一种燃气超声波质量流量计的制作方法

1.本实用新型隶属于流体流量测量的技术领域，具体涉及一种燃气超声波质量流量计。


背景技术：

2.燃气管网是由多条管道相连接的管路网络，管网中各分支管道入口称为管网的分支节点，管网有一个或数个管网源头节点、有多个管网分支节点、有很多个终端出口节点，燃气管网实现着把燃气从管网源头输送到管网各终端出口。
3.对燃气管网运行的技术管理和贸易管理而言，不仅需要掌握终端用户的供应量，还需掌握燃气管网中各个支线、各个子线的输运量，这样才能获知燃气管网的运行状况。
4.目前，在燃气管网上，能提供管道流体参数如流量、压力和温度的测量设备是流量计，但流量计通常安装在终端用户处，其作用是对终端用户使用量进行贸易结算。终端用户的数量相对燃气管网的节点而言占比有限，对于一个庞大的燃气管网，特别是燃气管网铺设在路面以下情况，要想获知燃气管网内燃气流量、压力和温度参数的分布，极其困难。
5.为了提高燃气管网的技术管理水平，应实施燃气管网量平衡、以及燃气管网量平衡监测监控系统。燃气管网量平衡就是管网中各节点间流体质量流量的平衡。燃气管网量平衡不仅可获知管网中各个支线、各个子线、各管段的燃气流量，揭示燃气管网中燃气的泄露与损耗，以保证对终端用户的供给，还可以揭示燃气管网的结构性能，如燃气管网的压损性能、流体输运的能量损耗性能、燃气管网的保温性能等，这为燃气管网的维护、技术改造、防止资源的浪费、促进科学利用燃气资源提供重要的技术保证。当今，在步入物联网大数据及人工智能与工业自控时代，已为燃气管网平衡提供了物联网通信技术，若在燃气管网中加入监测单元与控制单元的分布，就构成了对现代燃气管网技术升级的燃气管网量平衡监测监控系统，它不仅可获知燃气管网量平衡，还可对燃气管网中阀门进行远程数据跟踪和精准调节与控制。
6.燃气管网量平衡监测监控系统的实现，是以燃气管网量平衡的流体流量测量为基础的。对于燃气管网而言，应在燃气管网各节点设置流量测量表。由于燃气管网入口节点即燃气管网源头已装设有流量测量表，在管网末端即终端用户也已装设有流量测量表，如燃气表，那么只要在燃气管网中各个支线入口节点、各个子线入口节点装设流量测量表，就可实现燃气管网量平衡的监测。由于燃气管网中各个支线、各个子线的入口节点，都设置有阀门，在该阀门处再加装流量测量表，就可完成燃气管网量平衡的监测和监控，以保证对终端用户的供给量。
7.燃气或天然气是由多种成分组成的混合气体，受燃气或天然气资源所限，燃气或天然气中的组份和各组份的比例不是固定不变的，而是变化的。燃气管网量平衡的流体流量测量，所采用的流量测量表是质量流量测量表即质量流量计，而不是体积流量计，质量流量计对通过燃气管网节点的质量流量以及压力和温度进行测量。对燃气管网而言，因为燃气的质量流量是守恒的，燃气的体积流量是不守恒的，燃气的质量流量不仅与燃气的体积
流量相关，而且还与燃气的压力、温度和组份相关，所以，燃气管网量平衡的燃气流量测量必须采用质量流量计进行测量。现有技术的流量测量表即流量计，绝大多数都是体积流量计，如：孔板流量计、喷管流量计、内锥流量计、均速管流量计、弯管流量计、叶轮流量计、浮子流量计、转子流量计、椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、靶式流量计、涡轮流量计、涡街流量计、旋进旋涡流量计、射流流量计、超声波流量计、电磁流量计等，上述这些流量计都是体积流量计，现有技术能直接测量流体质量流量的流量计有热式流量计、科里奥利流量计。然而，热式流量计在测量时，需事先在热式流量计中设定待测流体的组份和各组份的比例，由于燃气或天然气管网中的燃气或天然气，受燃气或天然气资源所限，燃气或天然气中的组份和各组份的比例不是固定不变的，而是变化的，所以当待测燃气或天然气的组份和各组份的比例发生变化时，热式流量计就无法测量待测燃气或天然气的质量流量，或者说热式流量计此时测量的质量流量其测量误差很大，另外，热式流量计在实施测量时，其功耗较大，这是热式流量计的特点，由此可见，热式流量计不能作为实现燃气或天然气管网量平衡测量可用的质量流量计。科里奥利流量计基于其测量原理，不能测量高温混合气体以及组份变化的气体质量流量，由于受燃气或天然气资源所限，燃气或天然气中的组份和各组份的比例不是固定不变的，而是变化的，所以科里奥利流量计也不能作为实现燃气或天然气管网量平衡测量可用的质量流量计，另外，小管径和大管径的科里奥利流量计极少制造，特别是科里奥利流量计的制造或购置费用高昂，目前为止，市场上基本为国外品牌，国产化率不高，由此可见，科里奥利流量计也不适宜作为燃气或天然气管网量平衡测量可用的质量流量计。
