一種超聲波燃氣表或流量計反射面的設計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超聲波燃氣表或流量計反射面的設計方法，利用光源從橢圓的一焦點發(fā)出后，經(jīng)內曲面反射必匯聚于另一焦點的特性，將反射面設計為橢圓面，避免了因相位差導致接收信號減弱較大的問題，能夠將其中一個換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)反射面反射后能夠匯聚于另一個換能器，提高了反射效率。
【專利說明】
-種超聲波燃氣表或流量計反射面的設計方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及超聲波燃氣表的附屬部件，具體設及一種超聲波燃氣表或流量計反射 面的設計方法。
【背景技術】
[0002] 超聲波燃氣表和流量計通常設有流道，流道內表面設有若干用于反射超聲波的反 射面，每個反射區(qū)域均設有一個反射面。流道內還設有兩個換能器，超聲波經(jīng)過其中一個換 能器發(fā)出，經(jīng)運些反射面反射后，被另一個換能器接收，通過改變反射面的設置數(shù)量，可使 得超聲波的聲程為"V"型、"N"型、型等。
[0003] 理想的超聲波發(fā)射裝置發(fā)射出的超聲波脈沖為匯聚的直線，但是，由于生產(chǎn)技術 和工藝的限制，實際生產(chǎn)的超聲波發(fā)射裝置的超聲脈沖并非直線匯聚發(fā)射，而是與YAGI天 線的波瓣類似(參見圖5)。目前，反射體在設計過程中僅需使其與流道內壁齊平，此種設計 方法所得的反射面為平面，當超聲波信號經(jīng)過流道后反射面反射后發(fā)散更為嚴重(參見圖 6)，導致超聲波信號除了在傳播過程中有能量衰減，還會因為反射體的反射產(chǎn)生更為嚴重 的發(fā)散，接收端捕獲的有效能量更少，加上安裝等工藝誤差因素，使接收信號在源頭上的信 噪比大為降低。

【發(fā)明內容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術中所存在的不足，現(xiàn)提出了一種超聲波燃氣表或流量計反射面的設 計方法，W提高反射效率。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術方案：
[0006] -種超聲波燃氣表或流量計反射面的設計方法，包括W下步驟：
[0007] 1)確定流道初始寬度：
[000引設定流道為長方體流道，根據(jù)流道內流量Q、流道的厚度及流體流速V推導該流道 的初始寬度L，其中流道厚度等于超聲波換能器直徑D;
[0009] 2) W步驟1)中所得到的流道寬度為楠圓的短半軸，短半軸一端為原點，確定楠圓 的兩焦點Fl和F2的坐標，即兩個換能器的安裝位置，兩焦點均位于流道內壁，且兩焦點的連 線與流道軸線平行，若發(fā)射角為則F1、F2的坐標分別為化.cota，〇)和(-L . CO化，0); [0010] 3)繪制楠圓，得到如下楠圓方程式：
[0011]
[0012] 4)確定反射面位置:該反射面位于流道內壁上，且與步驟3)中楠圓方程的軌跡重 畳。
[0013]聚1)中初始寬度L的推導公式如下：
[0014]
[0015] 其中，^ax為流道內最大流量，Vmzx流體最大流速。
[0016] 進一步，該發(fā)射角為a為45°。
[0017] 進一步，步驟4)中，反射面位置確定后，對初始寬度L進行修正，修正后的修正寬度 b小于初始寬度L，使得反射面為凹陷設置在流道內的楠圓面。
[0018] 進一步，所述修正寬度^由超聲波全功率聲程的偏移角度閒角定；即W焦點Fl為起 點，焦點Fl或F2與短半軸上遠離原點的端點B之間的連線1作為起始線，向發(fā)射角a內角方向 偏移，實際偏移角度&均大于e，該連線1偏角后得到偏移線h，偏移線h和楠圓短半軸OB之 間的楠圓弧面則為半反射面，沿短半軸對稱可確定最終反射面，該修正寬度為：
[0019] =
[0020] 其中，Z為沿短半軸方向上端點B與交點D之間的距離，該交點D為偏移線h與楠圓 軌跡的交點。
[0021] 進一步，所述偏移角度PW超聲波理論速度矢量和最大流速矢量為初始矢量利用 =角形法則確定。
[0022] 進一步，所述單邊實際偏移角度執(zhí)= 20。
