一种对射式小口径超声波流量计技术领域
本发明属于管道传输流体流量计量技术领域，具体涉及对射式小口径超声波流量
计。
背景技术
超声波流量计和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比具有计量精度高、
量程比更大，更能适应被测流体温度、压力、密度等参数的变化，对管径及其管道水平、垂直
走向的适应性强，使用方便，易于数字化管理等优点。目前，超声波流量计已经广泛的应用
到市政供热、水务、工业、矿山、发电厂等流量测量领域，技术日益成熟。
然而，对于小口径管道，由于其管道直径本身较小，对于标准给定的管段长度，换
能器设置在如此小的管径的通道中是个技术难题，制约着超声波流量计在小口径管道流量
计量的应用，例如，生活用水领域等。
对于小口径超声波流量计，常用的有两种，一种是反射式超声波流量计，例如中国
专利CN 201697666 U和CN 104764499 A，由于其本身工作原理的限制，存在诸多缺点。超声
波由一个换能器发射，先后经过了两个反射板的反射后，被另一个换能器接收。超声波的每
一次反射都会有能量损耗，最后换能器能接收到的平面声波的首波的能量通常只有发射波
首波的14％，能量损耗非常大。86％的超声波都通过管壁漫反射，而且，漫反射形成的次波
容易叠加干扰在第二个反射面的反射波，形成杂波影响和干扰接收换能器的接收。通常换
能器能够接收到首波最小的安全值是20mv，为了保证这一稳定的信号值，换能器的功率和
尺寸往往需要做的较大，目前，通常采用换能器发射面积为Φ17mm(封装后)。目前反射板的
面积大约为Φ8mm，从反射的角度其面积越大越好，但过大会阻水并产生涡流，影响声波速
度稳定，使计量不准确；反射板一直处于水流中，尤其在热水中，长期使用表面容易结垢，反
射效率降低。一旦首波信号小于20mv，接收到的信号就会不稳定，将导致计量无法正常进
行。为保证活接安装需求，换能器安装柱必须设置在管段两端的外螺纹的内侧。所以，在有
限的管段长度下，这就缩短了两个换能器间的距离，降低了流量计的量程比。
另一种是对射式流量计，例如中国专利CN 201503288 U，提供了一种超声波流量
表换能器，管段为分段结构，换能器对射方式设置于管段中。首先，其本身的结构是，在固定
换能器的管段处直径较大，管段两端连接处以及管段中间的直径较小。换能器固定处的管
段结构特殊，只能采用注塑加工方式。其次，换能器的信号输出缆线在换能器的上方，位于
管段外螺纹的内侧，由于本身结构限制，换能器只能设置于流量计管段两端较远处，超声波
的声程较短，降低了流量计的量程比。另外，流量计整体都采用塑料结构，分段注塑加工获
得，然后通过螺栓紧固连接。由于采用塑料材料，受温度影响，塑料管段的变形较大，这必然
会影响换能器的准确定位，进而流量计量的稳定性。同时，分段加工再通过螺栓紧固的加工
方式复杂，拆装工序复杂。塑料管段在与活接连接时，螺纹强度差，容易损坏，安装不牢靠。
发明内容
针对现有技术中小口径超声波流量计存在的问题，提供了一种对射式小口径超声
波流量计。
一种对射式小口径超声波流量计，包括管段外层、管段内层、换能器组件，所述管
段内层的端部形成有换能器安装座，所述换能器组件安装于安装座中，两对换能器组件成
对设置，所述管段内层安装在管段外层内部。
所述管段内层中间部管段直径小于两端。
所述管段内层包括通过卡扣相连接的管段第一内层和管段第二内层，所述管段第
一内层和管段第二内层的非卡扣连接端沿径向向外凸出形成环形凸台边缘，所述环形凸台
边缘上沿轴向向内凸出形成矩形凸台，所述管段外层两端扩孔加工得到与环形凸台边缘相
适配的第一孔，并在内壁上开设与矩形凸台相适配的第一槽，所述矩形凸台可设置多处，
所述管段第一内层卡扣连接端设置有扣件，扣件上开设环形扣槽，管段第二内层
卡扣连接端设置有卡件，所述卡件上沿径向方向向外凸出形成环形第二凸起，所述扣件和
卡件卡合连接，第二凸起固定在扣槽中。
还包括第一密封圈，第二密封圈，所述管段第一内层和管段第二内层的端部开设
第一环形槽，所述第一密封圈设置于第一环形槽中，所述第二密封圈设置于扣槽与卡件形
成的腔体中。
所述换能器组件包括由内到外依次设置在安装座中的换能器、密封垫、压片和防
护帽，所述安装座包括与管段轴线平行的安装孔、将安装孔与外部连通的穿线孔，所述安装
孔端部沿径向向内凸出形成边缘凸起，沿轴向凸出形成第二卡件，所述防护帽包括与第二
卡件相适配的第二扣件和压紧部，防护帽通过第二扣件和第二卡件扣合紧密，压紧部进一
步压紧压片。
本发明的有益效果：
