一种超声波流量计的制作方法

本发明涉及燃气计量技术领域，具体涉及一种超声波流量计。

背景技术：

超声波流量计(超声波燃气表)是一种有别于传统机械膜式流量计及电子膜式流量计的一种新型燃气表，其工作原理是：采用时差法原理来测量燃气流速，即通过测量超声波信号在流体中顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速；因时差法声速随流体温度变化带来的误差影响较小，准确度较高，得到广泛应用。

现有的超声波流量计中，通常采用一对换能器(即一对超声波传感器)来发射和接收超声波信号，以便利用时间差计算燃气的流速；现有技术中，所述一对换能器在流量计内通常采用斜对射、反射或双反射的方式进行布置，以便相互配合，例如，中国专利cn103270396a公开的一种超声波流量计，采用反射的方式设置换能器，然而，现有的超声波流量计通常还存在一些不足：1、采用斜对射或反射等方式布置换能器时，流体的流动方向与声道(即超声波的传播方向)存在夹角，虽然声程变长，但流体有效流速变快(或看作声速变慢)，而且都存在无效声程，双反射结构无效声程影响尤其严重，严重影响微小流量的计量精度；2、反射及双反射方式存在信号衰减大的问题，接收信号较弱，导致信噪比差，噪声和漂移影响大；往往为提高信号质量，用于发射超声波的换能器通常需要升压发射，从而使得干扰和能耗都变大，导致微小流量计量时的精度较差，亟待改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于改善现有技术中所存在的不足，提供一种结构紧凑、计量精度高的超声波流量计，采用直对射的方式沿流道布置一对换能器，使得流体的流动方向与超声波的传播方向重合，不仅不存在无效声程，使得流体的流速可以全速参与流速的计算过程，有利于提高计量精度，而且采用直射方式相较于反射方式信号衰减小的多，可以有效改善微小流量的计量性能。

本发明所采用的技术方案是：

一种超声波流量计，包括控制模块、计量管段、用于发射和接收超声波的上游换能器和下游换能器，所述上游换能器和下游换能器分别与所述控制模块相连，且所述计量管段内设置有供燃气流通的流道；所述上游换能器和下游换能器分别沿所述计量管段的长度方向设置于计量管段的内部，上游换能器与下游换能器相互对射，且超声波信号的传播方向与计量管段内燃气的流动方向重合，控制模块根据上游换能器与下游换能器之间的超声波的传播时间来计算燃气的流量。在本方案中，将上游换能器与下游换能器分别设置于直对射的位置处，使得超声波信号的传播方向可以与计量管段内燃气的流动方向重合或一致，不仅不存在无效声程，使得流体的流速可以全速参与到流速的计算中，从而有利于提高计量精度，而且采用直射方式相较于反射方式信号衰减小的多，可以有效改善微小流量的计量性能，因此，本方案可以有效解决现有超声波流量计中采用斜对射、反射或双反射的方式布置换能器时所存在的问题。

为提高计量精度，优选的，所述上游换能器和下游换能器分别设置于计量管段的中心位置处。

由于上游换能器和下游换能器分别设置于计量管段的内部，会对燃气的输送造成一定的压损，为尽量减少所述压损，进一步的，在设置所述上游换能器和/或下游换能器的位置处，所述计量管段的流道的横截面直径存在渐变。既可以保证计量管段的有效流通面积基本不变，又可以便实现流道的圆滑过渡，从而有效减少燃气的压损。

优选的，所述计量管段包括直管段和设置于直管段两端的上游过渡段和下游过渡段，所述上游换能器和下游换能器分别设置于所述上游过渡段和下游过渡段内，且沿上游过渡段到下游过渡段的方向，所述上游过渡段内流道的横截面面积逐渐减小，所述下游过渡段内流道的横截面面积逐渐增大，所述直管段内流道的横截面面积不变。利用过渡段减少压损，而利用直管段可以准确的计算燃气的流量。

优选的，所述上游过渡段和下游过渡段内的流道为半球形结构、半椭圆球形结构、喇叭状结构或圆台形结构。均可以达到减少压损的目的。

优选的，所述计量管段为一体成型构件。

为便于上游换能器和下游换能器的安装，进一步的，沿所述上游过渡段的圆周方向设置有若干支撑筋，所述上游换能器设置于所述上游过渡段横截面的中心位置处，并固定于所述支撑筋；和/或，沿所述下游过渡段的圆周方向设置有若干支撑筋，所述下游换能器设置于所述下游过渡段横截面的中心位置处，并固定于所述支撑筋。采用支撑筋固定上游换能器和下游换能器，不仅可以实现牢靠的固定，而且可以尽量减少压损。