8.综上分析可见，要实现燃气管网的量平衡、要实施燃气管网量平衡监测监控系统，须在燃气管网各节点设置质量流量计，而现有技术的质量流量计还不能用于燃气管网的量平衡，所以，为了向燃气管网量平衡监测监控系统的实现提供技术手段，填补国内外燃气或天然气管网输运技术上、难于测量组份未知或组份变化的燃气或天然气质量流量的空白与缺陷，研究和发明适用于燃气或天然气管网量平衡的质量流量计是很有必要的，这也是本技术要解决的问题。


技术实现要素：

9.实现燃气或天然气管网的量平衡、以及实施燃气或天然气管网量平衡的监测监控系统，须在燃气或天然气管网各节点设置质量流量计，而现有技术的质量流量计不适宜用于燃气或天然气管网的量平衡测量，为了向燃气或天然气管网量平衡监测监控系统的实现提供技术手段，填补国内外燃气或天然气管网输运技术上、难于测量组份未知或组份变化的燃气或天然气质量流量的空白与缺陷，本实用新型旨在发明适用于燃气管网量平衡测量的质量流量计，为此，提出了一种燃气超声波质量流量计。
10.本实用新型的技术方案为：由于管道内流动的燃气，其质量流量为管道内燃气的流速乘以管道流通面积、然后再乘以管道内燃气的动态密度，而管道内燃气的流速乘以管道流通面积等于管道内燃气的体积流量，所以测量管道内燃气的体积流量和管道内燃气动态密度是测量管道内燃气质量流量的一种途径。从现有技术的各类气体流量计中，以能够测量组份变化的气体体积流量、测量的量程比很宽、体积流量的测量精度高、对测量管路的流体阻流小为优选原则，优选出一种适宜的体积流量计及测量方案，再从现有技术各种气
体密度计中，以能够测量组份变化的气体动态密度、测量的量程比宽、气体动态密度的测量精度高、对测量管路的流体阻流小为优选原则，优选出一种适宜管道气体流动的气体动态密度计及测量方案，将优选出的气体流量计测量方案与气体动态密度计测量方案有机结合起来，作为燃气质量流量计的测量方案，通过气体体积流量、测量管路流道的流通面积、气体动态密度的有机融合，形成一种燃气质量流量计的组成结构。基于该组成结构，通过优选出的超声波流量计以及差压型气体动态密度计为基础结构，构建出一种新型的燃气超声波质量流量计及其流量计结构。
11.本实用新型包括包括测量管法兰、入口换能器信号线、入口换能器护管、入口换能器安装孔、入口换能器、测量管、积算电路盒、积算电路板、积算cpu处理器、积算电路盒固定座、密度计安装孔、密度计信号线、密度计支撑管、密度计壳体、密度计动压孔、密度计传感器、密度计静压孔、出口换能器安装孔、出口换能器信号线、出口换能器护管、出口换能器、密度计静压腔、密度计动压腔，其中：
12.两个测量管法兰分别固定于测量管的两端，测量管为直通管，且通过测量管法兰与外部待测流量的燃气管道连接；由入口换能器、入口换能器信号线、出口换能器、出口换能器信号线、积算电路板、积算cpu处理器组成对测量管内燃气体积流量的测量单元；由密度计传感器、密度计信号线、积算电路板、积算cpu处理器组成对测量管内燃气动态密度的测量单元；将燃气体积流量的测量单元与燃气动态密度的测量单元集成为一体，积算cpu处理器通过对入口换能器、出口换能器、密度计传感器的测控，得出流经测量管的燃气质量流量。
13.所述入口换能器和出口换能器均为圆形状陶瓷薄板，用作发射或接收超声波信号的振子。
14.所述入口换能器护管为装配入口换能器的直管，入口换能器封装于入口换能器护管内的首端、并与入口换能器护管内的尾部密封，入口换能器通过其上的入口换能器信号线与积算电路盒内的积算电路板连接；所述入口换能器安装孔位于测量管入口端的顶部壁面、且为向测量管出口端倾斜的直道孔；所述入口换能器护管固定于入口换能器安装孔内，并且入口换能器护管的首端恰刚深入到测量管之内、入口换能器护管的尾端位于测量管的外壁面之外。
