CN102183274A - 宽量程双涡街流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽量程双涡街流量计，它包括设于测量管上游的超声涡街流量传感器和设于测量管下游的应力涡街流量传感器，超声涡街流量传感器和应力涡街流量传感器均连接到流量转换器；流量转换器由切换单元和测控计算单元组成，超声涡街流量传感器和应力涡街流量传感器的输出分别与切换单元的输入相连，超声涡街流量传感器和应力涡街流量传感器检测的气体流量信号经切换单元切换控制后输入测控计算单元，测控计算单元对接收的气体流量信号进行处理后输出显示；测控计算单元的输出还与切换单元的控制端连接形成闭环回路。本发明采用了两种不同的涡街流量传感器，并通过流量转换器进行切换控制，实现了宽范围的气体流量检测。

Description

宽量程双涡街流量计

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于测量煤矿瓦斯气体流量的宽量程流量计，属于电子技术领域。

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背景技术

[0003] 瓦斯是煤矿井下作业人员的主要危害因素，其具有湿度大、含有粉尘、有腐蚀性、 气压低、气体流量不均衡、流量变化范围特别大等特点，目前对瓦斯的处理方式是将其抽出后通过管道输送至天然气公司，以作为民用天燃气的原料。但是由于在用气高峰时段和低谷时段，瓦斯气体的流量相差很大，可达到数十甚至上百倍，因此瓦斯流量计要求必须具有较宽的测量范围，并且要求灵敏度高、压力损失较小。

[0004] 现有的瓦斯流量计较多的采用涡街流量计，但是目前的涡街流量计存在检测范围较窄的问题，如尾锥流量计，这种流量计在管道内空气流速较大时，检测得到数据还相对较为准确，但是当处于低流速阶段时，则存在检测不到数据或检测灵敏度明显降低的情况，而且检测的数据很不稳定、误差也很大，因此它只能检测流速大于7m/s时的流量。

[0005]

发明内容

[0006] 针对现有技术中的上述不足，本发明的主要目的在于解决目前瓦斯流量计检测范围较窄的问题，而提供一种具有较宽检测量程的双涡街流量计。

[0007] 本发明的技术方案：宽量程双涡街流量计，包括测量管，在测量管的两端分别设有法兰，其特征在于，包括设于测量管上游用于检测低流速气体信号的超声涡街流量传感器和设于测量管下游用于检测高流速气体信号的应力涡街流量传感器，所述超声涡街流量传感器和应力涡街流量传感器均连接到流量转换器；所述的流量转换器是由切换单元和测控计算单元组成，超声涡街流量传感器和应力涡街流量传感器的输出分别与切换单元的输入相连，超声涡街流量传感器和应力涡街流量传感器检测的气体流量信号经切换单元切换控制后输入测控计算单元，测控计算单元对接收的气体流量信号进行处理后输出显示；测控计算单元的输出还与切换单元的控制端连接形成闭环回路。

[0008] 本发明采用了两种测量原理、流量特性不同的涡街流量传感器，在测量管的上游设置低流速特性好的超声涡街流量传感器，在测量管下游设置高流速特性好的应力涡街流量传感器，并通过流量转换器进行切换控制，实现了宽范围的气体流量测量。

[0009] 本发明中，超声涡街流量传感器的主要功能是完成低流速区域的流量检测，其测量范围为0. 3m/s〜7m/s ；应力涡街流量传感器的主要功能是完成中、高区域的流量检测， 其测量范围为5m/s〜45m/s。工作时，两种不同的流量传感器均输出信号到流量转换器，流量转换器中的测控计算单元对传感器的信号进行采集放大、滤波、整形、计算并显示流量测量值。当实际流量处于两种流量传感器的重叠区域时，测控计算单元根据传感器测得的流量信号的不同和变化，自动判断并发出指令控制流量转换器，确定哪一台涡街流量传感器投入运行。从而保证两种流量传感器工作在所设定的最佳流量范围内。这样本发明的流量计就可完成测量范围为0. 3m/s〜45m/s的宽范围流量测量，流量计的量程比可达到150 ： 1。

[0010] 进一步的技术方案，在测量管的内壁上还设有压力传感器和温度传感器，所述压力传感器和温度传感器的输出均连接测控计算单元的输入。通过测量气体的工作压力和温度，能够对压力和温度进行补偿运算，提高流量测量的精确度。

[0011] 进一步的技术方案，所述超声涡街流量传感器和应力涡街流量传感器的间距为 0. 9^1. ail。通过在两种流量传感器之间设置一定的间隔，使旋涡的能量能够有足够的衰减空间，避免了传感器之间的相互干扰。

[0012] 再进一步的技术方案，所述超声涡街流量传感器由第一旋涡发生体、超声发射换能器和超声接收换能器组成，其中超声发射换能器和超声接收换能器相对的横向设置于测量管的两侧，第一旋涡发生体竖向设置在测量管内并位于超声发射换能器和超声接收换能器之间；超声接收换能器的输出连接流量转换器的输入，超声发射换能器的输入与流量转换器的输出相连。