为便于计量管段的安装和拆卸，进一步的，还包括连接部，所述连接部包括过渡连接段及设置于过渡连接段一端的连接头，所述过渡连接段可拆卸的连接所述下游过渡段，所述连接头设置有外螺纹和/或内螺纹。利用连接头可以方便的连接超声波流量计内的连通管，并可以实现可拆卸连接，便于安装、调试以及后期维护，而利用过渡连接段可拆卸的连接下游过渡段，使得下游换能器可以被设置于下游过渡段与过渡连接段所围成的空间中，既有利于准确的测量流量，又有利于降低压损。

为降低压损，进一步的，沿燃气的流动方向，所述过渡连接段内流道的横截面面积逐渐减少。以便与下游过渡段相适配，使得燃气可以圆滑、顺利的通过，从而有利于减少压损。

优选的，所述过渡连接段与所述下游过渡段和/或上游过渡段的结构相同。

进一步的，还包括具有封闭内部空腔的壳体及连通管，所述壳体设置有进气口和出气口，所述进气口与所述内部空腔相连通，所述控制模块、计量管段及所述连通管分别设置于所述内部空腔中，所述计量管段的一端与所述连通管的一端相连通，所述连通管的另一端与所述出气口相连通。

进一步的，还包括控制阀，所述控制阀设置于所述内部空腔中，并与所述进气口相连通，所述控制阀与所述控制模块相连，用于在控制模块的控制下控制进气口的通/断。

与现有技术相比，使用本发明提供的一种超声波流量计，结构紧凑、设计合理，采用直对射的方式沿流道布置一对换能器，使得流体的流动方向与超声波的传播方向重合，不仅不存在无效声程，使得流体的流速可以全速参与流速的计算过程，从而可以显著提高计量精度，而且本超声波流量计采用直射方式相较于反射方式信号衰减小的多，可以有效改善微小流量的计量性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1中提供的一种超声波流量计中，计量管段的结构示意图。

图2为图1的左视图。

图3为图1的纵截面剖视图。

图4为下游过渡段与过渡连接段连接处的局部示意图。

图5为本发明实施例1中提供的一种超声波流量计的结构示意图，其中，带单箭头的虚线代表燃气的流动方向，带双箭头的虚线代表超声波信号的传播方向。

图中标记说明

计量管段100、上游过渡段101、直管段102、下游过渡段103、上游换能器104、下游换能器105、流道106、法兰盘107、通孔108、台阶槽109、

支撑筋201、连接孔202、

过渡连接段301、连接头302、环状密封槽303、环状密封圈304、壳体400、进气口401、出气口402、内部空腔403、连通管404、密封圈405、控制阀406。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-图5，本实施例中提供了一种超声波流量计，包括控制模块、计量管段100、用于发射和接收超声波的上游换能器104和下游换能器105，所述上游换能器104和下游换能器105分别与所述控制模块相连，且所述计量管段100内设置有供燃气流通的流道106；在本实施例中，所述上游换能器104和下游换能器105分别沿所述计量管段100的长度方向设置于计量管段100的内部，上游换能器104与下游换能器105分时交互对射和接收(一个换能器发射超声波信号时，另一个换能器接收该超声波信号)，且超声波信号的传播方向与计量管段100内燃气的流动方向重合，如图1及图5所示，在工作时，控制模块可以根据上游换能器104与下游换能器105之间的超声波的传播时间来计算燃气的流量，从而达到精确计量的目的。在本实施例中，将上游换能器104与下游换能器105分别设置于直对射的位置处，使得超声波信号的传播方向可以与计量管段100内燃气的流动方向重合或一致，不仅不存在无效声程，使得流体的流速可以全速参与到流速的计算中，从而有利于提高计量精度，而且采用直射方式相较于反射方式信号衰减小的多，可以有效改善微小流量的计量性能，因此，本方案可以有效解决现有超声波流量计中采用斜对射、反射或双反射的方式布置换能器时所存在的问题，尤其适用于对微小流量进行精确计量，在计量精度方面具有显著的提升。

所述控制模块可以采用现有技术中专用的微处理器，例如ams公司的gp30、gp40以及ti公司的msp430fr5043等，也可采用arm、stm32微处理器加信号处理电路等构成，这里不再一一举例说明。

