流道芯体、流道结构与超声波水表

摘要

本发明公开了一种流道芯体，其特征在于：包括管芯，所述管芯用于插入固定在流道管体内部；所述管芯的两端为进口端和出口端，所述进口端和出口端的端面均为圆孔结构；所述管芯上位于进口端和出口端之间的部分为计量段；所述计量段的流道的截面积小于所述进口端或出口端的截面积；所述计量段的侧壁上具有一对供超声波贯穿用的对射穿孔；在所述管芯插固在流道管体内后，所述对射穿孔能够与流道管体上的对射的换能器安装座对准贯通。本发明还公开了采用上述流道芯体的流道结构和超声波水表。本技术方案可使得超声波水表计量更为精准可靠，耐压性更好。

说明书

技术领域

本发明属于超声波计量仪表领域，具体涉及一种流道芯体、流道结构与超声波水表。

背景技术

超声波计量表比传统机械计量表更精确可靠，而且便于实现电子化、智能化管理，超声波计量表取代传统机械计量表是大势所趋。

超声波测量管道是基于超声波时差法以及超声波换能器对射安装的方式来实现流量测量，其工作原理见图1所示，当发射出的超声波在顺流转换器和逆流转换器之间传输时，通过测量顺、逆流的传播时间及时间差t，结合管道过流截面积相关参数，求得流体的流量，正、逆向传播时间、时间差、线平均

流速和流量值的计算见式(1.1)～式(1.3)。

由式(1.1)变形处理得

所有流量值

式中：t

t

Δt—超声波正、逆向传播时间差；

v—流体线平均流速；

q

c—超声波的传播速度；

D—管道直径；

k—修正系数。

由上述算式可知，流量值q

现有的超声波计量仪表往往采用异型流道结构(如，公告号：CN103383275B，公开的“方波型流道超声波水表”)，或采用反射式的超声波换能器的布局结构(如，公告号：CN204788525U，公开的“一种超声波流量计防污染流道结构”)。但上述异型流道结构，存在压损大的不足；上述两种现有技术的超声波计量流道中均容易出现水流瞬时流速波动大的情形，进而导致关键值时间差Δt的波动、抗干扰性较差、致使计算误差值较大。故现有技术在确保关键值时间差Δt的抗干扰性和提升与确保计量精度方面仍存在不足。

基于此，申请人考虑设计一种能够更好确保与提升超声波计量仪表的计量精度与计量可靠稳定性(抗干扰性)的流道芯体、流道结构与超声波水表。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够更好确保与提升超声波计量仪表的计量精度与计量可靠稳定性(抗干扰性)的流道芯体、流道结构与超声波水表。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

流道芯体，其特征在于：包括管芯，所述管芯用于插入固定在流道管体内部；

所述管芯的两端为进口端和出口端，所述进口端和出口端的端面均为圆孔结构；所述管芯上位于进口端和出口端之间的部分为计量段；所述计量段的流道的截面积小于所述进口端或出口端的截面积；

所述计量段的侧壁上具有一对供超声波贯穿用的对射穿孔；在所述管芯插固在流道管体内后，所述对射穿孔能够与流道管体上的对射的换能器安装座对准贯通。

同现有技术相比较，采用本技术方案中的流道芯体具有的优点是：

1、抗干扰性更好，计量精度更高且可靠

管芯中计量段的截面积小于管芯两端的截面积，这样设计的优点是能够提高计量段中水流速度(见图8所示，计量段的流速约为进口端(或出口端)两倍的流速)，计量段内部流速的提升则能够更好降低或消除位于管芯外部管道进水的瞬时流量变化对计量段中水流速度的干扰影响(计量段截面积与进口端截面积之比，比值越小，则抗干扰性越好)；与此同时，能够使得计量段中的水流内部流场具有均匀性，降低各区域(横截面和长度方向中各区域)流速变化，提高测量精准度。

