CN102620775B - 可防堵塞的中部通孔动节流元件流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可防堵塞的中部通孔动节流元件流量计，属于自动检测技术领域中的节流式流量计；已申请专利“中部通孔动节流元件配接弹性膜片或波纹管的流量计”依据流体对动节流元件的推力而不像固定式节流元件依据流体差压来测量流量，取消了导压管，适于小口径和脏污流体的测量，但该型流量计的防堵塞机构里需要封装平衡液，制造工艺比较麻烦；本发明采用挠性过滤介质或过滤膜片组成中部通孔动节流元件流量计的防堵塞机构，这种防堵塞机构结构简单，工艺上容易实现，制成的流量计的价格也较低，由于具备上述特点，使用该型防堵塞机构的中部通孔动节流元件流量计具有取代差压式流量计及部分小管径的超声波流量计的发展前景。

Description

可防堵塞的中部通孔动节流元件流量计

技术领域

本发明涉及一种在自动检测技术领域中实现流量检测的仪表，特别是涉及节流式流量检测仪表。 

背景技术

目前，利用节流原理来实施的流量测量仍是应用最广泛的，所使用的节流装置大部分为固定式节流元件，少部分为动节流元件。在利用节流原理做成的流量计中，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，流体从它们的中部通孔流过；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，圆盘靶或转子这种动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。为了既保持孔板、喷嘴和文丘里管的各项优点，又摆脱导压管带来的种种不便，在“中部通孔动节流元件配接弹性膜片或波纹管的流量计”（申请号201110187493.0）中，采用了孔板、喷嘴或文丘里管廓形的中部通孔的动节流元件，在这种流量计中，被测流体对动节流元件的推力是与流体的流量一一对应的。上述流量计采用非金属的弹性环带来隔离脏污的被测流体，以防止在大于外接管道口径的被测液体可到达的区域内产生堵塞，而被测流体作用在非金属弹性环带上的压力，则由在非金属弹性环带与弹性膜片或波纹管之间注入的平衡液将该压力传递到弹性膜片或波纹管，并最终由弹性膜片或波纹管来承压。 

发明内容

由于上述“中部通孔动节流元件配接弹性膜片或波纹管的流量计”的防堵塞机构较复杂，又需要在防堵塞机构中注入平衡液，使得制造工艺较复杂，不利于这种新型流量计的推广使用，因此，需要研制一种具有更简单防堵塞机构的中部通孔动节流元件的流量计。 

本发明为解决其技术要求所采用的技术方案如下：如说明书附图所示，研制的流量计是一种可防堵塞的中部通孔动节流元件流量计，在中部通孔动节流元件两端各需配接一个弹性膜片或一个波纹管；动节流元件配接弹性膜片时，动节流元件入口端配接的圆环状弹性膜片的内缘与动节流元件入口端密封连接，其外缘与流量计入口端端管密封连接，动节流元件出口端配接的圆环状弹性膜片的内缘与动节流元件出口端密封连接，其外缘与流量计出口端端管密封连接；动节流元件配接波纹管时，动节流元件入口端配接的波纹管的出口端与动节流元件入口端密封连接，其入口端与流量计入口端端管密封连接，动节流元件出口端配接的波纹管的入口端与动节流元件出口端密封连接，其出口端与流量计出口端端管密封连接，动节流元件的重量由弹性金属片吊带支承；机壳位于流量计入口端端管与流量计出口端端管之间，并使这三者刚性连接以固定两个端管间的距离；上述密封连接形成一个流体从流量计入口端端管入口流入，接着流过动节流元件中部通孔，然后从流量计出口端端管出口流出的无泄漏的流动通道；当中部通孔动节流元件配接弹性膜片时，在动节流元件入口端配接的弹性膜片与流量计入口端端管间大于端管口径的空隙处，以及动节流元件出口端配接的弹性膜片与流量计出口端端管间大于端管口径的空隙处，部分或全部填充挠性过滤介质，形成两个圆环状的过滤层，过滤层可跟随动节流元件的轴向移动做相应的轴向伸缩，使得上述两处空隙大小因动节流元件轴向移动产生微小变化时，被测流体只有经过这两个过滤层才能进出上述两处空隙，或者不以挠性过滤介质填充上述两处空隙，而是用两个与端管等口径的圆筒状的过滤膜片，每个过滤膜片的两端分别连接动节流元件一端及靠近该端的端管，过滤膜片可跟随动节流元件的轴向移动做同样的轴向伸缩，使得被测流体只有经过这两个过滤膜片才能进出上述两处空隙；当中部通孔动节流元件配接波纹管时，在这两个波纹管内部大于波纹管口径的被测液体可到达的各单波的空隙内，部分或全部填充挠性过滤介质，在波纹管每个单波内部都形成一个圆环状的过滤层，各单波过滤层可跟随波纹管的轴向伸缩做相应的轴向伸缩，使得上述各单波空隙的大小因动节流元件轴向移动产生微小变化时，被测流体只有经过各单波过滤层才能进出上述各单波空隙，或者不以挠性过滤介质填充上述各单波空隙，而是用两个与波纹管等口径的圆筒状的过滤膜片，每个过滤膜片封闭一个波纹管中所有单波内部大于波纹管口径的被测流体可到达的空隙，过滤膜片可跟随动节流元件的轴向移动做同样的轴向伸缩，使得被测流体只有经过过滤膜片才能进出波纹管各单波空隙。采取上述技术措施后，由于弹性膜片或波纹管跟随动节流元件移动而产生的轴向位移很小，被测流体流过挠性过滤介质或过滤膜片的流量也极小，被测流体的错流过滤流动在流过过滤层通孔表面或过滤膜片表面时对它们的冲刷又有自净的效果，故挠性过滤介质或过滤膜片的污染轻，因挠性过滤介质或过滤膜片堵塞而使其丧失过滤功能或使弹性膜片及波纹管伸缩失效的周期就很长，可长期维持正常工作。 

