一种缩径式结构超声波热量表的制作方法

一种缩径式结构超声波热量表的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种缩径式结构超声波热量表，包括基管段、测量段、渐缩段、渐扩段以及最小管径段；超声波热量表从左向右依次为基管入口，第一测量段，渐缩段，最小管径段，渐扩段，第二测量段以及基管出口；渐缩段和渐扩段的横截面为梯形形状，其中梯形的腰与基管通道的水平面呈45度角，渐缩段与渐扩段为左右对称的结构，并分别连接最小管径段，渐缩段的长度与最小管径的半径之间的比值为0.8～1。本发明的特殊的缩径式的结构有效的减小了最小管径段的直径，其能够具有增加紊流，改善流场流动特性，提高测量精度的作用。
【专利说明】 一种缩径式结构超声波热量表
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超声波热量表，特别是涉及一种具有缩径式结构的超声波热量表。
【背景技术】
[0002]目前，市场中的超声波热量表大多为直管段结构，在管段中间位置安装导流管及反射镜组件，这种结构普遍出现了压损较大，容易产生旋流和气泡的问题，大大降低了超声波热量表的计量精度。
[0003]另外，现有技术中使用的超声波热量表的反射方式主要采用V型反射和W型反射，这两种反射方式均要进行一次或多次的管道壁面反射，由于管道壁面的材料和表面粗糙度等因素的影响从而导致了在基管管道中超声波射线的方向性和强度都不是很理想。

【发明内容】

[0004]本发明的目的就是为了解决上述技术问题而提供一种测量精度高、制造成本低且安装方便的缩径式结构的超声波热量表。
[0005]本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是:
[0006]一种缩径式结构超声波热量表，包括基管段、测量段、渐缩段、渐扩段以及最小管径段；超声波热量表从左向右依次为基管入口，第一测量段，渐缩段，最小管径段，渐扩段，第二测量段以及基管出口 ；其中基管段为基管入口和基管出口，测量段包括安装第一换能器、第一反射体的第一测量段和安装第二换能器、第二反射体的第二测量段，在第二测量段还设有温度传感器安装孔；第一、第二换能器由螺栓固定在第一、第二测量段的上部台阶孔处，两个换能器上部通过一个压盖进行固定；第一反射体和第二反射体相对设置，其均包括反射面、反射基体和安装块，每个反射体均与相应的换能器的中心轴线上下对应，反射体的反射面与基管通道的水平面呈45度角；渐缩段和渐扩段的横截面为梯形形状，其中梯形的腰与基管通道的水平面呈45度角，渐缩段与渐扩段为左右对称的结构，并分别连接最小管径段，渐缩段的长度与最小管径段的半径之间的比值为0.8?I。
[0007]进一步地，所述基管入口和第一测量段之间的直径关系是渐缩的。
[0008]进一步地，所述渐缩段的长度与最小管径段的半径之间的比值为0.9。
[0009]进一步地，所述反射基体基本呈圆柱形，所述安装块呈圆锥形，安装块的圆锥上设置螺纹，并通过螺纹固定在相应的测量段的管段内。
[0010]进一步地，所述基管段直径为25mm，所述测量段直径为23mm，所述反射体的圆柱形基体的直径为10mm，所述最小管径段的直径为12mm，所述最小管径段的长度为40mm。
[0011]本发明的与现有技术相比，具有以下有益效果:
[0012](I)本发明采用的U型反射方式只需要一对不锈钢反射片，而不需要对基管内表面进行深加工，节省生产工艺时间和成本，且不容易受底部杂质的影响，测量精度得到大幅度提闻;[0013](2)特殊的缩径式的结构有效的减小了最小管径段的直径，其能够具有增加紊流，改善流场流动特性，提高测量精度的作用。
【专利附图】

【附图说明】
[0014]图1是本发明的缩径式结构超声波热量表的剖视图。
[0015]图2是过流面积大小改变后各工况下K系数随流量点的变化曲线图。
[0016]图3是反射体大小改变后各工况下K系数随流量点的变化曲线。
[0017]图4是反射路径长度改变后各工况下K系数随流量点的变化曲线图。
[0018]图中各部件名称如下:
[0019]1-基管入口，2-第一换能器，3-螺栓，4-压盖，5-第二换能器，6_密封圈，7_基管出口，8-温度传感器安装孔，9-第二测量段，10-第二反射体，11-渐扩段，12-最小管径段，13-渐缩段，14-第一反射体，15-第一测量段
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明进行详细描述。
