一种超声波燃气表或流量计反射面的设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种超声波燃气表或流量计反射面的设计方法，利用光源从椭圆的一焦点发出后，经内曲面反射必汇聚于另一焦点的特性，将反射面设计为椭圆面，避免了因相位差导致接收信号减弱较大的问题，能够将其中一个换能器发出的超声波经反射面反射后能够汇聚于另一个换能器，提高了反射效率。
【专利说明】
-种超声波燃气表或流量计反射面的设计方法
技术领域
[0001] 本发明设及超声波燃气表的附属部件，具体设及一种超声波燃气表或流量计反射 面的设计方法。
【背景技术】
[0002] 超声波燃气表和流量计通常设有流道，流道内表面设有若干用于反射超声波的反 射面，每个反射区域均设有一个反射面。流道内还设有两个换能器，超声波经过其中一个换 能器发出，经运些反射面反射后，被另一个换能器接收，通过改变反射面的设置数量，可使 得超声波的声程为"V"型、"N"型、型等。
[0003] 理想的超声波发射装置发射出的超声波脉冲为汇聚的直线，但是，由于生产技术 和工艺的限制，实际生产的超声波发射装置的超声脉冲并非直线汇聚发射，而是与YAGI天 线的波瓣类似(参见图5)。目前，反射体在设计过程中仅需使其与流道内壁齐平，此种设计 方法所得的反射面为平面，当超声波信号经过流道后反射面反射后发散更为严重(参见图 6)，导致超声波信号除了在传播过程中有能量衰减，还会因为反射体的反射产生更为严重 的发散，接收端捕获的有效能量更少，加上安装等工艺误差因素，使接收信号在源头上的信 噪比大为降低。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中所存在的不足，现提出了一种超声波燃气表或流量计反射面的设 计方法，W提高反射效率。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
[0006] -种超声波燃气表或流量计反射面的设计方法，包括W下步骤：
[0007] 1)确定流道初始宽度：
[000引设定流道为长方体流道，根据流道内流量Q、流道的厚度及流体流速V推导该流道 的初始宽度L，其中流道厚度等于超声波换能器直径D;
[0009] 2) W步骤1)中所得到的流道宽度为楠圆的短半轴，短半轴一端为原点，确定楠圆 的两焦点Fl和F2的坐标，即两个换能器的安装位置，两焦点均位于流道内壁，且两焦点的连 线与流道轴线平行，若发射角为则F1、F2的坐标分别为化.cota，〇)和(-L . CO化，0); [0010] 3)绘制楠圆，得到如下楠圆方程式：
[0011]
[0012] 4)确定反射面位置:该反射面位于流道内壁上，且与步骤3)中楠圆方程的轨迹重 畳。
[0013]聚1)中初始宽度L的推导公式如下：
[0014]
[0015] 其中，^ax为流道内最大流量，Vmzx流体最大流速。
[0016] 进一步，该发射角为a为45°。
[0017] 进一步，步骤4)中，反射面位置确定后，对初始宽度L进行修正，修正后的修正宽度 b小于初始宽度L，使得反射面为凹陷设置在流道内的楠圆面。
[0018] 进一步，所述修正宽度^由超声波全功率声程的偏移角度閒角定；即W焦点Fl为起 点，焦点Fl或F2与短半轴上远离原点的端点B之间的连线1作为起始线，向发射角a内角方向 偏移，实际偏移角度&均大于e，该连线1偏角后得到偏移线h，偏移线h和楠圆短半轴OB之 间的楠圆弧面则为半反射面，沿短半轴对称可确定最终反射面，该修正宽度为：
[0019] =
[0020] 其中，Z为沿短半轴方向上端点B与交点D之间的距离，该交点D为偏移线h与楠圆 轨迹的交点。
[0021] 进一步，所述偏移角度PW超声波理论速度矢量和最大流速矢量为初始矢量利用 =角形法则确定。
[0022] 进一步，所述单边实际偏移角度执= 20。
