超声波气体计量器和相关流量管的制作方法

1.本发明的概念大体涉及计量器，并且更具体地涉及能够以多个流量等级操作的计量器。


背景技术：

2.公共事业使用计量器来跟踪气体、水、电等的使用。计量器大体被安装在建筑物的外部上，以允许计量器被接近，以用于例如读取和维护。每个计量器都特定于其所提供的功能。例如，水计量器可以具有与气体计量器不同的设计，这二者均被设计成优化特定计量器的目的。计量器可以以不同等级被制造，一个等级针对低流量准确性，并且另一等级可以针对限制高流量下的压降，等等。因此，计量器制造商必须制造并维持每个类型的计量器的供应，以致当顾客需要时能够获得计量器。


技术实现要素：

3.本发明构思的一些实施例提供一种被构造成以多个等级操作的超声波计量器，其包括：流量管，其具有在第一端处的入口和在与所述第一端相反的第二端处的出口；和第一和第二面对面换能器，所述第一换能器被定位在所述流量管的所述第一端处，并且所述第二换能器被定位在所述流量管的所述第二端处，其中所述第一和第二面对面换能器被定位成与通过所述超声波计量器的流成一直线。
4.在另一些实施例中，面对面地定位第一和第二换能器可以增加在流量管中的上游和下游声波速度之间的差，从而导致增加的测量灵敏度。
5.在又一些实施例中，所述流量管从所述第一换能器的面到所述第二换能器的面的长度可以被构造成尽可能短且不影响通过所述流量管的流量准确性。
6.在一些实施例中，所述流量管的直径可以具有相对于所述第一和第二换能器的面的大小类似的大小。
7.在另一些实施例中，所述流量管的所述入口可以被构造成引起通过所述流量管的介质的径向对称流。
8.在又一些实施例中，所述流量管的所述出口可以被构造成使得所述流减速。
9.在一些实施例中，所述流量管的所述出口可以被构造成在所有方向上径向向外地减小流速。
10.在另一些实施例中，所述计量器可以进一步包括被定位在所述流量管中的流量调节器。
11.在又一些实施例中，所述超声波计量器可以是超声波气体计量器。
12.在一些实施例中，所述超声波计量器可以被构造成以200和400流量等级二者来操作。
13.在此也提供了相关流量管。
附图说明
14.图1是图示了根据本发明构思的一些实施例的流量管的横截面的示图。
15.图2a和图2b是图示了根据本发明构思的一些实施例的流量管的横截面的示图。
16.图3a是根据本发明构思的一些实施例的流量管的进口（入口）侧处的挡板的平面图。
17.图3b是根据本发明构思的一些实施例的流量管的挡板的主视图。
18.图3c是根据本发明构思的一些实施例的具有测量值的流量管的挡板的主视图。
19.图3d是根据本发明构思的一些实施例的沿图3c的线a
‑
a的挡板的横截面。
20.图3e是根据本发明构思的一些实施例的图3d中的细节a的放大图。
21.图3f是根据本发明构思的一些实施例的沿图3c的线b
‑
b的挡板的横截面。
22.图3g是根据本发明构思的一些实施例的沿图3c的线c
‑
c的挡板的横截面。
23.图3h是根据本发明构思的一些实施例的图3g中的细节b的放大图。
24.图4是示出根据本发明构思的一些实施例的包括流量管的计量器的横截面。
25.图5是示出根据本发明构思的一些实施例的流量管进口轮廓的横截面。
26.图6是示出根据本发明构思的一些实施例的流量管出口轮廓的横截面。
27.图7a是根据本发明构思的一些实施例的流量管的出口部分的平面图。
28.图7b是根据本发明构思的一些实施例的流量管的出口部分的主视图。
29.图7c是根据本发明构思的一些实施例的流量管的出口部分的沿图7b的线a
‑
a的横截面。
30.图7d是根据本发明构思的一些实施例的图7c中的细节a的放大图。
31.图7e是根据本发明构思的一些实施例的其上具有测量值的流量管的出口部分的主视图。
32.图7f是根据本发明构思的一些实施例的流量管的出口部分的沿图7e的线b
‑
b的横截面。
33.图7g是根据本发明构思的一些实施例的图7f中的细节b的放大图。
34.图7h是根据本发明构思的一些实施例的流量管的出口部分的沿图7e的线c
‑
c的横截面。
35.图7i和图7j分别是根据本发明构思的一些实施例的流量管的出口部分的侧视图和俯视图。
36.图8a是根据本发明构思的一些实施例的整个流量管的平面图。
37.图8b是根据本发明构思的一些实施例的流量管的入口部分的视图。
38.图8c是根据本发明构思的一些实施例的流量管的侧视图。
39.图8d是根据本发明构思的一些实施例的沿图8c的线a
‑
a的横截面。
40.图8e根据本发明构思的一些实施例的沿图8c的线b
‑
b的横截面。