本发明的有益效果是，与已申请专利“中部通孔动节流元件配接弹性膜片或波纹管的流量计”相同，可防堵塞的中部通孔动节流元件流量计在测量中仍利用节流原理，因而不像涡街流量计那样易受外界测量条件的影响；又由于将文丘里管、喷嘴和孔板作为动节流元件使用，取消了差压式流量计最受诟病的导压管，因而不易堵塞，能够测量小管径流量，并可以降低施工难度；特别是使用动文丘里管作为动节流元件时，流量计还具有流动阻力损失小、使用年限长、精度较高、节流元件本身不易堵塞等优点。已申请专利“中部通孔动节流元件配接弹性膜片或波纹管的流量计”与可防堵塞的中部通孔动节流元件流量计相比，前者防堵塞机构较复杂，又需要在弹性环带与弹性膜片或波纹管之间注入平衡液，制造工艺复杂，不利于推广使用；而后者防堵塞机构极简单，仅需在弹性膜片或波纹管处填充过滤介质或设置过滤膜片，因而，制造更容易，也更便于小管径及脏污流体的流量测量，有利于这种新型流量计的推广使用。 

附图说明

图1是本发明的第一个实施例的结构原理图。 

图2是本发明的第二个实施例的结构原理图。 

图3是本发明的第三个实施例的结构原理图。 

图4是本发明的第四个实施例的结构原理图。 

图中1.挠性过滤介质，2.过滤膜片，3.端管，4.动节流元件，5.机壳，6.力传感器，7.弹性膜片，8.波纹管，9.金属片吊带。 

具体实施方式

在以下四个实施例中，为了减少流动阻力损失和防止污物聚集，动节流元件4采用动文丘里管4，在有些应用场合，动文丘里管4也可被替换为动孔板或动喷嘴，而流量计其他部分则保持原结构形式不变。另外，为使文字更简明，在各实施例的附图中，部件位置关系规定：以左侧为前，以右侧为后。 

