CN101660933B - 中部通孔的动节流元件流量计 - Google Patents

Abstract

中部通孔的动节流元件流量计属于自动检测技术领域；目前，利用节流原理实施的流量测量广泛采用固定式节流元件，靶式流量计和转子流量计中使用的动节流元件又都不是中部通孔的，本发明包括动节流元件、力转换机构与变送器三部分，其中动节流元件是中部通孔的，在动节流元件前、后端设置有两个弹性密封环带，并设置有平衡弹性密封环带被测流体侧压力的平衡室，因而在允许动节流元件沿管道轴向移动的情况下，流量计进出口之间形成了一个无泄漏的流体流动通道；动节流元件流量计不需要导压管，可以降低流量检测系统的施工难度，特别是当动节流元件选用文丘里管时，还具有流动阻力损失小、使用年限长、可测量小管径及脏污流体流量等优点。

Description

中部通孔的动节流元件流量计

技术领域

本发明涉及一种在自动检测技术领域中实现流量检测的仪表。

背景技术

目前，利用节流原理来实施的流量测量是应用最广泛的，所使用的节流装置大部分采用固定式节流元件，少部分采用动节流元件。在利用节流原理做成的流量计中，差压式流量计使用固定式节流元件，而靶式流量计和转子流量计使用动节流元件。常用的固定式节流元件有孔板、喷嘴和文丘里管，它们使用历史悠久，试验数据完整，产品已标准化，所以又称它们为“标准节流装置”。在测量中，孔板、喷嘴和文丘里管在管道中固定安装，流体从它们中部的通孔流过；靶式流量计或转子流量计的动节流元件为悬在管道中央的圆盘靶或转子，圆盘靶或转子这种节流元件没有中部通孔，流体从圆盘靶或转子与管道间的环形间隙流过。固定式节流元件与差压计之间有导压管，不适于测量脏污介质；转子流量计一般只在实验室环境中使用，而靶式流量计的圆盘靶悬于管道中央，污物不易聚集，故可测量脏污介质，但不适合测量小管径流量。

发明内容

由于多种原因，我国供热系统的水处理环节薄弱，水质比较差，极易造成分户计量供热系统中所使用的户用型热量表内的小口径流量计被堵塞。若户用型热量表使用超声波流量计，虽然不易堵塞但造价太高，因此，需要研制一种适于小管径测量、不易堵塞且价格较低的流量计。

本发明为解决其技术要求所采用的技术方案如下：研制的流量计由中部通孔的动节流元件、力转换机构及变送器三部分组成，如说明书附图中的图1所示，其中中部通孔的动节流元件还未见在以前的流量测量中使用过。中间段和前、后端盖加密封垫圈相互间密封固定，形成一个用于与被测流体管道相连接的刚性的表壳。中部通孔的动节流元件安装在表壳内，其前后各安装一个弹性密封环带。这两个弹性密封环带均依靠滑筒与动节流元件密封固定连接，并依靠支撑杯与前、后端盖密封固定连接，在表壳内形成一个流体从前端盖入口流入，接着流过动节流元件中部通孔，然后从后端盖出口流出的无泄漏的流动通道。固定安装在动节流元件上的两个滑筒分别与固定安装在前、后端盖上的两个支撑杯滑动配合，组成两个移动副，使得动节流元件可以在被测流体的推动下在一定范围内沿管道轴向前后移动。在表壳中间段上的内凸缘和动节流元件上的前凸缘之间固定或半固定安装一个弹性密封圈，使得测量时在表壳内、动节流元件外形成两个互不连通的平衡室，平衡室内充以平衡液。弹性密封圈的固定安装指的是其与两个凸缘都固定密封连接，半固定安装指的是其与一个凸缘固定密封连接在一起，与另一个凸缘非固定连接，但通过这个凸缘对弹性密封圈的压缩，保持前、后平衡室之间的密封。测量时，前平衡室平衡液压力与动节流元件前部弹性密封环带被测流体侧压力相同，后平衡室平衡液压力与动节流元件后部弹性密封环带被测流体侧压力相同。采取这样的技术措施后，由于两个弹性密封环带内外两侧压力相同，基本不受径向力影响，因此对其本身机械强度的要求不高，可采用非金属弹性材料制造，同理，中部通孔的动节流元件也可以采用薄壁结构并以非金属材料制成。在测量流量时，作用在动节流元件上的推力与流过其中部通孔的流量具有确定的对应关系，通过力转换机构及其附属的传感器将流体作用在动节流元件上的推力转换为对应的电参数变化，变送器再对该电参数变化进行放大、线性化、V/I转换或显示的进一步处理。