41.图8f是根据本发明构思的一些实施例的流量管的出口部分的横截面。
42.图9是示出根据本发明构思的一些实施例的包括流量管的双等级计量器的示图。
具体实施方式
43.之后将参考附图更全面地描述本发明概念，附图中示出了本发明概念的实施例。
不过，这种发明构思可以以许多替代性方式被实现并且不应该被解释为受限于这里阐述的实施例。
44.因此，虽然本发明构思易于具有各种修改和替代形式，但是其具体的实施例通过附图中的示例来显示，且将在此详细描述。不过，应该理解的是，不旨在将本发明构思限制于这里公开的具体形式，而是相反地，本发明构思将涵盖落入由权利要求限定的本发明构思的精神和范围内的所有修改、等价物和替代方案。贯穿对附图的描述，类似附图标记表示类似元件。
45.这里所用的术语只是出于描述具体实施例的目的并且并非旨在限制本发明构思。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文明确以其它方式指出。还将理解的是，术语“包括（comprises）”、“包括（comprising）”、“包含（includes）”和/或“包含（including）”在本说明书中使用时，具体说明存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件但并不预先排除存在或添加一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其的组。而且，当元件被称作是“响应”或“连接到”另一元件时，其能够直接响应或连接到其它元件，或可以存在居间元件。相比之下，当元件被称作被“直接响应”或“直接连接到”另一元件时不存在居间元件。这里使用的术语“和/或”包括相关的所列出项目中的一个或更多个的任何和所有组合并且可以被简化为“/”。
46.除非另有定义，否则这里使用的所有术语（包括技术和科学术语）的意思与本发明构思所属的领域的一个普通技术人员通常理解的相同。还将理解的是这里使用的术语应当解释为意思与其在本说明书和相关领域的上下文中的意思一致并且不应当以理想化或过于正式的意义来解释，除非这里明确地如此定义。
47.将理解的是，尽管这里可能使用术语第一、第二等来描述各元件，但是这些元件不应该受到这些术语限制。这些术语只是用来将一个元件与另一个元件区分开。例如，在不背离本公开教导的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。虽然示图中的一些包括在连通路径上的箭头以显示连通的主要方向，但将理解的是，连通可以在与描绘的箭头相反的方向上发生。
48.如背景技术中讨论的，存在许多不同种类的计量器。计量器以不同等级被制造，每个计量器等级涉及通过计量器的流量的不同方面。例如，sensus提供两种计量器，一种计量器（r275）用于200等级流量，并且一种计量器（r415）用于400等级住宅用途。这两种现有的计量器均是隔膜型机械计量器。然而，随着超声波传感器生产的最新发展，设计住宅用途固态超声波计量器已不再是成本高昂的问题。因此，本发明构思的实施例提供单个计量器，其满足200和400等级流量二者的要求。在单个计量器中提供两种能力为制造商提供了成本节约。
49.如这里所用，“超声波流量计量器或者超声波计量器”指的是使用超声波测量流体（例如气体或者水）的速度以计算体积流量的一种计量器。使用超声波来计算体积流量不同于以使用移动零件的布置来测量流量的常规机械计量器来计算。
50.如下文进一步讨论的，本发明构思的一些实施例提供一种双等级住宅超声波气体计量器（以下被称为“双等级计量器”），其能够满足200和400等级计量器二者的要求。具体地，将在下文中关于图1
‑
9讨论针对低流量准确性的双等级计量器中的200等级计量器驱动要求的规格以及针对高流量压降的双等级计量器中的400等级计量器驱动要求的规格。
51.首先参考图1，将讨论根据本发明构思的一些实施例的用于双等级住宅计量器的流量管的横截面。如图1中所示，流量管100包括相应地“面对面”定位的第一和第二换能器105和106。第一换能器105被置于流量管100的入口处，并且第二换能器106被置于流量管100的出口处。如图1中的箭头所示，气体在左侧（入口
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换能器105）进入流量管并且向右侧流动到出口（见箭头“流”）。通过流量管100的气体流阻碍了从换能器106向上游行进的声波（sos