实施例一 

在图1的实施方案中，在动文丘里管4两端各配接一个圆环状的带边缘波纹的波纹弹性膜片7，两个弹性膜片7的内缘分别与动文丘里管4的入口端与出口端密封连接，两个弹性膜片7的外缘分别与前部端管3与后部端管3密封连接。机壳5与前部端管3及后部端管3相互间刚性连接，因而固定了两个端管3间的距离，并有在机壳5上面安装其他部件的作用。力传感器6通常由弹性元件和位移检测元件两部分组成，弹性元件将被测力转换为弹性元件自由端的对应位移，位移检测元件再将这个位移转换为相应的电信号输出。在弹性膜片7与端管3间的空隙处，填充有挠性过滤介质1，形成圆环状的过滤层，过滤层能够跟随动文丘里管4的前后移动做同样的轴向伸缩，保证流体只有经过过滤层才能进出上述空隙。挠性过滤介质1可使用海绵状过滤介质或纤维状过滤介质，其挠性指的是该过滤介质在很小的外力作用下，就可以按设计要求改变自己的形状。由于在测量过程中动文丘里管4的前后位移很小，进出上述空隙处的流量也就很小，同时圆环状过滤层的通孔口径与端管3口径相同，流体的错位过滤流动对过滤层的通孔表面又有清洁作用，所以过滤层因堵塞而失去过滤及轴向伸缩能力的周期就很长，可长期使用而不必更换。当流体流过动文丘里管4时，流体的流量越大，流体对动文丘里管4的推力也越大，动文丘里管4又通过传动架将这个推力作用在传感器6上，力传感器6根据推力大小输出与推力对应（即与流量对应）的电信号。

被测流体对动文丘里管4的推力由两部分组成，一部分是流体直接作用在动文丘里管4上的推力；另一部分是由于流量越大，流体作用在动文丘里管4出、入口两端的两个弹性膜片7上的静压力的差值也越大，该压差乘以弹性膜片7的有效面积，即为流体通过弹性膜片7间接作用在动文丘里管4上的推力。 

流体直接作用在动文丘里管4上的推力与被测流量之间关系的分析如下：动文丘里管4安置在水平直管道上，这样，研究动文丘里管4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 

      

式中  

 、

——动文丘里管4前、后流体作用在其上的静压力；

      

——被测流体的重度；

      

——阻力系数，它与动文丘里管4形状，流体粘性等有关；

      

——重力加速度；

      ——流体流过动文丘里管4中部通孔的流速。

显然，

乘以动文丘里管4的有效横截面积A ₁，即得到流体作用在动文丘里管4上的推力F。动文丘里管4有效横截面积可按下式计算 

式中  

——外接管道内径，也是动文丘里管4的口径；

      

——动文丘里管4中部通孔直径。

动文丘里管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，动文丘里管是整体移动的，有效横截面积不必考虑边缘效应。因此被测流体直接作用在动文丘里管4的推力F ₁为 

被测流体间接作用在动文丘里管4上的推力F ₂为

式中  

——弹性膜片7的有效面积。

被测流体对动文丘里管4的总的推力F为 

或  

据上式可得被测体积流量的表达式

在上式中，当被测流体的各项参数及动文丘里管4几何尺寸确定后，

为常数，因此被测流体的体积流量与推力F的平方根成正比。但由于

的组成项

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

值。

若动文丘里管4在推力F的作用下产生位移

，则位移在弹性膜片7与力传感器6的弹性元件上分别产生与

大小的反弹力，其中

。由上述可得 

，

式中 

——弹性膜片7的刚度；

     

——力传感器6的弹性元件刚度。

并且，

在上式中，如果弹性膜片7的刚度

与力传感器6弹性元件的刚度

为常数，则力传感器通过调量程的方式，就可以将波纹管8的刚度归并到力传感器6弹性元件的刚度

上，也就是力传感器6中的位移检测元件按弹性元件的刚度为

来进行放大处理。因此，通过测量位移

，就可以准确测得被测流量的大小。但经过有限元分析后知道，由于被测液体的绝对压力一般比较大，弹性膜片7又是薄壁厚的，在这个绝对压力作用下弹性膜片7将有明显的变形，在测量中若被测液体的绝对压力产生波动，弹性膜片7的变形程度也将随之改变，而其刚度

也要有一个相应的变化

，这将产生测量误差。即在被测流量不变的情况下，也即是在同一推力F作用下，此时动文丘里管4的位移为

，有一个测量误差，此时的反弹力公式为

上式中

，因此测量相对误差

可表述为

    

