CN102636293A - 基于动文丘里管流量计的热量表 - Google Patents

Abstract

一种基于动文丘里管流量计的热量表，属于计量供热系统技术领域；针对我国供热系统水质较差，热量表使用机械式、差压式或超声波流量计又有易堵塞等弊病的现状，本发明采用动文丘里管流量计作为热量表核心组成部件，该流量计使用动文丘里管，有在动文丘里管两端均配接弹性膜片或波纹管或仅在其一端配接弹性膜片或波纹管的两种结构形式，并在流量计活动间隙处填充挠性过滤介质或设置过滤膜片组成流量计的防堵塞机构；由于该流量计具有结构简单、价格低、流动阻力损失小、使用年限长、精度高、不易堵塞等优点，因此，基于该流量计的热量表可解决现有热量表推广难的问题；本发明能够满足我国分户计量供热系统对合用的户用型热量表的迫切要求。

Description

基于动文丘里管流量计的热量表

技术领域

本发明涉及一种在计量供热系统技术领域中对供热量进行计量的仪表，特别是分户计量供热系统的户用型热量表。

背景技术

目前，我国北方城市多数集中供热系统仍按面积收费，这种结算方式既不科学也不公平合理，因此实施按实际用热量分户计量收费的结算方式势在必行，这将有助于提高采暖住宅用户的舒适度，并能大幅度地节约能源。热量表作为计量供热系统的核心部件，主要有基于流量计的热量表与无流量计热量表两大类。由于无流量计热量表有测量误差较大、使用不便等缺点，目前广泛使用的仍是基于流量计的热量表。基于流量计的热量表通常由热水流量计、温度传感器和积算仪三部分组成的，其中积算仪根据流量计送来的热水流量信号、温度传感器送来的供水温度信号与回水温度信号计算出用户所消耗的热量。对于工业上的流量测量而言，应用最广泛的流量计是利用节流原理来实施的，这类流量计所使用的节流装置大部分采用固定式节流元件，少部分采用动节流元件，例如，广泛应用的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，流体从它们中部的通孔流过；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设置有导压管，既不适于测量脏污介质，也不适于测量小管径流量；转子流量计一般在实验室环境中使用，而靶式流量计的圆盘靶悬于管道中央，污物不易聚集，故可测量脏污介质，但不适合测量小管径的供热热水流量。在热量表中常使用的流量计有机械式的旋翼流量计、固定式节流元件的差压式流量计和超声波流量计。由于多种原因，我国供热系统的水处理环节薄弱，水质比较差，极易造成分户计量供热系统中所使用的户用型热量表内的机械式流量计或差压式流量计被堵塞；如果户用型热量表使用超声波流量计，由于供热热水需要流过超声波流量计内的一个矩形流通截面的超声波反射腔而仍存在堵塞问题，且超声波流量计造价较高，不适合我国现有国情；可以说，各种户用型热量表内流量计的上述缺陷是造成分户计量供热系统虽然至少节能20%以上，却至今在我国推广缓慢的主要原因之一。

发明内容

现有热量表没有合适的配套流量计是其难以推广的重要原因，而在热量表中使用中部通孔动节流元件流量计可以解决上述难题。在“基于动节流元件流量计的热量表”（专利号ZL200910072806.0）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的流量计，但这种流量计中的动节流元件由一对移动副支撑，移动副的摩擦力既影响测量精度，又使得流量计的制造和调试变得复杂了；而在“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，虽然以弹性膜片或波纹管代替了移动副，但它与“基于动节流元件流量计的热量表”相同，均采用非金属的弹性环带来隔离脏污的被测流体，以防止堵塞，而被测流体作用在弹性环带上的压力，则由在弹性环带与弹性膜片或波纹管之间注入的平衡液来传递，最后由弹性膜片或波纹管承压。它们的防堵塞机构较复杂，又需要在防堵塞机构中注入平衡液，制造工艺复杂，不利于这种新型流量计在热量表中的推广使用，因此，需要研制一种基于动文丘里管流量计的热量表，该热量表中的流量计具有结构简单、耐压能力强、防堵塞机构简单的特点。

