一種超聲波熱量表束流管件設計與實(shí)現

摘 要：針對傳統熱量表測量時(shí)，由于流體在管道內的流速隨截面分布的不同，流速大小亦不同，造成管壁上很容易結垢，信號逐漸衰減，高精度測量困難，使用壽命較短等缺點(diǎn)。本文將開(kāi)發(fā)低功耗、高精度的熱量表融入其中，并將束流管件嵌入熱量表內，設計出一種超聲波熱量表束流管件。該管件能夠提高流場(chǎng)均勻分布、保證計量精度，降低機械加工難度，有效信號不易衰減，提高產(chǎn)品的使用壽命。

關(guān)鍵字：超聲波熱量表 自動(dòng)降低功耗 降低了采集頻率 延長(cháng)使用壽命

    隨著(zhù)國家對城鎮供熱采暖采用熱量計量政策的不斷推廣，熱能計量?jì)x表的開(kāi)發(fā)和研制顯得越來(lái)越重要。它不僅具有顯著(zhù)的經(jīng)濟效益，而且對建設節約型社會(huì )，實(shí)現社會(huì )的可持續發(fā)展具有深遠的社會(huì )意義。

    傳統的數字機械式結構熱量表具有對水質(zhì)的要求高、在小流量下實(shí)現高精度測量困難和壽命短等缺點(diǎn)。因此，近幾年來(lái)，超聲波熱量表開(kāi)始受到越來(lái)越多的關(guān)注。一些科研院所和熱量表生產(chǎn)廠(chǎng)家也研制出了很多有特色的“超聲波熱量表”。但他們研制的熱量表大都采用有線(xiàn)回水溫度測量方法，目前還尚未見(jiàn)熱能表采用束流管件傳感器測量溫度的報道。超聲波的測量技術(shù)有很多，在分析對比對射式、反射式的優(yōu)劣后，本文設計出一種超聲波熱量表束流管件，開(kāi)發(fā)出低功耗、高精度的超聲波熱量表。這種新型熱量表利用在超聲波熱量表上安裝束流管件測量流量，能夠解決提高流場(chǎng)均勻分布、保證計量精度，降低機械加工難度，有效信號不易衰減，提高了產(chǎn)品的使用壽命。

    1 總體設計

    1.1 超聲波熱量表測量原理

    超聲波熱量表由3部分構成：超聲波流量傳感器、配對溫度傳感器和計算器。如圖1所示。

圖1 超聲波熱量表組成框圖

    超聲波熱量表是在超聲波流量計的基礎上加上溫度測量，由流體的流量和供、回水溫差來(lái)計算出向用戶(hù)提供的熱量。其中流量測量部分是應用一對超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波，通過(guò)觀(guān)測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來(lái)間接測量流體的流速，再通過(guò)流速來(lái)計算流量的一種間接測量方法。

    1.2 系統結構

    本文設計一種超聲波熱量表束流管件，安裝在超聲波熱量表的管道內，所述束流管件為圓柱形的管道，通過(guò)定位鎖緊螺釘固定在超聲波熱量表管道內的中軸線(xiàn)上，束流管件的管徑小于超聲波熱量表的管徑，如圖2所示。

圖2 整體結構示意圖

    1.3 關(guān)鍵技術(shù)

    超聲波傳感器測量原理的前提條件是管道中的液體流場(chǎng)要均勻分布，在管道截面上的每一點(diǎn)的流速都一樣，而這只是一種理想狀況。在實(shí)際應用中發(fā)現，流場(chǎng)不能達到均勻分布，流場(chǎng)的速度分布不僅與流速、管道的粗細、管道的形狀、管道表面的粗糙度，甚至還和管道中液體的密度、液體的運動(dòng)粘度等條件有關(guān)，進(jìn)而影響測量精度。

    束流管件的管道內壁表面粗糙度Ra小于1.6μm，即輪廓算術(shù)平均偏差小于1.6μm。

    束流管件的管道內固定有2個(gè)與管道內壁呈45°角的反射鏡，2個(gè)反射鏡的鏡面相對且非平行設置。

    與現有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

    采用束流管件調整流場(chǎng)，對流經(jīng)超聲波熱量表的載熱液體人為加速，將小流量轉化為大流速進(jìn)行測量，提高流場(chǎng)的均勻分布，保證熱量表的計量精度。

