一種縮徑式結構超聲波熱量表的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種縮徑式結構超聲波熱量表，包括基管段、測量段、漸縮段、漸擴段以及最小管徑段；超聲波熱量表從左向右依次為基管入口，第一測量段，漸縮段，最小管徑段，漸擴段，第二測量段以及基管出口；漸縮段和漸擴段的橫截面為梯形形狀，其中梯形的腰與基管通道的水平面呈45度角，漸縮段與漸擴段為左右對稱的結構，并分別連接最小管徑段，漸縮段的長度與最小管徑的半徑之間的比值為0.8～1。本發(fā)明的特殊的縮徑式的結構有效的減小了最小管徑段的直徑，其能夠具有增加紊流，改善流場流動特性，提高測量精度的作用。
【專利說明】 一種縮徑式結構超聲波熱量表
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲波熱量表，特別是涉及一種具有縮徑式結構的超聲波熱量表。
【背景技術】
[0002]目前，市場中的超聲波熱量表大多為直管段結構，在管段中間位置安裝導流管及反射鏡組件，這種結構普遍出現(xiàn)了壓損較大，容易產(chǎn)生旋流和氣泡的問題，大大降低了超聲波熱量表的計量精度。
[0003]另外，現(xiàn)有技術中使用的超聲波熱量表的反射方式主要采用V型反射和W型反射，這兩種反射方式均要進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響從而導致了在基管管道中超聲波射線的方向性和強度都不是很理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了解決上述技術問題而提供一種測量精度高、制造成本低且安裝方便的縮徑式結構的超聲波熱量表。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術問題而采用的技術方案是:
[0006]一種縮徑式結構超聲波熱量表，包括基管段、測量段、漸縮段、漸擴段以及最小管徑段；超聲波熱量表從左向右依次為基管入口，第一測量段，漸縮段，最小管徑段，漸擴段，第二測量段以及基管出口 ；其中基管段為基管入口和基管出口，測量段包括安裝第一換能器、第一反射體的第一測量段和安裝第二換能器、第二反射體的第二測量段，在第二測量段還設有溫度傳感器安裝孔；第一、第二換能器由螺栓固定在第一、第二測量段的上部臺階孔處，兩個換能器上部通過一個壓蓋進行固定；第一反射體和第二反射體相對設置，其均包括反射面、反射基體和安裝塊，每個反射體均與相應的換能器的中心軸線上下對應，反射體的反射面與基管通道的水平面呈45度角；漸縮段和漸擴段的橫截面為梯形形狀，其中梯形的腰與基管通道的水平面呈45度角，漸縮段與漸擴段為左右對稱的結構，并分別連接最小管徑段，漸縮段的長度與最小管徑段的半徑之間的比值為0.8?I。
[0007]進一步地，所述基管入口和第一測量段之間的直徑關系是漸縮的。
[0008]進一步地，所述漸縮段的長度與最小管徑段的半徑之間的比值為0.9。
[0009]進一步地，所述反射基體基本呈圓柱形，所述安裝塊呈圓錐形，安裝塊的圓錐上設置螺紋，并通過螺紋固定在相應的測量段的管段內(nèi)。
[0010]進一步地，所述基管段直徑為25mm，所述測量段直徑為23mm，所述反射體的圓柱形基體的直徑為10mm，所述最小管徑段的直徑為12mm，所述最小管徑段的長度為40mm。
[0011]本發(fā)明的與現(xiàn)有技術相比，具有以下有益效果:
[0012](I)本發(fā)明采用的U型反射方式只需要一對不銹鋼反射片，而不需要對基管內(nèi)表面進行深加工，節(jié)省生產(chǎn)工藝時間和成本，且不容易受底部雜質的影響，測量精度得到大幅度提聞;[0013](2)特殊的縮徑式的結構有效的減小了最小管徑段的直徑，其能夠具有增加紊流，改善流場流動特性，提高測量精度的作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的縮徑式結構超聲波熱量表的剖視圖。