本发明为解决其技术要求所采用的技术方案如下：研制的是一种基于动文丘里管流量计的热量表，由基于动文丘里管流量计、温度传感器和积算仪三部分组成，如说明书附图中的图1所示，图中电桥、放大电路与V/I转换电路可认为是附属于温度传感器的；对于分户计量供热系统，为降低造价，热量表宜采用子母表的结构形式，每户一块的户用型热量表为子表，子表只包括基于动文丘里管流量计、温度传感器两部分，积算仪作为每个楼栋口一块的母表，母表接收各块子表送来的信号，并显示各块子表瞬时热量、已消耗的累积热量等信息；热量表的基于动文丘里管流量计有两种结构形式：第一种结构形式是动文丘里管两端均配接弹性膜片或波纹管，当动文丘里管两端均配接弹性膜片时，在动文丘里管入口侧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，以及在动文丘里管出口侧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，过滤层可跟随动文丘里管的轴向移动做同样的轴向伸缩，使得上述两处空隙大小因动文丘里管前后移动而产生微小变化时，供热热水只有经过这两个圆环状的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文丘里管一端及靠近该端的端管，过滤膜片可跟随动文丘里管的轴向移动做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这两个过滤膜片才能进出上述两处空隙，当动文丘里管两端均配接波纹管时，在动文丘里管入口侧配接的波纹管以及动文丘里管出口侧配接的波纹管每一个单波内部大于波纹管口径的热水可到达的各空隙内，部分或全部填充挠性过滤介质，在上述每个单波空隙内形成一个环形的过滤层，各单波过滤层可跟随波纹管轴向的伸缩做相应的轴向伸缩，使得热水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热水可到达的空隙，过滤膜片可跟随波纹管的轴向伸缩做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过过滤膜片才能进出波纹管上述各单波空隙；第二种结构形式是仅在动文丘里管的一端配接弹性膜片或波纹管，在这种结构形式中，动文丘里管内置在由流量计入口端端管、流量计出口端端管及机壳组成的刚性耐压壳体内，内置的动文丘里管将刚性耐压壳体内的空间分隔成两个腔室，即包括动文丘里管中部通孔在内的内腔室，以及动文丘里管外表面与刚性耐压壳体间的外腔室，动文丘里管入口端靠近流量计入口端端管，动文丘里管出口端靠近流量计出口端端管，动文丘里管内孔的轴线与上述两个端管内孔的轴线重合，但动文丘里管与上述两个端管均不接触，而这两个不接触处是允许内置的动文丘里管作轴向微量位移的环形间隙，在动文丘里管入口端或出口端配接的弹性膜片或波纹管使内、外腔室在动文丘里管的这一端不连通，而在动文丘里管不配接的弹性膜片或波纹管的另一端，动文丘里管与靠近该端的端管之间的环形间隙将内、外腔室连通，上述连接关系形成一个热水从流量计入口端端管入口流入，接着流过动文丘里管中部通孔，最后从流量计出口端端管出口流出的内腔室流动通道，由于内、外腔室之间有在动文丘里管的一端配接的弹性膜片或波纹管的分隔作用，虽然外腔室容积在动文丘里管轴向位移时会有微量变化，但从总体上看，经由连通内、外腔室的环形间隙，因外腔室容积微量变化而从内腔室流进或流出外腔室的微量热水在稍长一段时间内的累积流量为零，因此，可认为流入流量计的热水只流经内腔室流动通道，在动文丘里管的一端配接弹性膜片时，环形的弹性膜片的内缘与动文丘里管密封连接，弹性膜片的外缘与刚性耐压壳体密封连接，弹性膜片还可对动文丘里管配接弹性膜片端起支承定位的作用，动文丘里管另一端由无外摩擦力、内摩擦力小、轴向反弹力小的弹性支承元件支承定位在刚性耐压壳体内，在动文丘里管的一端配接波纹管时，波纹管一端与动文丘里管该端密封连接，波纹管另一端与靠近动文丘里管该端的端管密封连接，动文丘里管的两