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声音速度）的进程并加快了向下游的声波。虽然这是所有超声波流量测量的基础，但将换能器放置为与“流”成一直线会增加并可能最大化对声波的影响。当换能器路径与流路径成角度时，即不如这里讨论的与流成一直线时，信号速度可能较少地受到影响且导致较低灵敏度。因此，如这里讨论的使得换能器105和106与流对准增强了性能以满足低流量要求。
52.流量管100具有允许计量器以双等级操作的多个设计方面。如上文讨论的，换能器105和106被定位成与通过流量管100的气流成一直线。将换能器信号路径定位成与通过流量管100的流成一直线增加了且可能最大化所有流速下的声波速度变化。增加的偏移导致了在低流量下更灵敏，从而允许计量器满足200等级低流量准确性要求。
53.流量管的长度（l
‑
图2a）是关于换能器105和106的频率的选择做出的设计折中。换言之，流量管100的长度l越短，则换能器的频率要求越高。在本发明构思的一些实施例中，换能器频率被选择成提供最短的可能流量管长度l，同时仍维持低流量准确性和可行的流量管直径（d
‑
图2b）。例如，在一些实施例中，流量管的长度l可以是从大约50至大约100毫米，并且对应的换能器频率可以是相应地从大约350至大约550 khz。在这些实施例中，在不背离本发明构思的范围的情况下，流量管的直径可以是从大约10至大约25毫米。在一些实施例中，长度l被定义为从换能器面至换能器面。面对面地定位第一和第二换能器可以增加在流量管中的上游和下游声波速度之间的差，从而导致增加的测量灵敏度。
54.将理解的是这些值仅作为示例被提供，并且本发明构思的实施例不限于此。例如，如果操作频率是大约400 khz，则流量管的直径d可以是大约17 mm并且长度l可以是大约70 mm。对流量管的尺寸的设计和管理取决于关于目标性能规格管理的变量的数量。因此，这些测量值中的每个根据应用而变化。
55.较短的流量管长度l通常导致每小时驱动425立方英尺气体通过流量管100所需的压差较低。然而，如果流量管100的长度l过短，则将不会存在显著的声波飞行时间（tof）变化，从而导致较差的计量灵敏度。如这里所用，“飞行时间的tof”指的是声波行进通过例如气体的介质一段距离所需要的时间。将理解的是介质不限于气体并且可以是任何介质而不背离本发明构思的范围。
56.具有较长长度l的流量管100通常需要较大直径d来减少高流速下的压降。增加流量管100的直径d能够导致减小流速，从而导致减少的tof变化，这会消除计量器的灵敏度和可能的声波失真，这是因为换能器信号面的大小明显小于总流横截面。当换能器信号面的大小基本等于或接近总流横截面的大小时，在接收换能器处或产生减轻任何流不对称的空间平均。换能器面的大小通过压电振动特性来确定，因此其是固定值。因此，流量管直径被限制在接近换能器面的大小的值。
57.如图1中进一步所示，换能器105和106被直接面对面地放置在流量管100中以便使得较低功率和较不敏感的换能器可行。这会导致直接成本降低，因为将换能器放置成信号
反弹构造中要求更大的功率并降低信号保真度。将理解的是“直接”面对面暗示着一定的偏差空间，但是通常意味着基本直接。
58.在一些实施例中，流量调节器可以被包括在流量管中。在这些实施例中，流量调节器的存在可以提供更一致的流并且可能地减少声波失真。示例流量调节器可以包括沿流量管的长度的四（4）个径向叶瓣或者沿流量管的中心的阶梯杆；不过，本发明构思的实施例不限于此。不过，本发明构思的实施例不限于这些示例构造。
59.现在参考图3a
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3h，根据本发明构思的实施例的流量管的示图。图3a是根据本发明构思的一些实施例的流量管的进口侧处的挡板的平面图。图3b是根据本发明构思的一些实施例的流量管的挡板的主视图。图3c是根据本发明构思的一些实施例的具有测量值的流量管的挡板的主视图。图3d是根据本发明构思的一些实施例的沿图3c的线a
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a的挡板的横截面。图3e是根据本发明构思的一些实施例的图3d中的细节a的放大图。图3f是根据本发明构思的一些实施例的沿图3c的线b
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b的挡板的横截面。图3g是根据本发明构思的一些实施例的沿图3c的线c