1.超声波采用对射式发射与接收，在得到相同的信号接收能量时，可以降低换能
器的发射能量，延长电池使用寿命。以DN20为例，换能器接收到的首波能量比反射式大4倍，
所以换能器尺寸由Φ17mm适当减小为Φ12mm。
2.换能器设置于管段两端外螺纹的正下方，更靠近管段两端口，其引出线是通过
管段中间出口引出，不会干扰活接安装，按照时差公式及推算可知，增大了流量计的量程
比。以DN20为例，两换能器之间的距离，由反射式的60mm，提升到85mm。
3.整个管体内部管段外层与管段内层之间的腔体是无水的，这样有效解决金属管
段内部腐蚀及结垢问题，金属管段接口处有塑料翻边保护，也不接触水，因此，这种设计可
以采用铜、不锈钢以及之外的标准管件，例如，镀锌钢管，铝管等，在保证强度情况下，可以
大大降低成本。
4.小型无台阶形换能器设计，既解决了小管径内无法安装换能器的问题，又不会
增加压损，通过软件分析优化，使水流得到整流，减少紊流，使计量更准确，以DN20为例，其
固定换能器部分的通水面积是中间缩颈部分面积的1.3倍。
5.流量计管段结构简单，不需要以往的锻压制造，外层可以选用标准管材，金属管
段接口处有塑料翻边保护，整体金属管都不接触水。因此，这种设计可以采用铜、不锈钢以
及之外的标准管件，例如，镀锌钢管，铝管等，在保证强度情况下，可以大大降低成本。
6.管段内层结构组装方便快捷，定位准确，卡扣牢靠，外圈密封良好。
7.管段内层与管段外层内壁有预留空间，整个腔体是无水的，这样有效防止换能
器连线泡水，还可以有效抗冻。即在冰点附近时，管段内套在冰膨胀时的微变形能有效克服
冰冻破坏管段。
8.管段外层为金属制造，所以，安装活接不会破坏螺纹。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图；
图2为本发明一个实施例中间部分结构示意图；
图3为本发明一个实施例管段内层结构示意图；
图4为本发明实施例换能器组件局部结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案做进一步说明。
一种小口径对射式超声波流量计，如图1所示，包括管段外层1、管段内层2、换能器
组件3、电路盒4，所述电路盒4设置在管段外层1上，所述管段内层2为注塑一体成型加工制
成，其端部形成有换能器安装座23，所述换能器组件3安装于安装座23中，两对换能器组件3
成对设置，所述管段外层1为标准管材，两端加工有外螺纹，用于连接入测量的管路。所述管
段内层2安装在管段外层1内。
管段外层1选用标准管材，例如，镀锌钢管，铝管等，材料成本较低，加工方便，可靠
性高，包套在管段内层2外部，起到保护支撑的作用，防止管段内层2受环境温度影响产生的
变形，从而影响计量精度。换能器组件3在管道内，超声波采用对射式发射与接收，相比反射
式超声波流量计，超声波没有经过两次反射，能量没有反射衰减损耗，换能器可以采用较小
尺寸规格，其信号就可以达到可识别程度。按照DN20管段实验测试得到其接收能量比反射
式大4倍，所以可以将换能器尺寸由Φ17mm适当减小至Φ12mm，这样，在得到相同的信号接
收能量时，换能器的发射能量较低，延长电池使用寿命。
所述管段内层2中间部管段直径小于两端，如图1、3所示，管段外层1内壁与管段内
层2外壁之间形成腔体6。管段内层2的中间部可设置加强筋208。在同样的流量下，由于管段
内层2缩径(与现在供热DN20流量计相同，为Φ14mm)，所以流速较快，超声波的时差变大，流
量计的测量精度范围得到提高。
所述管段内层2包括通过卡扣相连接的管段第一内层21和管段第二内层22，如图
1、3所示，所述管段第一内层21和管段第二内层22的另一端沿径向向外凸出形成环形凸台
边缘204，所述环形凸台边缘204上沿轴向向内凸出形成矩形凸台205，所述管段外层1两端
扩孔加工得到与环形凸台边缘204相适配的第一孔101，并在内壁上开设与矩形凸台205相
适配的第一槽。管段第一内层21和管段第二内层22通过卡扣连接牢固，不会左右移动分开，
环形凸台边缘204分别卡合于管段外层1两端第一孔101中，定位管段内层2的轴向方向的自
由度。管段内层2上的矩形凸台205卡合在第一槽102中，定位管段内层2绕轴向旋转的自由
度。所述矩形凸台205可设置多处，如图4所示，本实施例设置有两处。采用卡扣连接的方式，
方便可靠，比螺栓固定安装简单方便，管段内层2的轴向移动和轴向旋转定位准确可靠。
所述管段内层2卡扣连接结构为，如图2所示，管段第一内层21卡扣连接端设置有
