可調(diào)芯管角度全塑短管超聲波水表研制

戰(zhàn)國隆，賈俊喜，王強學，牛少卿

?灌溉技術(shù)與裝備?

可調(diào)芯管角度全塑短管超聲波水表研制

戰(zhàn)國隆1, 2，賈俊喜2，王強學2，牛少卿1

（1.大禹節(jié)水（天津）有限公司 天津市節(jié)水灌溉裝備企業(yè)重點實驗室，天津 武清 301712；2.天津市大禹節(jié)水灌溉技術(shù)研究院，天津 武清 301712）

【目的】提高農(nóng)田灌溉和供水超聲波水表密封性、生產(chǎn)效率、耐候性等問題?！痉椒ā坎捎貌牧细男耘c新型水表結(jié)構(gòu)設計相結(jié)合的方法，開展了超聲波水表換能器與密封結(jié)構(gòu)、配方改性材料等方面的研究?！窘Y(jié)果】①采用可調(diào)角換能器結(jié)構(gòu)和平滑內(nèi)腔，流場穩(wěn)定，減少水表底部結(jié)垢對超聲波水表精度的影響，適應不同安裝條件；②設計了機械密封結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)灌膠密封水表不可重復維修利用的難題，提高了水表使用壽命及耐壓穩(wěn)定性和密封性能；③采用80 mm短管型式顯著減小了超聲波水表長度；玻纖加尼龍66工藝配方塑化生產(chǎn)大幅度降低水表質(zhì)量，提高了耐候性和生產(chǎn)效率?！窘Y(jié)論】研制的一種新型結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的超聲波水表，依據(jù)《飲用冷水水表和熱水水表》（GB/T 778.4—2018）進行測試，水表達到1級精度；可靠性、耐候性、安裝方便程度顯著提高，生產(chǎn)成本大幅降低。

超聲波水表；可調(diào)角換能器；機械密封

0 引言

【研究意義】我國農(nóng)業(yè)用水占到總用水量60%以上，存在用水粗放、用水效率低，節(jié)水管理機制不健全等問題。量測設備配備及水量精準計量是施行農(nóng)業(yè)用水管理、實現(xiàn)“總量控制定額管理”的基礎，也是保障農(nóng)業(yè)水價綜合改革的前提條件。

【研究進展】超聲波水表由于受環(huán)境和水質(zhì)影響較小，目前在灌溉和供水水量計量中得到大量應用[1-3]。王賢妮等[7]、寧晨等[8]、程杰等[9]對機械式水表、電磁式水表、射流式水表、超聲波水表進行了性能參數(shù)對比，提出超聲波水表在性能和應用前景上優(yōu)于電磁水表、射流式水表和機械水表；楊劍[13]使用FPGA技術(shù)對超聲波流量計做了進一步的研究；黃僑蔚[16]利用CFD技術(shù)對比不同結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析對流量計內(nèi)流速穩(wěn)定性的影響，進而得出各個參數(shù)的最優(yōu)尺寸。李明偉等[17]推導了適用于管道流量測量的Lamb波的色散方程，建立了一套管道Lamb波理論。【切入點】但存在以下問題：第一，傳統(tǒng)超聲波水表換能器安裝孔位固定，受安裝條件限制，會造成換能器位于管道底部，在管道存在雜質(zhì)沉淀情況下，超聲波水表計量精度和穩(wěn)定性受到很大影響，甚至無法計量。同時，傳統(tǒng)超聲波水表相同管徑情況下根據(jù)測量聲道數(shù)的不同采用的殼體型式不同，顯著增加了生產(chǎn)制造成本；二是傳統(tǒng)超聲波水表干濕隔離即殼體與電池電路板之間的隔離大多采用灌膠密封，由于膠體老化或熱脹冷縮等易造成密封部位滲水，影響水表使用的可靠性；在水表需要維修調(diào)整時，往往需要人工敲掉密封膠，費時費力，易造成水表損壞，降低了水表使用壽命，增加了運維費用；三是傳統(tǒng)超聲波水表多采用金屬鑄件，表體管段較長，使用過程中存在易生銹、自重量大、運輸和安裝不便等?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為此，本文從超聲波水表新型結(jié)構(gòu)設計和配方材料改性出發(fā)，以提高超聲波水表性能和降本增效為目標，研究換能器結(jié)構(gòu)、膠封和機械密封及材料對超聲波水表的性能影響，開發(fā)新型超聲波水表換能器、密封結(jié)構(gòu)、玻纖加尼龍66塑化工藝配方等，為具有新型密封結(jié)構(gòu)和材料的超聲波水表研究提供參考。