[0015]圖2是過流面積大小改變后各工況下K系數(shù)隨流量點的變化曲線圖。
[0016]圖3是反射體大小改變后各工況下K系數(shù)隨流量點的變化曲線。
[0017]圖4是反射路徑長度改變后各工況下K系數(shù)隨流量點的變化曲線圖。
[0018]圖中各部件名稱如下:
[0019]1-基管入口，2-第一換能器，3-螺栓，4-壓蓋，5-第二換能器，6_密封圈，7_基管出口，8-溫度傳感器安裝孔，9-第二測量段，10-第二反射體，11-漸擴段，12-最小管徑段，13-漸縮段，14-第一反射體，15-第一測量段
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細描述。
[0021]首先參照圖1，本發(fā)明的縮徑式結構超聲波熱量表包括基管段、測量段、漸縮段、漸擴段以及最小管徑段。超聲波熱量表管道從左向右依次為基管入口 1，第一測量段15，漸縮段13，最小管徑段12，漸擴段11，第二測量段9以及基管出口 7。其中基管段為基管入口 I和基管出口 7，測量段包括安裝第一換能器2、第一反射體14的第一測量段15和安裝第二換能器5、第二反射體10的第二測量段9，其中在第二測量段9還設有溫度傳感器安裝孔8。第一換能器2由螺栓3固定在第一測量段15的上部臺階孔處，相應的，第二換能器同樣由螺栓固定在第二測量段9的上部臺階孔處，兩個換能器上部通過一個壓蓋4進行固定。反射體為兩個，分別為相對設置的第一反射體14和第二反射體10，其中每個反射體均包括反射面、反射基體和安裝塊，其中反射基體基本呈圓柱形，安裝塊呈圓錐形，上面設置螺紋，并通過螺紋固定在相應的測量段的管段內(nèi)。每個反射體均與相應的換能器的中心軸線上下對應，反射體的反射面與基管通道的水平面呈45度角。
[0022]漸縮段13和漸擴段11的橫截面為梯形形狀，其中梯形的腰與基管通道的水平面也呈45度角，漸縮段13與漸擴段11為左右對稱的結構，并分別連接最小管徑段12。而為了進一步起到增加流動的紊流度的作用，基管入口和第一測量段之間的直徑關系也是漸縮的，相對稱的，第二測量段與基管出口則是漸擴的關系。圖1中的基管段為直徑為25mm的標準DN25管，能夠與現(xiàn)有的大部分供熱管段相連接。
[0023]本發(fā)明的縮徑式結構超聲波熱量表的工作過程如下:設置在第一測量段的第一換能器發(fā)出信號經(jīng)第一反射體反射，經(jīng)過漸縮段、最小管徑段、漸擴段到達第二測量段的第二反射體，經(jīng)過第二反射體的二次反射，將信號傳遞到第二換能器，通過這樣一種U型反射的方式，實現(xiàn)信號的采集，同時通過配對的溫度傳感器測量溫差的變化，經(jīng)過時差法的測量公式，計算得到相應的流量和熱量。測量的流量和熱量的具體結果可以通過集成的計算裝置得到實現(xiàn)。
[0024]其中上述反射片采用不銹鋼制成以用來接收和反射超聲波信號，U型反射只需要一對不銹鋼反射片，而不需要對基管內(nèi)表面進行深加工，節(jié)省生產(chǎn)工藝時間和成本，且不容易受底部雜質的影響，測量精度得到大幅度提高。為了進一步提高測量精度，本發(fā)明的溫度傳感器采用Ptiooo高精度鉬電阻。
[0025]在圖1描述的僅僅是本發(fā)明的一般結構，其中基管入口、出口尺寸為25mm，第一、第二測量段直徑為23mm，最小管徑段直徑為14mm，長度為28mm，反射體直徑為14mm。
[0026]對于本發(fā)明的超聲波熱量表的性能的改進需要對結構的具體尺寸參數(shù)作出相應的調整，而本發(fā)明的設計的是一種時差式超聲波熱量表，由測量原理可以知道其測出的是超聲波傳播路徑上流體的平均流速，而非測量流量所需要的管道橫截面上的平均流速，因而在計算流量時要引進K系數(shù)進行修正。K系數(shù)定義式為:K = ν/μ