在本实施中，所述上游换能器104和下游换能器105可以分别采用现有的产品，而本实施例所提供的超声波流量计采用以时差法测量燃气的流量，作为举例：设声速为c，燃气的速度为v，声程为l(即上游换能器104与下游换能器105之间的距离为l)，当上游换能器104在控制模块的控制下向下游换能器105发射超声波信号时，超声波信号与燃气的流动方向相同(顺流)，此时，超声波信号的速度为c+v，发射到下游换能器105所需的时间为t1＝l/(c+v)；同理，当下游换能器105在控制模块的控制下向上游换能器104发射超声波信号时，超声波信号与燃气的流动方向相反(逆流)，此时，超声波信号的速度为c-v，发射到上游换能器104所需的时间为t2＝l/(c-v)；两方向传输超声波信号的时间差为△t＝t2-t1，△t正比于燃气的流速，最后通过流道106横截面积(即后文中直管段102内流道106的横截面积)即可求出燃气的流量。

为提高计量精度，作为优选，所述上游换能器104和下游换能器105可以分别设置于计量管段100的中心位置处，所述中心位置是指沿计量管段100圆周方向的中心，而并非沿流道106长度方向的中心，后文不在赘述。

由于上游换能器104和下游换能器105分别设置于计量管段100的内部，会对燃气的输送造成一定的压损，为尽量减少所述压损，在进一步的方案中，在设置所述上游换能器104和/或下游换能器105的位置处，所述计量管段100的流道106的横截面直径存在渐变，通过渐变设计，既可以保证计量管段100的有效流通面积基本不变，又可实现流道106的圆滑过渡，从而有效减少燃气的压损。

作为一种优选的实施方式，所述计量管段100包括直管段102和设置于直管段102两端的上游过渡段101和下游过渡段103，所述上游换能器104和下游换能器105分别设置于所述上游过渡段101和下游过渡段103内，且沿上游过渡段101到下游过渡段103的方向，所述上游过渡段101内流道106的横截面面积逐渐减小，如图1、图3或图5所示，所述下游过渡段103内流道106的横截面面积逐渐增大，所述直管段102内流道106的横截面面积不变，如图3所示。利用过渡段减少压损，而利用直管段102可以准确的计算燃气的流量。而在本实施例中，为使流道106更加圆滑，所述上游过渡段101、直管段102以及下游过渡段103内流道106的横截面形状可以优先采用圆形，如图2所示。

可以理解，上游过渡段101和下游过渡段103具有多种实施方式，作为优选，所述上游过渡段101和下游过渡段103内的流道106可以为半球形结构、类似半球形结构、半椭圆球形结构、类似半椭圆球形结构、喇叭状结构或圆台形结构等，均可以达到减少压损的目的；作为一种举例，如图1、图3或图5所示，在本实施例中，所述上游过渡段101和下游过渡段103内的流道106分别采用的是半椭圆球形结构，有利于流道106横截面面积的渐变过程更圆滑。

作为一种优选，如图1所示，在本实施例中，所述计量管段100可以优先采用一体成型构件，既便于加工和成型，又有利于内部流道106更圆滑。

为便于上游换能器104和下游换能器105的安装，在进一步的方案中，沿所述上游过渡段101的圆周方向设置有若干支撑筋201，所述上游换能器104设置于所述上游过渡段101横截面的中心位置处，并固定于所述支撑筋201；和/或，沿所述下游过渡段103的圆周方向设置有若干支撑筋201，所述下游换能器105设置于所述下游过渡段103横截面的中心位置处，并固定于所述支撑筋201。采用支撑筋201固定上游换能器104和下游换能器105，不仅可以实现牢靠的固定，而且可以尽量减少压损。可以理解，支撑筋201的数目可以根据实际需求而定，为确保稳定性，支撑筋201的数目通常可以大于或等于三，作为一种举例，如图1及图2所示，沿上游过渡段101的圆周方向和下游过渡段103的圆周方向分别设置有四根支撑筋201，所述四根支撑筋201分别沿上游过渡段101的圆周方向及下游过渡段103的圆周方向均匀分布，上游换能器104和下游换能器105分别固定于支撑筋201，换能器引线可沿支撑筋引出，以便降低压损；下游换能器引线还应在下游过渡段103设密封小孔引出计量管段100外，支撑筋201既可以焊接于上游过渡段101或下游过渡段103，也可以与上游过渡段101或下游过渡段103注塑一体成型，还可以采用分体加工后通过可拆卸方式固定于上游过渡段101或下游过渡段103，作为一种举例，如图1、图2及图3所示，上游过渡段101的端部设置有法兰盘107，法兰盘107设置有若干通孔108，所述支撑筋201设置有与所述通孔108相适配的连接孔202，利用连接孔202与通孔108的配合，结合螺栓的固定，可以实现支撑筋201的可拆卸连接。可以理解，支撑筋201具有多种实施方式，例如可以采用片状结构、杆状结构等。

