CN102393223B - 变面积式差压流量结构及变面积式差压流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用了变面积式差压流量结构的变面积式差压流量计，该流量结构包括一固定套，固定套的中心位置开设有用于接驳流体管道的通道，通道中部的内壁从上向下延伸有至少一叶定位轮板，定位轮板的悬空端固定有一与通道同轴的螺杆，螺杆的中部套设有采用同轴方式与螺杆滑动配合的节流滑体，节流滑体后端与限位台阶之间的螺杆上套设有压缩弹簧，节流滑体包括一段纺锤体构造，固定套上分别开设有取压孔I和取压孔II，本发明的流量计打破了传统差压式流量计其节流面积比固定不变、测量范围不变的局限性，在测量过程中节流面积随着流量变化而变化，其仪表信号（差压）与流量为线性关系，大大提高了量程比高，满足不同流量范围的测量要求。

Description

变面积式差压流量结构及变面积式差压流量计
技术领域
本发明涉及流体流量计量技术领域，特别涉及一种变面积式差压流量结构，同时还涉及一种变面积式差压流量计。
背景技术
传统差压式流量计以孔板流量计、文丘里管流量计以及喷嘴流量计为代表，其使用历史悠久，结构简单，工作性能可靠，价格低廉，适用性广，而在电力、化工、炼油、冶金等工业生产中得到广泛应用。由于该类型流量计其仪表信号（差压）与流量为平方关系，其测量范围仅3:1到4:1,且永久压损大。经过多年的实践，这一问题始终没有得到彻底的解决。
传统差压式流量计的数学模型可表示为：
Figure 567624DEST_PATH_IMAGE002
从上述公式可以看出，孔板流量计的质量流量
Figure 401587DEST_PATH_IMAGE004
与流经孔板的差压信号
Figure 2011102567342100002DEST_PATH_IMAGE005
的平方根成正比。差压变送器的最大量程比为100:1，那么在此基础上，孔板流量计的最大量程比只有10:1。但是影响孔板流量计的还有其他参数，如流出系数
Figure 165275DEST_PATH_IMAGE006
，可膨胀性系数ε等等。所以，一般来说孔板流量计的量程比被限制在4:1左右。且永久压损大。经过多年的实践，这一问题始终没有得到彻底的解决。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种变面积式差压流量结构，通过加入“弹簧负载纺锤体”的独特设计，使得流量变化时，环隙面积（流体的过通面积）自动变化，其仪表信号（差压）与流量为线性关系，大大提高了量程比高（最高可达到100：1），满足不同流量范围的测量要求；与此同时，本发明的目的之二是提供一种变面积式差压流量计，通过采用目的之一的变面积式差压流量结构，从而构成了一种适于应用的成品流量计装置。
本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：
该变面积式差压流量结构，包括一固定套，所述固定套的中心位置开设有用于接驳流体管道的通道，所述通道的纵向截面为梯形，梯形的大端和小端分别为流体进入端和流体输出端，通道中部的内壁从上向下延伸有至少一叶定位轮板，所述定位轮板的悬空端固定有一与通道同轴的螺杆，所述螺杆的前端部与定位轮板固定，螺杆的后端部设置有限位台阶，螺杆的中部套设有采用同轴方式与螺杆滑动配合的节流滑体，节流体的后端与限位台阶之间的螺杆上套设有压缩弹簧，所述节流滑体包括一段与螺杆同心的纺锤体构造，所述纺锤体构造的小端朝向通道的流体进入端，常态下，所述节流滑体在压缩弹簧的顶紧力作用下，纺锤体构造的大端边缘与通道的内壁四周紧密接触且将通道划分为前腔和后腔，所述前腔包括通道的流体进入端，所述后腔包括通道的流体输出端；
所述固定套上分别开设有取压孔I和取压孔II，所述取压孔I用于连通前腔和外部的测压装置，所述取压孔II用于连通后腔和外部的测压装置。
进一步，所述定位轮板的固定端采用垂直于通道内壁的方式进行固定；
进一步，所述定位轮板的数量为3个且沿通道中部的内壁环面均匀设置，相邻定位轮板的的悬空端之间的夹角为60°；
进一步，纺锤体构造的长度占节流滑体总长度的1/2~2/3。
进一步，所述压缩弹簧采用INCONEL X750特种合金制成。
本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：
该变面积式差压流量计，包括如前所述的变面积式差压流量结构，还包括夹持法兰I和夹持法兰II，所述夹持法兰I和夹持法兰II采用对夹式结构将变面积式差压流量结构紧密夹持在两者之间，所述夹持法兰I和夹持法兰II的中部开设有用于对接通道的管孔。
进一步，所述夹持法兰I和夹持法兰II为不锈钢材质。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用了变面积式差压流量结构的流量计，打破了传统差压式流量计其节流面积比固定不变、测量范围不变的局限性，在测量过程中节流面积随着流量变化而变化，其仪表信号（差压）与流量为线性关系，大大提高了量程比高（最高可达到100：1），满足不同流量范围的测量要求；