端均由无外摩擦力、内摩擦力小、轴向反弹力小的弹性支承元件支承定位在刚性耐压壳体内，在这种结构形式中，防堵塞机构按如下方式设置，当仅在动文丘里管的一端配接弹性膜片时，在弹性膜片与其所连接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，形成一个圆环状的过滤层，过滤层可跟随动文丘里管的轴向移动做同样的轴向伸缩，使得上述空隙大小因动文丘里管轴向移动产生微小变化时，热水只有经过这个过滤层才能进出上述空隙，而在动文丘里管不配接弹性膜片的另一端与靠近该端的端管间的环形间隙内，部分或全部填充挠性过滤介质，形成一个圆环状的过滤层，过滤层可跟随动文丘里管的轴向位移做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这个过滤层才能流进或流出外腔室，仅在动文丘里管的一端配接弹性膜片的流量计的防堵塞机构还可以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与动文丘里管一端及靠近该端的端管连接，过滤膜片可跟随动文丘里管的轴向位移做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这两个过滤膜片才能进出上述两处间隙，当仅在动文丘里管的一端配接波纹管时，在这个波纹管内部大于波纹管内径的热水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波纹管轴向伸缩产生微小变化时，热水只有经过各单波的过滤层才能进出各单波空隙，在动文丘里管不配接波纹管的另一端与靠近该端的端管间的环形间隙内，部分或全部填充挠性过滤介质，形成一个圆环状的过滤层，过滤层可跟随动文丘里管的轴向位移做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这个过滤层才能流进或流出外腔室，仅在动文丘里管一端配接波纹管的流量计的防堵塞机构还可以用两个与端管等口径的圆筒状的过滤膜片，一个过滤膜片封闭波纹管中所有单波内部大于波纹管口径的热水可到达的空隙，过滤膜片可跟随波纹管的轴向伸缩做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这个过滤膜片才能进出波纹管上述各单波空隙，另一个过滤膜片的两端分别连接动文丘里管不配接波纹管的那一端及靠近该端的端管，过滤膜片可跟随动文丘里管的轴向位移做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这个过滤膜片才能流进或流出外腔室。由于弹性膜片或波纹管跟随动文丘里管轴向移动而产生的轴向位移很小，流进或流出外腔室的被过滤的热水数量也极少，即热水流过过滤介质或过滤膜片的流量极小，热水流过内腔室时，热水的错流过滤流动对过滤介质或过滤膜片表面的冲刷又有自净的效果，因此过滤介质或过滤膜片的污染轻，不易因堵塞而失效，可长期维持正常工作。由于流量计内的变换电路以及温度传感器的电桥、放大电路与V/I转换电路均采用模拟电路，流量计的核心部件又为结构简单的动文丘里管，因此每块户用型热量表的价格相对较低。在测量热水流量时，热水作用在动文丘里管上的推力与其流过中部通孔的流量具有确定的对应关系，传感器将热水作用在动文丘里管上的推力转换为对应的电参数变化，变换电路对该电参数变化做进一步的变换、放大、V/I转换，最后将与被测热水流量对应的电信号送至积算仪。温度敏感元件通常选用铂电阻，为简化电路，测量供水温度的铂电阻与测量回水温度的铂电阻应分别连接至电桥相邻的两个桥臂上，如此布置后，电桥的输出信号是供水温度与回水温度之差，这个温差信号经放大、V/I转换后也送至积算仪，作为母表的积算仪接受到这块子表送来的流量信号和温差信号后，根据焓差法或                                                系数法即可算出该子表用户所消耗热量的瞬时值以及该用户在某一段时间内的累积用热量。

