一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组的制作方法

1.本发明属于超声波燃气表技术领域，尤其是涉及一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组。


背景技术：

2.气体超声计量技术已广泛应用在天然气贸易计量行业，相关国际和国家标准、检定规程的颁布也为超声流量表计的应用和推广奠定了技术基础。根据国家标准gb/t39841-2021《超声波燃气表》相关要求，城市家用及中小工商用户的超声燃气表计量范围从0.016m3/h到10m3/h，压损不大于250pa(带阀)，准确度要求不低于1.5％；其中g1.6家用燃气表流量范围0.016m3/h到2.5m3/h，在此流量区间常规流道设计的雷诺数为15～4000，流体形态变化很大，跨越了层流、过渡流和紊流三个流动状态；如何有效解决流态变化对计量精度的影响，控制制造与应用成本，对超声燃气表模组的设计提出了很高的要求。
3.雷诺数(reynoldsnumber)是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。re＝ρυd/μ，其中ρ、υ、μ分别为流体的密度、流速与黏性系数，d为一特征长度。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数re＜2000为层流状态，re＞4000为紊流状态，re介于2000～4000为过渡流状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律、流速的分布等都是不同的，造成管道内流体的平均流速υ与最大流速υ
max
的比值也不相同，如图5为雷诺数小于2000的层流形态，图6为雷诺数大于4000的紊流形态。
4.差压式流量计(阻流件)，如孔板流量计，文丘里流量计等，其流出系数c随雷诺数变化而变化；如β值(d0/d)为0.2，其中d0为流量计主流道上最小的直径，d为流量计的输入端直径，雷诺数大于1000时，流出系数c基本保持恒定不变，其中流出系数c，约为0.59；β值(d0/d)为0.7，雷诺数大于100000，流出系数c也可保持恒定不变，约为0.69；其中流出系数c的计算方式为的计算方式为式中qm为质量流量，δp为差压，ρ为流体的密度，大多数情况下，β值越大，则流出系数c越大；但当雷诺数小于600，大β值的流出系数随雷诺数减小而大幅降低，直至雷诺数降低至20后，则发生逆转，大β值的流出系数小于小β值的流出系数；如图10。这一基本的流体流量变化规律，奠定了微孔旁通流道在低雷诺数情况下平衡补偿主流道微小流量测量值偏大的理论基础。
5.在对燃气测量时，燃气表运行过程中流速的不同会形成层流或紊流，从而对测量结果造成影响，目前的超声燃气表大多采用的是反射式的计量模组，其流道截面为矩形结构，并通过在流道内设置整流格栅将气体流通渠道分割成若干个2mm薄的通道，因此单个薄层的气体流态均可控制在雷诺数2000以内的层流状态，避免了不同流体形态变化对测量准确度的影响。但该特征结构存在以下缺陷；
6.1、该矩形截面设计同时限制了声道长度设计，即使采用45
°
角单反射，沿声道方向
的速度矢量仅为有效声道长度的导致测量时间差值较小，计量精度受限。
7.2、只适用于清洁的燃气，一旦反射面被脏污，声程长度即发生变化，从而影响了计量精度。
8.3、每次反射均会损失声能，约3～5db；同时，回波信号容易产生畸变，需要更多的能量资源做补偿。
9.4、高流速压损较大，单一种尺寸大小的模组适用流量范围窄，量程比不超过200：1，需要更多模组覆盖较多的流量测量需求，导致制造成本加大
10.因此有必要设计出一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组，来解决这些问题。


技术实现要素：

11.本发明提供了一种大量程、低压损、耐脏污且整体制造成本低的低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组。
12.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
13.一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组，包括主流道，所述主流道为类文丘里管结构，在所述主流道的输入端和输出端均设置有整流器和超声传感器，在所述主流道的输出端外侧设置有若干旁通流道，所述旁通流道绕所述主流道轴线均匀分布。
