可调芯管角度全塑短管超声波水表研制

战国隆，贾俊喜，王强学，牛少卿

▪灌溉技术与装备▪

可调芯管角度全塑短管超声波水表研制

战国隆1, 2，贾俊喜2，王强学2，牛少卿1

（1.大禹节水（天津）有限公司 天津市节水灌溉装备企业重点实验室，天津 武清 301712；2.天津市大禹节水灌溉技术研究院，天津 武清 301712）

【目的】提高农田灌溉和供水超声波水表密封性、生产效率、耐候性等问题。【方法】采用材料改性与新型水表结构设计相结合的方法，开展了超声波水表换能器与密封结构、配方改性材料等方面的研究。【结果】①采用可调角换能器结构和平滑内腔，流场稳定，减少水表底部结垢对超声波水表精度的影响，适应不同安装条件；②设计了机械密封结构，解决了传统灌胶密封水表不可重复维修利用的难题，提高了水表使用寿命及耐压稳定性和密封性能；③采用80 mm短管型式显著减小了超声波水表长度；玻纤加尼龙66工艺配方塑化生产大幅度降低水表质量，提高了耐候性和生产效率。【结论】研制的一种新型结构和材质的超声波水表，依据《饮用冷水水表和热水水表》（GB/T 778.4—2018）进行测试，水表达到1级精度；可靠性、耐候性、安装方便程度显著提高，生产成本大幅降低。

超声波水表；可调角换能器；机械密封

0 引言

【研究意义】我国农业用水占到总用水量60%以上，存在用水粗放、用水效率低，节水管理机制不健全等问题。量测设备配备及水量精准计量是施行农业用水管理、实现“总量控制定额管理”的基础，也是保障农业水价综合改革的前提条件。

【研究进展】超声波水表由于受环境和水质影响较小，目前在灌溉和供水水量计量中得到大量应用[1-3]。王贤妮等[7]、宁晨等[8]、程杰等[9]对机械式水表、电磁式水表、射流式水表、超声波水表进行了性能参数对比，提出超声波水表在性能和应用前景上优于电磁水表、射流式水表和机械水表；杨剑[13]使用FPGA技术对超声波流量计做了进一步的研究；黄侨蔚[16]利用CFD技术对比不同结构参数，分析对流量计内流速稳定性的影响，进而得出各个参数的最优尺寸。李明伟等[17]推导了适用于管道流量测量的Lamb波的色散方程，建立了一套管道Lamb波理论。【切入点】但存在以下问题：第一，传统超声波水表换能器安装孔位固定，受安装条件限制，会造成换能器位于管道底部，在管道存在杂质沉淀情况下，超声波水表计量精度和稳定性受到很大影响，甚至无法计量。同时，传统超声波水表相同管径情况下根据测量声道数的不同采用的壳体型式不同，显著增加了生产制造成本；二是传统超声波水表干湿隔离即壳体与电池电路板之间的隔离大多采用灌胶密封，由于胶体老化或热胀冷缩等易造成密封部位渗水，影响水表使用的可靠性；在水表需要维修调整时，往往需要人工敲掉密封胶，费时费力，易造成水表损坏，降低了水表使用寿命，增加了运维费用；三是传统超声波水表多采用金属铸件，表体管段较长，使用过程中存在易生锈、自重量大、运输和安装不便等。【拟解决的关键问题】为此，本文从超声波水表新型结构设计和配方材料改性出发，以提高超声波水表性能和降本增效为目标，研究换能器结构、胶封和机械密封及材料对超声波水表的性能影响，开发新型超声波水表换能器、密封结构、玻纤加尼龙66塑化工艺配方等，为具有新型密封结构和材料的超声波水表研究提供参考。