1 設計與方法

1.1 超聲波水表結(jié)構(gòu)設計

超聲波水表是通過檢測超聲波聲束在水中順流逆流傳播時因速度發(fā)生變化而產(chǎn)生的時差，分析得出水的流速從而進一步計算流量的一種新式水表。傳統(tǒng)超聲波水表換能器組件在管段結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間位置固定，當測量管段內(nèi)的水量突然變小時，會導致超聲波在水中傳播時出現(xiàn)信號傳導上的失真，直接影響超聲波水表的測量精度；換能器定位孔確定后安裝方式不能變換，只能按照定位換能器“反射式”或“對射式”固定安裝[1-2]。針對上述問題，將與水表主體基表配套的換能器固定安裝座設計為相鄰定位柱之間的夾角為90°，2個可拆卸的半圓柱芯管以特定角度固定在基表內(nèi)部，在表頭和基表不變的情況下，通過更換不同的半圓芯管便可以改變換能器的安裝方式及數(shù)量，安裝座與同一種結(jié)構(gòu)的水表主體基表匹配，安裝座（內(nèi)支架）和水表主體基表（外承壓防水）的結(jié)構(gòu)設計，提高了膠密封換能器和信號線安裝效率，實現(xiàn)對射類、反射類、單聲道類、多聲道類等不同結(jié)構(gòu)的超聲波水表制造。結(jié)構(gòu)設計見圖1、圖2所示。

圖1 新型超聲波水表與傳統(tǒng)超聲波水表示意圖

圖2 新型超聲波水表換能器結(jié)構(gòu)圖

水表干濕隔離采用螺釘固定表頭下殼壓緊密封壓蓋，使雙孔橡膠密封塞發(fā)生擠壓密封，如圖3所示。相較于傳統(tǒng)灌膠密封，受沖擊及溫度等外界因素影響小，可實現(xiàn)長期可靠的密封效果；密封結(jié)構(gòu)省去了傳統(tǒng)水表組裝工序中的灌膠和固化環(huán)節(jié)以及多股線出線承壓密封難題，減少了生產(chǎn)流程，提高水表生產(chǎn)組裝效率。采用短管方式，DN65超聲波水表長度由220 mm減少到80 mm，降低了原料成本。

圖3 超聲波水表機械密封結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 超聲波水表承壓部件靜應力有限元分析

超聲波水表閥體作為水表主要的承壓部件，為驗證閥體承壓強度，通過Solid Works simulation對閥體承壓部件進行靜應力分析。綜合考慮結(jié)構(gòu)強度及耐候性，閥體材料選用機械強度高、耐候性能好的PA66+25%GF（尼龍+25%玻纖）增強樹脂，相關(guān)參數(shù)見表1。

網(wǎng)格劃分采用高品質(zhì)四面體網(wǎng)格，相關(guān)參數(shù)見表2、圖4，根據(jù)曲率進行了網(wǎng)格細化，見圖5；表體受力面主要是表體內(nèi)環(huán)面，設計壓力為1.0 MPa，表體最大承壓為設計壓力1.5倍，見圖6。

表1 靜應力有限元分析參數(shù)表

表2 有限元網(wǎng)格劃分參數(shù)