本发明的有益效果是，虽然测量中仍利用节流原理，但由于将文丘里管、喷嘴和孔板作为动节流元件使用，不需要导压管，因此不易堵塞，并可以降低施工难度。特别是使用文丘里管作为动节流元件时，流量计还具有流动阻力损失小、使用年限长、精度较高、除导压管外的主管道部分也不易堵塞等优点，可应用在小管径及脏污流体的流量测量中。

附图说明

图1是本发明的第一个实施例的结构原理图。

图2是本发明的第二个实施例的结构原理图。

图中1.变送器，2.托架，3.弹性轴封膜片，4.中间段，5.密封垫圈，6.前端盖，7.杠杆，8.弹性密封环带，9.后端盖，10.滑筒，11.支撑杯，12.前平衡室，13.弹性密封圈，14.后平衡室，15.文丘里管，16.传动叉，17.检测悬臂梁，18.密封连接器，19.应变片，20.平衡悬臂梁，21.平衡液环形缓冲空间。

具体实施方式

在图1的实施方案中，中间段(4)和前端盖(6)、后端盖(9)之间均加密封垫圈(5)后相互间密封固定连接，构成了一个用于与被测流体管道相连接的刚性的表壳。为了减少流动阻力损失和防止污物聚集，动节流元件采用文丘里管(15)，在其他应用场合，动节流元件也可采用孔板或喷嘴。图1中的力转换机构包括杠杆系统和位移传感器。杠杆(7)下部固定安装一个传动叉(16)，叉的两端各有一个开口槽，文丘里管对应部位上固定安装的两个圆柱销置于开口槽内，开口槽与圆柱销组成移动副，可将文丘里管的轴向运动转变为杠杆系统的转动。安装在表壳中间段(4)上的弹性轴封膜片(3)为杠杆系统的支点，弹性轴封膜片同时还起到密封的作用，使得后平衡室(14)内的平衡液不会泄漏到表壳外，平衡液可以是清洁的水，也可以是矿物油。由于液体基本上是不可压缩的，因此弹性密封环带(8)、滑筒(10)与支撑杯(11)三者之间的平衡液环形缓冲空间(21)的容积可以很小，在设计中只要保证其大于前平衡室(12)或后平衡室平衡液整体容积在被测流体最大压力作用下所可能产生的最大压缩量即可。杠杆上部位置处有一个位移传感器，该传感器可将杠杆上部的位移转换为对应的电信号，变送器(1)接收传感器送来的电信号后，先对这个电信号进行成比例的放大，然后对放大后的电压信号进行V/I转换以便于变送器输出信号的远传。变送器输出的直流电流信号除远传输出外，该电流还流过固定安装在杠杆上部的一个反馈动圈，反馈动圈置于永久磁钢内，因此变送器输出的直流电流越大，反馈动圈对杠杆上部施加的电磁反馈力就越大。当杠杆平衡时，作用在其上的电磁反馈力与流体推力成比例，也就是对应于电磁反馈力的变送器输出的直流电流与流体推力成比例，亦即变送器输出的直流电流与被测流体的流量有确定的对应关系。

该实施例的工作过程：当流过文丘里管的被测流体的流量增大时，流体就对文丘里管施加一个比原流量时更大的推力，并使文丘里管产生一个向右的沿管道轴向的位移，这个位移使得连接在文丘里管上的杠杆系统绕支点逆时针旋转，位移传感器感测到杠杆上端的位移后，传感器输出一个与这个位移对应的电参数变化，变送器接收这个电参数变化并对其进行放大和V/I转换，使变送器输出的直流电流也随着位移的增大而增大，这个增大的直流电流流过反馈动圈时，反馈动圈作用在杠杆上部的电磁反馈力也随之增大，当电磁反馈力增大到与流体推力相平衡时，杠杆系统重新平衡，借助于这种杠杆系统力平衡的工作方式，变送器输出一个与被测流体流量有确定对应的关系输出的信号。需要说明的是，当放大器放大倍数足够大时，杠杆系统的位移量其实是很小的。

被测流体作用在节流元件上的推力与被测流量之间关系的分析如下：节流元件安置在水平直管道上，这样，研究节流元件前后流体的位能变化时就只需考虑静压能，因此根据流体力学可以得出

$\frac{p_1}{\mathrm{\γ}}-\frac{p_2}{\mathrm{\γ}}=\mathrm{\ξ}\frac{v^2}{2g}$

式中p₁，p₂——节流元件前、后流体作用在其上的静压力；

γ——被测流体的重度；

ξ——阻力系数，它与节流元件形状，流体粘性等有关；

g——重力加速度；

v——流体流过节流元件中部通孔的流速。

显然，p₁-p₂乘以节流元件的有效横截面积A，即得到被测流体作用在节流元件上的推力F。假设动节流元件的中部通孔采用最常见的与外接管道为较小同心圆的形状，则其有效横截面积

$A=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^2-\frac{1}{4}\mathrm{\π}{d}^2$