[0027]式中V為超聲波傳播路徑上的流體平均流速，μ則是指管道橫截面上的流體平均流速，K系數(shù)即二者速度之比。由流體力學理論知道，粘性流體在圓管內(nèi)流動時，層流時(Re< 2000)管內(nèi)速度分布為拋物線規(guī)律，圓管中心軸線上的速度最大；紊流時(Re > 2000)管內(nèi)速度分布趨于均勻，速度梯度較小，圓管中心線上的速度較層流時小，在管徑不變的情況下更趨近于面平均速度。由上面的分析知，層流時K系數(shù)值大于紊流時，而由于紊流時速度分布趨于一致，K系數(shù)隨著流量值的增大應該變化不大，趨于一條直線。因此，在本發(fā)明中以儀表系數(shù)K作為評判基管結構優(yōu)劣的標準。
[0028]圖2是過流面積大小改變后各工況下K系數(shù)隨流量點的變化曲線圖，其中過流面積的改變時通過改變最小管徑段的直徑即最小管徑而實現(xiàn)的，圖2中橫坐標為流量點，縱坐標為K系數(shù)值。從圖2可以看出，最小管徑為14_時，K系數(shù)隨著流量點的變化逐步減小，從流量點為0.25的0.94變?yōu)榱髁奎c為2.5的0.87，減小量為0.07，變化率大于7% ；而最小管徑變?yōu)?3_時，K系數(shù)同樣的流量點變化量為0.045，變化率接近于5%，相對于14mm管徑時降低了 2%多；而當管徑進一步變化為12mm時，K系數(shù)同樣的流量點變化量為
0.04，變化率進一步降低。這說明隨著最小管徑的減小，基管機構趨于合理，儀表性能越來越好。這是因為管徑減小后，管內(nèi)流體速度增大，Re增加，紊流性增強，即流體在管內(nèi)速度分布趨于均勻，則在面平均速度相同的情況下，K系數(shù)也同時會漸漸趨于一致。基于以上分析，減小最小管徑值能有效改善流場流動特性，但當最小管徑進一步降低時，當流動介質中含有一定雜質時會影響流體流動，進而影響測量準確度，因此相比較12_為最優(yōu)的管徑選取值。
[0029]反射體在流體流動過程中起到一個擾流的作用，接下來分析反射體大小對熱量表性能的影響。原基管反射體直徑為14mm，現(xiàn)不改變基管其他尺寸參數(shù)，將基管最小管徑確定為最優(yōu)的12mm,最小管徑的長度為28mm,把反射體直徑大小分別變?yōu)镮Omm和9mm,進行試驗。
[0030]反射體大小改變后各工況下K系數(shù)隨流量點的變化曲線如圖3所示。
[0031]圖3中橫坐標為流量點，縱坐標為K系數(shù)值。從圖3可以看出，反射體直徑為14mm時，K系數(shù)隨著流量點的變化逐步減小，從流量點為0.25的0.97變?yōu)榱髁奎c為2.5的0.93，減小量為0.04，變化率接近于5% ;當反射體直徑變?yōu)镮Omm時，K系數(shù)同樣的流量點變化量為0.03，變化率不到4% ;而反射體直徑為IOmm時和9mm時，K系數(shù)的變化曲線幾近相似，變化量基本相等。這是因為在流體管道內(nèi)反射體本身就是一個擾流原件，當反射體直徑減小時，其迎流面積減小，則對流場的擾流作用也相對減小，這樣流體繞流反射體后流入反射通道內(nèi)更加平穩(wěn)，反射通道內(nèi)流場更加穩(wěn)定。但是同時由于反射體直徑減小，經(jīng)反射體流入反射管道的流體速度減小，流體在反射體后的紊流度有所降低，這在一定程度上也會對反射通道內(nèi)的流場起到消極的作用。綜合兩方面的影響，當反射體直徑由14_變?yōu)?0_，流場特性有所改善，而當反射體直徑由IOmm變?yōu)?mm時，流場特性基本不再產(chǎn)生變化。另外，由于反射體的作用是接受發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波并反射給接受換能器，因此當反射體直徑偏小時，可能會因為接受面積偏小而影響信號的接收。綜合幾方面的考慮，優(yōu)化后的方案可以采用IOmm的反射體直徑。
