冲压形成的不锈钢插件。由于是冲压形成，所以边沿为弧形，实际能够用于反射的平面宽度大约为8mm。所以实际声波能量的利用率为8/12，大约为67%（注：不同口径的反射面宽度不同，反射效率亦不同）。

22、本实用新型采用φ8mm陶瓷片、频率为2mhz或4mhz，封装为凸型换能器的前端直径φ10mm，后端直径φ14mm。这样就可以减小反射面的尺寸，更便于反射面在小口径管道内安装，使水流最小间隙利于3mm以下杂质通过。那么，加上倾斜反射面的固定边沿，安装后的反射面宽度为φ9mm，除去边沿固定部分（主要由椭圆形面长轴方向固定），有效反射面的宽度至少8mm，完全满足φ8mm陶瓷片产生超声波能量的全部反射，即声波能量利用率100%。

23、采用频率高（2mhz、4mhz）、尺寸小（陶瓷片φ8mm，换能器前端φ10mm，后端直径φ14mm）的换能器其优势在于（以2mhz为例）：

24、（1）换能器的整体尺寸小，换能器固定座的尺寸也就小，那么2mhz、φ10mm换能器的两换能器中心线之间的距离，相对1mhz、φ17mm的换能器，要增大7mm，也就是说，假定换能器固定座都是靠近金属管外管螺纹内侧安置的话，2mhz换能器的声程比1mhz换能器的加长7mm，这对于长度有限的管长来说，能扩大声程提高量程比，很重要。

25、（2）2mhz换能器的波长是1mhz换能器的一半，所以对于用首波触发的时差电路来说，触发计时精度更高，时差更准。

26、（3）对于反射式安装，假如反射面为宽度8mm的椭圆，对于2mhz、φ8mm陶瓷片尺寸，理论上将会反射100%全部声能；但对于1mhz、φ12mm陶瓷片尺寸，只能反射67%的声能，利用率很低。

27、专利授权公告号cn 201773574 u为常规超声波反射式流量计所采用的换能器，其弊端有二：一是只能在凸形换能器台阶处安装一道密封圈，其安全性差；二是换能器的安装定位也要靠这道密封圈，如果密封圈变形（比如碰到有机物），那么换能器将倾斜（角度变化），这时发出的声波无法通过反射面反射导致声能损失很大，无法进行时差计算，计量终止。

28、本实用新型提出了2mhz/4mhz，带定位、双密封结构的换能器，换能器外侧下沿为安装定位沿，定位于换能器固定座内侧定位台上，由侧密封圈和顶密封圈密封。这样，既能保证换能器的水平安装定位，又能保证密封安全可靠，长久使用。

29、所述弹性垫圈位于换能器上方，起到在固定螺母向下旋转时，不会损伤密封圈以及对固定螺母向下所施加的压力进行限定的作用。所述固定螺母的另一个作用是用来压紧仪表盒底座，即压紧套在换能器固定座上的筒状壳体，这样用较简单方法完成了固定仪表底座的作用。侧密封圈作用是将仪表盒底座筒状结构与换能器固定座外侧间进行防水密封。

30、所述仪表盒由仪表盒底座、仪表盒上壳组成，其内有电池、电路板、显示屏。换能器信号线通过固定螺母的中孔连接到电路板上。

31、在本实用新型中，由于导流及反射面固定支架与整流管所组成的内衬套管整体与金属外管内侧间无需防水密封，所以，在进行热计量应用时，金属外管外端靠近出水口处可安置温度传感器安装座，所述温度传感器可方便安装于温度传感器安装座中，温度传感器测温杆斜插于换能器导流盖外侧，不影响对流体的测量。

