CN101324456B

CN101324456B - 冷热式流量计及其测量方法

Info

Publication number: CN101324456B
Application number: CN2007100180470A
Authority: CN
Inventors: 李世武; 陈安成
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2027-06-14
Also published as: CN101324456A

Abstract

本发明是一种冷热式流量计及其测量方法，在导热杆(7)的两端均安装有温度传感器(2、6)，在绝热支杆(4)的一端安装有温度传感器(5)，并使温度传感器(2、5)均插入待测流量的流体管道中，在待测流量的流体与环境大气之间形成传热部件，利用热流体或冷流体与环境大气之间存在的温度差，以及冷热温差的传热潜能特性，分别测得流体温度传感器(5)的温度T₁、导热杆(7)下端温度传感器(6)的温度T₂和导热杆(7)上端温度传感器(2)的温度T₃，以及导热杆(7)的导热率Q，并通过计算得到待测的流体流量G。本发明克服了现有技术热式流量计存在的不适宜测量液体流量、以及制造成本较高的缺陷，具有测量精度高、结构简单、制造成本低的优点。

Description

冷热式流量计及其测量方法

一、所属技术领域

本发明涉及流体流量的计量领域，是一种冷热式流量计及其测量方法。

二、背景技术

流体分为气体和液体，例如空气、氮气、水蒸汽、热水、冷冻水等，当流体的温度高于环境大气温度时，这样的流体称为热流体，而当流体的温度低于环境大气温度时，这样的流体称为冷流体。在建筑采暖空调以及工业生产中，涉及到多种流体，并且需要测量这些流体的流量。测量流体流量的仪器称为流量计，根据流体流量与流量计所测流体某个参数的相关性，就有了多种形式的流量计，热式流量计就是目前一种新型流量计。热式流量计有两个测量流体温度的传感器，即A号和B号温度传感器，这两个温度传感器都插入待测流量的流体中，其中A号温度传感器用来测量流体的实际温度，B号温度传感器上附着一个微型电加热器，给该电加热器提供定量的电能来对B号温度传感器加热，使B号温度传感器所测温度远高于待测流量的流体温度。当流体流过B号温度传感器时，流体就会冷却B号温度传感器使其所测的温度下降。流体的流动传热规律揭示：流体的流量越大，B号温度传感器的温度就降低的越多。这样，热式流量计由A号和B号温度传感器所测的温度以及B号温度传感器上的电加热器的电功率，就可以得出待测的流体流量。热式流量计具有结构简单、测量精度高，不需要进行流体压力补偿的优点，但热式流量计也存在着两个缺陷，其一是，由于液体的对流换热系数远远高于气体的对流换热系数，所以在测流液体流量时就需要消耗比测量气体流量要大得多的电功率，所以热式流量计不适宜测量液体流量；其二是，热式流量计需要微型电加热器、高容量的电池、以及微型电加热器与B号温度传感器达到良好的同温工艺匹配，所以热式流量计的制造成本也较高。在流体流量测量的某些应用场合，完全可以利用流体与环境之间存在着温度差的潜能资源，形成一种新型的流体流量测量方法和流量计。

三、发明内容

为克服现有技术热式流量计存在的不适宜测量液体流量、以及制造成本较高的缺陷，本发明提出了一种冷热式流量计及其测量方法。

本发明包括温度传感器，还包括散热片、导热杆、绝热套筒、绝热杆和套筒，其中，第一温度传感器固定在导热杆的一端，第二温度传感器固定在导热杆的另一端，第三温度传感器固定在绝热杆的一端；导热杆固定在绝热套筒内；套筒的端盖与底部均有绝热套筒的安装孔，套筒的底部有绝热杆的安装孔；将绝热套筒穿过套筒，同时将绝热杆一端通过套筒筒底部的安装孔穿入套筒内，并使导热杆上的第二温度传感器和绝热杆上的第三温度传感器均浸入流体中；套筒的外壁面一端有螺纹，并通过该螺纹与流体管道的管壁连接。套筒两端的绝热套筒安装孔的内径同绝热套筒的外径；套筒筒底部的绝热杆安装孔的内径同绝热杆的外径。采用绝热材料填充套筒内的空隙。

本发明利用待测流量的流体与环境大气之间存在着温度差这一传热潜能特性，在待测流量的流体与环境大气之间设置传热部件即导热杆，并在该导热杆端部设置散热片来加强传热，通过测定导热杆的传热量来导出热流体或冷流体的流量，由第三温度传感器的温度T₁、第二温度传感器的温度T₂和第一温度传感器的温度T₃，以及由导热杆的导热率Q

Q＝λ₁·F₁·(T₂-T₃)/L (1)

并与导热杆下端温度传感器与流体之间的对流换热率Q

Q = (\frac{Nu \cdot λ_{2}}{D}) \cdot F_{2} \cdot (T_{1} - T_{2}) - - - (2)