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c的挡板的横截面。图3h是根据本发明构思的一些实施例的图3g中的细节b的放大图。将理解的是图3a
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3h中所示的流量管入口仅作为示例被提供，并且本发明构思的实施例不限于此。
60.为了进一步增强计量性能，流量管进口（入口）被设计成引起径向对称流，即流速在所有径向方向上具有类似大小。这减轻了声波失真以维持波形保真度，从而增强固件性能。现在将关于图4至图6讨论流的模拟。图4是根据本发明构思的实施例的双等级计量器的横截面，其示出了在下文关于图5和图6讨论的流轮廓的位置。参考图5，流量管进口轮廓的横截面（在图4中标为2的线）图示了流速在所有径向方向上具有类似幅值。参考图6，流量管出口轮廓的横截面（在图4中标为3的线）图示了流速在所有方向上径向减小。这减少了射流并且确保了流被有效减速以减小压降。换言之，流量管被设计成通过将出口构造成使得气体有效减速来减小高流速下跨计量器的压降。
61.在图7a至图7j中图示了根据本发明构思的一些实施例的如讨论的使流减速的流量管出口设计的实施例。图7a是根据本发明构思的一些实施例的流量管的出口部分的平面图。图7b是根据本发明构思的一些实施例的流量管的出口部分的主视图。图7c是根据本发明构思的一些实施例的流量管的出口部分的沿图7b的线a
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a的横截面。图7d是根据本发明构思的一些实施例的图7c中的细节a的放大图。图7e是根据本发明构思的一些实施例的其上具有测量值的流量管的出口部分的主视图。图7f是根据本发明构思的一些实施例的流量管的出口部分的沿图7e的线b
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b的横截面。图7g是根据本发明构思的一些实施例的图7f中的细节b的放大图。图7h是根据本发明构思的一些实施例的流量管的出口部分的沿图7e的线c
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c的横截面。图7i和图7j分别是根据本发明构思的一些实施例的流量管的出口部分的侧视图和俯视图。将理解的是，图7a至图7j中所示的流量管出口仅作为示例被提供，并且本发明构思的实施例不限于此。
62.在图8a
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8f中示出了根据本发明构思的实施例的完整流量管的一实施例的图释。图8a是根据本发明构思的一些实施例的整个流量管的平面图。图8b是根据本发明构思的一些实施例的流量管的入口部分的视图。图8c是根据本发明构思的一些实施例的流量管的侧视图。图8d是根据本发明构思的一些实施例的沿图8c的线a
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a的横截面。图8e根据本发明构思的一些实施例的沿图8c的线b
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b的横截面。图8f是根据本发明构思的一些实施例的流量
管的出口部分的横截面。将理解的是图8a至图8f中所示的流量管出口仅作为示例被提供，并且本发明构思的实施例不限于此。
63.图9是根据本发明构思的一些实施例的完整的双等级计量器的示图。这种双等级计量器包括这里讨论的流量管。图9仅作为示例被提供，并且因此本发明构思的实施例不限于此。
64.虽然在此关于气体讨论了本发明构思的实施例，但是本发明构思的实施例不限于此。这里讨论的实施例能够被用于认为本发明构思有用的任何类型的计量器中而不背离本发明构思的范围。
65.如上文简要讨论的，本发明构思的实施例提供了能够以多个等级操作的计量器，例如200和400流量等级。计量器和流量管的设计已经被定制成处理两个等级。如上文讨论的，面对面换能器设计使所有流速下的声波速度最大化；流量管的长度被选择成使得流量管尽可能短而不牺牲流量准确性；流量管进口被构造成优化径向对称流；并且流量管出口被设计成在离开流量管时使气体有效减速。
66.在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型优选实施例，并且虽然使用了特定术语，但是它们仅以通用和描述性意义被使用并且不出于限制性目的，本发明的范围在所附权利要求中阐述。