一种超声波热量表束流管件设计与实现

摘 要：针对传统热量表测量时，由于流体在管道内的流速随截面分布的不同，流速大小亦不同，造成管壁上很容易结垢，信号逐渐衰减，高精度测量困难，使用寿命较短等缺点。本文将开发低功耗、高精度的热量表融入其中，并将束流管件嵌入热量表内，设计出一种超声波热量表束流管件。该管件能够提高流场均匀分布、保证计量精度，降低机械加工难度，有效信号不易衰减，提高产品的使用寿命。

关键字：超声波热量表 自动降低功耗 降低了采集频率 延长使用寿命

    随着国家对城镇供热采暖采用热量计量政策的不断推广，热能计量仪表的开发和研制显得越来越重要。它不仅具有显著的经济效益，而且对建设节约型社会，实现社会的可持续发展具有深远的社会意义。

    传统的数字机械式结构热量表具有对水质的要求高、在小流量下实现高精度测量困难和寿命短等缺点。因此，近几年来，超声波热量表开始受到越来越多的关注。一些科研院所和热量表生产厂家也研制出了很多有特色的“超声波热量表”。但他们研制的热量表大都采用有线回水温度测量方法，目前还尚未见热能表采用束流管件传感器测量温度的报道。超声波的测量技术有很多，在分析对比对射式、反射式的优劣后，本文设计出一种超声波热量表束流管件，开发出低功耗、高精度的超声波热量表。这种新型热量表利用在超声波热量表上安装束流管件测量流量，能够解决提高流场均匀分布、保证计量精度，降低机械加工难度，有效信号不易衰减，提高了产品的使用寿命。

    1 总体设计

    1.1 超声波热量表测量原理

    超声波热量表由3部分构成：超声波流量传感器、配对温度传感器和计算器。如图1所示。

图1 超声波热量表组成框图

    超声波热量表是在超声波流量计的基础上加上温度测量，由流体的流量和供、回水温差来计算出向用户提供的热量。其中流量测量部分是应用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。

    1.2 系统结构

    本文设计一种超声波热量表束流管件，安装在超声波热量表的管道内，所述束流管件为圆柱形的管道，通过定位锁紧螺钉固定在超声波热量表管道内的中轴线上，束流管件的管径小于超声波热量表的管径，如图2所示。

图2 整体结构示意图

    1.3 关键技术

    超声波传感器测量原理的前提条件是管道中的液体流场要均匀分布，在管道截面上的每一点的流速都一样，而这只是一种理想状况。在实际应用中发现，流场不能达到均匀分布，流场的速度分布不仅与流速、管道的粗细、管道的形状、管道表面的粗糙度，甚至还和管道中液体的密度、液体的运动粘度等条件有关，进而影响测量精度。

    束流管件的管道内壁表面粗糙度Ra小于1.6μm，即轮廓算术平均偏差小于1.6μm。

    束流管件的管道内固定有2个与管道内壁呈45°角的反射镜，2个反射镜的镜面相对且非平行设置。

    与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

    采用束流管件调整流场，对流经超声波热量表的载热液体人为加速，将小流量转化为大流速进行测量，提高流场的均匀分布，保证热量表的计量精度。

    通过提高束流管件的管道内壁光洁度，降低为提高超声波热量表的管道内壁光洁度而产生的机械加工难度，在减少成本和降低难度的同时，提高超声波热量表的计量精度。

    通过以45°角固定在束流管件管道中轴线上的反射镜，反射传递超声波传感器发射的信号，有效信号不易衰减，提高了产品的使用寿命。

    2 与反射式的比较

    如图3所示，在没有安装束流管件时，超声波传感器利用基表的管壁反射进行测量，超声波传感器发射后的信号通常是以管段内壁自身反射镜、并且只有一个反射点，在经过一次反射折射后，信号被另一只超声波传感器所接受，完成一个信号的传播过程。但是根据流体学原理可知，流体在管道内的流速随截面分布的不同，其流速大小亦不同，其中中轴线上流速最快，越靠近管壁流速越慢，管壁处的流速是零，所以管壁上很容易结垢、结晶，这样日积月累导致有效信号逐渐衰减，进而依靠管壁本身做信号反射镜的产品使用寿命较短。

图3 超声波热量表管道内未安装束流管件的示意图

    3 安装实施步骤

    结合图4与具体安装方式对本超声波热量表束流管件作进一步详细描述。

1超声波热量表；2束流管件；3定位锁紧螺钉；4反射镜；5超声波传感器。

图4 安装束流管件示意图

    超声波热量表束流管件2为圆柱形的管道，束流管件2的管道内固定有2个与管道内壁呈45°角的反射镜4，2个反射镜4的镜面相对且非平行设置，在束流管件2内增加反射镜4的面积，提高了超声波热量表1的测量精度。束流管件2通过定位锁紧螺钉3固定在超声波热量表1管道内的中轴线上，进而使反射镜4也处在管道内中轴线上。束流管件2的管径为D，超声波热量表的管径为d，载热液体流经的管径变小，对流经超声波热量表1的载热液体人为加速，将小流量转化为大流速进行测量，提高流场的均匀分布。束流管件2的管道内壁表面粗糙度Ra小于1.6μm，即轮廓算术平均偏差小于1.6μm，通过提高束流管件2内壁的光洁度，能有效提高超声波热量表1的计量精度。

    安装时，先把反射镜4以45°角安装在束流管件2上，然后在超声波热量表1的管道中的轴线上，用定位锁紧螺钉固定束流管件2，即完成束流管件2在超声波热量表1中的安装。

    在此需要强调的是，所述各模块均为电路逻辑的集合，而非虚拟功能模块。其具体实现是本领域常见技术手段，本领域技术人员通过阅读，根据其掌握的常规技术手段完全可以再现。

    4 结束语

    本文设计的一种超声波热量表束流管件，分别从系统结构、关键技术等介绍了热量表的各个部分。经过实际系统测试，取得了较好的测量结果，系统的测量精度和稳定性都达到了预期的设计要求。表明该系统设计合理，切实可行。该束流管件可应用于工业和民用热量计量领域自动化系统热量测量设备。