式中D——外接管道内径；

d——节流元件中部通孔直径。

动节流元件的有效横截面积直接按其几何尺寸计算是基于以下考虑：与边缘受限的弹性膜片的有效面积的计算不同，动节流元件是整体移动的，有效横截面积不必考虑边缘效应；又由于两个弹性密封环带是由刚度系数很小的非金属弹性材料制成的，在测量过程中，动节流元件的位移又极其微小，因此弹性密封环带沿管道轴向的伸缩对推力F的影响也可以忽略。

综合以上两式可得

$F=A(p_1-p_2)=\frac{1}{8}\mathrm{\π}(D^2-d^2)\mathrm{\ξ}\frac{v^2\mathrm{\γ}}{g}$

或 $v=\sqrt{\frac{8\mathrm{gF}}{\mathrm{\π}(D^2-d^2)\mathrm{\ξ\γ}}}$

据上式可得被测体积流量Q的表达式

$Q=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{d}^{2}v=\sqrt{\frac{\mathrm{\πg}{d}^4}{2(D^2-d^2)\mathrm{\ξ\γ}}}\·\sqrt{F}=C\sqrt{F}$

在上式中，当被测流体的各项参数及动节流元件几何尺寸已确定后，C为常数，因此被测流体的体积流量Q与推力F的平方根成正比。但由于C的组成项ξ不能通过理论推导获得，因此只能通过对流量计进行实验标定的方法来确定C值。

在图2所示的另一个实施例中，除了力转换机构外，流量计的其余部分与图1所示的实施例相同，其力转换机构包括安装在后平衡室内的检测悬臂梁(17)与平衡悬臂梁(20)，以及贴在检测悬臂梁上的应变片(19)。在平衡悬臂梁上不贴应变片，设置平衡悬臂梁的目的是平衡检测悬臂梁产生的不利于文丘里管轴向滑动的附加力矩。当流体流过并推动文丘里管时，文丘里管将这个推力作用在检测悬臂梁上，检测悬臂梁产生与推力对应的应变，使得分别贴在悬臂梁正、负应变区的应变片电阻产生差动变化，这个电阻的差动变化经电桥与放大器进一步处理后输出与推力对应的电压信号。为了减少应变片信号传输的误差，电桥与放大器也放在后平衡室内，信号向表壳外的输出与电源由表壳外的引入都通过密封连接器(18)实施，以避免表壳内外导线的连接造成平衡液向表壳外泄漏。为保证应变片、电桥和放大器的正常工作，平衡室内的平衡液选用不导电的矿物油，同时还要对应变片、电桥和放大器采取对外电绝缘的防护措施。在不需要远传或显示的场所，可不必使用变送器，例如当该流量计作为户用型热量表的组件时，放大器输出的与供水流量对应的电压信号可直接送到热量表的积算仪，积算仪再接受两支温度传感器送来的供水与回水温度信号，热量表根据这三个信号即可算出该用户所消耗的热量。

Claims (3)

1.一种中部通孔的动节流元件流量计，用于在自动检测技术领域中实现流量检测，其整体结构由中部通孔的动节流元件、力转换机构及变送器三部分组成，其特征是：中部通孔的动节流元件置于一个用于与被测流体管道连接的刚性的壳体内，刚性壳体包括一个被测流体的入口、主壳体和一个被测流体的出口，中部通孔的动节流元件前后各安装一个弹性密封环带，动节流元件前端的弹性密封环带一端与动节流元件密封固定连接，另一端与壳体的入口密封固定连接，动节流元件后端的弹性密封环带一端与动节流元件密封固定连接，另一端与壳体的出口密封固定连接，中部通孔的动节流元件与两个弹性密封环带在壳体入口与出口之间形成一个无泄漏的被测流体的流动通道，上述连接同时在主壳体和动节流元件之间形成一个无泄漏的平衡室，平衡室内充有平衡被测流体压力的平衡液。

2.根据权利要求1所述的中部通孔的动节流元件流量计，其特征是：刚性壳体内在动节流元件前后各有一组使动节流元件只能沿管道轴向前后滑动的移动副，每组移动副的一个构件固定在壳体上，另一个构件固定在动节流元件上。

3.根据权利要求1所述的中部通孔的动节流元件流量计，其特征是：固定在主壳体上或与主壳体为一体的一个内凸构件和固定在动节流元件上或与动节流元件为一体的一个外凸构件之间有一个弹性密封圈，主壳体上的内凸构件、动节流元件上的外凸构件以及它们之间的弹性密封圈使得测量时主壳体和动节流元件之间的平衡室被分隔成两个互不连通的平衡室，即平衡动节流元件前部弹性密封环带被测流体侧压力的前平衡室和平衡动节流元件后部弹性密封环带被测流体侧压力的后平衡室。

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