[0023] 相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
[0024] 本发明利用光源从楠圆的一焦点发出后，经内曲面反射必汇聚于另一焦点的特 性，将反射面设计为楠圆面，避免了因相位差导致接收信号减弱较大的问题，能够将其中一 个换能器发出的超声波经反射面反射后能够汇聚于另一个换能器，提高了反射效率。
【附图说明】
[0025] 图1为流道内轮廓截面图；
[0026] 图2为图1的左视图；
[0027] 图3为S角形矢量运算示意图；
[00%]图4为修正宽度示意图；
[0029] 图5换能器发射波瓣图；
[0030] 图的见有超声波镜面反射示意图。
【具体实施方式】
[0031 ]下面将结合附图，对本发明的实施例进行详细的描述。
[0032] 本实施例中，W现有某型号的超声气体流量计为例，实际测量其最大流量为 160m3/h，流道中对应最大流速约为22.7m/s，换能器直径为10mm，发射角为45°。
[0033] 本发明的设计方法包括W下步骤：
[0034] 1)确定流道初始宽度：
[0035] 参见图1，设定流道为长方体流道，根据流道内流量Q、流道的厚度及流体流速V推 导该流道的初始宽度L，其中流道厚度等于超声波换能器直径D，具体公式如下：
[0036]
[0037] 其中，为流道内最大流量，Vmzx为最大流速。
[0038] 具体的，将最大流量、最大流速及换能器直径带入公式(1)中，得到L>196mm。
[0039] 2)参见图2, W步骤I)中所得到的流道宽度为楠圆的短半轴，短半轴一端为原点， 确定楠圆的两焦点Fl和F2的坐标，即两个换能器的安装位置，两焦点均位于流道内壁，且两 焦点的连线与流道轴线平行，发射角为日，则F1、F2的坐标分别为化? COta,0)和(-L . CO化， 0)〇
[0040] 则本实施例中，由于发射角a为45°，F1、F2的坐标分别为化，0)和(-L，0)，即（196， 0)和(-196,0)。
[0041] 3)绘制楠圆，得到如下楠圆方程式：
[0042]
[0043] 本实施例中，参见图2,由于发射角a为45°，得到的楠圆方程式为：
[0044]
[0045] 4)确定反射面位置:该反射面位于流道内壁上，且与步骤3)中楠圆方程的轨迹重 畳。
[0046] 本发明利用光源从楠圆的一焦点发出后，经内曲面反射必汇聚于另一焦点的特 性，将反射面设计为楠圆面，将两换能器分别设置在该楠圆面对应的两个焦点处，使得其中 一个换能器发出的超声波经反射面反射后能够汇聚于另一个换能器，避免了因相位差导致 接收信号减弱较大的问题，提高了反射效率。
[0047] 作为上述方案的改进，步骤4)中，反射面位置确定后，对初始宽度L进行修正，修正 后的修正宽度b小于初始宽度L，使得反射面为凹陷设置在流道内的楠圆面，运种凹陷的楠 圆面更易加工。
[004引更为优化的，修正宽度^由超声波全功率声程的偏移角度0确定，而该偏移角度0 W超声波理论速度矢量和最大流速矢量为初始矢量利用=角形法则确定。
[0049] 确定偏移角度即寸，参见图3，绘制超声波理论速度矢量和最大流速矢量，通过=角 形法则得到实际速度矢量，通过计算或CAD软件测量，可分别得到顺流和逆流时，超声波理 论速度矢量与实际速度矢量之间的偏移夹角即为偏移角度e。
[0050] 此处，设定超声波速度为340m/s，将最大流速Vmzx = 22.7m/s，利用S角形矢量运算 得到顺流时最大功率角度偏差为2.58°，逆流时最大功率角度偏差为2.84°，取偏移角度0 = 3°。也就是说，即使可W达到无误差安装固定，在流量不同时，最大功率角度会受到流速的 影响而在3°之内改变。
[0051 ]确定修正宽度^时，W焦点Fl或F2为起点，焦点Fl或F2与短半轴上远离原点的端 点B之间的连线1作为起始线，向发射角a内角方向偏移，实际偏移角度01均大于0，此处，单 边实际偏移角度01 = 20 = 6%该连线1偏角后得到偏移线h，偏移线h和楠圆短半轴OB之间 的楠圆弧面则为半反射面，沿短半轴对称可确定最终反射面，该修正宽度为：