2、避免涡流，提升超声波信号传输稳定性

管芯的进口端采用由小变大、出口端采用由大变小的渐变流线型设计，提高了速度分布均匀性，避免了因流道内部产生台阶而引起涡流，有利于超声波信号的稳定传输。

3、提升抗压强度

管芯整体在超声波计量流道的管体内部，起到内侧承压保护套的作用，这样一来，也可提升超声波计量流道整体的抗压能力，确保流道的可靠性更持久。

流道结构，包括流道管体，所述流道管体外侧设置有整体呈外凸状且能够顺自身轴向对射的一对换能器安装座，每个换能器安装座底部设置有与流道管体内连通的换能器安装孔；

其特征在于：还包括上述流道芯体，所述流道芯体的管芯插装固定在所述流道管体内部，所述管芯上的一对所述对射穿孔与一对所述换能器安装座对中；

所述流道管体的外侧设置有外凸状且安装用的耳座，所述耳座上设置有竖向贯穿的连接孔。

上述流道结构可使得超声换能器水平正对，这样可充分利用流道管体双侧的横向空间；与此同时，上述连接支耳的结构不仅能够起到加强连接筋块的作用，增强换能器安装座与流体管体之间的结构和连接强度，还能够通过连接支耳上设置的连接孔来供超声波水表的壳体来固定安装。

超声波水表，包括流道管体、壳体和成对的超声波换能器；各个超声波换能器密封固定在所述流道管体的换能器安装座上；所述壳体固定安装在所述流道管体上，所述壳体上安装有电池、电路板和无线通讯模块；电池与测量输出模块与所述电路板电性连接；

其特征在于，所述流道管体为上述流道结构中的流道管体；

所述壳体具有底盖和电子盒，所述底盖和电子盒各自通过螺纹旋接在所述耳座中的连接孔的连接螺钉实现在流道管体上的固定装配；所述电路板和无线通讯模块安装在所述电子盒上；

所述电池包括通讯用电池和计量用电池；所述通讯用电池用于给所述无线通讯模块供电，所述通讯用电池安装在所述底盖内侧设置的电池位内；所述计量用电池用于给所述电路板供电，所述计量用电池安装在所述电子盒内设置的电池位内。

本技术方案的超声波水表的优点是：当需更换通讯用电池，拆下底盖即可便捷的取出通讯用电池。

附图说明

图1为超声波时差法流量测量原理图。

图2为本发明流道芯体的结构示意图。

图3为本发明流道芯体的进口端视图。

图4为图3中A-A剖视图。

图5为本发明流道结构的结构示意图。

图6为本发明超声波水表的爆炸图。

图7为本发明超声波水表的结构示意图。

图8为本发明流道芯体内流道流体的模拟流场分析图。

图中标记为：

10管芯：101进口端(1011定位用凸起)，102计量段，103对射穿孔，104长条形加强筋，105圆弧形加强筋，106平滑过渡连接面，107水平面

20流道管体：201换能器安装座，202连接支耳，203安装支耳

30底盖：301通讯用电池

40电子盒：401计量用电池

50电路板

60透明罩

70表盖

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：如图2至图4所示：流道芯体，包括管芯，所述管芯用于插入固定在流道管体内部；

所述管芯的两端为进口端和出口端，所述进口端和出口端的端面均为圆孔结构；所述管芯上位于进口端和出口端之间的部分为计量段；所述计量段的流道的截面积小于所述进口端或出口端的截面积；

所述计量段的侧壁上具有一对供超声波贯穿用的对射穿孔；在所述管芯插固在流道管体内后，所述对射穿孔能够与流道管体上的对射的换能器安装座对准贯通。

其中，所述对射穿孔的轴心线与所述管芯的计量段的轴心线交汇且两者之间的夹角为20度至45度中任意值。

实施时，优选所述对射穿孔的轴心线与所述管芯的计量段的轴心线的夹角(图1中的θ)为30度。

采用上述30度的夹角后，能够增加超声波的声程，增大Δt的数值，降低水流瞬时波动对Δt的扰动幅度，抗干扰性更高，更好确保计量精准度。此外，θ为30度，还可使得对射穿孔的孔壁持久不结垢，持久维护好超声波声程的清洁度，也利于确保超声收发信号持久稳定可靠检测计量。