14.优选的，所述旁通流道包括套装在所述主流道输出端外侧的出气管，所述出气管与所述主流道通过限流孔板相连，在所述限流孔板上开设有若干通流孔，若干所述通流孔绕所述主流道轴线均匀分布。
15.如此设置，组合成了旁通流道，且便于组件的安装固定，通过留空能够为主流道进行流量的平衡与补偿，出气管还与燃气表出气管接头密闭连接，使流过主流道和旁通流道的气流流出燃气表。
16.优选的，所述主流道分为上游渐缩段、喉部和下游渐扩段，所述喉部为所述主流道上直径最小的位置，所述上游渐缩段是所述主流道输入端到所述喉部之间的位置，所述下游渐扩段是所述喉部到所述主流道输出端的位置，所述主流道上输入端的直径d大于输出端的直径，所述主流道输出端的直径大于喉部的直径d，且所述喉部的直径d与所述输入端直径d的比值d/d为0.4～0.6。
17.如此设置，通过控制喉部直径与输入端直径的范围来实现对流态的稳定，同时减小配件安装后产生的涡流对检测结果的影响。
18.优选的，所述通流孔的数量为9-18个，所述通流孔的直径db为所述主流道输入端直径d的1/15～1/20，且所述通流孔直径db≥1.6mm。
19.如此设置，可以避免出现噎塞流。
20.优选的，在所述主流道外侧还套装有外护裙，所述外护裙与所述出气管相连，且所述外护裙的长度不小于所述通流孔直径db的五倍。
21.如此设置，可以减少外界气流影响。
22.优选的，所述主流道的输出端还固定设置有内护裙，所述内护裙的长度不小于所述通流孔直径db。
23.如此设置，分隔主流道气流和旁通气流，不互相影响。
24.优选的，所述主流道的长度为l，所述上游渐缩段的长度为主流道长度的3/4，所述下游渐扩段为主流道长度的1/4，上游渐缩段与下游渐扩段的内壁轮廓皆为平滑圆弧切线，且所述上游渐缩段内壁的渐缩角α为3
°
～5
°
。
25.如此设置，能够降低压损，稳定主流道流体形态，提高测量精度。
26.优选的，所述整流器和所述超声传感器包括进气整流器、出气整流器、进气超声传感器和出气超声传感器，所述进气整流器安装在所述主流道的输入端，所述进气超声传感器安装在所述进气整流器上，所述出气整流器安装在所述出气管内，所述出气超声传感器安装在所述出气整流器上，且所述进气超声传感器的输出端与所述出气超声传感器的输入端相对。
27.如此设置，可减少进出主流道的涡流，也可对超声传感器起到稳定定位的作用。
28.优选的，在所述主流道的输入端还连接有进气管，所述进气整流器位于所述进气管内。
29.如此设置，便于组件的安装与固定。
30.本发明具有的优点和积极效果是：
31.1、主流道具有较大的腔体空间，测量段轮廓为圆弧切线平滑连接，即使在紊流形态，流体各层面质点交换较少，污染物沉积少。
32.2、对射式超声传感器，安装在主流道轴线两端，可根据表壳腔体空间放大轴线长度，同时声道方向就是流体运动方向，因此该设计的有效声道长度即为声道实际长度，可获得足够长的测量时间和时间差，保障测量精度。
33.3、对射声道布置没有反射造成的声能损失，同样，对射声道布置没有反射面脏污造成声道长度变化的影响。
34.4、主流道采用了类文丘里管结构，压损较小且整流效果好，可以减少、减缓分界层的分离和转捩。
35.5、旁通流道的流量平衡作用，延伸了流量测量的下限，量程比可达1000：1，提高生产效率，降低制造成本。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1是本发明所述一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组的整体结构轴测示意图；
38.图2是本发明所述一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组的内部结构纵截面示意图；
39.图3是本发明所述一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组的主流道分段结构示意图；
40.图4是本发明所述一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组通流孔分布结构示意图；
41.图5是为雷诺数小于2000的层流形态示意图；
42.图6是为雷诺数大于4000的紊流形态示意图；
43.图7是为测量模组在密闭表壳内安装结构示意图；
44.图8是cfd模拟声道区域速度分布示意图；
45.图9是cfd测量偏差示意图，其中横坐标为流量m3/h，纵坐标为测量偏差；
