CN101660956B - 基于动节流元件流量计的热量表 - Google Patents

Abstract

基于动节流元件流量计的热量表属于计量供热系统技术领域；由于我国供热系统的水质较差，热量表使用机械式、差压式或超声波流量计存在易堵塞或价格较贵的弊病，本发明采用动节流元件流量计作为组成部件，该流量计使用中部通孔的动节流元件，动节流元件前、后端设置两个弹性密封环带，并设置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；动节流元件流量计无导压管，不存在堵塞问题，当动节流元件选用文丘里管时，主管道也不易堵塞，还具有流动阻力损失小、使用年限长、精度高等优点，本发明可满足我国分户计量供热系统对户用型热量表的要求。

Description

基于动节流元件流量计的热量表

技术领域

本发明涉及一种在计量供热系统技术领域中对供热量进行计量的仪表，它尤其适合做分户计量供热系统的户用型热量表。

背景技术

目前，我国北方城市多数集中供热系统仍按面积收费，这种结算方式既不科学也不公平合理，因此实施按实际用热量分户计量收费的结算方式势在必行，这将有助于提高采暖住宅用户的舒适度，并能大幅度地节约能源。热量表作为计量供热系统的核心部件，主要有基于流量计的热量表与无流量计热量表两大类。由于无流量计热量表有测量误差较大、使用不便等缺点，目前广泛使用的仍是基于流量计的热量表。基于流量计的热量表通常由热水流量计、温度传感器和积算仪三部分组成的，其中积算仪根据流量计送来的热水流量信号、温度传感器送来的供水温度信号与回水温度信号计算出用户所消耗的热量。对于工业上的流量测量而言，应用最广泛的流量计是利用节流原理来实施的，这类流量计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，例如，广泛应用的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。在热量表中常使用的流量计有机械式的旋翼流量计、固定式节流元件的差压式流量计和超声波流量计。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机械式流量计或差压式流量计被堵塞；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，不适合我国现有国情；可以说，各种户用型热量表内流量计的上述缺陷是造成分户计量供热系统虽然至少节能20％以上，却至今在我国推广缓慢的主要原因之一。

发明内容

现有热量表没有合适的配套流量计是其难以推广的重要原因，因此，需要研制一种基于新型流量计的热量表，该流量计应具有不易堵塞且价格较低的特点。

本发明为解决其技术要求所采用的技术方案如下：研制的热量表由新型流量计、温度传感器和积算仪三部分组成，如说明书附图中的图1所示，图中电桥、放大电路与V/I转换电路可认为是附属于温度传感器的。对于分户计量供热系统，为降低造价，热量表宜采用子母表的结构形式，每户一块的户用型热量表为子表，子表只包括新型流量计、温度传感器两部分，积算仪作为每个楼栋口一块的总热量表为母表，母表接收各块子表送来的信号，并显示各块子表瞬时热量、已消耗的累积热量等信息。新型流量计由中部通孔的动节流元件、力转换机构及变换电路三部分组成，如说明书附图中的图2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。由于流量计内的变换电路以及温度传感器的电桥、放大电路与V/I转换电路均采用模拟电路，新型流量计的核心部件又为结构简单的中部通孔的动节流元件，因此每块户用型热量表的价格相对较低。流量计的中间段和前、后端盖加密封垫圈相互间密封固定，形成一个用于与热水管道连接的刚性的表壳。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，文丘里管也可以采用薄壁结构并以非金属材料制成。在测量流量时，流体作用在动节流元件上的推力与其流过中部通孔的流量具有确定的对应关系，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，变换电路对该电参数变化做进一步的变换、放大、V/I转换，最后送出与被测热水流量对应的电信号至积算仪。温度传感器通常选用铂电阻，为简化电路，测量供水温度的铂电阻与测量回水温度的铂电阻应分别连接至电桥相邻的两个桥臂上，如此布置后，电桥的输出信号是供水温度与回水温度之差，这个温差信号经放大、V/I转换后也送至积算仪，作为母表的积算仪接受到这块子表送来的流量信号和温差信号后，根据焓差法或k系数法即可算出该子表的用户所消耗热量的瞬时值以及该用户在某一段时间内的累积用热量。

本发明的有益效果是，在流量测量中，当将文丘里管、喷嘴和孔板作为固定式节流元件使用时，它们的输出的是差压，需要使用非常容易堵塞的导压管传递差压信号；本发明热量表内的新型流量计将文丘里管、喷嘴和孔板作为动节流元件使用，动节流元件的输出是推力或位移，不需要使用导压管，特别是采用文丘里管作为动节流元件时，还有流动阻力损失小、测量精度高、使用年限长、除导压管外的主管道部分也不易堵塞等优点，基于新型流量计可以制造出一种既不易堵塞，价格又较低的热量表。