1 设计与方法

1.1 超声波水表结构设计

超声波水表是通过检测超声波声束在水中顺流逆流传播时因速度发生变化而产生的时差，分析得出水的流速从而进一步计算流量的一种新式水表。传统超声波水表换能器组件在管段结构内部空间位置固定，当测量管段内的水量突然变小时，会导致超声波在水中传播时出现信号传导上的失真，直接影响超声波水表的测量精度；换能器定位孔确定后安装方式不能变换，只能按照定位换能器“反射式”或“对射式”固定安装[1-2]。针对上述问题，将与水表主体基表配套的换能器固定安装座设计为相邻定位柱之间的夹角为90°，2个可拆卸的半圆柱芯管以特定角度固定在基表内部，在表头和基表不变的情况下，通过更换不同的半圆芯管便可以改变换能器的安装方式及数量，安装座与同一种结构的水表主体基表匹配，安装座（内支架）和水表主体基表（外承压防水）的结构设计，提高了胶密封换能器和信号线安装效率，实现对射类、反射类、单声道类、多声道类等不同结构的超声波水表制造。结构设计见图1、图2所示。

图1 新型超声波水表与传统超声波水表示意图

图2 新型超声波水表换能器结构图

水表干湿隔离采用螺钉固定表头下壳压紧密封压盖，使双孔橡胶密封塞发生挤压密封，如图3所示。相较于传统灌胶密封，受冲击及温度等外界因素影响小，可实现长期可靠的密封效果；密封结构省去了传统水表组装工序中的灌胶和固化环节以及多股线出线承压密封难题，减少了生产流程，提高水表生产组装效率。采用短管方式，DN65超声波水表长度由220 mm减少到80 mm，降低了原料成本。

图3 超声波水表机械密封结构示意图

1.2 超声波水表承压部件静应力有限元分析

超声波水表阀体作为水表主要的承压部件，为验证阀体承压强度，通过Solid Works simulation对阀体承压部件进行静应力分析。综合考虑结构强度及耐候性，阀体材料选用机械强度高、耐候性能好的PA66+25%GF（尼龙+25%玻纤）增强树脂，相关参数见表1。

网格划分采用高品质四面体网格，相关参数见表2、图4，根据曲率进行了网格细化，见图5；表体受力面主要是表体内环面，设计压力为1.0 MPa，表体最大承压为设计压力1.5倍，见图6。

表1 静应力有限元分析参数表

表2 有限元网格划分参数

图4 表体静应力分析网格划分

图5 局部细化网格

Fig.5 Local refinement grid

图6 基表受力边界条件设置

图7 表体应力云图

图8 表体位移云图

图9 表体应变图

根据图7—图9可知，在1.5倍设计压力下，基表内圈受到水压力作用向外膨胀变形，应力通过内外圈连接筋板作用到基表外圈。由于内圈受到筋板和外圈的支撑约束，在筋板和内外圈连接部位出现了较大的应力集中。表体应力与应变最高点在筋板与内圈外部镂空处，最大应力为11.7 MPa；位移与筋板之间的深度相关，最大位移为0.012 mm，所选用材料及结构设计强度满足使用需求。因此，在表体设计中尤其是要注意内壁厚度，筋板间深度满足连接胶圈安装即可，避免深度过大造成应力与位移的叠加，增加内壁中部承压。

1.3 流场模拟与分析

为了分析管道内换能器安装位置对流场的影响，设计了模拟管道并安装水表，对流体子域的入口管道、出口管道及水表芯管内部过流区域进行了边界设置和网格划分，采用k-ε湍流模型，表面温度293 K，表面粗糙度6.3 μm，设定入口流速2 m/s，出口压力101 kPa，模拟换能器安装位置对流场的影响。

图10 流体子域及边界条件设置

图11 流体网格划分

图12 换能器安装轴线平面流线分布图

图13 垂直于换能器安装轴线平面的流线分布图

由图12、图13流动模拟结果可知，换能器安装轴线平面流线分布图可明显看出流速变化区域，主要集中在水流与换能器接触面；垂直于换能器安装轴线平面的流线分布图未见明显流速变化区域；管壁换能器安装位置，突出的圆弧结构部分最大流速点在换能器仰角与水流接触处，区域很小，整体紊流区域较小，多数区域流速稳定，流动较为平稳，保障了超声波水表的精度。同时，换能器背水侧未产生汽蚀现象，内腔平滑设计减小了噪音，可保证水表长期运行的可靠性。