46.图10是流出系数c与雷诺数和d/d的关系示意图。
47.附图标记说明如下：
48.1、进气管；2、主流道；21、上游渐缩段；22、喉部；23、下游渐扩段；3、出气管；4、限流孔板；5、进气整流器；6、进气导流罩；7、进气超声传感器；8、通流孔；9、出气整流器；10、出气超声传感器；11、外护裙；12、内护裙。
具体实施方式
49.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
50.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
51.下面结合附图对本发明做进一步说明：
52.实施例1：如图1-图10所示，一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组，包括主流道2，主流道2为类文丘里管结构，在主流道2的输入端和输出端均设置有整流器和超声传感器，在主流道2的输出端外侧设置有若干旁通流道，旁通流道绕主流道2轴线均匀分布。
53.具体的，旁通流道包括套装在主流道2输出端外侧的出气管3，出气管3与主流道2通过限流孔板4相连，在限流孔板4上开设有若干通流孔8，若干通流孔8绕主流道2轴线均匀分布，如此设置组合成了旁通流道，且便于组件的安装固定，通过留空能够为主流道2进行流量的平衡与补偿，出气管还与燃气表出气管接头密闭连接，使流过主流道和旁通流道的气流流出燃气表。
54.进一步的，主流道2分为上游渐缩段21、喉部22和下游渐扩段23，喉部22为主流道2上直径最小的位置，上游渐缩段21是主流道2输入端到喉部22之间的位置，下游渐扩段23是喉部22到主流道2输出端的位置，主流道2上输入端的直径d大于输出端的直径，主流道2输出端的直径大于喉部22的直径d，且所述喉部的直径d与所述输入端直径d的比值d/d为0.4～0.6，即本装置的β为0.4～0.6，如此设置，通过控制喉部22直径与输入端直径的范围来实
现对流态的稳定，同时减小配件安装后产生的涡流对检测结果的影响.
55.进一步的，通流孔8的数量为9-18个，通流孔8的直径db为主流道2输入端直径d的1/15～1/20，且通流孔8直径db≥1.6mm，如此设置可以避免出现噎塞流。
56.进一步的，在主流道2外侧还套装有外护裙11，外护裙11与出气管3相连，且外护裙11的长度不小于通流孔8直径db的五倍，如此设置可以减少外界气流影响。
57.进一步的，主流道2的输出端还固定设置有内护裙12，内护裙12的长度不小于通流孔8直径db，如此设置分隔主流道2气流和旁通气流，不互相影响。
58.具体的，主流道2的长度为l，上游渐缩段21的长度为主流道2长度的3/4，下游渐扩段23为主流道2长度的1/4，上游渐缩段21与下游渐扩段23的内壁轮廓皆为平滑圆弧切线，且上游渐缩段21内壁的渐缩角α为3
°
～5
°
，如此设置能够降低压损，稳定主流道流体形态，提高测量精度。
59.其中文丘里管结构为快速收缩，本装置的主流道2采用了渐缩型类文丘里管，并通过尺寸加以约束，以类文丘里管作为主要流道，测量中心轴线流速以获取平均流速。在雷诺数大于4000时，如图6，流体形态稳定可靠，无需任何修正即可保持很好的测量精度；在雷诺数小于2000，如图5，流体流态轴心区域将逐渐变尖，中心轴线测量的流速较比平均流速逐渐增大；雷诺数小于30后，中心轴线流速较比平均流速增大近50％。本发明所述的旁通流道，即可平衡、补偿前述低雷诺数文丘里流道流量计量偏大的缺陷。
60.具体的，整流器和超声传感器包括进气整流器5、出气整流器9、进气超声传感器7和出气超声传感器10，进气整流器5安装在主流道2的输入端，进气超声传感器7安装在进气整流器5上，在进气整流器5上还安装有进气导流罩6，出气整流器9安装在出气管3内，出气超声传感器10安装在出气整流器9上，且进气超声传感器7的发射端与出气超声传感器10的接收端相对，如此设置可减少进出主流道2的涡流，也可对超声传感器起到稳定定位的作用。
61.在主流道2的输入端还连接有进气管1，进气整流器5位于进气管1内，便于组件的安装与固定，同时在进气整流器上还安装有进气导流罩，通过进气导流罩能够将流向进气超声传感器背面的气流平滑导向四周，使其穿过进气整流器流入主流道内。
62.本实施例的工作过程：
63.本发明更关注小流量及微小流量的测量，需要安装在密闭表壳内，将出气管3与密闭表壳的输出端相连，在工作时燃气从会穿过进气整流器5进入主流道2，再穿过出气整流器9出主流道2，在此过程中燃气从直径较大的输入端流向直径较小的喉部22时体积被压缩，因此流速变大，而在穿过喉部22后体积会膨胀此时流速会变慢。