由上式可见，要减少测量误差，可从两方面入手，一方面是设法稳定被测流体的绝对压力，减少其压力波动幅度，即通过减小

使其对的影响减小；另一方面是使力传感器6弹性元件的刚度

远大于弹性膜片7的刚度

（即

），此时

，因而也可使

对

的影响减少，由于弹性膜片7的轴向刚度比较大，这就要求力传感器弹性元件的刚度要非常大才行，即文丘里管4位移的最大值要非常小，也就是要求力传感器6必须是微位移传感器。

实施例二 

在图2的实施方案中，可以看出本实施例与图1的实施例一在结构上大体相同，只是在弹性膜片7与端管3间的空隙处，不填充挠性过滤介质1，而是使用了两个与端管3及动文丘里管4等口径的圆筒状的过滤膜片2，每个过滤膜片2的两端分别连接动文丘里管4的一端及靠近该端的端管3，过滤膜片2能够跟随动文丘里管4的轴向移动做同样的轴向伸缩，保证流体只有经过过滤膜片2才能进出上述两处空隙。圆筒状的过滤膜片2可以是普通纤维织物的，也可以是使用膜分离技术的无机微滤膜或有机微滤膜。当使用的是刚性过滤膜片2时，可在圆筒状的刚性过滤膜片2的两端各密封连接一短段的非金属弹性环带，这种圆筒状的组合体可保证其能够跟随波纹管8的轴向伸缩做同样的轴向伸缩。基于与实施例一中同样的理由，过滤膜片2也可长期使用而不必更换。

实施例三 

在图3的实施方案中，在动文丘里管4的两端各配接一个U型波纹管8，前部波纹管8的后端与动文丘里管4的前端密封连接，前部波纹管8的前端与前部端管3密封连接；后部波纹管8的前端与动文丘里管4的后端密封连接，后部波纹管8的后端与后部端管3密封连接。在这两个波纹管8内部大于波纹管内径的被测液体可到达的各单波的空隙内，填充挠性过滤介质1，在每个单波内形成一个圆环状的过滤层，各单波过滤层可跟随波纹管8的前后伸缩做相应的轴向伸缩，保证流体只有经过各单波过滤层才能进出上述各单波空隙。由于在测量过程中动文丘里管4的前后位移很小，进出上述各单波空隙处的流量也就很小，同时波纹管8每个单波内部圆环状过滤层的通孔口径与波纹管8口径相同，流体的错位过滤流动对过滤层通孔的表面有清洁作用，所以挠性过滤介质1因堵塞而使波纹管8伸缩失效的周期就很长，可长期使用而不必更换。当被测液体的绝对压力较高时，为提高波纹管8的耐压等级，可在波纹管8外部使用加强套环。动文丘里管4的重量由连接在其两端的两条弹性金属片吊带9支承，金属片吊带9由很薄的弹性金属片制成，其沿管道轴向的刚度很小，其变形产生的反弹力也非常小，因而可认为动文丘里管4所受到的推力F只被两个波纹管的反弹力及力传感器6弹性元件的反弹力所平衡。与实施例一、二不同的是，被测流体对动文丘里管4的推力只有直接作用在动文丘里管4上的那部分推力力，即

或   

据上式可得被测体积流量

的表达式

在上式中，当被测流体的各项参数以及动文丘里管4的几何尺寸确定后，

为常数，因此被测流体的体积流量与推力F的平方根成正比。但由于

的组成项

不能通过理论推导获得，因此也只能通过对流量计进行实验标定的方法来确定

值。

若动文丘里管4在推力F的作用下产生位移

，则位移

在波纹管8与力传感器6的弹性元件上分别产生

与

大小的反弹力，其中

。由上述可得 

，

式中 

——波纹管8的刚度；

     ——力传感器6弹性元件的刚度。

并且，

    按照与实施例一中同样的推导过程，可得出测量相对误差

的表达式

    