圖4 表體靜應力分析網(wǎng)格劃分

圖5 局部細化網(wǎng)格

Fig.5 Local refinement grid

圖6 基表受力邊界條件設置

圖7 表體應力云圖

圖8 表體位移云圖

圖9 表體應變圖

根據(jù)圖7—圖9可知，在1.5倍設計壓力下，基表內(nèi)圈受到水壓力作用向外膨脹變形，應力通過內(nèi)外圈連接筋板作用到基表外圈。由于內(nèi)圈受到筋板和外圈的支撐約束，在筋板和內(nèi)外圈連接部位出現(xiàn)了較大的應力集中。表體應力與應變最高點在筋板與內(nèi)圈外部鏤空處，最大應力為11.7 MPa；位移與筋板之間的深度相關(guān)，最大位移為0.012 mm，所選用材料及結(jié)構(gòu)設計強度滿足使用需求。因此，在表體設計中尤其是要注意內(nèi)壁厚度，筋板間深度滿足連接膠圈安裝即可，避免深度過大造成應力與位移的疊加，增加內(nèi)壁中部承壓。

1.3 流場模擬與分析

為了分析管道內(nèi)換能器安裝位置對流場的影響，設計了模擬管道并安裝水表，對流體子域的入口管道、出口管道及水表芯管內(nèi)部過流區(qū)域進行了邊界設置和網(wǎng)格劃分，采用k-ε湍流模型，表面溫度293 K，表面粗糙度6.3 μm，設定入口流速2 m/s，出口壓力101 kPa，模擬換能器安裝位置對流場的影響。

圖10 流體子域及邊界條件設置

圖11 流體網(wǎng)格劃分

圖12 換能器安裝軸線平面流線分布圖

圖13 垂直于換能器安裝軸線平面的流線分布圖

由圖12、圖13流動模擬結(jié)果可知，換能器安裝軸線平面流線分布圖可明顯看出流速變化區(qū)域，主要集中在水流與換能器接觸面；垂直于換能器安裝軸線平面的流線分布圖未見明顯流速變化區(qū)域；管壁換能器安裝位置，突出的圓弧結(jié)構(gòu)部分最大流速點在換能器仰角與水流接觸處，區(qū)域很小，整體紊流區(qū)域較小，多數(shù)區(qū)域流速穩(wěn)定，流動較為平穩(wěn)，保障了超聲波水表的精度。同時，換能器背水側(cè)未產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，內(nèi)腔平滑設計減小了噪音，可保證水表長期運行的可靠性。

1.4 產(chǎn)品性能測試

采用《冷水水表檢定規(guī)程》（JJG162—2009）與《飲用冷水表和熱水水表系列標準》（GB/T 778—2018）作為檢測標準。檢驗設備在大禹節(jié)水（天津）有限公司廠區(qū)內(nèi)，是經(jīng)天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院檢定合格的專用水表檢測臺，檢驗裝置見圖14。采用稱質(zhì)量法檢定方式，包括4個不同口徑的標準電磁流量計、標準稱重臺、水箱、水泵、穩(wěn)壓罐、壓力傳感器、溫度傳感器以及升、降溫系統(tǒng)等。電磁流量計采用電磁分離傳感器，精度為0.2%。標準容器稱質(zhì)量臺的最小分辨力為0.025 kg。升、降溫系統(tǒng)裝置的溫度范圍為0～90 ℃，檢測結(jié)果見表3。

圖14 超聲波水表檢測臺

表3 超聲波水表誤差檢測

注1為對應最小流量測試時段的示值；2為對應分界流量測試時段的示值；3為對應常用流量測試時段的示值；4為對應過載流量測試時段的示值。

通過表3可知，試驗的10塊超聲波水表，依據(jù)《飲用冷水水表和熱水水表》（GB/T 778.4—2018），2和4高區(qū)流量（2≤≤4）誤差在±2%以下；1和2低區(qū)流量（1≤≤2）的誤差均小于最大允許誤差（±3%），達到了1級水表精度要求。

