CN1018764B - 质量流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直接式质量流量计，包括：复合信号发生体，检测元件及专门电路。复合信号发生体能产生压差信号，同时又可产生强有力的稳定漩涡，其频率经一与发生体相分离的检测元件接收并传出。压差信号与频率信号经专门电路处理得到质量流量，体积流量，密度等输出信号。本流量计不受流体温度、压力、组分、密度等因素的影响，能有效地测量液体、气体(包括：变组分液、气体)的质量流量，稳定性好，压损小、能耗小，测量准确，制造安装方便。

Description

本发明涉及一种通过测量流体压力差及漩涡频率进行质量流量测定的直接式质量流量计。

目前应用较广泛的质量流量计大多数是科里奥利质量流量计，它是根据科里奥利原理设计的，常见的形式为u型管式。这种流量计测量液体质量流量可以得到满意的效果，但是结构较复杂，受到测量管径的限制，不适于较大管径流体的流量测量，压损较大，特别是它不适于气体，特别是低压气体的质量流量的测定，使其应用范围受到限制。另一种用于测量气体质量流量的量热式气体质量流量计，需要在介质比热恒定（即气体组分固定）的情况下，才能准确测得其质量，因此变组分气体质量流量的测定是流体流量测量技术中需要解决的一个难题。

日本昭62-140025公开的一种质量流量计，不同于上述两种流量计原理，它利用漩涡发生体产生漩涡的周波数及流体经过发生体前后的压力损失来测定质量流量。图5是该发明的原理图。

如图5所示：在管路16中设置一漩涡发生体22，由管壁上的第一导压管17和第二导压管20测量漩涡发生体前的压力与漩涡发生体所产生漩涡中心的负压之间的压差△P₁，它与密度及流速之间存在如下关系：

△P₁∝Cp 1/2 ρν²<1>

式中Cp-压损系数

ν-流体速度

ρ-流体密度

又从漩涡发生体后面管壁引出第三导压管21与第二导压管之间测出压差△P₂，压差△P₂的变化率与漩涡发生体所产生的漩涡频率f成正比关系：

f∝St (V)/(d)

式中：S-斯特劳哈尔数

d-漩涡发生体迎流面宽度

V-流体流速

f-漩涡频率

显然△P₁/f∝ρν（ρν即质量流量）

该流量计从原理上区别于前二种质量流量计，但是由于在技术方案上仅单一地利用了漩涡发生体进行间接测量，因此实际应用中会存在如下问题：

a.利用压差△P₂的变化来表示漩涡频率f₁受的干扰因素较多，特别是小流量及气体流量时，要通过△P₂测频率f十分困难。

b.由于直接从漩涡发生体上取压差信号有困难，所以该发明从管壁取压，这种方法输出压差小，且受漩涡的强弱及稳定性影响较大，压差信号有脉动。影响测量的准确性。所以该流量计要直接测得准确的质量流量，特别是变组分气体的质量流量仍需进一部改进。

本发明的目的是要提供一种利用质量流量计本身既可直接测得稳定而较大的压力差信号，又可产生稳定、强有力的漩涡并测其频率，进而得到各种流体（包括变组分流体）的质量流量的直接式质量流量计。

图1是本流量计的结构原理示意图;

图2是本流量计中复合信号发生体A-A截面剖面图;

图3是本流量计转换电路原理图;

图4是本流量计的复合信号发生体的导压孔中装有压电陶瓷敏感元件时的结构示意图;

图6A，图6B是本流量计进行液体实验运行结果曲线图;

图7A，图7B是本流量计进行空气试验运行结果曲线图;

本发明的原理及要点是：在流量计的导管中设置一复合信号发生体，它既能产生一个较大的压差信号△P，又能产生稳定而强烈的漩涡流，压差信号由压差传感器传出，漩涡频率f由与发生体相分离的频率检测器接收、传出。根据伯努力方程推导而知，该复合信号发生体产生的压差（或测得的动压）△P与体积流量Q之间存在关系：

$\mathrm{Q\; =\; K\; \text{'}\; ·\; A}\sqrt{\frac{P_O{\mathrm{-\; P}}_S}{\rho }}$