[0化2] ^ = L-Z
[0053] 其中，Z为沿短半轴方向上端点B与交点D之间的距离，该交点D为偏移线h与楠圆 轨迹的交点。
[0054] 具体实施时，参见图4,可在CAD软件上根据初始宽度L绘制流道平面图，并对应该 流道绘制出楠圆轨迹;然后绘制出起始线1，并根据实际偏移角度&绘制偏移线h，使得偏移 线h与楠圆轨迹相交，偏移线h和楠圆短半轴OB之间的楠圆弧面则为半反射面，沿短半轴对 称可确定最终反射面;而^可直接测出，或线测出Z后，计算得出。
[005引此处，Li = kz = 196-2.4= 193.6mm，而反射面两端点坐标为（±43.1,193.6)。
[0056] 本发明中，实际偏移角度大于0，使得换能器能够接收完整的超声波信号，流道内 可采用双向计量方法，可实现双向进气，而将实际偏移角度扩大到e的两倍，量程更大，超声 波接收更为完整，且更便于生产。
[0057] 最后说明的是，W上实施例仅用W说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可W对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种超声波燃气表或流量计反射面的设计方法，其特征在于包括W下步骤： 1) 确定流道初始宽度： 设定流道为长方体流道，根据流道内流量Q、流道的厚度及流体流速V推导该流道的初 始宽度L，其中流道厚度等于超声波换能器直径D; 2. W步骤1)中所得到的流道宽度为楠圆的短半轴，短半轴一端为原点，确定楠圆的两 焦点Fl和F2的坐标，即两个换能器的安装位置，两焦点均位于流道内壁，且两焦点的连线与 流道轴线平行，若发射角为则F1、F2的坐标分别为化? cota，〇)和(-L . CO化，0); 3) 绘制楠圆，得到如下楠圆方4) 确定反射面位置:该反射面位于流道内壁上，且与步骤3)中楠圆方程的轨迹重叠。2. 根据权利要求1所述的一种超声波燃气表反射面的设计方法，其特征在于:步骤1)中 初始宽度L的推导公式如下：其中，Qmax为流道内最大流量，Vmzx流体最大流速。3. 根据权利要求1所述的一种超声波燃气表或流量计反射面的设计方法，其特征在于： 该发射角为a为45°。4. 根据权利要求1所述的一种超声波燃气表或流量计反射面的设计方法，其特征在于： 步骤4)中，反射面位置确定后，对初始宽度L进行修正，修正后的修正宽度^小于初始宽度 ^使得反射面为凹陷设置在流道内的楠圆面。5. 根据权利要求4所述的一种超声波燃气表或流量计反射面的设计方法，其特征在于： 所述修正宽度b由超声波全功率声程的偏移角度閒角定；即W焦点Fl为起点，焦点Fl或F2与 短半轴上远离原点的端点B之间的连线1作为起始线，向发射角a内角方向偏移，实际偏移角 度&均大于0，该连线1偏角后得到偏移线h，偏移线h和楠圆短半轴OB之间的楠圆弧面则为 半反射面，沿短半轴对称可确定最终反射面，该修正宽度为： Li 二 L一 Z 其中，Z为沿短半轴方向上端点B与交点D之间的距离，该交点D为偏移线h与楠圆轨迹的 交点。6. 根据权利要求5所述的一种超声波燃气表或流量计反射面的设计方法，其特征在于： 所述偏移角度ew超声波理论速度矢量和最大流速矢量为初始矢量利用=角形法则确定。7. 根据权利要求5所述的一种超声波燃气表或流量计反射面的设计方法，其特征在于： 所述单边实际偏移角度01 = 20。
【文档编号】G01F1/66GK105987732SQ201610609468
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年7月28日
【发明人】龚伟, 罗洪伟, 黄世新, 刘中华
【申请人】重庆前卫克罗姆表业有限责任公司