2 討論

郭志新等[18]針對農(nóng)田灌溉量水要求的經(jīng)濟性和水質(zhì)的特殊性，研制了旋杯式農(nóng)用水表，但目前市場應用較少。烏駿等[19]應用Fluent軟件對DN80農(nóng)用水表內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，計算了6個流量點下的轉(zhuǎn)速，獲得了水表內(nèi)部壓力與速度分布信息，并結(jié)合試驗結(jié)果對模擬誤差曲線進行對比分析, 整體趨勢和吻合度較高。計宏輝[20]根據(jù)葉輪式水表的結(jié)構(gòu)和工作原理分別建立數(shù)學理論模型和三維結(jié)構(gòu)模型，對不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的水表進行仿真分析，使用流量性能測試臺進行了性能測試，初步建立水表流量測量特性曲線，指導水表結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，為加快水表新產(chǎn)品研發(fā)的進度、減少新產(chǎn)品研發(fā)投入的成本、穩(wěn)定生產(chǎn)提供了經(jīng)驗參考。

本文所設計的超聲波水表主要過流部件均采用高分子復合材料注塑而成，相較于傳統(tǒng)的金屬鑄件超聲波水表體積減少64%，質(zhì)量減小75%以上，省去了鑄造及機械加工等復雜工序；采用通徑結(jié)構(gòu)，即表體管道量測部分不含有機械結(jié)構(gòu)，可以減少水中浮游生物或藻類對農(nóng)業(yè)灌溉渦輪或機械水表結(jié)構(gòu)量測精度的影響。傳統(tǒng)的超聲波水表密封采用膠封，本文設計了機械密封結(jié)構(gòu)，使現(xiàn)有超聲波水表適應溫差變化能力大幅提升，密封更加穩(wěn)定可靠。傳統(tǒng)的超聲波鏡面反射結(jié)構(gòu)易在底部結(jié)垢，影響水表計量精度，本研究設計了可調(diào)角的芯管結(jié)構(gòu)，將反射鏡面設計為可調(diào)可更換，可將鏡面位置調(diào)轉(zhuǎn)至非管道底層，減少了底層沉積結(jié)垢對水表精度的影響，運營維護更加方便。表體和芯管全塑結(jié)構(gòu)，安裝運輸方便，性價比較高。

目前研制的產(chǎn)品有DN50、DN65、DN80、DN100共4種規(guī)格超聲波水表，對于更小或更大尺寸水表的密封性能、承壓穩(wěn)定性能還有待進一步驗證。此外，由于灌溉超聲波水表現(xiàn)場安裝條件較為復雜，一些特殊條件造成的水力學特性變化對超聲波水表的影響也尚需進一步明晰。

3 結(jié)論

1）創(chuàng)新設計了內(nèi)置可調(diào)角度的換能器芯管，可適用不同角度結(jié)構(gòu)安裝，增加了水表的適應性，并使相同管徑的表體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了統(tǒng)一。

2）設計的易拆卸的機械密封結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)耐壓能力和維護保養(yǎng)的方便性。

3）表體采用短管全塑件，耐候性、耐水解性、沖擊韌性得到了提高，降低了生產(chǎn)和運輸成本。

4）內(nèi)腔平滑設計，不易積垢，流場更加穩(wěn)定，有效減小了噪音，提高計量精度，產(chǎn)品達到（GB/T 778.4—2018）規(guī)定的1級水表精度要求，已在云南元謀、麗江和新疆博樂等地節(jié)水灌溉工程中應用。

[1] 王磊陽, 陳建峰, 劉明祥, 等. 一種高精度時差法超聲波水表的設計與實現(xiàn)[J]. 傳感技術(shù)學報, 2019, 32(8): 1 175-1 181, 1 193.