2.本发明的流量计适用于绝大多数工业流体，具有优越的调节比以及高精度，同时其对夹式设计便于安装，无需昂贵的管道口径变换，即可计算低流量，适用于多种场合，包括危险环境下；
3.装置中所采用的压缩弹簧采用广泛使用的“太空合金”INCONEL X750进行制造，可在高温及腐蚀环境中运行，且弹簧在650℃高温下经过了数小时的硬化处理以及400℃以上的高温热处理，从而具有良好的弹性以及防松弛性，适合长时间使用。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1和图2用于说明本发明的原理，其中图1为正视图，图2为图1沿A-A向的剖面示意图；
图3为本发明的变面积式差压流量结构的结构示意图；
图4为本发明的变面积式差压流量计的结构半剖面图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
本发明的研究是基于以下理论：如图1和图2所示，流体流经节流件时，形成前后压力差。该差压引起纺锤体发生位移，移动距离为
Figure 2011102567342100002DEST_PATH_IMAGE007
，纺锤体的外轮廓孔径为。在弹簧的回复力作用下，纺锤体移动一段距离之后静止，达到平衡状态，差压
Figure 462581DEST_PATH_IMAGE005
就等于弹簧的倔强系数
Figure 2011102567342100002DEST_PATH_IMAGE009
和行程
Figure 716714DEST_PATH_IMAGE007
的乘积,即有:
Figure 154649DEST_PATH_IMAGE010
——
Figure 2011102567342100002DEST_PATH_IMAGE011
（
Figure 637583DEST_PATH_IMAGE009
=弹簧的回复系数）
我们知道，体积流量
Figure 110152DEST_PATH_IMAGE012
等于流速
Figure 2011102567342100002DEST_PATH_IMAGE013
乘流通面积，则有:
Figure 2011102567342100002DEST_PATH_IMAGE015
——
Figure 24199DEST_PATH_IMAGE016
根据伯努利方程可知，流速与差压
Figure 621588DEST_PATH_IMAGE005
的平方根成正比，则有：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
 ---——（
Figure DEST_PATH_IMAGE019
=常数）
由公式
Figure 193832DEST_PATH_IMAGE011
Figure 403413DEST_PATH_IMAGE018
得知：
Figure 655403DEST_PATH_IMAGE020
——
Figure DEST_PATH_IMAGE021
独特的纺锤体的外轮廓孔径为
Figure 555226DEST_PATH_IMAGE008
设计，使流通面积
Figure 432921DEST_PATH_IMAGE014
与
Figure 734589DEST_PATH_IMAGE022
成线性时，则有：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
——
Figure 157480DEST_PATH_IMAGE024
（
Figure DEST_PATH_IMAGE025
=常数）
由公式
Figure 357649DEST_PATH_IMAGE021
Figure 727450DEST_PATH_IMAGE024
得知：
Figure 680363DEST_PATH_IMAGE026
——
Figure DEST_PATH_IMAGE027
（
Figure 477417DEST_PATH_IMAGE028
=常数）
由公式
Figure 397838DEST_PATH_IMAGE027
得知
Figure 571330DEST_PATH_IMAGE012
与位移
Figure 644328DEST_PATH_IMAGE007
成线性，且由公式
Figure 612284DEST_PATH_IMAGE011
得知差压
Figure 708416DEST_PATH_IMAGE005
与位移
Figure 233070DEST_PATH_IMAGE007
成线性，综上得知
Figure 98257DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure 237115DEST_PATH_IMAGE005