并与流体的流动换热参数

Nu＝A·Re^m·Prⁿ (3)

Re = \frac{V \cdot D \cdot ρ}{μ} . - - - (4)

G＝π·D²·ρ·V/4 (5)

联立可得出待测的流体流量G为

G = \frac{π \cdot D \cdot μ}{4} \cdot {[\frac{λ_{1} \cdot D \cdot F_{1} \cdot (T_{2} - T_{3})}{λ_{2} \cdot L \cdot A \cdot \Pr^{n} F_{2} \cdot (T_{1} - T_{2})}]}^{\frac{1}{m}} - - - (6)

在上式(1)至式(6)中，Q为导热杆的传热率，λ₁为导热杆的导热系数，F₁为导热杆的横截面面积，L为导热杆下端温度传感器与上端温度传感器之间的长度，G为待测的流体流量，Nu为流体的努谢尔数，λ₂为流体的导热系数，D为流体流过的管道内直径，F₂为导热杆下端温度传感器与流体接触的表面积，A、m和n均为冷热式流量计的标定系数，Re为流体的雷诺数，Pr为流体的普朗特数，V为流体的流速，ρ为流体的密度，μ为流体的动力粘性系数，π为圆周率，由流体温度与流体物性表可得流体的导热系数λ₂、动力粘性系数μ及普朗特数Pr。

将冷热式流量计放在热流体或冷流体的流量标定实验台上，通过流量标定实验得出冷热式流量计的标定系数A、m和n。

本发明依据热流体或冷流体与环境大气之间存在的温度差，利用这一冷热温差的传热潜能特性，在待测流量的流体与环境大气之间设置传热部件，通过测量传热部件的传热量来得出热流体或冷流体的流量，克服了现有技术热式流量计存在的不适宜测量液体流量、以及制造成本较高的缺陷，具有测量精度高、结构简单、制造成本低的优点。

四、附图说明

图1是冷热式流体计的结构示意图，其中

1.散热片 2.导热杆上端温度传感器 3.套筒 4.绝热杆

5.流体温度传感器 6.导热杆下端温度传感器 7.导热杆 8.绝热套筒

9.流体管道的管壁 10.流体管道

五、具体实施方式

现结合附图1对本发明作进一步描述：

实施例一

本实施例的冷热式流量计所测量的流体为热水，用于测量采暖管道中的流体流量。

本实施例包括散热片1、导热杆7、绝热套筒8、绝热杆4，其中：

散热片1是用纯铜制成的薄圆片，其直径为导热杆横截面直径的8倍，散热片1的中心处与导热杆7的一端用铜焊焊接成“T”字。

导热杆7是用纯铜金属制成的圆杆，其直径为3mm，在有散热片1的一端钻孔并嵌装有铂电阻温度传感器2，在另一端同样钻孔并嵌装有铂电阻温度传感器6。绝热套筒8用改性聚苯醚(MPPO)绝热材料制成，其内直径和长度均与导热杆7的直径和长度相同，其壁厚为3mm，将导热杆7套装在绝热套筒8内，两者之间为紧密配合。

绝热杆4是用改性聚苯醚(MPPO)绝热材料制成的实心细长杆，其直径3.5mm，在绝热杆4的下端钻孔并嵌装有铂电阻温度传感器5。套筒3为有盖的薄壁圆筒，用聚苯硫醚(PPS)材料注塑而成；在套筒3的上盖和底部有绝热套筒8的安装孔，两个孔的位置相互对应，均位于套筒中心一侧，并且两个孔的内径与导热杆7的外径相同；在套筒3的底部有绝热杆4的安装孔，该孔位于套筒中心另一侧，其内径与绝热杆4的外径相同；在套筒3的外壁面一端有螺纹。

装配时，在流体管道的管壁9上开一直径与套筒3外直径相同的内螺纹孔，将套筒3一端的螺纹旋入圆孔。将套装有导热杆7的绝热套筒8穿过位于套筒3筒底部的绝热套筒8的安装孔，同时将绝热杆4的一端通过位于套筒3筒底部的绝热杆的安装孔并位于套筒3内，并使导热杆7上的温度传感器6和绝热杆4上的温度传感器5均位于将来测量流体的一侧；用改性聚苯醚(MPPO)绝热材料的粉粒填充套筒3内的空隙；盖上套筒3的上盖，并使绝热套筒8穿过位于上盖上的绝热套筒安装孔。

流体温度传感器5和导热杆下端温度传感器6均插入待测流量的流体管道中，由流体温度传感器5的温度T₁、导热杆下端温度传感器6的温度T₂和导热杆上端温度传感器2的温度T₃，得出待测的流体流量G为

G = \frac{π \cdot D \cdot μ}{4} \cdot {[\frac{λ_{1} \cdot D \cdot F_{1} \cdot (T_{2} - T_{3})}{λ_{2} \cdot L \cdot A \cdot \Pr^{n} F_{2} \cdot (T_{1} - T_{2})}]}^{\frac{1}{m}}