其中，所述管芯由工程塑料材质制得。

优选，所述工程塑料为热变形温度高于80摄氏度和线膨胀系数小于7的工程塑料，例如，PC、经玻纤增强后的PET或PA66中任意一种。

这样一来，管芯更容易通过注塑工艺来加工制得，加工效率高、加工成本更低、且长久使用不结垢，更好保证计量段中流动的通畅均匀稳定性，持久保证流道内的流体的通畅均匀稳定性后，则可确保计量精度持久准确可靠。

其中，所述管芯的进口端的端部外侧面上设置至少一个外凸的定位用凸起；所述定位用凸起用于与流道管体进口端内侧的设置的定位插槽配合连接实现轴向和圆周方向上的限位连接。

实施时，优选定位用凸起为顺管芯长度延伸的长条形。定位用凸起的数量为在圆周方向均匀间隔设置的两个。

上述管芯上的定位用凸起与流道管体之间的配合连接的装配限位结构，结构简单，且易于装配并获得可靠的轴向和圆周方向的定位效果。

与此同时，管芯进口端的定位用凸起也能够提到加强筋条的作用，提升管芯进口端的结构强度和耐压能力。

其中，所述管芯的计量段的外侧具有镜像对称的两个内凹空间，且两个内凹空间的内凹面使得所述管芯的计量段的内侧形成有一对平行的内侧面。

这样一来，一对平行的内侧面之间的流道内部流场均匀性，降低截面各区域流速变化与不一致，使得计量段中的水流均匀稳定，有效确保计量精度。

如图3所示，一对平行的内侧面，使得从管芯的端面看，管芯的计量段近似于呈“矩形”穿孔状。

其中，每个所述内凹空间内设置有固定在所述计量段外侧面的长条形加强筋和圆弧形加强筋，所述长条形加强筋顺管芯轴向延伸，所述圆弧形加强筋为沿管芯的圆周方向的圆弧形结构。

上述长条形加强筋和圆弧形加强筋的结构，可起到减轻重量、减少用料以及增强结构强度的作用。

实施时，优选所述长条形加强筋与所述圆弧形加强筋的外直径与所述管芯的进口端与出口端的外直径一致。这样一来，即长条形加强筋与所述圆弧形加强筋外侧均能与流道管体内侧壁贴合连接形成支承作用，使得管芯外侧可与流道管体内侧贴合连接，确保耐压与可靠性。

其中，所述进口端和出口端各自的圆孔内侧边缘与相邻的所述一对平行的内侧面的边缘之间为平滑过渡连接面。

两端口与计量段的内侧面之间采用由小变大及由大变小的渐变流线型设计，提高了速度分布均匀性，避免了因流道内部产生台阶而引起涡流，有利于超声波信号的稳定传输。

其中，所述管芯的计量段的内侧形成有一对平行的内侧面均为水平面；

所述对射穿孔设置在连接于所述一对平行的内侧面两侧边缘之间且相对的两个圆弧形侧面上。

开设于两个圆弧形侧面的对射孔，对管芯的结构耐压强度不构成影响；且两个圆弧形侧面更贴合邻近流体管道内壁，且不会缩短超声波声程，可有效确保计量精度。

如图5和图6所示：流道结构，包括流道管体，所述流道管体外侧设置有整体呈外凸状且能够顺自身轴向对射的一对换能器安装座，每个换能器安装座底部设置有与流道管体内连通的换能器安装孔；

