CN102620773A - 宽量程旋进旋涡气体流量计 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体流量计技术领域，尤其涉及一种宽量程旋进旋涡气体流量计。包括文丘利管状的壳体、分别位于其始端和终端的旋涡发生器和消旋体、安装在所述壳体内壁上的压力传感器和流量传感器以及积算仪，积算仪包括微处理器和信号采集单元，所述压力传感器连接至所述信号采集单元，在壳体内壁上还设有热加速度传感器；积算仪中设有连接至微处理器的选通电路，选通电路有两个输入端、同时连接至流量传感器与热加速度传感器。本发明在现有旋进旋涡气体流量计内设置热加速度传感器，并在积算仪中设置选通电路将流量传感器和热加速度传感器整合在一起，微处理器根据流量大小控制不同传感器工作，拓宽了流量传感器的量程。

Description

宽量程旋进旋涡气体流量计

技术领域

本发明属于气体流量计技术领域，尤其涉及一种宽量程旋进旋涡气体流量计。

背景技术

目前，世界上主流的流量仪表厂家所生产的各种气体流量计量仪表，由于测量原理上的原因，单台仪表流量测量范围的局限性。一般量程都在1∶30左右，只有热式气体流量计和罗茨流量计的量程范围比较宽，一般在1∶200左右。而且，由于气体管道内的气流流速经常出现过快和过慢的情况发生，超过仪表所能计量的流速范围，超出计量范围的气流一般都不能被流量仪表准确的记录下来，尤其是小于量程下限的情况，甚至有时根本就记录不到流量数值。

为了解决上述问题，人们一直在研究宽量程的流量仪表，研究方向主要是通过合理的技术手段对现有仪表量程下限以下的低速气流进行准确计量，到目前为止还没有妥善的解决办法。正因为如此，目前在气流流量的测量方面，往往在同一管道上将不同口径的仪表并联使用，利用控制阀来控制不同口径的仪表来适应不同的流速。此办法虽然部分解决了现有计量仪表存在的问题，但由于仪表的流量信号输出和控制阀的动作均需要一个缓冲时间，这给气流流量的精确计量带来了问题，进而为气流的供给方和使用方造成了诸多不便，更造成了原材料和安装场地上的极大浪费，这和世界主流的节能环保理念相冲突。

在传感器领域出现了一种高灵敏度的热加速度传感器为上述问题的解决提供了可能性。传统的热加速度计是基于电容或压电技术，用于测量微机械质量结构运动，这种技术在许多方面有一定的局限性，如表面粘附(称为黏附)、滞后、机械震动、电磁干扰(EMI)。昂贵而复杂的制造过程也面临一些与微机械运动结构相关问题的挑战，为了解决这些问题，MEMSIC开发出一种独特的技术，该技术解决了与传统基于MEMS的加速度计相关的问题，利用热对流技术，是全球第一家使用标准的CMOS工艺的单芯片集成混合信号处理电路的热对流MEMS惯性传感器。

其测量原理如下：一个被放置在芯片中央的热源在这个空腔中产生一个悬浮的“热气团”，同时四个由铝和多晶硅组成的热电偶组被等距离对称地放置在热源的四个方向。在未受到加速度或水平放置时，其温度的下降陡度是以热源为中心而完全对称的。此时，所有的四个热电偶组均因感应温度相同而产生的电压是相同的。上面是一个空腔气室，因无加速度的外力作用，热气团位于正中央的中央热源之上。当受到一个加速度的作用，热气团偏移，原来四个热电偶组的平衡被破坏，其温度的下降陡度是以热源为中心而向右发生△的偏量。由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致其不对称，此时四个热电偶组的输出电压会出现差异，而这热电偶组输出电压的差异是直接与所感应的加速度成比例的。在加速度传感器内部，有两条完全相同的加速度信号传输路径，一条是用于测量X轴上所感应的加速度，另一条则是用于测量Y轴上所感应的加速度。

热对流式加速度传感器的内部还包含传感器的模拟信号后处理电路。来自同一轴、两个方向的热电偶组信号经差分放大、温度比较、模数转换、数模转换、低通滤波和缓冲，输出已经放大了的模拟信号；或经差分放大、温度比较和模数转换，直接将信号处理成I2C接口界面。因此，热对流式加速度传感器是一个多芯片的片上系统，即SOC或MCM。