64.流道类文丘里管的β值常规情况下可参考为0.8；微孔旁通流道β值可设计为0.2。参照图10在雷诺数≥2000时，对应流量≥1.4m3/h；旁通流道流出系数约为0.6；类文丘里管的流出系数c约为1.24；在雷诺数为60时，对应流量约为0.04m3/h，类文丘里管流出系数约为0.94，旁通流道流出系数约为0.68。意味着流量的减少，旁通流道流出的流量比率在增大；至雷诺数≤24，对应流量为0.016m3/h，类文丘里管流出系数将为0.66，旁通流道流出系数也为0.66，意味着此时旁通流道流出的流量比率，相比高雷诺数时增大近50％。旁通流道增大的流量，降低了主流道流量，现实意义上补偿了主流道类文丘里管在低雷诺数时，测量中心轴线高流速区域造成的测量偏差增大的缺陷，如图5。
65.基于相关国家标准，在q
min
～q
t
之间测量精度优于
±
3％
66.本实施例中设置最小值q
min
为0.016m3/h，关键节点q
t
为1m3/h，以此流量范围为例，以理论计算的方式来对本实施例进行说明：
67.一、保证时间计量不确定度优于
±
2％；
68.a)、主流道2喉径d计算：
69.流量范围0.016～10m3/h，雷诺数15～15000,主流道2喉径最大流速不超过25m/s。
70.计算得出喉径直径d不小于11.9mm；考虑到超声传感器发射、接收端口外径为14mm,主流道2喉径设计为16mm。
71.b)、声道长度l计算：
72.按1个大气压力，20℃天然气声速约为427.7m/s，70mm声道长度，最小计量流速0.01m/s时，时间差约为7.65ns；
±
2％的时间测量精度为
±
0.15ns，约为
±
2％的时间测量精度。现有超声芯片时间分辨率30ps，按三倍分辨率考虑测量精度，时间测量精度可优于100ps，即
±
0.1ns；因此，对射式声道布置，70mm声道长度，
±
0.15ns的时间测量精度，可以满足时间测量不确定度
±
2％要求。
73.c)、主流道2入、出口直径d：
74.按照主流道2入、出口实际过流截面积(πd2/4减去传感器及套管截面积和整流器导流板截面积)，约为32～36mm。
75.二、主流道2喉径位置
76.主流道2喉径位置可控制为声道3/4处，即声道开始至52～53mm。
77.三、主流道2轮廓
78.主流道2喉径处为平行点位，向上游圆弧切线平滑连接进口位直径d的外端；向下游圆弧切线平滑连接到出口孔板内环。
79.四、限流孔板4孔径与数量
80.参考部颁标准hg/t20570-95《工艺系统工程设计技术规定》，β值应小于0.2。现有工业用模具加工及拔模精度要求，可选择1.6～2.4mm作为初始样机限流孔板4上通流孔8的孔径db，初期按喉部22截面积为限流孔板4过流总截面积为喉径截面积的10％～15％计，限流孔板4上通流孔8数量可选择8～12个。
81.五、cfd流态模拟
82.超声燃气表模组主要结构参数初步选定后，通过cfd流态模拟软件，进行大量程流态模拟，如0.016～16m3/h；观察速度分布与流线发展，如附图-08；探测声道区域流线速度；获取平均流速。
83.按照如下性能优先级别要求进行筛选，调整相关结构参数，分组组合模拟测试，明确参数变化所导致的流态发展与变化趋势及对测量精度的影响，用以指导3d打印模组相关参数的精细调整：
84.a)、测量流道内流态稳定，流线无交叉；
85.b)、测量流量偏差在预期范围内，大流量(大于1.6m3/h优于
±
1％，小流量(0.1～1.6m3/h)优于
±
3％；微小流量(小于0.1m3/h)优于
±
6％；
86.c)、压损小，满足国标要求；
87.六、cfd流态模拟及模组参数定型
88.依据计算参数进行cfd流态模拟迭代测算；主要模组参数包括：主流道2的输入端直径d，主流道2的输出端直径,喉部22的直径d，喉径22在主流道2上的位置，通流孔8的孔径db与数量，外护裙11和内护裙12的长度等。模拟测量流量偏差满足预期要求，且压损满足国标要求时，即可作为流态模拟的模组参数定型。
89.以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

技术特征：