要减少测量误差，同样可从以下两方面入手。一方面，是设法稳定被测流体的绝对压力，减少其压力波动幅度，这样可以使

对

的影响减少。另一方面，是使力传感器6弹性元件的刚度远大于波纹管8的刚度

（即），此时

，这也可使

对的影响减少。本实施例与实施例一、二不同，由于波纹管8的轴向刚度

比较小，使力传感器6弹性元件的刚度

远大于波纹管8的刚度

的条件比较容易实现，因此，对力传感器6的要求不高，力传感器6不必使用微位移传感器。

实施例四 

    在图4的实施方案中，可以看出本实施方案在结构上大体与图3中的实施例三相同，只是在两个波纹管8内部大于波纹管8口径的被测流体可到达的各单波的空隙内，不填充挠性过滤介质1，而是使用了两个与波纹管8等口径的圆筒状的过滤膜片2，每个过滤膜片2封闭一个波纹管8中所有单波内部大于波纹管8口径的被测流体可到达的空隙，过滤膜片2可跟随波纹管8的轴向伸缩做同样的轴向伸缩，使得被测流体只有经过各过滤膜片2才能进出波纹管8上述各单波空隙。基于与实施例一中所述的同样的理由，过滤膜片2也可长期使用而不必更换。

Claims (1)

1.一种可防堵塞的中部通孔动节流元件流量计，在中部通孔动节流元件（4）两端各需配接一个弹性膜片（7）或一个波纹管（8）；动节流元件（4）配接弹性膜片（7）时，动节流元件（4）入口端配接的圆环状弹性膜片（7）的内缘与动节流元件（4）入口端密封连接，其外缘与流量计入口端端管（3）密封连接，动节流元件（4）出口端配接的圆环状弹性膜片（7）的内缘与动节流元件（4）出口端密封连接，其外缘与流量计出口端端管（3）密封连接；动节流元件（4）配接波纹管（8）时，动节流元件（4）入口端配接的波纹管（8）的出口端与动节流元件（4）入口端密封连接，其入口端与流量计入口端端管（3）密封连接，动节流元件（4）出口端配接的波纹管（8）的入口端与动节流元件（4）出口端密封连接，其出口端与流量计出口端端管（3）密封连接，动节流元件（4）的重量由弹性金属片吊带（9）支承；机壳（5）位于流量计入口端端管（3）与流量计出口端端管（3）之间，并使这三者刚性连接以固定两个端管（3）间的距离；上述密封连接形成一个流体从流量计入口端端管（3）入口流入，接着流过动节流元件（4）中部通孔，然后从流量计出口端端管（3）出口流出的无泄漏的流动通道；其特征在于：当中部通孔动节流元件（4）配接弹性膜片（7）时，在动节流元件（4）入口端配接的弹性膜片（7）与流量计入口端端管（3）间大于端管（3）口径的空隙处，以及动节流元件（4）出口端配接的弹性膜片（7）与流量计出口端端管（3）间大于端管（3）口径的空隙处，部分或全部填充挠性过滤介质（1），形成两个圆环状的过滤层，过滤层可跟随动节流元件（4）的轴向移动做相应的轴向伸缩，使得上述两处空隙大小因动节流元件（4）轴向移动产生微小变化时，被测流体只有经过这两个过滤层才能进出上述两处空隙，或者不以挠性过滤介质（1）填充上述两处空隙，而是用两个与端管（3）等口径的圆筒状的过滤膜片（2），以每个过滤膜片分别连接动节流元件（4）一端与靠近该端的端管（3），过滤膜片（2）可跟随动节流元件的轴向移动做相应的轴向伸缩，使得被测流体只有经过这两个过滤膜片（2）才能进出上述两处空隙；当中部通孔动节流元件（4）配接波纹管（8）时，在这两个波纹管（8）内部大于波纹管（8）口径的被测液体可到达的各单波的空隙内，部分或全部填充挠性过滤介质（1），在波纹管（8）每个单波内部都形成一个圆环状的过滤层，过滤层可跟随波纹管（8）的轴向伸缩做相应的轴向伸缩，使得上述各单波空隙的大小因动节流元件（4）轴向移动产生微小变化时，被测流体只有经过各单波过滤层才能进出各单波空隙，或者不以挠性过滤介质（1）填充上述各单波空隙，而是以两个与波纹管（8）等口径的圆筒状的可跟随动节流元件的前后移动做相应轴向伸缩的过滤膜片（2），每个过滤膜片（2）封闭一个波纹管（8）中所有单波内部大于波纹管（8）口径的被测流体可到达的空隙，使得被测流体只有经过过滤膜片（2）才能进出波纹管（8）上述各单波空隙。

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