附图说明

图1是本发明各组成部分的方框图。

图2是本发明的第一个实施例的结构原理图。

图3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.密封连接器，4.中间段，5.密封垫圈，6.前端盖，7.检测悬臂梁，8.弹性密封环带，9.应变片，10.后端盖，11.滑筒，12.支撑杯，13.前平衡室，14.弹性密封圈，15.平衡悬臂梁，16.后平衡室，17.文丘里管，18.平衡液环形缓冲空间，19.供水温度传感器输出电缆，20.回水温度传感器输出电缆，21.供水温度传感器，22.回水温度传感器，23.回水管，24.弹性轴封膜片，25.杠杆，26.传动叉。

具体实施方式

在图2的实施方案中，为了减少流动阻力损失和防止主管道污物聚集，动节流元件采用文丘里管(17)，在流体比较清洁的应用场合，动节流元件也可采用孔板或喷嘴。图2中的力转换机构包括安装在后平衡室(16)内的检测悬臂梁(7)与平衡悬臂梁(15)，以及贴在检测悬臂梁上的应变片(9)。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流量计变换电路中的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，将流量计变换电路分为两部分设置，变换电路中的V/I转换电路设置在表壳外的变送器(1)内，而将变换电路中的电桥与放大器放在表壳内的后平衡室，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(3)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。由于液体基本上是不可压缩的，因此弹性密封环带(8)、滑筒(11)与支撑杯(12)三者之间的平衡液环形缓冲空间(18)的容积可以很小，在设计中只要保证其大于前平衡室(13)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。由于回水压力小于供水压力，从降低流量计所承受的被测流体压力从而降低对流量计表壳耐压要求的角度来看，流量计理应设置在回水管(23)上，但考虑到我国供热系统普遍存在有些用户经常使用散热器热水的情况，为避免造成不合理的计量误差，所以图2中将流量计设置在供水管道上。流量计设置在供水管道上还有另外一个好处，由于各用户间的供水温度与压力相差不大，可认为是相同的，只在母表上设置供水总管温度、压力的测量回路，并将测得的温度值与压力值作为每一块子表的供水温度与压力，就可以对各块子表进行温度、压力补偿计算，这样，各块子表只需送出温差信号即可，流量计电路结构因而得到简化。在图2中，变送器包括流量计变换电路中的V/I转换电路以及附属于温度传感器的电桥、放大电路与V/I转换电路，在流量计和温度传感器中均设置V/I转换电路是为了提高子表至母表间信号远传的能力。为提高温差信号的检测精度，供水温度传感器(21)和回水温度传感器(22)应选用配对的Pt1000铂电阻。

该实施例的工作过程：当被测流体流过某块子表内的文丘里管时，流体将对文丘里管产生一个正比于平均流速平方的推力，并使文丘里管产生一个不大的沿管道轴向的位移，这个位移使得检测悬臂梁产生与推力对应的应变，这个应变又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，应变片电阻的差动变化经变换电路处理后输出一个与流量对应的电流信号至母表。与此同时，两个配对的Pt1000铂电阻产生与供水温度、回水温度对应的电阻信号，变送器内的电桥根据这两个电阻信号输出供水与回水间的温差信号，温差信号经放大与V/I转换后也送至母表。母表接收到子表的流量信号与温差信号后，再结合自己检测到的供水温度信号及供水压力信号，根据焓差法或k系数法就可计算出该用户所消耗的瞬时热量，并可累积计算出其在某一段时间内的用热量。

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3所示的另一个实施例中，除了热量表内流量计的力转换机构外，热量表的其余部分与图2所示的实施例相同，该实施例中流量计的力转换机构为一个杠杆系统，杠杆(25)上部有一个位移传感器，该传感器可将杠杆上端的位移转换为对应的电信号；杠杆下部固定安装一个传动叉(26)，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，可将文丘里管沿管道轴向的运动转变为杠杆系统的转动；安装在表壳中间段上的弹性轴封膜片(24)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。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，变送器内的流量计变换电路接收这个电参数变化并对其进行放大和V/I转换，使流量计变换电路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一个固定安装在杠杆上端的反馈动圈时，由于这个反馈动圈置于一个永久磁钢的磁场内，因而使得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，流量计变换电路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，当变换电路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。

Claims (2)

1.一种基于动节流元件流量计的热量表，用于在计量供热系统技术领域中对供热量进行计量，其整体结构由流量计、温度传感器和积算仪三部分组成，其特征是：热量表内的流量计使用中部通孔的动节流元件流量计，在这个中部通孔的动节流元件流量计中，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；中部通孔的动节流元件流量计的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。

2.根据权利要求1所述的基于动节流元件流量计的热量表，其特征是：中部通孔的动节流元件流量计中，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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