还包括上述流道芯体，所述流道芯体的管芯插装固定在所述流道管体内部，所述管芯上的一对所述对射穿孔与一对所述换能器安装座对中；

所述流道管体的外侧设置有外凸状且安装用的耳座，所述耳座上设置有竖向贯穿的连接孔。

实施时，所述耳座包括每个对换能器安装座外侧设置的一个连接支耳。

上述流道结构可使得超声换能器水平正对，这样可充分利用流道管体双侧的横向空间；与此同时，上述连接支耳的结构不仅能够起到加强连接筋块的作用，增强换能器安装座与流体管体之间的结构和连接强度，还能够通过连接支耳上设置的连接孔来供超声波水表的壳体来固定安装。

实施时，所述耳座还包括在所述流体管道的外侧面上设置有与每个所述连接支耳在流体管道长度方向上间隔设置的安装支耳。所述安装支耳与同侧的连接支耳之间的间距空间可供电池结构插入。

上述一对连接支耳以及上述安装支耳，使得流道管体外侧构成四个可供超声波水表的壳体紧固安装的耳座(及螺钉连接孔)，能够更为有效的确保电子表头的连接稳固效果。

实施时，超声波水表的壳体包括底盖和电子盒，底盖和电子盒各自使用四个耳座(及螺钉连接孔)中的其中两个，优选两个耳座为位于管体两侧的两个安装支耳或两个连接支耳。这样一来，可使得底盖和电子盒各自在流体管道上的两个固定连接点位之间距离更远，连接力分布更均匀，固定效果更好。

如图6和图7所示：超声波水表，包括流道管体、壳体和成对的超声波换能器；各个超声波换能器密封固定在所述流道管体的换能器安装座上；所述壳体固定安装在所述流道管体上，所述壳体上安装有电池、电路板和无线通讯模块；电池与测量输出模块与所述电路板电性连接；

所述流道管体为上述流道结构中的流道管体；

所述壳体具有底盖和电子盒，所述底盖和电子盒各自通过螺纹旋接在所述耳座中的连接孔的连接螺钉实现在流道管体上的固定装配；所述电路板和无线通讯模块安装在所述电子盒上；

所述电池包括通讯用电池和计量用电池；所述通讯用电池用于给所述无线通讯模块供电，所述通讯用电池安装在所述底盖内侧设置的电池位内；所述计量用电池用于给所述电路板供电，所述计量用电池安装在所述电子盒内设置的电池位内。

本技术方案的超声波水表安装使用时及其优点是：

通讯用电池放入底盖凹槽，通过底盖、电子盒与流道管体的固定连接达到固定的目的，通讯用电池的引线穿过电子盒与电路板焊接，需灌注密封胶实现穿孔处的密封；

底盖与流道管体总成通过两颗十字盘头螺钉固定，换能器线束通过线束过孔穿入电子盒内，并需灌注密封胶；如需更换通讯用电池，拆下底盖即可便捷的取出通讯用电池；

电子盒通过两颗十字盘头螺钉与管段总成连接，并需灌注密封胶；

计量用电池通过压板用自攻钉固定在电子盒内；

表盖座与电子盒通过卡扣及两颗十字盘头螺钉固定并盖上塑封；

电路板总成通过三颗自攻螺钉与电子盒连接；

透明罩两颗自攻螺钉与电子盒连接，并需要灌注密封胶

表盖可以翻折，且翻折后最高高度不超过140mm。

综上，不同于现有的反射式超声波水表，本技术方案中的超声波水表具有的优点是：

1、对射无信号衰减，超声波计量信号的收发更可靠，使得计量也更准确可靠；

2、整个管芯内部(涵盖两端与计量段)光滑且无阻碍流体流动的障碍物，避免絮流或紊流的产生及其对超声波计量信号的干扰，使得管芯内流体流动均匀、快速且稳定，利于实现持久精确可靠的计量。

以上仅是本发明优选的实施方式，需指出的是，对于本领域技术人员在不脱离本技术方案的前提下，作出的若干变形和改进的技术方案应同样视为落入本权利要求书要求保护的范围。