[0023] 相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0024] 本發(fā)明利用光源從楠圓的一焦點發(fā)出后，經(jīng)內曲面反射必匯聚于另一焦點的特 性，將反射面設計為楠圓面，避免了因相位差導致接收信號減弱較大的問題，能夠將其中一 個換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)反射面反射后能夠匯聚于另一個換能器，提高了反射效率。
【附圖說明】
[0025] 圖1為流道內輪廓截面圖；
[0026] 圖2為圖1的左視圖；
[0027] 圖3為S角形矢量運算示意圖；
[00%]圖4為修正寬度示意圖；
[0029] 圖5換能器發(fā)射波瓣圖；
[0030] 圖的見有超聲波鏡面反射示意圖。
【具體實施方式】
[0031 ]下面將結合附圖，對本發(fā)明的實施例進行詳細的描述。
[0032] 本實施例中，W現(xiàn)有某型號的超聲氣體流量計為例，實際測量其最大流量為 160m3/h，流道中對應最大流速約為22.7m/s，換能器直徑為10mm，發(fā)射角為45°。
[0033] 本發(fā)明的設計方法包括W下步驟：
[0034] 1)確定流道初始寬度：
[0035] 參見圖1，設定流道為長方體流道，根據(jù)流道內流量Q、流道的厚度及流體流速V推 導該流道的初始寬度L，其中流道厚度等于超聲波換能器直徑D，具體公式如下：
[0036]
[0037] 其中，為流道內最大流量，Vmzx為最大流速。
[0038] 具體的，將最大流量、最大流速及換能器直徑帶入公式(1)中，得到L>196mm。
[0039] 2)參見圖2, W步驟I)中所得到的流道寬度為楠圓的短半軸，短半軸一端為原點， 確定楠圓的兩焦點Fl和F2的坐標，即兩個換能器的安裝位置，兩焦點均位于流道內壁，且兩 焦點的連線與流道軸線平行，發(fā)射角為日，則F1、F2的坐標分別為化? COta,0)和(-L . CO化， 0)〇
[0040] 則本實施例中，由于發(fā)射角a為45°，F(xiàn)1、F2的坐標分別為化，0)和(-L，0)，即（196， 0)和(-196,0)。
[0041] 3)繪制楠圓，得到如下楠圓方程式：
[0042]
[0043] 本實施例中，參見圖2,由于發(fā)射角a為45°，得到的楠圓方程式為：
[0044]
[0045] 4)確定反射面位置:該反射面位于流道內壁上，且與步驟3)中楠圓方程的軌跡重 畳。
[0046] 本發(fā)明利用光源從楠圓的一焦點發(fā)出后，經(jīng)內曲面反射必匯聚于另一焦點的特 性，將反射面設計為楠圓面，將兩換能器分別設置在該楠圓面對應的兩個焦點處，使得其中 一個換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)反射面反射后能夠匯聚于另一個換能器，避免了因相位差導致 接收信號減弱較大的問題，提高了反射效率。
[0047] 作為上述方案的改進，步驟4)中，反射面位置確定后，對初始寬度L進行修正，修正 后的修正寬度b小于初始寬度L，使得反射面為凹陷設置在流道內的楠圓面，運種凹陷的楠 圓面更易加工。
[004引更為優(yōu)化的，修正寬度^由超聲波全功率聲程的偏移角度0確定，而該偏移角度0 W超聲波理論速度矢量和最大流速矢量為初始矢量利用=角形法則確定。
[0049] 確定偏移角度即寸，參見圖3，繪制超聲波理論速度矢量和最大流速矢量，通過=角 形法則得到實際速度矢量，通過計算或CAD軟件測量，可分別得到順流和逆流時，超聲波理 論速度矢量與實際速度矢量之間的偏移夾角即為偏移角度e。
[0050] 此處，設定超聲波速度為340m/s，將最大流速Vmzx = 22.7m/s，利用S角形矢量運算 得到順流時最大功率角度偏差為2.58°，逆流時最大功率角度偏差為2.84°，取偏移角度0 = 3°。也就是說，即使可W達到無誤差安裝固定，在流量不同時，最大功率角度會受到流速的 影響而在3°之內改變。
[0051 ]確定修正寬度^時，W焦點Fl或F2為起點，焦點Fl或F2與短半軸上遠離原點的端 點B之間的連線1作為起始線，向發(fā)射角a內角方向偏移，實際偏移角度01均大于0，此處，單 邊實際偏移角度01 = 20 = 6%該連線1偏角后得到偏移線h，偏移線h和楠圓短半軸OB之間 的楠圓弧面則為半反射面，沿短半軸對稱可確定最終反射面，該修正寬度為：