[0013] 所述应力涡街流量传感器由第二旋涡发生体和应力检测元件组成，所述应力检测元件的输出连接到流量转换器的输入。

[0014] 本发明的流量计在测量气体流量时，是按照如下方法进行的： 将超声涡街流量传感器测量的流量以Ql表示，应力涡街流量传感器测量的流量以Q2表示，两种涡街流量传感器测量的总流量以Q表示，则：

Q1=S. Bf1A1, Q2=3. 6f2/K2,

q=qi+q2=3. 6 Cf1A^f2A2)；式中，—超声涡街流量传感器输出的频率信号，Hz ； f2 -应力涡街流量传感器输出的频率信号，Hz而一超声涡街流量传感器的仪表系数， L—1 ；K2_应力涡街流量传感器的仪表系数，L—1。

[0015] 相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、具有超宽的流量检测量程：本发明把两种不同检测方式的涡街流量传感器组合为一体，形成了具有更宽检测量程的流量计；其中，选用低速特性好、测量灵敏变高的超声涡街流量传感器来测量低流速范围的流量，其测量范围能够覆盖0. 3m/s〜7m/s，还选用了中、 高流速特性好、输出稳定的应力涡街流量传感器来测量中、高流速阶段的流量，其测量范围能够覆盖5m/s〜45m/s，并通过设置转换器来使两种传感器相互配合，实现控制信号的切换，从而达到了宽量程范围的流量检测，本发明的流量计量程比可以达到150:1。

[0016] 2、提高了检测精度：本发明把两种流量传感器设置在同一测量管内，同时在测量管内还设置了压力传感器和温度传感器，用四种传感器构成了一体化的多参数测量的智能流量计，获取的数据更加丰富、全面；同时在流量计的转换器内还设置了流量测控/切换单元(转换器)，由测控/切换单元来控制两种流量传感器的工作，可以实现从低流速小流量到高流速大流量的全量程检测，而且由于超声涡街流量传感器的上限流速为7m/s，而应力涡街流量传感器的下限流速为5m/s，因此两者的测量范围部分重叠，这样可以保证在切换过程中，两种流量传感器的流量特性的平滑过程和测量的精度。

[0017] 3、稳定性好：本发明中，将超声波涡街流量传感器设于测量管的上游，将应力涡街流量传感器设于测量管的下游，并且使两种传感器之间旋涡发生体迎流面之间的距离L 达到0. 9m〜1. 2m，这样上游的超声涡街流量传感器分离的涡街信号在传递到下游的应力涡街流量传感器时已衰减得很微弱，因此对下游的应力涡街流量传感器的工作不会产生影响，保障了两种流量传感器工作时相互不受干扰，从而提高了检测稳定性。 [0018]

附图说明

[0019] 图1为本发明宽量程双涡街流量计的电路结构框图； 图2为本发明宽量程双涡街流量计的结构示意图；

图3为图2的俯视图，图3中省略了流量转换器、压力传感器和温度传感器。

[0020] 图中，1一测量管，2—超声涡街流量传感器，21—第一旋涡发生体，22—超声发射换能器，23—超声接收换能器，3—应力涡街流量传感器，31—第二旋涡发生体，32—应力检测元件，4一流量转换器，41 一切换单元，42—测控计算单元，5—压力传感器，6—温度传感器，7—法兰。

[0021]

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

[0023] 如图1、图2和图3所示，本发明的宽量程双涡街流量计，包括测量管1，在测量管 1的两端分别设有法兰7，还包括设于测量管1内壁上游用于检测低流速气体信号的超声涡街流量传感器2和设于测量管1内壁下游用于检测高流速气体信号的应力涡街流量传感器 3。所述超声涡街流量传感器2由第一旋涡发生体21、超声发射换能器22和超声接收换能器23组成，第一旋涡发生体21、超声发射换能器22和超声接收换能器23均为现有设备，第一旋涡发生体21的作用在于制造产生旋涡，超声发射换能器22用于发射超声波信号，超声接收换能器23用于接收超声波信号。在安装时，超声发射换能器22和超声接收换能器23 相对的横向固定于测量管1的两侧并伸入到测量管1的内腔，第一旋涡发生体21竖向设置在测量管1内并位于超声发射换能器22和超声接收换能器23之间；超声接收换能器23的输出连接流量转换器4的输入，超声发射换能器22的输入与流量转换器4的输出相连。

[0024] 参见图2，所述应力涡街流量传感器3由第二旋涡发生体31和应力检测元件32组成，所述应力检测元件32的输出连接到流量转换器4的输入。本发明中采用的第二旋涡发生体31和应力检测元件32也是现有装置，第二旋涡发生体31的作用在于制造产生旋涡， 应力检测元件32的作用在于检测第二旋涡发生体31产生的旋涡信号，然后将所述旋涡信号传递给流量转换器4。