[0032]反射路徑長度即最小管徑長度，不僅會影響流體流速變化，還會因為直管段長度影響流體流動特性。原基管最小管徑處長28mm，現(xiàn)將其改為40mm，來進一步分析當長度改變后對熱量表性能的影響。熱量表基管的具體參數(shù)為:反射體的基體直徑為最優(yōu)的10mm，最小管徑為最優(yōu)的12mm,基管最小管徑長度分別為28mm和40mm。反射路徑長度改變后各工況下K系數(shù)隨流量點的變化曲線如圖4所示。
[0033]圖4中橫坐標為流量點，縱坐標為K系數(shù)值。從圖4可以看出，最小管徑長度為28mm時，K系數(shù)隨著流量點的變化逐步減小，從流量點為0.25的0.84變?yōu)榱髁奎c為2.5的
0.82，減小量為0.03，變化率接近于4% ;而當最小管徑長度變?yōu)?0mm時，雖然K系數(shù)在同樣的流量點變化量也接近于0.03，但流量點0.75以后K系數(shù)基本上沒有變化，接近于一條平行于X軸的直線，也就是說，此時的K系數(shù)變化曲線已接近于理想情況下的變化曲線。這是因為一方面最小管徑長度的增加，延長了大Re的區(qū)域，即意味著幾乎整個反射通道內(nèi)Re都大大增加，流體紊流度都顯著增強，流體在整個反射通道內(nèi)的分布都趨于均勻。另一方面，最小管徑長度的增加，無形中延長了前反射體的后直管段長度和后反射體的前直管段長度，這樣就能在一定程度上降低前后反射體擾流作用對反射通道內(nèi)流場的影響，進一步增強流場性能。綜合以上分析，延長最小管徑長度能有效地改善反射通道內(nèi)流場特性，但由于管道長度的限制，進一步增加最小管徑長度不太現(xiàn)實，40mm可以作為優(yōu)化方案的最小管徑長度選擇。
[0034]因此，結合以上對結構的改進，經(jīng)過簡單的幾何計算，本發(fā)明的漸縮段的長度與最小管徑段的半徑之間的比值為0.8?1，優(yōu)選的比值為0.9。
[0035]上述雖然結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【權利要求】
1.一種縮徑式結構超聲波熱量表，包括基管段、測量段、漸縮段、漸擴段以及最小管徑段；超聲波熱量表從左向右依次為基管入口，第一測量段，漸縮段，最小管徑段，漸擴段，第二測量段以及基管出口 ；其中基管段為基管入口和基管出口，測量段包括安裝第一換能器、第一反射體的第一測量段和安裝第二換能器、第二反射體的第二測量段，在第二測量段還設有溫度傳感器安裝孔；第一、第二換能器由螺栓固定在第一、第二測量段的上部臺階孔處，兩個換能器上部通過一個壓蓋進行固定；第一反射體和第二反射體相對設置，其均包括反射面、反射基體和安裝塊，每個反射體均與相應的換能器的中心軸線上下對應，反射體的反射面與基管通道的水平面呈45度角； 其特征在于，漸縮段和漸擴段的橫截面為梯形形狀，其中梯形的腰與基管通道的水平面呈45度角，漸縮段與漸擴段為左右對稱的結構，并分別連接最小管徑段，漸縮段的長度與最小管徑段的半徑之間的比值為0.8?I。
2.根據(jù)權利要求1所述的超聲波熱量表，其特征在于，所述基管入口和第一測量段之間的直徑關系是漸縮的。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的超聲波熱量表，其特征在于，所述漸縮段的長度與最小管徑段的半徑之間的比值為0.9。
4.根據(jù)權利要求3所述的超聲波熱量表，其特征在于，所述反射基體基本呈圓柱形，所述安裝塊呈圓錐形，安裝塊的圓錐上設置螺紋，并通過螺紋固定在相應的測量段的管段內(nèi)。
5.根據(jù)權利要求4所述的超聲波熱量表，其特征在于，所述基管段直徑為25mm，所述測量段直徑為23mm，所述反射體的圓柱形基體的直徑為10mm，所述最小管徑段的直徑為12mm,所述最小管徑段的長度為40mm。
【文檔編號】G01K17/10GK103630271SQ201210310074
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年8月23日 優(yōu)先權日:2012年8月23日
【發(fā)明者】鄭文虎 申請人:鄭文虎