[0化2] ^ = L-Z
[0053] 其中，Z為沿短半軸方向上端點B與交點D之間的距離，該交點D為偏移線h與楠圓 軌跡的交點。
[0054] 具體實施時，參見圖4,可在CAD軟件上根據(jù)初始寬度L繪制流道平面圖，并對應該 流道繪制出楠圓軌跡;然后繪制出起始線1，并根據(jù)實際偏移角度&繪制偏移線h，使得偏移 線h與楠圓軌跡相交，偏移線h和楠圓短半軸OB之間的楠圓弧面則為半反射面，沿短半軸對 稱可確定最終反射面;而^可直接測出，或線測出Z后，計算得出。
[005引此處，Li = kz = 196-2.4= 193.6mm，而反射面兩端點坐標為（±43.1,193.6)。
[0056] 本發(fā)明中，實際偏移角度大于0，使得換能器能夠接收完整的超聲波信號，流道內 可采用雙向計量方法，可實現(xiàn)雙向進氣，而將實際偏移角度擴大到e的兩倍，量程更大，超聲 波接收更為完整，且更便于生產(chǎn)。
[0057] 最后說明的是，W上實施例僅用W說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可W對本發(fā)明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本 發(fā)明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種超聲波燃氣表或流量計反射面的設計方法，其特征在于包括W下步驟： 1) 確定流道初始寬度： 設定流道為長方體流道，根據(jù)流道內流量Q、流道的厚度及流體流速V推導該流道的初 始寬度L，其中流道厚度等于超聲波換能器直徑D; 2. W步驟1)中所得到的流道寬度為楠圓的短半軸，短半軸一端為原點，確定楠圓的兩 焦點Fl和F2的坐標，即兩個換能器的安裝位置，兩焦點均位于流道內壁，且兩焦點的連線與 流道軸線平行，若發(fā)射角為則F1、F2的坐標分別為化? cota，〇)和(-L . CO化，0); 3) 繪制楠圓，得到如下楠圓方4) 確定反射面位置:該反射面位于流道內壁上，且與步驟3)中楠圓方程的軌跡重疊。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種超聲波燃氣表反射面的設計方法，其特征在于:步驟1)中 初始寬度L的推導公式如下：其中，Qmax為流道內最大流量，Vmzx流體最大流速。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種超聲波燃氣表或流量計反射面的設計方法，其特征在于： 該發(fā)射角為a為45°。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種超聲波燃氣表或流量計反射面的設計方法，其特征在于： 步驟4)中，反射面位置確定后，對初始寬度L進行修正，修正后的修正寬度^小于初始寬度 ^使得反射面為凹陷設置在流道內的楠圓面。5. 根據(jù)權利要求4所述的一種超聲波燃氣表或流量計反射面的設計方法，其特征在于： 所述修正寬度b由超聲波全功率聲程的偏移角度閒角定；即W焦點Fl為起點，焦點Fl或F2與 短半軸上遠離原點的端點B之間的連線1作為起始線，向發(fā)射角a內角方向偏移，實際偏移角 度&均大于0，該連線1偏角后得到偏移線h，偏移線h和楠圓短半軸OB之間的楠圓弧面則為 半反射面，沿短半軸對稱可確定最終反射面，該修正寬度為： Li 二 L一 Z 其中，Z為沿短半軸方向上端點B與交點D之間的距離，該交點D為偏移線h與楠圓軌跡的 交點。6. 根據(jù)權利要求5所述的一種超聲波燃氣表或流量計反射面的設計方法，其特征在于： 所述偏移角度ew超聲波理論速度矢量和最大流速矢量為初始矢量利用=角形法則確定。7. 根據(jù)權利要求5所述的一種超聲波燃氣表或流量計反射面的設計方法，其特征在于： 所述單邊實際偏移角度01 = 20。
【文檔編號】G01F1/66GK105987732SQ201610609468
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年7月28日
【發(fā)明人】龔偉, 羅洪偉, 黃世新, 劉中華
【申請人】重慶前衛(wèi)克羅姆表業(yè)有限責任公司