器件测量由加速度产生内在热传递中的变化提供较传统固态校对更具有质量优势的结构，因为在MEMSIC传感器设计中是利用气体分子校对质量，所以运动机械结构在加速度计内会被消除，MEMSIC加速度计可承受的理论撞击极限超过50000g，是传统加速度计的5倍之多，同时也消除了与表面粘附相连的问题。另外，MEMSIC加速度计不在要求特殊处理和测试，可大幅减少OEM的成本，MEMSIC标准的CMOS兼容工艺具备高质量的制备能力。故障率比传统的加速度计减少数千倍，这样的技术和制造能力，从根本上消除了故障率和其他的相关制造成本。

正是因为该传感器具备上述优势，将其应用到气体流量仪表中可以很好地解决存在的测量量程问题。结合当前主流各种气体流量计，应用上述热加速度传感器可派生出多种复合式宽量程气体流量计，如宽量程旋进旋涡气体流量计、宽量程气体涡轮流量计、宽量程涡街式气体流量计、宽量程动差式气体流量计、宽量程V锥式气体流量计等。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种宽量程旋进旋涡气体流量计。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：宽量程旋进旋涡气体流量计包括文丘利管状的壳体、分别位于其始端和终端的旋涡发生器和消旋体、安装在所述壳体内壁上的压力传感器和流量传感器以及积算仪，所述积算仪包括微处理器和信号采集单元，所述压力传感器连接至所述信号采集单元，在所述壳体内壁上还设有热加速度传感器；所述积算仪中设有连接至所述微处理器的选通电路，所述选通电路有两个输入端、同时连接至所述流量传感器与所述热加速度传感器。

本发明还可以采用如下技术方案：

所述热加速度传感器的工作端位于距离所述壳体内壁四分之一内径距离处。

所述热加速度传感器位于所述壳体的扩散段。

所述流量传感器为两个成中心对称的压电传感器，位于所述壳体的收缩段。

所述压力传感器位于所述壳体的收缩段。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明通过在现有的旋进旋涡气体流量计中设置兼具温度传感器功能的热加速度传感器，并在积算仪中设置与微处理器相连接的选通电路，其两个输入端将流量传感器和热加速度传感器整合在一起，微处理器实时判断管路中的流量状况，当流量处于流量传感器下限以下时，选通热加速度传感器工作，充分利用热加速度传感器准确测量微小流量的特性，在没有改变原气体流量计的整体结构的前提下拓宽了原流量计的量程、解决了现有技术中多表并联带来的问题。

附图说明

图1是现有技术中多表并联测量的系统结构示意图；

图2是本发明的结构示意图。

图中：1、大口径流量控制阀；2、大口径流量计；3、小口径流量控制阀；4、小口径流量计；5、积算仪；6、显示屏；7、压力传感器；8、热加速度传感器；9、旋涡发生器；10、壳体；11、流量传感器；12、消旋体。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

图1是现有技术中多表并联测量的系统结构示意图。在气体流量测量的管路上，将大口径流量计2和小口径流量计4并联使用，分别由大口径流量控制阀1和小口径流量控制阀3进行控制。当气体流量较小时，通过控制阀的切换控制，将大口径测量管路断开、小口径测量管路打开，以对较小流量进行测量。此办法虽然部分解决了现有计量仪表存在的问题，但由于仪表的流量信号输出和控制阀的动作均需要一个缓冲时间，这给气流流量的精确计量带来了问题，进而为气流的供给方和使用方造成了诸多不便，更造成了原材料和安装场地上的极大浪费。

图2是本发明宽量程旋进旋涡气体流量计的结构示意图。包括文丘利管状的壳体10，其始端和终端分别设有旋涡发生器9和消旋体12，在其内壁上设有压力传感器7和流量传感器11，压力传感器7位于壳体10的收缩段，流量传感器11为两个成中心对称的压电传感器，位于壳体10的收缩段。