[0021]首先参照图1，本发明的缩径式结构超声波热量表包括基管段、测量段、渐缩段、渐扩段以及最小管径段。超声波热量表管道从左向右依次为基管入口 1，第一测量段15，渐缩段13，最小管径段12，渐扩段11，第二测量段9以及基管出口 7。其中基管段为基管入口 I和基管出口 7，测量段包括安装第一换能器2、第一反射体14的第一测量段15和安装第二换能器5、第二反射体10的第二测量段9，其中在第二测量段9还设有温度传感器安装孔8。第一换能器2由螺栓3固定在第一测量段15的上部台阶孔处，相应的，第二换能器同样由螺栓固定在第二测量段9的上部台阶孔处，两个换能器上部通过一个压盖4进行固定。反射体为两个，分别为相对设置的第一反射体14和第二反射体10，其中每个反射体均包括反射面、反射基体和安装块，其中反射基体基本呈圆柱形，安装块呈圆锥形，上面设置螺纹，并通过螺纹固定在相应的测量段的管段内。每个反射体均与相应的换能器的中心轴线上下对应，反射体的反射面与基管通道的水平面呈45度角。
[0022]渐缩段13和渐扩段11的横截面为梯形形状，其中梯形的腰与基管通道的水平面也呈45度角，渐缩段13与渐扩段11为左右对称的结构，并分别连接最小管径段12。而为了进一步起到增加流动的紊流度的作用，基管入口和第一测量段之间的直径关系也是渐缩的，相对称的，第二测量段与基管出口则是渐扩的关系。图1中的基管段为直径为25mm的标准DN25管，能够与现有的大部分供热管段相连接。
[0023]本发明的缩径式结构超声波热量表的工作过程如下:设置在第一测量段的第一换能器发出信号经第一反射体反射，经过渐缩段、最小管径段、渐扩段到达第二测量段的第二反射体，经过第二反射体的二次反射，将信号传递到第二换能器，通过这样一种U型反射的方式，实现信号的采集，同时通过配对的温度传感器测量温差的变化，经过时差法的测量公式，计算得到相应的流量和热量。测量的流量和热量的具体结果可以通过集成的计算装置得到实现。
[0024]其中上述反射片采用不锈钢制成以用来接收和反射超声波信号，U型反射只需要一对不锈钢反射片，而不需要对基管内表面进行深加工，节省生产工艺时间和成本，且不容易受底部杂质的影响，测量精度得到大幅度提高。为了进一步提高测量精度，本发明的温度传感器采用Ptiooo高精度钼电阻。
[0025]在图1描述的仅仅是本发明的一般结构，其中基管入口、出口尺寸为25mm，第一、第二测量段直径为23mm，最小管径段直径为14mm，长度为28mm，反射体直径为14mm。
[0026]对于本发明的超声波热量表的性能的改进需要对结构的具体尺寸参数作出相应的调整，而本发明的设计的是一种时差式超声波热量表，由测量原理可以知道其测出的是超声波传播路径上流体的平均流速，而非测量流量所需要的管道横截面上的平均流速，因而在计算流量时要引进K系数进行修正。K系数定义式为:K = ν/μ
[0027]式中V为超声波传播路径上的流体平均流速，μ则是指管道横截面上的流体平均流速，K系数即二者速度之比。由流体力学理论知道，粘性流体在圆管内流动时，层流时(Re< 2000)管内速度分布为抛物线规律，圆管中心轴线上的速度最大；紊流时(Re > 2000)管内速度分布趋于均匀，速度梯度较小，圆管中心线上的速度较层流时小，在管径不变的情况下更趋近于面平均速度。由上面的分析知，层流时K系数值大于紊流时，而由于紊流时速度分布趋于一致，K系数随着流量值的增大应该变化不大，趋于一条直线。因此，在本发明中以仪表系数K作为评判基管结构优劣的标准。
[0028]图2是过流面积大小改变后各工况下K系数随流量点的变化曲线图，其中过流面积的改变时通过改变最小管径段的直径即最小管径而实现的，图2中横坐标为流量点，纵坐标为K系数值。从图2可以看出，最小管径为14_时，K系数随着流量点的变化逐步减小，从流量点为0.25的0.94变为流量点为2.5的0.87，减小量为0.07，变化率大于7% ；而最小管径变为13_时，K系数同样的流量点变化量为0.045，变化率接近于5%，相对于14mm管径时降低了 2%多；而当管径进一步变化为12mm时，K系数同样的流量点变化量为
0.04，变化率进一步降低。这说明随着最小管径的减小，基管机构趋于合理，仪表性能越来越好。这是因为管径减小后，管内流体速度增大，Re增加，紊流性增强，即流体在管内速度分布趋于均匀，则在面平均速度相同的情况下，K系数也同时会渐渐趋于一致。基于以上分析，减小最小管径值能有效改善流场流动特性，但当最小管径进一步降低时，当流动介质中含有一定杂质时会影响流体流动，进而影响测量准确度，因此相比较12_为最优的管径选取值。
[0029]反射体在流体流动过程中起到一个扰流的作用，接下来分析反射体大小对热量表性能的影响。原基管反射体直径为14mm，现不改变基管其他尺寸参数，将基管最小管径确定为最优的12mm,最小管径的长度为28mm,把反射体直径大小分别变为IOmm和9mm,进行试验。
[0030]反射体大小改变后各工况下K系数随流量点的变化曲线如图3所示。