15.所述出口换能器护管为装配出口换能器的直管，出口换能器封装于出口换能器护管内的首端、并与出口换能器护管内的尾部密封，出口换能器通过其上的出口换能器信号线与积算电路盒内的积算电路板连接；所述出口换能器安装孔位于测量管出口端底部壁面、且为向测量管入口端倾斜的直道孔；所述出口换能器护管固定于出口换能器安装孔内，并且出口换能器护管的首端恰刚深入到测量管之内、出口换能器护管的尾端位于测量管的外壁面之外；所述入口换能器与出口换能器组成一对对射的换能器，并且入口换能器的圆板面中心与出口换能器的圆板面中心之间的连线，在测量管内与测量管气流水平流向之间构成锐角。
16.所述密度计安装孔位于测量管入口端为始端的中后部顶部壁面上、且为直道通孔、与测量管内气流水平流向垂直；所述密度计支撑管为一直管，穿过密度计安装孔并与其固定，密度计支撑管的尾端位于测量管外壁面之外，密度计支撑管的首端位于测量管内、且与密度计壳体固定连接。
17.所述密度计壳体为一流线型壳体，该壳体沿着测量管内气流流向依次布置有密度计动压孔、密度计动压腔、密度计传感器、密度计静压腔，在密度计壳体的中后部两侧面均布置有与测量管内气流流向相垂直的密度计静压孔；密度计动压孔与密度计动压腔相联通，密度计动压腔与密度计传感器的动压感应面相联通，密度计静压孔与密度计静压腔相联通，密度计静压腔与密度计传感器的静压感应面相联通，密度计动压腔与密度计静压腔之间相隔离；密度计传感器上的密度计信号线穿过密度计壳体上的线道、密度计支撑管与积算电路盒内的积算电路板连接。
18.所述密度计支撑管为扁圆管，其长径方向与测量管内气流流向一致。
19.所述密度计壳体，其横截面两侧外边缘线与中心线相对称，横截面外边缘线由前、中、后三段线组成，即为密度计壳体横截面前部边线、密度计壳体横截面中部边线、密度计壳体横截面后部边线，两条密度计壳体横截面前部边线形成如喇叭形由窄到宽的渐扩线，两条密度计壳体横截面中部边线形成等宽度线，两个密度计壳体横截面后部边线形成由宽到窄的渐缩线，且至相交为止。
20.所述测量管内，密度计支撑管及与其连接的密度计壳体，不深入到测量管6的中心。
21.所述的密度计传感器为长圆柱形的差压传感器，该差压传感器的两个圆形端面，一端面为测量气流动压的动压感应面，另一端面为测量气流静压的静压感应面。
22.所述积算电路盒通过积算电路盒固定座固定于测量管的外壁面上，在积算电路盒内装配有积算电路板、积算cpu处理器、超声波处理芯片、无线数据发送芯片、显示屏、电池和电源开关。
23.所述测量管，当其内流通着待测流量的燃气，对于燃气的这三种情况，即已知各组份的燃气、或者未知各组份的燃气、或者组份时常变化的燃气，积算电路盒内的积算cpu处理器都能测算出燃气的质量流量；所述积算cpu处理器依据：入口换能器的圆板面中心与出口换能器的圆板面中心之间的连线长度l（m）、该连线与测量管内气流水平流向之间的锐角、测量管的内半径r（m）、所测得的测量管内入口换能器发出的超声波被出口换能器接收到的时间间隔（s）、所测得的出口换能器发出的超声波被入口换能器接收到的时间间隔（s）、所测得的密度计传感器涉及的密度计动压腔与密度计静压腔之间的压力差（pa）,就得到了流经测量管内的燃气质量流量g（kg/s）为
[0024][0025]
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，表现为：
[0026]
第一，本实用新型是一款新型的质量流量计，是对现有技术的一种突破，不仅能测量已知各组份的燃气质量流量，还能测量未知各组份的燃气质量流量、以及组份时常变化的燃气质量流量，为燃气管网的量平衡实现、为燃气管网量平衡的监测监控系统的实施提供了技术支持，填补国内外燃气或天然气管网输运技术上、难于测量组份未知或组份变化的燃气质量流量的空白与缺陷。
[0027]