扣件24，扣件24上开设环形扣槽241，管段第二内层22卡扣连接段设置有卡件25，所述卡件
25上沿径向方向向外凸出形成环形第二凸起251，所述扣件24和卡件25卡合连接，第二凸起
251固定在环形扣槽241中。
超声波流量计还包括第一密封圈501、第二密封圈502，如图4所示，所述管段第一
内层21和管段第二内层22的端部开设第一环形槽206，所述第一密封圈501设置于第一环形
槽206中，通过管段外层1的内壁压紧，防止管道中的水通过管段内、外层之间的间隙进入到
腔体6中。所述第二密封圈502设置于环形扣槽与卡件25形成的腔体中，防止管道中的水从
卡扣连接处进入到腔体6中。
整个管体内部管段外层1与管段内层2之间的腔体6是无水的，给冰的微小膨胀提
供伸缩空间，可以有效防止温度低时管路冻裂；由于无水，避免了金属管段内部腐蚀及结垢
问题，可以采用铜、不锈钢以及镀锌水煤气管、铝管等。
所述换能器组件3包括由内到外依次设置在安装座23中的换能器301、密封垫302、
压片303和防护帽31。如图4所示，所述安装座23包括与管段轴线平行的安装孔234、将安装
孔234与外部连通的穿线孔233，换能器301的连接线经过穿线孔233引入到腔体6中后进入
电路盒4。所述安装孔234端部沿径向向内凸出形成边缘凸起231，沿轴向凸出形成第二卡件
232。所述防护帽31包括与第二卡件23相适配的第二扣件312和压紧部311。压片303的外径
等于安装孔234的孔径，通过边缘凸起231压紧安装于安装孔234中，密封垫302弹性变形被
压紧，密封垫302可以采用硅胶材质制成。防护帽31通过第二扣件312和第二卡件232扣合紧
密，压紧部311进一步压紧压片303，同时压片303给防护帽31一个反作用力，整个换能器组
件3紧安装定位准确牢固了。换能器组件3安装的位置位于管口螺纹的正下方，与现有技术
不同，两换能器组件3之间的距离较大。其引出线是通过管段中间出口引出，管段中间出口
处设置有密封垫，防止外部杂质进入腔体6。以DN20为例，两换能器之间的距离，从反射式的
60mm提升到85mm，增大了对射的换能器的对射距离，即声程。对于按标准给定的管段长度，
增大换能器之间的对射距离有重要意义。
超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速V平均的信息。因此通过接收到的超
声波的时差就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。相互配合使用的两个换能器组件3
同时发射超声波，然后接收所发射的超声波，根据接收到的时间差△t就可以计算出管段内
层2中的液体流量：
c1＝c+V平均，顺流声速
c2＝c-V平均，逆流声速
t1＝L/c1，顺流时间
t2＝L/c2，逆流时间
c＞＞V平均
制定常数K,令
现在的时差芯片能够计算出时差△t的最小值是2.5nS，在△t不变的条件下加大L
值可以有效地减小V平均值，即流量计可以测量满足精度要求的最小流速，当管道直径D一定
时，截面积S就确定，T是单位时间(小时)，那么流量Q1与流速V平均成正比，即V平均越小，单位时
间的流量Q1越小，而量程比(Q3/Q1)越大，提高了流量计的最小计量精度，即增大流量计的量
程比。
其中：
c，超声波在被测液体中速度；
c1，去程超声波速度；
t1，去程时间；
c2，回程超声波速度；
t2，回程时间；
Δt，去回程时间差；
V平均，能测量到的管内流体最小平均流速；
L，换能器间对射距离，即声程；
S,管段横截面；
Q1,流量计能计量的最小流量；
Q3,常用流量，对特定口径，为定值。
换能器301为小型无台阶形换能器设计，去掉了多余的压紧固定台，并且将换能器
301表面尺寸缩小为Φ12mm，解决了小管径内不能安装换能器的问题。以DN20为例，其固定
换能器部分的通水面积是中间缩颈部分面积的1.3倍，既解决了小管径内无法安装换能器
的问题，又不会增加压损，通过软件分析优化，使水流得到整流，减少紊流，使计量更准确。
整个管体内部管段外层1与管段内层2之间的腔体6是无水的，这样有效防止换能
器连线泡水。
可理解的是，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人
员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变
化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。