其中，π为圆周率，D为流体流过的管道内直径，μ为流体的动力粘性系数，λ₁为导热杆的导热系数，F₁为导热杆的横截面面积，λ₂为流体的导热系数，L为导热杆下端温度传感器与上端温度传感器之间的长度，A、m和n均为冷热式流量计的标定系数，Pr为流体的普朗特数，F₂为导热杆下端温度传感器与流体接触的表面积，由流体温度与流体物性表可得流体的导热系数λ₂、动力粘性系数μ及普朗特数Pr。

将冷热式流量计放在热水的流量标定实验台上，通过流量标定实验得出冷热式流量计的标定系数A、m和n。

实施例二

本实施例的冷热式流量计所测量的流体为过热水蒸汽，用于测量水蒸汽管道中的流体流量。

散热片1是用纯铜制成的薄圆片，其直径为导热杆横截面直径的6倍，散热片1的中心处与导热杆7的一端用铜焊焊接成“T”字。

绝热杆4是用改性聚苯醚(MPPO)绝热材料制成的实心细长杆，其直径3.5mm，在绝热杆4的下端钻孔并嵌装有铂电阻温度传感器5。套筒3为有盖的不锈钢材料制成的圆筒，在套筒3的上盖和底部有绝热套筒8的安装孔，两个孔的位置相互对应，均位于套筒中心一侧，并且两个孔的内径与导热杆7的外径相同；在套筒3的底部有绝热杆4的安装孔，该孔位于套筒中心另一侧，其内径与绝热杆4的外径相同；在套筒3的外壁面一端有螺纹。

G = \frac{π \cdot D \cdot μ}{4} \cdot {[\frac{λ_{1} \cdot D \cdot F_{1} \cdot (T_{2} - T_{3})}{λ_{2} \cdot L \cdot A \cdot \Pr^{n} F_{2} \cdot (T_{1} - T_{2})}]}^{\frac{1}{m}}

其中，π为圆周率，D为流体流过的管道内直径，μ为流体的动力粘性系数，λ₂为导热杆的导热系数，F₁为导热杆的横截面面积，λ₂为流体的导热系数，L为导热杆下端温度传感器与上端温度传感器之间的长度，A、m和n均为冷热式流量计的标定系数，Pr为流体的普朗特数，F₂为导热杆下端温度传感器与流体接触的表面积，由流体温度与流体物性表可得流体的导热系数λ₂、动力粘性系数μ及普朗特数Pr。

将冷热式流量计放在过热水蒸汽的流量标定实验台上，通过流量标定实验得出冷热式流量计的标定系数A、m和n。

Claims

1.一种冷热式流量计，包括温度传感器，其特征在于还包括散热片(1)、导热杆(7)、绝热套筒(8)、绝热杆(4)和套筒(3)，其中，第一温度传感器(2)固定在导热杆(7)的一端，第二温度传感器(6)固定在导热杆(7)的另一端，第三温度传感器(5)固定在绝热杆(4)的一端；导热杆(7)固定在绝热套筒(8)内；套筒(3)的端盖与底部均有绝热套筒(8)的安装孔，套筒(3)的底部有绝热杆(4)的安装孔；将绝热套筒(8)穿过套筒(3)，同时将绝热杆(4)一端通过套筒(3)筒底部的安装孔穿入套筒(3)内，并使导热杆(7)上的第二温度传感器(6)和绝热杆(4)上的第三温度传感器(5)均浸入流体中；套筒(3)的外壁面一端有螺纹，并通过该螺纹与流体管道的管壁连接。

2.如权利要求1所述冷热式流量计，其特征在于套筒(3)两端的绝热套筒安装孔的内径同绝热套筒(8)的外径；套筒(3)筒底部的绝热杆安装孔的内径同绝热杆(4)的外径。

3.如权利要求1所述冷热式流量计，其特征在于用绝热材料填充套筒(3)内的空隙。

4.一种使用权利要求1所述流量计的测量方法，其特征在于利用待测流量的流体与环境大气之间存在着温度差的传热潜能特性，设置导热杆(7)，并在该导热杆端部设置散热片(1)来加强传热，通过测定导热杆(7)的传热量来导出热流体或冷流体的流量，由第三温度传感器(5)的温度T₁、第二温度传感器(6)的温度T₂和第一温度传感器(2)的温度T₃，得出待测的流体流量G为

G = \frac{π \cdot D \cdot μ}{4} \cdot {[\frac{λ_{1} \cdot D \cdot F_{1} \cdot (T_{2} - T_{3})}{λ_{2} \cdot L \cdot A \cdot P r^{n} F_{2} \cdot (T_{1} - T_{2})}]}^{\frac{1}{m}}