1.4 产品性能测试

采用《冷水水表检定规程》（JJG162—2009）与《饮用冷水表和热水水表系列标准》（GB/T 778—2018）作为检测标准。检验设备在大禹节水（天津）有限公司厂区内，是经天津市计量监督检测科学研究院检定合格的专用水表检测台，检验装置见图14。采用称质量法检定方式，包括4个不同口径的标准电磁流量计、标准称重台、水箱、水泵、稳压罐、压力传感器、温度传感器以及升、降温系统等。电磁流量计采用电磁分离传感器，精度为0.2%。标准容器称质量台的最小分辨力为0.025 kg。升、降温系统装置的温度范围为0～90 ℃，检测结果见表3。

图14 超声波水表检测台

表3 超声波水表误差检测

注1为对应最小流量测试时段的示值；2为对应分界流量测试时段的示值；3为对应常用流量测试时段的示值；4为对应过载流量测试时段的示值。

通过表3可知，试验的10块超声波水表，依据《饮用冷水水表和热水水表》（GB/T 778.4—2018），2和4高区流量（2≤≤4）误差在±2%以下；1和2低区流量（1≤≤2）的误差均小于最大允许误差（±3%），达到了1级水表精度要求。

2 讨论

郭志新等[18]针对农田灌溉量水要求的经济性和水质的特殊性，研制了旋杯式农用水表，但目前市场应用较少。乌骏等[19]应用Fluent软件对DN80农用水表内部流场进行数值模拟，计算了6个流量点下的转速，获得了水表内部压力与速度分布信息，并结合试验结果对模拟误差曲线进行对比分析, 整体趋势和吻合度较高。计宏辉[20]根据叶轮式水表的结构和工作原理分别建立数学理论模型和三维结构模型，对不同内部结构的水表进行仿真分析，使用流量性能测试台进行了性能测试，初步建立水表流量测量特性曲线，指导水表结构优化设计，为加快水表新产品研发的进度、减少新产品研发投入的成本、稳定生产提供了经验参考。

本文所设计的超声波水表主要过流部件均采用高分子复合材料注塑而成，相较于传统的金属铸件超声波水表体积减少64%，质量减小75%以上，省去了铸造及机械加工等复杂工序；采用通径结构，即表体管道量测部分不含有机械结构，可以减少水中浮游生物或藻类对农业灌溉涡轮或机械水表结构量测精度的影响。传统的超声波水表密封采用胶封，本文设计了机械密封结构，使现有超声波水表适应温差变化能力大幅提升，密封更加稳定可靠。传统的超声波镜面反射结构易在底部结垢，影响水表计量精度，本研究设计了可调角的芯管结构，将反射镜面设计为可调可更换，可将镜面位置调转至非管道底层，减少了底层沉积结垢对水表精度的影响，运营维护更加方便。表体和芯管全塑结构，安装运输方便，性价比较高。

目前研制的产品有DN50、DN65、DN80、DN100共4种规格超声波水表，对于更小或更大尺寸水表的密封性能、承压稳定性能还有待进一步验证。此外，由于灌溉超声波水表现场安装条件较为复杂，一些特殊条件造成的水力学特性变化对超声波水表的影响也尚需进一步明晰。

3 结论

1）创新设计了内置可调角度的换能器芯管，可适用不同角度结构安装，增加了水表的适应性，并使相同管径的表体结构实现了统一。

2）设计的易拆卸的机械密封结构，提高了系统耐压能力和维护保养的方便性。

3）表体采用短管全塑件，耐候性、耐水解性、冲击韧性得到了提高，降低了生产和运输成本。

4）内腔平滑设计，不易积垢，流场更加稳定，有效减小了噪音，提高计量精度，产品达到（GB/T 778.4—2018）规定的1级水表精度要求，已在云南元谋、丽江和新疆博乐等地节水灌溉工程中应用。

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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

战国隆, 贾俊喜, 王强学, 等. 可调芯管角度全塑短管超声波水表研制[J]. 灌溉排水学报, 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

战国隆（1984-），男，吉林长岭人。高级工程师，硕士，主要从事农业水土方面的研究。E-mail: zhanguolong52@126.com

责任编辑：白芳芳