为便于计量管段100的安装和拆卸，在进一步的方案中，本超声波流量计还包括连接部，如图1、图3或图5所示，所述连接部包括过渡连接段301及设置于过渡连接段301一端的连接头302，所述过渡连接段301可拆卸的连接所述下游过渡段103，以便下游换能器105和/或整个计量管段100的安装、拆卸和更换，所述连接头302设置有外螺纹和/或内螺纹。利用连接头302可以方便的连接超声波流量计内的连通管404(即燃气管路)，并可以实现可拆卸连接，便于安装、调试以及后期维护，而利用过渡连接段301可拆卸的连接下游过渡段103，使得下游换能器105可以被设置于下游过渡段103与过渡连接段301所围成的空间中，如图3及图5所示，既有利于准确的测量流量，又有利于降低压损。

为降低压损，在进一步的方案中，沿燃气的流动方向，所述过渡连接段301内流道106的横截面面积逐渐减少。以便与下游过渡段103及下游的燃气管路相适配，使得燃气可以圆滑、顺利的通过计量管段100并进入后续的燃气管路中，从而有利于减少压损。

过渡连接段301具有多种实施方式，作为优选，所述过渡连接段301可以与所述下游过渡段103和/或上游过渡段101的结构相同，即所述过渡连接段301可以采用半球形结构、类似半球形结构、半椭圆球形结构、类似半椭圆球形结构、喇叭状结构或圆台形结构等。

在进一步的方案中，为便于过渡连接段301与下游过渡段103的连接，所述下游过渡段103设置有用于连接过渡连接段301的第一配合部，所述过渡连接段301设置有与所述第一配合部相适配的第二配合部，通过第一配合部与第二配合部的配合可以实现过渡连接段301与下游过渡段103的可拆卸连接。所述第一配合部和第二配合部具有多种实施方式，作为一种举例，所述第一配合部和第二配合部分别为设置于下游过渡段103和过渡连接段301端部的法兰盘107，如图3及图5所示，通过法兰盘107可以方便的实现所述可拆卸连接，便于过渡连接段301与下游过渡段103的连接和拆卸；作为另一种举例，所述第一配合部和第二配合部可以分别为设置于下游过渡段103和过渡连接段301的台阶槽109，如图4所示，通过两个台阶槽109可以实现下游过渡段103与过渡连接段301的紧配合，从而实现下游过渡段103和过渡连接段301的连接；进一步的，在进行装配时，所述台阶槽109的两个接触面之间可以设置胶黏剂，不仅有利于连接更牢靠，而且可以增强密封性。

为提高连接处的密封效果，在进行装配时，所述连接头302处还可以设置密封部件，密封部件具有多种实施方式，作为一种优选，所述连接头302的外侧面还设置有环状密封槽303，所述环状密封槽303内设置有环状密封圈304，如图3及图5所示，环状密封圈304可以采用现有技术中常用的橡胶圈，用于实现密封，以便在螺纹连接的基础上实现更好的密封效果。

如图5所示，在更完善的方案中，本实施例所提供的超声波流量计还包括具有封闭内部空腔403的壳体400及连通管404，如图5所示，其中，所述壳体400设置有进气口401和出气口402，所述进气口401与所述内部空腔403相连通，所述控制模块、计量管段100及所述连通管404分别设置于所述内部空腔403中，所述计量管段100的一端与所述连通管404的一端相连通，所述连通管404的另一端与所述出气口402相连通(例如可以通过螺纹连接实现连通，且可以利用密封圈405进行密封，如图5所示)；从进气口401进入壳体400内部空腔403中的燃气可以充满整个内部空腔403，并依次经由上游过渡段101、直管段102、下游过渡段103以及过渡连接段301进入连通管404中，最终经由出气口402离开壳体400，并在这个过程中实现对燃气流量的计量工作。

如图5所示，在进一步的方案中，本超声波流量计还包括控制阀406(或称为切断阀)，所述控制阀406设置于所述内部空腔403中，并与所述进气口401相连通(例如可以通过螺纹连接实现连通，且可以利用密封圈405进行密封，如图5所示)，所述控制阀406与所述控制模块相连，用于在控制模块的控制下控制进气口401的通/断，从而可以与有效控制整个超声波流量计中燃气的通/断，以便可以在欠费、断电等情况时切断燃气的流通。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。