1.一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组，包括主流道(2)，所述主流道(2)为类文丘里管结构，在所述主流道(2)的输入端和输出端均设置有整流器和超声传感器，其特征在于：在所述主流道(2)的输出端外侧设置有若干旁通流道，所述旁通流道绕所述主流道(2)轴线均匀分布。2.根据权利要求1所述的一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组，其特征在于：所述旁通流道包括套装在所述主流道(2)输出端外侧的出气管(3)，所述出气管(3)与所述主流道(2)通过限流孔板(4)相连，在所述限流孔板(4)上开设有若干通流孔(8)，若干所述通流孔(8)绕所述主流道(2)轴线均匀分布。3.根据权利要求2所述的一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组，其特征在于：所述主流道(2)分为上游渐缩段(21)、喉部(22)和下游渐扩段(23)，所述喉部(22)为所述主流道(2)上直径最小的位置，所述上游渐缩段(21)是所述主流道(2)输入端到所述喉部(22)之间的位置，所述下游渐扩段(23)是所述喉部(22)到所述主流道(2)输出端的位置，所述主流道(2)上输入端的直径d大于输出端的直径，所述主流道(2)输出端的直径大于喉部(22)的直径d，且所述喉部(22)的直径d与所述输入端直径d的比值d/d为0.4～0.6。4.根据权利要求3所述的一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组，其特征在于：所述通流孔(8)的数量为9-18个，所述通流孔(8)的直径d
b
为所述主流道(2)输入端直径d的1/15～1/20，且所述通流孔(8)直径d
b
≥1.6mm。5.根据权利要求4所述的一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组，其特征在于：在所述主流道(2)外侧还套装有外护裙(11)，所述外护裙(11)与所述出气管(3)相连，且所述外护裙(11)的长度不小于所述通流孔(8)直径d
b
的五倍。6.根据权利要求4所述的一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组，其特征在于：所述主流道(2)的输出端还固定设置有内护裙(12)，所述内护裙(12)的长度不小于所述通流孔(8)直径d
b
。7.根据权利要求3所述的一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组，其特征在于：所述主流道(2)的长度为l，所述上游渐缩段(21)的长度为主流道(2)长度的3/4，所述下游渐扩段(23)为主流道(2)长度的1/4，上游渐缩段(21)与下游渐扩段(23)的内壁轮廓皆为平滑圆弧切线，且所述上游渐缩段(21)内壁的渐缩角α为3
°
～5
°
。8.根据权利要求2所述的一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组，其特征在于：所述整流器和所述超声传感器包括进气整流器(5)、出气整流器(9)、进气超声传感器(7)和出气超声传感器(10)，所述进气整流器(5)安装在所述主流道(2)的输入端，所述进气超声传感器(7)安装在所述进气整流器(5)上，所述出气整流器(9)安装在所述出气管(3)内，所述出气超声传感器(10)安装在所述出气整流器(9)上，且所述进气超声传感器(7)的输出端与所述出气超声传感器(10)的输入端相对。9.根据权利要求1所述的一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组，其特征在于：在所述主流道(2)的输出端还连接有进气管(1)，所述进气整流器(5)位于所述进气管(1)内。

技术总结
本发明公开了一种低雷诺数流态自动补偿的超声燃气表模组，属于超声波燃气表技术领域，包括主流道，主流道为类文丘里管结构，在主流道的输入端和输出端均设置有整流器和超声传感器，在主流道的输出端外侧设置有若干旁通流道，旁通流道绕主流道轴线均匀分布。主流道采用了类文丘里管结构，具有较大的腔体空间，测量段轮廓为圆弧切线平滑连接，压损较小且整流效果好，扩大流量测量上限；可同时减少、减缓分界层的分离和转捩，即使在紊流形态，流体各层面质点交换较少，污染物沉积少，对射布置的超声传感器，可根据表壳腔体空间放大轴线长度，获得足够的测量时间和时间差，也没有反射造成的声能损失和反射面脏污造成声道长度变化的影响。化的影响。化的影响。


技术研发人员：孙浩 杜建春 陈兵 曹晶 朱保宁
受保护的技术使用者：天津新科流量科技有限公司
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/13