[0025] 参见图1和图2，所述的流量转换器4是由切换单元41和测控计算单元42组成， 超声涡街流量传感器2和应力涡街流量传感器3的输出分别与切换单元41的输入相连，超声涡街流量传感器2和应力涡街流量传感器3检测的气体流量信号经切换单元41切换控制后输入测控计算单元42。在测量管1的内壁上还设有压力传感器5和温度传感器6，所述压力传感器5和温度传感器6的输出均连接测控计算单元42的输入。

[0026] 工作原理：在工作状态下，流量转换器4为超声发射换能器22提供连续、等幅的电信号，激励超声发射换能器22向被测气体发射连续的等声强的超声波束，超声波束发射后，通过被测气体向对面的超声接收换能器23传播。当超声波向前传播时，遇到由第一旋涡发生体21分离出的旋涡列（涡街)，在旋涡列的作用下，超声波被调制，带着旋涡信息的超声波继续向前传播，到达超声接收换能器23，超声接收换能器23把接收到的包含旋涡信息的超声波信号转换成包含旋涡信息的电信号，送往流量转换器4，再由流量转换器4对接收的信号进行放大、解调、提取涡街信号，实现流量测量。同样的，位于测量管下游的应力涡街流量传感器也同步检测气体流量，为了减小上游超声波涡街传感器的影响，在安装时，应力涡街流量传感器与超声波涡街传感器的间距L要求设置在0. 9^1. 2m,该距离L是保证第二旋涡发生体31 产生的旋涡在向下游运动时，能量有足够的衰减，这样当流体经过超声波涡街传感器继续向下游流动时，第一旋涡发生体21产生的旋涡能量几乎可以衰减到零。应力涡街流量传感器的第二旋涡发生体31又产生新的旋涡信号，该旋涡信号被应力检测元件32采集，然后被送往流量转换器4。

[0027] 流量转换器4内的测控计算单元42将以上的超声波涡街传感器2采集的流量信号和应力涡街流量传感器3采集的流量信号依次进行采集放大、滤波、整形、计算后输出显示，就获得了总的流量信号。

[0028] 本发明中，流量转换器4的另一重要功能是对两种流量传感器输出的旋涡信号进行处理并作出判断，根据设定的量程范围，发出指令，进行自动切换，使其中一路流量传感器投入工作。当气体流量较小时（0.3m/s〜7m/s)，流量转换器4控制超声涡街流量传感器 2投入运行，并处理超声涡街流量传感器输出的数据；当流量较大时（5m/s〜45m/s)，流量转换器4控制应力涡街流量传感器3投入运行，并处理应力涡街流量传感器输出信号和数据，从而保证两种涡街流量传感器都可运作在最佳的量程范围内。

Claims (5)

1.宽量程双涡街流量计，包括测量管（1 )，在测量管（1)的两端分别设有法兰（7)，其特征在于，还包括设于测量管（1)上游用于检测低流速气体信号的超声涡街流量传感器（2) 和设于测量管（1)下游用于检测高流速气体信号的应力涡街流量传感器（3)，所述超声涡街流量传感器（2)和应力涡街流量传感器（3)均连接到流量转换器（4)；所述的流量转换器（4)是由切换单元（41)和测控计算单元（42)组成，超声涡街流量传感器（2)和应力涡街流量传感器（3)的输出分别与切换单元（41)的输入相连，超声涡街流量传感器（2)和应力涡街流量传感器（3)检测的气体流量信号经切换单元（41)切换控制后输入测控计算单元 (42)，测控计算单元（42)对接收的气体流量信号进行处理后输出显示；测控计算单元（42) 的输出还与切换单元（41)的控制端连接形成闭环回路。

2.根据权利要求1所述的宽量程双涡街流量计，其特征在于，在测量管（1)的内壁上还设有压力传感器（5)和温度传感器（6)，所述压力传感器（5)和温度传感器（6)的输出均连接测控计算单元（42)的输入。

3.根据权利要求1所述的宽量程双涡街流量计，其特征在于，所述超声涡街流量传感器（2)和应力涡街流量传感器（3)的间距为0.纩1. ail。

4.根据权利要求1或2所述的宽量程双涡街流量计，其特征在于，所述超声涡街流量传感器（2)由第一旋涡发生体（21)、超声发射换能器（22)和超声接收换能器（23)组成，其中超声发射换能器（22)和超声接收换能器（23)相对的横向设置于测量管（1)的两侧，第一旋涡发生体（21)竖向设置在测量管（1)内并位于超声发射换能器（22)和超声接收换能器 (23)之间；超声接收换能器（23)的输出连接流量转换器（4)的输入，超声发射换能器（22) 的输入与流量转换器（4)的输出相连。

5.根据权利要求1或2所述的宽量程双涡街流量计，其特征在于，所述应力涡街流量传感器（3)由第二旋涡发生体（31)和应力检测元件（32)组成，所述应力检测元件（32)的输出连接到流量转换器（4)的输入。