戰(zhàn)國(guó)隆，賈俊喜，王強(qiáng)學(xué)，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(guó)隆1, 2，賈俊喜2，王強(qiáng)學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(wèn)題?！痉椒ā坎捎貌牧细男耘c新型水表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，開(kāi)展了超聲波水表?yè)Q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(chǎng)穩(wěn)定，減少水表底部結(jié)垢對(duì)超聲波水表精度的影響，適應(yīng)不同安裝條件；②設(shè)計(jì)了機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)灌膠密封水表不可重復(fù)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(zhǎng)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(jìn)行測(cè)試，水表達(dá)到1級(jí)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(jī)械密封

0 引言

【研究意義】我國(guó)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(jī)制不健全等問(wèn)題。量測(cè)設(shè)備配備及水量精準(zhǔn)計(jì)量是施行農(nóng)業(yè)用水管理、實(shí)現(xiàn)“總量控制定額管理”的基礎(chǔ)，也是保障農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革的前提條件。

【研究進(jìn)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(jì)量中得到大量應(yīng)用[1-3]。王賢妮等[7]、寧晨等[8]、程杰等[9]對(duì)機(jī)械式水表、電磁式水表、射流式水表、超聲波水表進(jìn)行了性能參數(shù)對(duì)比，提出超聲波水表在性能和應(yīng)用前景上優(yōu)于電磁水表、射流式水表和機(jī)械水表；楊劍[13]使用FPGA技術(shù)對(duì)超聲波流量計(jì)做了進(jìn)一步的研究；黃僑蔚[16]利用CFD技術(shù)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析對(duì)流量計(jì)內(nèi)流速穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而得出各個(gè)參數(shù)的最優(yōu)尺寸。李明偉等[17]推導(dǎo)了適用于管道流量測(cè)量的Lamb波的色散方程，建立了一套管道Lamb波理論?！厩腥朦c(diǎn)】但存在以下問(wèn)題：第一，傳統(tǒng)超聲波水表?yè)Q能器安裝孔位固定，受安裝條件限制，會(huì)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(jì)量精度和穩(wěn)定性受到很大影響，甚至無(wú)法計(jì)量。同時(shí)，傳統(tǒng)超聲波水表相同管徑情況下根據(jù)測(cè)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(shí)，往往需要人工敲掉密封膠，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，易造成水表?yè)p壞，降低了水表使用壽命，增加了運(yùn)維費(fèi)用；三是傳統(tǒng)超聲波水表多采用金屬鑄件，表體管段較長(zhǎng)，使用過(guò)程中存在易生銹、自重量大、運(yùn)輸和安裝不便等?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為此，本文從超聲波水表新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(biāo)，研究換能器結(jié)構(gòu)、膠封和機(jī)械密封及材料對(duì)超聲波水表的性能影響，開(kāi)發(fā)新型超聲波水表?yè)Q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(shè)計(jì)與方法

1.1 超聲波水表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超聲波水表是通過(guò)檢測(cè)超聲波聲束在水中順流逆流傳播時(shí)因速度發(fā)生變化而產(chǎn)生的時(shí)差，分析得出水的流速?gòu)亩M(jìn)一步計(jì)算流量的一種新式水表。傳統(tǒng)超聲波水表?yè)Q能器組件在管段結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間位置固定，當(dāng)測(cè)量管段內(nèi)的水量突然變小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致超聲波在水中傳播時(shí)出現(xiàn)信號(hào)傳導(dǎo)上的失真，直接影響超聲波水表的測(cè)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(duì)射式”固定安裝[1-2]。針對(duì)上述問(wèn)題，將與水表主體基表配套的換能器固定安裝座設(shè)計(jì)為相鄰定位柱之間的夾角為90°，2個(gè)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(guò)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(shè)計(jì)，提高了膠密封換能器和信號(hào)線安裝效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)計(jì)見(jiàn)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?yè)Q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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(zhǎng)度由220 mm減少到80 mm，降低了原料成本。

圖3 超聲波水表機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 超聲波水表承壓部件靜應(yīng)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(yàn)證閥體承壓強(qiáng)度，通過(guò)Solid Works simulation對(duì)閥體承壓部件進(jìn)行靜應(yīng)力分析。綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐候性，閥體材料選用機(jī)械強(qiáng)度高、耐候性能好的PA66+25%GF（尼龍+25%玻纖）增強(qiáng)樹(shù)脂，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)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(jiàn)表2、圖4，根據(jù)曲率進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，見(jiàn)圖5；表體受力面主要是表體內(nèi)環(huán)面，設(shè)計(jì)壓力為1.0 MPa，表體最大承壓為設(shè)計(jì)壓力1.5倍，見(jiàn)圖6。

表1 靜應(yīng)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(yīng)力分析網(wǎng)格劃分