第二，本实用新型基于所提出的将气体体积流量、气体动态密度有机融合来测量燃气质量流量的技术方案，通过优化，成功获得了优选的气体体积流量测量和气体动态密度测量相融合的技术方案，并基于该方案，创造性地构建了完整结构的一款新颖、可实用的燃气质量流量计。
[0028]
第三，本实用新型以能够测量组份变化的气体体积流量、测量的量程比很宽、体积流量的测量精度高、对测量管路的流体阻流小为优选原则，获得了优化的体积流量计及测量方案，再以能够测量组份变化的气体动态密度、测量的量程比宽、气体动态密度的测量精度高、对测量管路的流体阻流小为优选原则，获得了优化的气体动态密度计及测量方案，然后将优化的气体流量计测量方案与气体动态密度计测量方案有机融合，由此构建出了本实用新型的燃气质量流量计，与现有技术相比，具有测量的量程比更宽的特性。
[0029]
第四，本实用新型与现有技术的气体质量流量计相比，具有测量管的流道通畅光顺，流动阻力小，结构精简的特点，不受测量管管径的限制，易加工出从小管径dn20至大管径dn3000的燃气质量流量计。
附图说明
[0030]
图1 是一种燃气超声波质量流量计的结构示意图；
[0031]
图2 是密度计壳体的横截面结构示意图；
[0032]
图中：
[0033]
1. 测量管法兰；2.入口换能器信号线；3.入口换能器护管；4.入口换能器安装孔；5.入口换能器；6.测量管；7.积算电路盒；8.积算电路板；9.积算cpu处理器；10.积算电路盒固定座；11.密度计安装孔；12.密度计信号线；13.密度计支撑管；14.密度计壳体；15.密度计动压孔；16.密度计传感器；17.密度计静压孔；18.出口换能器安装孔；19.出口换能器信号线；20.出口换能器护管；21.出口换能器；22.密度计壳体横截面前部边线；23.密度计壳体横截面中部边线；24.密度计壳体横截面后部边线；25.密度计静压腔；26.密度计动压腔。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图1和附图2对本实用新型的实施做进一步详细说明。
[0035]
实施例一：
[0036]
本实施例是管径为dn200的燃气超声波质量流量计。
[0037]
如图1和图2所示，本实施例包括测量管法兰1、入口换能器信号线2、入口换能器护管3、入口换能器安装孔4、入口换能器5、测量管6、积算电路盒7、积算电路板8、积算cpu处理器9、积算电路盒固定座10、密度计安装孔11、密度计信号线12、密度计支撑管13、密度计壳体14、密度计动压孔15、密度计传感器16、密度计静压孔17、出口换能器安装孔18、出口换能器信号线19、出口换能器护管20、出口换能器21、密度计静压腔25、密度计动压腔26，其中：
[0038]
两个测量管法兰1分别固定于测量管6的两端，测量管6为直通管，且通过测量管法兰1与外部待测流量的燃气管道连接；由入口换能器5、入口换能器信号线2、出口换能器21、出口换能器信号线19、积算电路板8、积算cpu处理器9组成对测量管6内燃气体积流量的测量单元；由密度计传感器16、密度计信号线12、积算电路板8、积算cpu处理器9组成对测量管6内燃气动态密度的测量单元；将燃气体积流量的测量单元与燃气动态密度的测量单元集
成为一体，积算cpu处理器9通过对入口换能器5、出口换能器21、密度计传感器16的测控，得出流经测量管6的燃气质量流量。
[0039]
所述入口换能器5和出口换能器21均为圆形状陶瓷薄板，用作发射或接收超声波信号的振子。
[0040]
所述入口换能器护管3为装配入口换能器5的直管，入口换能器5封装于入口换能器护管3内的首端、并与入口换能器护管3内的尾部密封，入口换能器5通过其上的入口换能器信号线2与积算电路盒7内的积算电路板8连接；所述入口换能器安装孔4位于测量管6入口端的顶部壁面、且为向测量管6出口端倾斜的直道孔；所述入口换能器护管3固定于入口换能器安装孔4内，并且入口换能器护管3的首端恰刚深入到测量管6之内、入口换能器护管3的尾端位于测量管6的外壁面之外。
[0041]