成线性，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
（
Figure 882860DEST_PATH_IMAGE030
=常数）
从而大大扩大了设备量程比。
根据以上原理，如图3所示，本发明的变面积式差压流量结构，包括一固定套1，固定套的1中心位置开设有用于接驳流体管道的通道2，通道2的纵向截面为梯形，梯形的大端和小端分别为流体进入端和流体输出端，通道中部的内壁从上向下延伸有定位轮板3，本实施例中，定位轮板的数量为3个且沿通道中部的内壁环面均匀设置，定位轮板均垂直于内壁，相邻定位轮板的的悬空端之间的夹角为60°。
定位轮板3的悬空端集中固定有一与通道同轴的螺杆4，螺杆4的前端部与定位轮板3固定，螺杆4的后端部设置有限位台阶5，螺杆4的中部套设有采用同轴方式与螺杆滑动配合的节流滑体6，节流滑体6后端与限位台阶5之间的螺杆上套设有压缩弹簧7，所述节流滑体6包括一段与螺杆同心的纺锤体构造8，所述纺锤体构造8的小端朝向通道的流体进入端，常态下，所述节流滑体6在压缩弹簧的顶紧力作用下，纺锤体构造8的大端边缘与通道的内壁四周紧密接触且将通道划分为前腔和后腔，所述前腔包括通道的流体进入端，所述后腔包括通道的流体输出端；
在固定套1上还分别开设有取压孔I 9和取压孔II 10，取压孔I用于连通前腔和外部的测压装置，取压孔II用于连通后腔和外部的测压装置。
作为进一步的改进，纺锤体构造的长度占节流滑体总长度的1/2~2/3。
作为进一步的改进，压缩弹簧采用INCONEL X750特种合金制成，且在650℃高温下经过了数小时的硬化处理以及400℃以上的高温热处理，从而具有良好的弹性以及防松弛性，适合长时间使用。
如图4所示，本发明的变面积式差压流量计，包括如前所述的变面积式差压流量结构15，还包括采用不锈钢制成的夹持法兰I 11和夹持法兰II 12，夹持法兰I和夹持法兰II采用对夹式结构将变面积式差压流量结构紧密夹持在两者之间，在夹持法兰I和夹持法兰II的中部开设有用于对接通道的管孔。通过采用对夹式结构，方便了业主安装调试，也降低了业主的使用成本。
为达到良好的密封性，法兰与固定套的结合面上设置有密封圈13。法兰与法兰之间采用螺栓结构14进行牢固连接。
本发明采用了变面积式差压流量结构的流量计，打破了传统差压式流量计其节流面积比固定不变、测量范围不变的局限性，在测量过程中节流面积随着流量变化而变化，其仪表信号（差压）与流量为线性关系，大大提高了量程比高（最高可达到100：1），满足不同流量范围的测量要求。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.变面积式差压流量结构，其特征在于：所述流量结构包括一固定套（1），所述固定套的（1）中心位置开设有用于接驳流体管道的通道（2），所述通道（2）的纵向截面为梯形，梯形的大端和小端分别为流体进入端和流体输出端，通道中部的内壁从上向下延伸有至少一叶定位轮板（3），所述定位轮板（3）的悬空端固定有一与通道同轴的螺杆（4），所述螺杆（4）的前端部与定位轮板（3）固定，螺杆（4）的后端部设置有限位台阶（5），螺杆（4）的中部套设有采用同轴方式与螺杆滑动配合的节流滑体（6），节流滑体（6）后端与限位台阶（5）之间的螺杆上套设有压缩弹簧（7），所述节流滑体（6）包括一段与螺杆同心的纺锤体构造（8），所述纺锤体构造（8）的小端朝向通道的流体进入端，常态下，所述节流滑体（6）在压缩弹簧的顶紧力作用下，纺锤体构造（8）的大端边缘与通道的内壁四周紧密接触且将通道划分为前腔（21）和后腔（22），所述前腔（21）包括通道的流体进入端，所述后腔（22）包括通道的流体输出端；
所述固定套上分别开设有取压孔I（9）和取压孔II（10），所述取压孔I用于连通前腔和外部的测压装置，所述取压孔II用于连通后腔和外部的测压装置。
2.根据权利要求1所述的变面积式差压流量结构，其特征在于：所述定位轮板的固定端采用垂直于通道内壁的方式进行固定。
3.根据权利要求2所述的变面积式差压流量结构，其特征在于：所述定位轮板的数量为3个且沿通道中部的内壁环面均匀设置，相邻定位轮板的的悬空端之间的夹角为60°。
4.根据权利要求3所述的变面积式差压流量结构，其特征在于：纺锤体构造的长度占节流滑体总长度的1/2~2/3。
5.根据权利要求1所述的变面积式差压流量结构，其特征在于：所述压缩弹簧采用INCONEL X750特种合金制成。
6.变面积式差压流量计，其特征在于：包括如权利要求1所述的变面积式差压流量结构，还包括夹持法兰I（11）和夹持法兰II（12），所述夹持法兰I和夹持法兰II采用对夹式结构将变面积式差压流量结构紧密夹持在两者之间，所述夹持法兰I和夹持法兰II的中部开设有用于对接通道的管孔。
7.根据权利要求6所述的变面积式差压流量计，其特征在于：所述夹持法兰I和夹持法兰II为不锈钢材质。
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