    通過(guò)提高束流管件的管道內壁光潔度，降低為提高超聲波熱量表的管道內壁光潔度而產(chǎn)生的機械加工難度，在減少成本和降低難度的同時(shí)，提高超聲波熱量表的計量精度。

    通過(guò)以45°角固定在束流管件管道中軸線(xiàn)上的反射鏡，反射傳遞超聲波傳感器發(fā)射的信號，有效信號不易衰減，提高了產(chǎn)品的使用壽命。

    2 與反射式的比較

    如圖3所示，在沒(méi)有安裝束流管件時(shí)，超聲波傳感器利用基表的管壁反射進(jìn)行測量，超聲波傳感器發(fā)射后的信號通常是以管段內壁自身反射鏡、并且只有一個(gè)反射點(diǎn)，在經(jīng)過(guò)一次反射折射后，信號被另一只超聲波傳感器所接受，完成一個(gè)信號的傳播過(guò)程。但是根據流體學(xué)原理可知，流體在管道內的流速隨截面分布的不同，其流速大小亦不同，其中中軸線(xiàn)上流速最快，越靠近管壁流速越慢，管壁處的流速是零，所以管壁上很容易結垢、結晶，這樣日積月累導致有效信號逐漸衰減，進(jìn)而依靠管壁本身做信號反射鏡的產(chǎn)品使用壽命較短。

圖3 超聲波熱量表管道內未安裝束流管件的示意圖

    3 安裝實(shí)施步驟

    結合圖4與具體安裝方式對本超聲波熱量表束流管件作進(jìn)一步詳細描述。

1超聲波熱量表；2束流管件；3定位鎖緊螺釘；4反射鏡；5超聲波傳感器。

圖4 安裝束流管件示意圖

    超聲波熱量表束流管件2為圓柱形的管道，束流管件2的管道內固定有2個(gè)與管道內壁呈45°角的反射鏡4，2個(gè)反射鏡4的鏡面相對且非平行設置，在束流管件2內增加反射鏡4的面積，提高了超聲波熱量表1的測量精度。束流管件2通過(guò)定位鎖緊螺釘3固定在超聲波熱量表1管道內的中軸線(xiàn)上，進(jìn)而使反射鏡4也處在管道內中軸線(xiàn)上。束流管件2的管徑為D，超聲波熱量表的管徑為d，載熱液體流經(jīng)的管徑變小，對流經(jīng)超聲波熱量表1的載熱液體人為加速，將小流量轉化為大流速進(jìn)行測量，提高流場(chǎng)的均勻分布。束流管件2的管道內壁表面粗糙度Ra小于1.6μm，即輪廓算術(shù)平均偏差小于1.6μm，通過(guò)提高束流管件2內壁的光潔度，能有效提高超聲波熱量表1的計量精度。

    安裝時(shí)，先把反射鏡4以45°角安裝在束流管件2上，然后在超聲波熱量表1的管道中的軸線(xiàn)上，用定位鎖緊螺釘固定束流管件2，即完成束流管件2在超聲波熱量表1中的安裝。

    在此需要強調的是，所述各模塊均為電路邏輯的集合，而非虛擬功能模塊。其具體實(shí)現是本領(lǐng)域常見(jiàn)技術(shù)手段，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)閱讀，根據其掌握的常規技術(shù)手段完全可以再現。

    4 結束語(yǔ)

    本文設計的一種超聲波熱量表束流管件，分別從系統結構、關(guān)鍵技術(shù)等介紹了熱量表的各個(gè)部分。經(jīng)過(guò)實(shí)際系統測試，取得了較好的測量結果，系統的測量精度和穩定性都達到了預期的設計要求。表明該系統設計合理，切實(shí)可行。該束流管件可應用于工業(yè)和民用熱量計量領(lǐng)域自動(dòng)化系統熱量測量設備。