所述出口换能器护管20为装配出口换能器21的直管，出口换能器21封装于出口换能器护管20内的首端、并与出口换能器护管20内的尾部密封，出口换能器21通过其上的出口换能器信号线19与积算电路盒7内的积算电路板8连接；所述出口换能器安装孔18位于测量管6出口端底部壁面、且为向测量管6入口端倾斜的直道孔；所述出口换能器护管20固定于出口换能器安装孔18内，并且出口换能器护管20的首端恰刚深入到测量管6之内、出口换能器护管20的尾端位于测量管6的外壁面之外；所述入口换能器5与出口换能器21组成一对对射的换能器，并且入口换能器5的圆板面中心与出口换能器21的圆板面中心之间的连线，在测量管6内与测量管6气流水平流向之间构成锐角。
[0042]
所述密度计安装孔11位于测量管6入口端为始端的中后部顶部壁面上、且为直道通孔、与测量管6内气流水平流向垂直；所述密度计支撑管13为一直管，穿过密度计安装孔11并与其固定，密度计支撑管13的尾端位于测量管6外壁面之外，密度计支撑管13的首端位于测量管6内、且与密度计壳体14固定连接。
[0043]
所述密度计壳体14为一流线型壳体，该壳体沿着测量管6内气流流向依次布置有密度计动压孔15、密度计动压腔26、密度计传感器16、密度计静压腔25，在密度计壳体14的中后部两侧面均布置有与测量管6内气流流向相垂直的密度计静压孔17；密度计动压孔15与密度计动压腔26相联通，密度计动压腔26与密度计传感器16的动压感应面相联通，密度计静压孔17与密度计静压腔25相联通，密度计静压腔25与密度计传感器16的静压感应面相联通，密度计动压腔26与密度计静压腔25之间相隔离；密度计传感器16上的密度计信号线12穿过密度计壳体14上的线道、密度计支撑管13与积算电路盒7内的积算电路板8连接。
[0044]
所述密度计支撑管13为扁圆管，其长径方向与测量管6内气流流向一致。
[0045]
所述密度计壳体14，其横截面两侧外边缘线与中心线相对称，横截面外边缘线由前、中、后三段线组成，即为密度计壳体横截面前部边线22、密度计壳体横截面中部边线23、密度计壳体横截面后部边线24，两条密度计壳体横截面前部边线22形成如喇叭形由窄到宽的渐扩线，两条密度计壳体横截面中部边线23形成等宽度线，两个密度计壳体横截面后部边线24形成由宽到窄的渐缩线，且至相交为止。
[0046]
所述测量管6内，密度计支撑管13及与其连接的密度计壳体14，不深入到测量管6的中心。
[0047]
所述的密度计传感器16为长圆柱形的差压传感器，该差压传感器的两个圆形端面，一端面为测量气流动压的动压感应面，另一端面为测量气流静压的静压感应面。
[0048]
所述积算电路盒7通过积算电路盒固定座10固定于测量管6的外壁面上，在积算电路盒7内装配有积算电路板8、积算cpu处理器9、超声波处理芯片、无线数据发送芯片、显示屏、电池和电源开关。
[0049]
所述测量管6，当其内流通着待测流量的燃气，对于燃气的这三种情况，即已知各组份的燃气、或者未知各组份的燃气、或者组份时常变化的燃气，积算电路盒7内的积算cpu处理器9都能测算出燃气的质量流量；所述积算cpu处理器9依据：入口换能器5的圆板面中心与出口换能器21的圆板面中心之间的连线长度l（m）、该连线与测量管6内气流水平流向之间的锐角、测量管6的内半径r（m）、所测得的测量管6内入口换能器5发出的超声波被出口换能器21接收到的时间间隔（s）、所测得的出口换能器21发出的超声波被入口换能器5接收到的时间间隔（s）、所测得的密度计传感器16涉及的密度计动压腔26与密度计静压腔25之间的压力差（pa）,就得到了流经测量管6的燃气质量流量g（kg/s）为
[0050][0051]
本实施例是这样工作的：
[0052]
将本实例的前后两个测量管法兰1与外部待测流量的燃气管道上的法兰连接起来，然后打开积算电路盒7内的电源开关，本实施例的dn200管径的燃气超声波质量流量计就会自动工作，在积算电路盒7内的显示屏上显示流经测量管6的燃气质量流量。
[0053]
通过以上实施例对本实用新型进行了实施应用说明，但本实用新型不限于上述具体实施例，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。