[发明专利]一种立柱式换能器分层布局的多声道大口径超声波水表

说明书

本发明隶属流量计量设备技术领域，具体为一种立柱式换能器分层布局的多声道大口径超声波水表，旨在解决现有大口径超声波立柱式换能器安装结构的水表因换能器安装柱粗、安装位置不妥等因素，导致水表流道内壁有较大损伤，产生紊流导致水表小流量精度低，致使水表计量量程降低，以及与超声波水表技术导则之间存在的差距。本发明采取换能器安装柱非流道的定位布局、换能器与换能器安装柱间的优化安全密封方式；等径结构的换能器与换能器安装柱的优化适配；立柱式换能器分层布局的多声道结构；根据理论，调整对射换能器在管壁上所开的声道尺寸；以焊接方式形成流量计管体代替铸造方式；使本发明的水表计量精度和量程比显著提升。

技术领域

本发明隶属流量计量设备的技术领域，具体涉及一种立柱式换能器分层布局的多声道大口径超声波水表。

背景技术

在步入物联网大数据及人工智能与工业自控时代，对于工业及民生水、热、燃气供给计量领域，由全电子模式流量计逐步取代机械式或机电组合模式流量计，已成不可逆转的大趋势。

按照实际应用所需，流体计量行业或场合期待兼容各口径规格范围、低压损、高精度、高可靠性、无磨损器件、耐久性及经济性的标准流量计量器具。目前，在世界范围内全电子流量计量应用最广的为电磁流量计以及后起之秀的超声波流量计。

超声波流量计是伴随其时差计时芯片（2012～2017年，国际上AMS、D-FLOW、TI等公司先后推出了较先进的时差计时芯片，目前，其分辨率都已达到5～10ps，完全满足了水计量应用需求）的技术突破而崛起的。对比电磁流量计，超声波流量计是通过时差数字信号进行采样的（而电磁流量计则是通过模拟信号采样的）。以水表为例，它具有突出的技术优势：更小的始动流量（如可测量流速0.8～1mm/s的液体）、更宽的量程比、能以声波主动测量过程时差、换算成流体流速及温度并同步对计量的体积变化进行补偿（对此，电磁流量计则需要安装温度计）、大口径多声道的测量具有更高精度及安全性（而电磁流量计只有一对线圈和相应电极，有线圈故障即得报废）、可测量各种低粘度液体（电磁流量计不能测量低电导率液体，如纯净水），另外，对于燃气等气体亦可测量/计量（电磁流量计则不能测量气体流量）。

超声波水表升级改进的技术发展方向与原则需要明确界定。通常，流量计的性能指标为计量精度和量程比，计量精度为流量计流量计量值与流量实际值之比，提高流体流动稳定性和批量生产一致性是决定计量精度的重要条件；量程比为在流量计计量精度保证下，常用流量与最小流量之比，体现了可精确计量的范围，增大超声波换能器间的有效距离是提高量程比的必要条件。显然，计量精度越高、量程比越大，则流量计的计量性能就越好。

近几年，计量行业对于超声波流量计的实践应用有较大的提升。超声波流量计的构成，除了时差积算电路，还有换能器、换能器布局方式及流道结构等，前者性能决定着可测流量的最小量值，后者整体架构决定着超声波流量计的综合性能和品质。以水表为例，特别是按照水表新标准的约束，业内明确了超声波水表的技术发展方向，其技术导则归纳为如下十条：

（1）声程最大化原则：为使超声波水表具有大的量程比，对于大口径流量计，特别是水表，应采用超声波换能器之间声程最大化模式。因为对水表而言，大量程比是贸易结算极其重要的指标，也是水表最主要的技术指标，这点与工业流量计截然不同。例如，某生产厂，白天生产时间的用水量是夜晚用水量的500倍，如果流量计量程比低（比如量程比=200），那么，要兼顾白天大流量段的计量，就必然舍去对夜间小流量用水量段的计量。换句话说，流量计可能在小流量情况下无法计量或计量误差很大（精度值偏负，如目前旋翼式机械水表），这就必然造成供水方计量损失。要使得超声波水表具有大量程比，做到公平贸易结算，就应将超声波水表的两个换能器间距连线在主管内水流方向的投影距离最大化，以获得较大的量程比及较小的始动流量，（对于水表，中国国标于2018年将量程比或流量比的最大值提升至=1000）。