32、综上所述，与现有技术相比，本实用新型具有突出的实质性特点和显著进步，具体表现为：

33、第一，对于给定长度的dn15口径或小口径的超声波流量计基表而言，本实用新型充分利用了超声波流量计基表的限定长度，在等径金属外管内侧的两端安置、固定导流及换能器反射面固定支架，并选用小尺寸2mhz/4mhz、φ8mm陶瓷片封装的换能器予以匹配，实现了超声波换能器的声程最大化，从而使超声波水表达到量程比最大化、始动流量最小化的性能。

34、第二，对于dn15口径基表而言，需要保证流道最狭窄处的过水间隙大于3mm、以及保证此处压损不会突增以免形成湍流的技术要求。本实用新型通过选用小口径换能器、较小的φ9mm反射面宽度和反射面柱φ9mm的直径，以及采用与内衬管之间用两根支撑柱连接，从而获得水流压损小、分流均匀、强度高，完全满足最小过水间隙大于3mm的技术要求，便于常规杂质通过。

35、第三，与常规换能器采用下部密封圈进行定位不同的是，本实用新型所述换能器通过引出线固定座内的凸台进行高度定位，它能够保障换能器的定位平整，保证超声波信号能准确到达反射面。

36、第四，本实用新型中采用的换能器是小口径异形换能器，其前端直径φ10mm、后端直径φ14mm，2mhz或4mhz频率，该换能器的中部有槽，其中部及上部可安装密封圈，分别为侧密封和顶密封，由此本实用新型采用了两级、两种不同的密封方式，确保了换能器密封的安全性。

37、第五，本实用新型的整流管与导流与反射面固定支架紧配对接，对接后，再用胶粘或激光焊接其对接缝，使两个导流与反射面固定支架与整流管形成了一个整体测量流道结构，这一整体测量流道结构，不仅利于水流顺畅流通，解决了专利申请公布号cn 103983316a中的导流帽与中间管道之间断接而影响流场稳定流动的问题，而且这一整体测量流道结构还能有效保证两反射面之间的距离永久不变。因为两个反射面的间距决定了超声波流量计的量程比，所以，对于批量生产来说，就保障了流量计的量程比及一致性，极大方便了流量计的检测、标定。

38、第六，本实用新型采用的声波反射面由厚度1mm，宽度9mm、长度11mm的椭圆形zro2、si3n4或sic材料制作。理论与实验均证明，这三种材料不但具有极高的超声波反射效果，而且在高温、水质较硬情况下，长期使用不会结垢，能长久、有效保证超声波的反射强度不会衰减。

39、第七，本实用新型中的导流与反射面固定支架，即前端有对称的导流帽及后端有反射面固定支架及支撑筋和外管组成，形成一个稳定的整体，这一整体的外管与缩径整流管可以无缝对接，保证了流体从导流帽到缩径整流管流动顺畅。另外，所述的导流帽及后端反射面固定支架由中心面对称的两部组成，为凸、凹结构紧配对接形成；所述的椭圆形陶瓷反射面短轴为9mm，长轴为11mm，由对接后的导流与反射面固定支架将陶瓷椭圆形反射面只在其上、下长轴弧形边沿以凹槽形式卡紧、包裹固定（短轴不固定）。由于导流帽及后端反射面总体为圆柱形，其直径为9mm，所以，这种包裹、固定椭圆形陶瓷反射面的结构没有增大反射面固定柱的直径，这对于dn15口径的超声波水表而言，这样导流帽及后端有反射面固定圆柱与外管内侧间最小间隙有4.42mm≥3mm，保证了水中常规杂质顺利通过。

40、第八，本实用新型的固定螺母实现了以一代二的功能，其一为，它通过对弹性垫圈施力而压紧换能器，同时，换能器下端，伸入导流与反射面固定支架内，起到定位作用；其二为，它用来压紧固定电路仪表盒下壳，减少了下壳的固定器件。

41、第九，本实用新型中，两个导流与反射面固定支架与整流管形成的一个整体测量流道结构，它与金属外管内侧间无需防水密封，所以可很方便地安装温度传感器，适用于供热采暖的热能计量。