式中：K′-流量系数

Q-根据压差测得的体积流量

A-管道横截面积

Po-流体总压力

Ps-流体静压力

Po-Ps-压力差（或动压）△P

ρ-流体密度

另一方面，根据“卡曼涡街”原理，该复合信号发生体产生的漩涡频率f由频率检测元件测定，它与流体的流速V存在如下关系：

f＝St (V)/(d) （2）

f-漩涡频率（HZ）

式中：St-斯特劳哈尔数

d-复合信号发生体的迎流面宽度

V-流体流速

当得知频率f后，有：

V＝ (d)/(St) f （3）

进而得体积流量Q与频率f间的关系式：

Q＝ 1/(St) ·d·A·f （4）

式中Q-根据漩涡频率测得的体积流量

A-管道的横截面积

显然，测得压差△P及频率f后即可得出ρQ²及Q，如下式：

由（1）式得：ρQ²＝（K′A）²△P （5）

由（4）式得：Q＝ 1/(St) ·d·A·f （6）

将代表ρQ²及Q的信号引出到专门电路处理，经除法器相除即：

（5）式除以（6）式则得质量流量N的表达式：

$\mathrm{M\; =}\frac{{\mathrm{\rho \; Q}}^2}{Q}\mathrm{=\; \rho \; Q\; =\; K\; ·}\frac{\mathrm{△P}}{f}$

式中：K-本复合信号发生体的流量系数（由实验测定）

N＝ρQ-质量流量

本发明基于上述原理，可以直接测得准确的质量流量，体积流量及流体密度等参数。

主要技术措施是：

a，在流量计导管上游安装一复合信号发生体，该发生体为一棱柱体部件（三角柱，菱形柱、矩形柱或六棱柱等），在发生体中心轴线两侧，平行于轴线有两个轴向导压管，总压导压管和静压导压管，在发生体迎流和背流周面上，沿柱体径向开有总压导压孔和静压导压孔，分别与总压导压管和静压导压管相通或信号相通，在两导压管中有导压细管或引出导线，与一压差传感器连接。由导压管或导压孔处测出的压差信号，由压差传感器处理后，输出与瞬时体积流量的平方成正比的电流输出信号Ip。上述的导压孔与两导压管相通是将发生体周面上的导压孔（总压导压孔和静压导压孔）开成通孔，使流体经各导压孔与两导压管直接相通。上述的导压孔与两导压管的信号相通，是当被测流体为赃污介质时，利用压电陶瓷堵住各导压孔，用导线引出压差的电信号。

由于该复合信号发生体有钝角截面形状（非流线形），并有确定的分离点，使流体流经该发生体时，产生稳定而均匀的漩涡。

b.在复合信号发生体下游一定距离的流量计导管上，通过一封闭座套固定安装一与发生体相分离的频率检测器，该检测器由应变片或压电晶体等检测元件构成，通过前置放大器与二次表相接，前置放大器将放大的脉冲信号准确地传递出去，由二次表处理后输出流量数字显示及瞬时流量电流信号Iv。

c.压差传感器与频率检测器同时与一电路相接，该电路先设置两个电流、电压转换器，将压差瞬时流量电流信号Ip和旋涡瞬时流量电流Iv转换成电压Vp和Vv，并将转换器的输出作为一除法 器的输入，使电压Vp与Vv相除得到与密度ρ和流量Q的积（即ρQ）相关的电压Vo，Vo一方面经电压-电流转换器，转换成与质量流量成正比的电流Io（4-20NA）另一方面，在Vo输出端接电压一频率转换器测出一频率信号F（即与流体质量流量成比的频率信号）。