圖5 局部細(xì)化網(wǎng)格

Fig.5 Local refinement grid

圖6 基表受力邊界條件設(shè)置

圖7 表體應(yīng)力云圖

圖8 表體位移云圖

圖9 表體應(yīng)變圖

根據(jù)圖7—圖9可知，在1.5倍設(shè)計(jì)壓力下，基表內(nèi)圈受到水壓力作用向外膨脹變形，應(yīng)力通過(guò)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(yīng)力集中。表體應(yīng)力與應(yīng)變最高點(diǎn)在筋板與內(nèi)圈外部鏤空處，最大應(yīng)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(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足使用需求。因此，在表體設(shè)計(jì)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(guò)大造成應(yīng)力與位移的疊加，增加內(nèi)壁中部承壓。

1.3 流場(chǎng)模擬與分析

為了分析管道內(nèi)換能器安裝位置對(duì)流場(chǎng)的影響，設(shè)計(jì)了模擬管道并安裝水表，對(duì)流體子域的入口管道、出口管道及水表芯管內(nèi)部過(guò)流區(qū)域進(jìn)行了邊界設(shè)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(shè)定入口流速2 m/s，出口壓力101 kPa，模擬換能器安裝位置對(duì)流場(chǎng)的影響。

圖10 流體子域及邊界條件設(shè)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(dòng)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(jiàn)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(diǎn)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(dòng)較為平穩(wěn)，保障了超聲波水表的精度。同時(shí)，換能器背水側(cè)未產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，內(nèi)腔平滑設(shè)計(jì)減小了噪音，可保證水表長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

1.4 產(chǎn)品性能測(cè)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(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 778—2018）作為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。檢驗(yàn)設(shè)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(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院檢定合格的專用水表檢測(cè)臺(tái)，檢驗(yàn)裝置見(jiàn)圖14。采用稱質(zhì)量法檢定方式，包括4個(gè)不同口徑的標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)稱重臺(tái)、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(jì)采用電磁分離傳感器，精度為0.2%。標(biāo)準(zhǔn)容器稱質(zhì)量臺(tái)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(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖14 超聲波水表檢測(cè)臺(tái)

表3 超聲波水表誤差檢測(cè)

注1為對(duì)應(yīng)最小流量測(cè)試時(shí)段的示值；2為對(duì)應(yīng)分界流量測(cè)試時(shí)段的示值；3為對(duì)應(yīng)常用流量測(cè)試時(shí)段的示值；4為對(duì)應(yīng)過(guò)載流量測(cè)試時(shí)段的示值。

通過(guò)表3可知，試驗(yàn)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(dá)到了1級(jí)水表精度要求。

2 討論

郭志新等[18]針對(duì)農(nóng)田灌溉量水要求的經(jīng)濟(jì)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(chǎng)應(yīng)用較少。烏駿等[19]應(yīng)用Fluent軟件對(duì)DN80農(nóng)用水表內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算了6個(gè)流量點(diǎn)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(yàn)結(jié)果對(duì)模擬誤差曲線進(jìn)行對(duì)比分析, 整體趨勢(shì)和吻合度較高。計(jì)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(xué)理論模型和三維結(jié)構(gòu)模型，對(duì)不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的水表進(jìn)行仿真分析，使用流量性能測(cè)試臺(tái)進(jìn)行了性能測(cè)試，初步建立水表流量測(cè)量特性曲線，指導(dǎo)水表結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為加快水表新產(chǎn)品研發(fā)的進(jìn)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(yàn)參考。

本文所設(shè)計(jì)的超聲波水表主要過(guò)流部件均采用高分子復(fù)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(jī)械加工等復(fù)雜工序；采用通徑結(jié)構(gòu)，即表體管道量測(cè)部分不含有機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以減少水中浮游生物或藻類對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉渦輪或機(jī)械水表結(jié)構(gòu)量測(cè)精度的影響。傳統(tǒng)的超聲波水表密封采用膠封，本文設(shè)計(jì)了機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，使現(xiàn)有超聲波水表適應(yīng)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(jì)量精度，本研究設(shè)計(jì)了可調(diào)角的芯管結(jié)構(gòu)，將反射鏡面設(shè)計(jì)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(duì)水表精度的影響，運(yùn)營(yíng)維護(hù)更加方便。表體和芯管全塑結(jié)構(gòu)，安裝運(yùn)輸方便，性價(jià)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(duì)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(jìn)一步驗(yàn)證。此外，由于灌溉超聲波水表現(xiàn)場(chǎng)安裝條件較為復(fù)雜，一些特殊條件造成的水力學(xué)特性變化對(duì)超聲波水表的影響也尚需進(jìn)一步明晰。

3 結(jié)論

1）創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(yīng)性，并使相同管徑的表體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一。

2）設(shè)計(jì)的易拆卸的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)耐壓能力和維護(hù)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(yùn)輸成本。

4）內(nèi)腔平滑設(shè)計(jì)，不易積垢，流場(chǎng)更加穩(wěn)定，有效減小了噪音，提高計(jì)量精度，產(chǎn)品達(dá)到（GB/T 778.4—2018）規(guī)定的1級(jí)水表精度要求，已在云南元謀、麗江和新疆博樂(lè)等地節(jié)水灌溉工程中應(yīng)用。

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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(guó)隆, 賈俊喜, 王強(qiáng)學(xué), 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(xué)報(bào), 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(guó)?。?984-），男，吉林長(zhǎng)嶺人。高級(jí)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(zé)任編輯：白芳芳