[0031]图3中横坐标为流量点，纵坐标为K系数值。从图3可以看出，反射体直径为14mm时，K系数随着流量点的变化逐步减小，从流量点为0.25的0.97变为流量点为2.5的0.93，减小量为0.04，变化率接近于5% ;当反射体直径变为IOmm时，K系数同样的流量点变化量为0.03，变化率不到4% ;而反射体直径为IOmm时和9mm时，K系数的变化曲线几近相似，变化量基本相等。这是因为在流体管道内反射体本身就是一个扰流原件，当反射体直径减小时，其迎流面积减小，则对流场的扰流作用也相对减小，这样流体绕流反射体后流入反射通道内更加平稳，反射通道内流场更加稳定。但是同时由于反射体直径减小，经反射体流入反射管道的流体速度减小，流体在反射体后的紊流度有所降低，这在一定程度上也会对反射通道内的流场起到消极的作用。综合两方面的影响，当反射体直径由14_变为10_，流场特性有所改善，而当反射体直径由IOmm变为9mm时，流场特性基本不再产生变化。另外，由于反射体的作用是接受发射换能器发出的超声波并反射给接受换能器，因此当反射体直径偏小时，可能会因为接受面积偏小而影响信号的接收。综合几方面的考虑，优化后的方案可以采用IOmm的反射体直径。
[0032]反射路径长度即最小管径长度，不仅会影响流体流速变化，还会因为直管段长度影响流体流动特性。原基管最小管径处长28mm，现将其改为40mm，来进一步分析当长度改变后对热量表性能的影响。热量表基管的具体参数为:反射体的基体直径为最优的10mm，最小管径为最优的12mm,基管最小管径长度分别为28mm和40mm。反射路径长度改变后各工况下K系数随流量点的变化曲线如图4所示。
[0033]图4中横坐标为流量点，纵坐标为K系数值。从图4可以看出，最小管径长度为28mm时，K系数随着流量点的变化逐步减小，从流量点为0.25的0.84变为流量点为2.5的
0.82，减小量为0.03，变化率接近于4% ;而当最小管径长度变为40mm时，虽然K系数在同样的流量点变化量也接近于0.03，但流量点0.75以后K系数基本上没有变化，接近于一条平行于X轴的直线，也就是说，此时的K系数变化曲线已接近于理想情况下的变化曲线。这是因为一方面最小管径长度的增加，延长了大Re的区域，即意味着几乎整个反射通道内Re都大大增加，流体紊流度都显著增强，流体在整个反射通道内的分布都趋于均匀。另一方面，最小管径长度的增加，无形中延长了前反射体的后直管段长度和后反射体的前直管段长度，这样就能在一定程度上降低前后反射体扰流作用对反射通道内流场的影响，进一步增强流场性能。综合以上分析，延长最小管径长度能有效地改善反射通道内流场特性，但由于管道长度的限制，进一步增加最小管径长度不太现实，40mm可以作为优化方案的最小管径长度选择。
[0034]因此，结合以上对结构的改进，经过简单的几何计算，本发明的渐缩段的长度与最小管径段的半径之间的比值为0.8?1，优选的比值为0.9。
[0035]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种缩径式结构超声波热量表，包括基管段、测量段、渐缩段、渐扩段以及最小管径段；超声波热量表从左向右依次为基管入口，第一测量段，渐缩段，最小管径段，渐扩段，第二测量段以及基管出口 ；其中基管段为基管入口和基管出口，测量段包括安装第一换能器、第一反射体的第一测量段和安装第二换能器、第二反射体的第二测量段，在第二测量段还设有温度传感器安装孔；第一、第二换能器由螺栓固定在第一、第二测量段的上部台阶孔处，两个换能器上部通过一个压盖进行固定；第一反射体和第二反射体相对设置，其均包括反射面、反射基体和安装块，每个反射体均与相应的换能器的中心轴线上下对应，反射体的反射面与基管通道的水平面呈45度角；其特征在于，渐缩段和渐扩段的横截面为梯形形状，其中梯形的腰与基管通道的水平面呈45度角，渐缩段与渐扩段为左右对称的结构，并分别连接最小管径段，渐缩段的长度与最小管径段的半径之间的比值为0.8?I。
2.根据权利要求1所述的超声波热量表，其特征在于，所述基管入口和第一测量段之间的直径关系是渐缩的。
3.根据权利要求1或2所述的超声波热量表，其特征在于，所述渐缩段的长度与最小管径段的半径之间的比值为0.9。
4.根据权利要求3所述的超声波热量表，其特征在于，所述反射基体基本呈圆柱形，所述安装块呈圆锥形，安装块的圆锥上设置螺纹，并通过螺纹固定在相应的测量段的管段内。
5.根据权利要求4所述的超声波热量表，其特征在于，所述基管段直径为25mm，所述测量段直径为23mm，所述反射体的圆柱形基体的直径为10mm，所述最小管径段的直径为12mm,所述最小管径段的长度为40mm。
【文档编号】G01K17/10GK103630271SQ201210310074
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年8月23日 优先权日:2012年8月23日
【发明者】郑文虎 申请人:郑文虎