还包括积算仪5，该积算仪5包括微处理器和信号采集单元。压力传感器7连接至信号采集单元。在壳体10的内壁上还设有热加速度传感器8，其工作端位于距离所述壳体10内壁四分之一内径距离处。积算仪5中设有连接至微处理器的选通电路，该选通电路有两个输入端、同时连接至流量传感器11与热加速度传感器8。在积算仪5上还设有显示屏6对测量结果进行显示。

通常情况下，气体管路中的流量值处于流量传感器11的量程范围内，此时积算仪5的微处理器通过选通电路选通流量传感器11处于工作状态，当气体管路中的流量减小至量程下限以下，微处理器通过选通电路选通热加速度传感器8处于工作状态，由其对低流量值进行测量。

流量传感器11为两个成中心对称的压电传感器，其测量原理如下：当沿着轴向流动的气体进入旋进旋涡流量计的入口时，旋涡发生器9强迫气体进行旋转运动，于是在旋涡发生器9中心产生旋涡流，旋涡流在文丘利管中旋进，到达收缩段突然节流使旋涡流加速，当旋涡流进入扩散段后，因回流的作用强迫进行旋进式二次旋转。此时旋涡流的旋转频率与介质流速成正比并为线性。压电传感器检测的微弱电荷信号经前置放大器放大、滤波、整形、比较后变成频率与流速成正比的脉冲信号，最后送积算仪的微处理器进行计数处理。微处理器根据该计数值得出旋涡流的旋转频率，并根据频率与流速的线性关系得出气体流速，后经进一步计算得到气体流量值。

根据热加速度传感器8的工作原理，在芯片中央产生一个悬浮的“热气团”，同时四个由铝和多晶硅组成的热电偶组被等距离对称地放置在热源的四个方向。为了实现用该热加速度传感器8进行对气流速度的测量，需要经过精确的数学建模来得到气流速度与各热电偶测量温度值的关系曲线。由于气流在管路中均匀流动，可以将其假想为均一介质，将热加速度传感器8的四个热电偶中的两个设置在流量计的中心线上，一个在入口方向另一个在出口方向。当流量计中没有气流流过时，其温度的下降陡度是以热源为中心而完全对称的。此时，所有的四个热电偶组均因感应温度相同而产生相同的电压。当气流以一定的速度流过时，“热气团”沿气体流向有一个△的偏量，即扰乱了热场的轮廓，从而导致其不对称，此时流量计中心线上的两个热电偶的输出电压会出现差异，而该电压的差值是直接与所感应的气流速度成比例的。由此建立了气流速度与热电偶间电压差的关系模型。

管路中气流流速特点是：管路中心流速最大，往四周逐渐减小，到达管壁时速度约等于零，因此靠近管壁处和靠近中心处的位置均不适合放置热加速度传感器8，本实施例中将该传感器设置在距离壳体10内壁四分之一内径距离处，以达到最好的测量效果。

选通热加速度传感器8工作时，微处理器根据测量得到的热电偶间电压差计算流速，进而计算得到流量值。

在计算的过程中，还需对温度以及压力进行补偿计算，此处的温度来自靠近流量计入口的热电偶测量温度值、压力值来自压力传感器7。

Claims (5)

1.一种宽量程旋进旋涡气体流量计，包括文丘利管状的壳体、分别位于其始端和终端的旋涡发生器和消旋体、安装在所述壳体内壁上的压力传感器和流量传感器以及积算仪，所述积算仪包括微处理器和信号采集单元，所述压力传感器连接至所述信号采集单元，特征在于：

在所述壳体的内壁上还设有热加速度传感器；

所述积算仪中设有连接至所述微处理器的选通电路，所述选通电路有两个输入端、同时连接至所述流量传感器与所述热加速度传感器。

2.按照权利要求1所述的宽量程旋进旋涡气体流量计，其特征在于：所述热加速度传感器的工作端位于距离所述壳体内壁四分之一内径距离处。

3.按照权利要求1或2所述的宽量程旋进旋涡气体流量计，其特征在于：所述热加速度传感器位于所述壳体的扩散段。

4.按照权利要求1所述的宽量程旋进旋涡气体流量计，其特征在于：所述流量传感器为两个成中心对称的压电传感器，位于所述壳体的收缩段。

5.按照权利要求1所述的宽量程旋进旋涡气体流量计，其特征在于：所述压力传感器位于所述壳体的收缩段。

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