下面结合实际施例对本发明详细公开：

实施例1：如图1、图2所示，在本流量计的导管1中，通过底座5固定安装一复合信号发生体2，该发生体为菱形柱状部件（或为三角柱、六棱柱、矩形柱）。菱形柱棱线处倒成加工面，在棱柱体中心轴线两侧，平行中心轴线有两个导压管，总压导压管3和静压导压管4，在发生体迎流周面11上，沿径向开有两个或数个总压导压孔10（其数目为2的倍数）与总压导压管相通，在发生体背流周面12上沿径向开两个静压导压孔10（其数目也可为一个或多个）与发生体静压导压管相通，流体经各导压孔与两导压管直接相通，两导压管中装有导压细管9同与一压差传感器13相连接，导压细管将△P，传至压差传感器，经处理后输出与瞬时体积流量的平方及流体密度成正比的电流输出信号Ip，与此同时，由于该复合信号发生体具有钝的截面形状（非流线形）并有确定的分离点，使流体流经发生体时产生稳定而均匀的漩涡流。在菱形柱复合信号发生体后一适当位置的流量计导管下游，通过座套15安装一频率检测器，利用该检测器上的应变片（或压电晶体）6检测到漩涡的频率f后，经前置放大器7，将测得的脉冲频率信号准确地传送到放大器8，然后由二次表14接收处理后输出累计流量数字显示和瞬时流量电流输出Iv，检测器距复合信号发生体的距离以其恰能感受到复合信号发生体所产生的漩涡频率信号为宜。压差传感器与频率检测器同接一信号处理电路，该电路设置如图3所示，压差瞬时电流Ip，和漩涡瞬时电流Iv分别通过电流-电 压转换器（I/v转换器）输出电压Vp和Vv，并在转换器后设置一除法电路，将前面转换器的输出作为除法器的输入使Vp与Vv相除得到与密度（ρ）和流量（Q）的积（ρQ）相关的电压Vo，Vo经电压一电流转换器（V/I）转换成与质量流量成正比的电流Io，同时在Vo输出端接一电压-频率转换器（V/f）可测出漩涡频率f，即代表流体质量流量的频率信号。

以上所述的复合信号发生体产生的压差信号△P可以由压电陶瓷敏感元件检测传出。具体实施方法是：

实施例2：

如图4所示：当被测介质为脏污流体时，为防止导流孔的堵塞，将实施例1中所述的复合信号发生体的各导压孔10中，填充压电陶瓷敏感元件18，使流体不进入总压导管和静压导管中，将导压孔与两导压管成为信号相通。在压电陶瓷敏感元件上，引出导线19，使压电陶瓷敏感元件上感应到的压差信号直接送入转换器。从而得到代表压差的信号电流Ip。

本发明的效果：本质量流量计采用复合信号发生体与频率检测器的分离组合方式，配以专门电路处理，从而直接得到质量流量，体积流量或密度等参数。它不受流体组分、密度、温度、压力等因素的影响，有效地解决了液体、气体（包括变组分气液体）的质量流量的测量难题，得到理想的质量流量线性输出，压损小，能耗少，测量准确，稳定性好。

实验结果1：本流量计在Φ50管径的水流量校验装置上得到了如图6A所示的ρQ与电流Io关系曲线（Io与 $\sqrt{\mathrm{△P}}$ 成正比），及如图6B所示的体积流量Q与频率Iv的关系曲线，从图可见本流量计的测数据具人较好的线性输出。

实验结果2：本流量计用空气做被测介质，在Φ50的管道上利 用钟罩式气体流量校验装置做试验，得到如图7B所示的气体的ρQ²与压差之间的关系曲线，及如图7A所示的体积流量与频率之间的关系曲线，也得到了满意的效果。

Claims (4)

1、一种直接式质量流量计，包括：信号发生体，频率检测器，压差传感器及相应的专门电路，其特征在于：

A、在流量计的管路上游安装一复合信号发生体，该发生体为棱柱体部件，在棱柱体中心轴线两侧，平行于轴线有两个轴向导压管，即：总压导压管和静压导压管，在发生体迎流和背流周面上沿径向分别开有总压导压孔和静压导压孔，与总压导压管和静压导压管信号相通，

B、在复合信号发生体后一定距离处，装有一与发生体相分离的频率检测器，通过前置放入器与二次表相接。

2、根据权利要求1所述的质量流量计，其特征在于，所述的总压导压孔数数目为2的倍数，静压导压孔数目大于1。

3、根据权利要求1所述的质量流计，其特征在于，所述的总压导压孔和静压导压孔与导压管信号相通，是将导压孔中填充压电陶瓷敏感元件，在该元件上接有导线，与信号处理电路相接。

4、根据权利要求1所述的质量流量计，其特征在于，所述的检测器由应变片或压电晶体或其他检测元件构成。

Images