WANG Leiyang, CHEN Jianfeng, LIU Mingxiang, et al. Design and implementation of a high precision ultrasonic water meter based on time difference method[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2019, 32(8): 1 175-1 181, 1 193.

[2] 荊剛. 超聲流量測量關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 青島: 山東科技大學, 2007.

JING Gang. Research on vital techniques of ultrasonic flow measurement[D]. Qingdao: Shandong University of Science and Technology, 2007.

[3] 嚴淵達, 應任鋒, 朱恒杰. 大口徑超聲波水表壓力損失工程計算方法[J]. 儀表技術(shù), 2019(7): 12-14.

YAN Yuanda, YING Renfeng, ZHU Hengjie. Engineering method of calculating the pressure loss of the ultrasonic water meter[J]. Instrumentation Technology, 2019(7): 12-14.

[4] 李紅衛(wèi), 玄惠萍. 遠傳水表存在的問題及改進方法初探[J]. 中國計量, 2002(2): 40-41.

[5] 鄒蓬, 呂傳玉, 李鳳名. 時差法超聲波流量計的原理和設計[J]. 建設科技, 2012(4): 88-89.

[6] 盧其倫. 一種水表信息管理系統(tǒng)的設計[J]. 計量與測試技術(shù), 2020, 47(7): 26-28.

LU Qilun. Design of an information management system for water meter[J]. Metrology & Measurement Technique, 2020, 47(7): 26-28.

[7] 王賢妮, 宋財華. 超聲波流量計的應用與前景[J]. 工業(yè)計量, 2015, 25(6): 34-37.

[8] 寧晨, 顧宇, 周康源, 等. 新型高精度超聲波流量計的設計[J]. 聲學技術(shù), 2003, 22(4): 251-254, 261.

NING Chen, GU Yu, ZHOU Kangyuan, et al. A new design for high precision ultrasonic flowmeter[J]. Technical Acoustics, 2003, 22(4): 251-254, 261.

[9] 程杰, 李福成. 淺談超聲波流量計的使用[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 2012(4): 42, 46.

CHENG Jie, LI Fucheng. Discussion on the use of ultrasonic flowmeter[J]. Modern Manufacturing Technology and Equipment, 2012(4): 42, 46.

[10] 江杰, 羅長海. 超聲波流量計換能器參數(shù)的選擇[J]. 自動化儀表, 2012, 33(10): 76-79.

JIANG Jie, LUO Changhai. Selection of the parameters for transducer of ultrasonic flow meter[J]. Process Automation Instrumentation, 2012, 33(10): 76-79.

[11] 高國旺, 梁重陽, 姚韋萍, 等. 超聲波傳感器流量測量的關(guān)鍵問題思考[J]. 儀器儀表與分析監(jiān)測, 2006(2): 23-24, 28.

GAO Guowang, LIANG Chongyang, YAO Weiping, et al. The key questions of measuring flux with ultrasonic sensor[J]. Instrumentation Analysis Monitoring, 2006(2): 23-24, 28.

[12] 張世豪, 葉顯蒼. 如何正確看待水表的始動流量[J]. 工業(yè)計量, 2006, 16(4): 26-27.

[13] 楊劍. 基于FPGA超聲波流量計的設計[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2012.

YANG Jian. Design of ultrasonic flowmeter based on FFGA[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2012.

[14] 趙嵩穎. 工程流體力學[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2012.

[15] 姚靈. 超聲水表測量誤差分析及處理[J]. 儀表技術(shù), 2015(5): 1-4, 23.

YAO Ling. Analysis and processing on measurement errors of the ultrasonic water meter[J]. Instrumentation Technology, 2015(5): 1-4, 23.

[16] 黃僑蔚. 帶流動調(diào)整器U型聲道超聲波流量計流場特性仿真及優(yōu)化[D]. 廣州: 華南理工大學, 2013.

HUANG Qiaowei. Characteristics simulation and optimization onthe flow field of U-channel ultrasonic flowmeter with a flow conditioner[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2013.

[17] 李明偉, 王芳, 張波. 寬波束超聲波流量計Lamb波發(fā)射技術(shù)研究[J]. 大連理工大學學報, 2004, 44(4): 528-532.

LI Mingwei, WANG Fang, ZHANG Bo. Research on lamb-wave emissive technology of wide-beam ultrasonic flowmeter[J]. Journal of Dalian University of Technology, 2004, 44(4): 528-532.

[18] 郭志新, 李金山, 廖永誠, 等. 旋杯式農(nóng)用水表的研制[J]. 節(jié)水灌溉, 2009(12): 14-17, 21.

GUO Zhixin, LI Jinshan, LIAO Yongcheng, et al. Development of rotary cup type water-meter used in agriculture[J]. Water Saving Irrigation, 2009(12): 14-17, 21.

[19] 烏駿, 張裕松. 基于CFD的農(nóng)用水表內(nèi)部流動機理研究[J]. 儀表技術(shù), 2021(2): 43-46, 54.

WU Jun, ZHANG Yusong. Research on flow mechanism of agricultural water meter based on CFD[J]. Instrumentation Technology, 2021(2): 43-46, 54.

[20] 計宏輝. 葉輪式水表性能的仿真和測試及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[D]. 上海: 華東理工大學, 2016.

JI Honghui. Simulation and testing of impeller water meter performance and its structure optimization[D]. Shanghai: East China University of Science and Technology, 2016.

A New Ultrasonic Water Meter with Adjustable Core Pipe Angle and Short Plastic Pipe

ZHAN Guolong1,2, JIA Junxi2, WANG Qiangxue1, NIU Shaoqing1

(1.Dayu Water-saving (Tianjin) Co. Ltd., Tianjin Key Laboratory of Water-saving Irrigation Equipment Company,Tianjin 301712, China; 2.Tianjin City Dayu Water-saving Irrigation Technology Research Institute, Tianjin 301712, China)

【Objective】This paper presents a new ultrasonic water meter for use in farmland irrigation management. It is waterproof, efficient and weather resistance. 【Method】We study the modified materials of ultrasonic water meter transducer and the sealing structure by combining material modification with new water meter structure design.【Result】①Using the adjustable angle transducer structure and the smooth inner cavity, the flow is stable. It reduces the impact of scaling at the bottom of the meter on the accuracy of the ultrasonic water meter and adapts to different installation conditions. ②A mechanical sealing structure is designed to resolve the problem that data measured from the traditional glue-sealed water meter is less repeatable for maintenance and utilization. It improves the service life, pressure stability and sealing performance of the water meter. ③The length of the ultrasonic water meter is significantly reduced by using the 80 mm short tube. Glass fiber plus nylon 66 process formula plasticizing production can greatly reduce the weight of the water meter, improve its weathering-resistance and production efficiency. 【Conclusion】A new type of ultrasonic water meter with improved structure and material was developed. According to the “Drinking cold water Meter and hot Water Meter” standard (GB/T 778.4—2018), the accuracy of the water meter reached Level 1. It improves the reliability, weathering-resistance, installation convenience, while reducing production costs, both at significant level.

ultrasonic water meter; adjustable angle transducer; mechanical seal

1672 - 3317（2022）07 - 0051 - 06

X171.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022046

戰(zhàn)國隆, 賈俊喜, 王強學, 等. 可調(diào)芯管角度全塑短管超聲波水表研制[J]. 灌溉排水學報, 2022, 41(7): 51-56.

ZHAN Guolong, JIA Junxi, WANG Qiangxue, et al. A New Ultrasonic Water Meter with Adjustable Core Pipe Angle and Short Plastic Pipe[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(7): 51-56.

2022-01-21

戰(zhàn)國?。?984-），男，吉林長嶺人。高級工程師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)水土方面的研究。E-mail: zhanguolong52@126.com

責任編輯：白芳芳