本发明的有益效果是，本发明热量表内的流量计使用动文丘里管作为测量的核心部件，动文丘里管具有流动阻力损失小、测量精度高、使用年限长、管道不易堵塞、可测量小管径流量等优点，采用挠性过滤介质或过滤膜片组成的防堵塞机构结构简单、容易实现，解决了“基于动节流元件流量计的热量表”和“中部通孔动节流元件配接弹性膜片或波纹管的流量计”需要在防堵塞机构中封装平衡液所带来的制造工艺上的问题。基于动文丘里管流量计的热量表可以解决我国户用型热计量表一直存在的易堵塞的难题。

附图说明

图1是本发明各组成部分的方框图。

图2是本发明的第一个实施例的结构原理图。

图3是本发明的第二个实施例的结构原理图。

图4是本发明的第三个实施例的结构原理图。

图5是本发明的第四个实施例的结构原理图。

图6是本发明的第五个实施例的结构原理图。

图7是本发明的第六个实施例的结构原理图。

图8是本发明的第七个实施例的结构原理图。

图2、3、4、5、6、7、8中1.挠性过滤介质，2.过滤膜片，3.端管，4.动文丘里管，5.机壳，6.传感器，7.弹性膜片，8.波纹管，9.弹性支承元件，10.供水温度敏感元件，11.供水温度敏感元件输出电缆，12.回水温度敏感元件，13.回水温度敏感元件输出电缆，14.回水管，15.弹性轴封膜片，16.杠杆，17.第一电容外极板，18.第二电容外极板，19.电容内极板，20.差动电容敏感元件输出电缆。

具体实施方式

在以下各实施例里面，实施例一、二、三、四中的热量表使用第一种结构形式的流量计，即动文丘里管4两端均配接弹性膜片7或波纹管8的流量计；实施例五、六、七中的热量表使用第二种结构形式的流量计，即仅在动文丘里管4一端配接弹性膜片7或波纹管8的流量计。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2的实施方案中，热量表中的流量计使用两个U型波纹管8，前部波纹管8的前端与前部端管3密封连接，其后端与文丘里管4的入口密封连接；后部波纹管8的前端与文丘里管4的出口密封连接，其后端与后部端管3密封连接。在前、后部波纹管8中的每个单波内部大于波纹管8口径的被测液体可到达的各个空隙内，填充挠性过滤介质1，在每个单波空隙中均形成一个圆环形的过滤层。各单波过滤层跟随波纹管8的前后伸缩做相应的轴向伸缩，保证热水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每个单波内部空隙中环形的过滤层的通孔口径与波纹管8内径相同，热水的错流过滤流动对过滤层的通孔表面又有清洁作用，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，过滤层可长期使用而不必更换。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。当热水的绝对压力较高时，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。文丘里管4由弹性支承元件9支承定位在流量计壳体内，在本实施例中，弹性支承元件9为从流量计壳体连接到文丘里管4前、后端的两条弹性金属片吊带9，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。在本实施例及后面各实施例中，弹性支承元件9也可改用悬丝、十字形片簧、车幅式圆簧片及柔性铰链。

热水作用在文丘里管4上的推力与热水流量之间关系的分析如下：文丘里管4安置在水平直管道上，流量计前后外接管道的管径又相同，这样，研究文丘里管4前后热水的动、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  

——文丘里管4前、后热水作用在其上的静压力；

      

——热水的重度；

      ——阻力系数，它与文丘里管4形状，热水粘性等有关；

      

——重力加速度；

      

——热水流过文丘里管4中部通孔的流速。

显然，

乘以文丘里管4的有效横截面积A，即得到热水作用在文丘里管4上的推力F。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；

      

——文丘里管4中部通孔直径。

热水对文丘里管4的推力为

或   

据上式可得热水流量

的表达式

在上式中，当热水的各项参数及文丘里管4几何尺寸已确定后，

为常数，因此热水的体积流量

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。

若文丘里管4在推力F的作用下产生位移

，则在波纹管8与力传感器6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，

在上式中，如果波纹管8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

进行后续的放大处理。因此，通过测量位移

，就可准确测得热水流量的大小。但经过有限元分析后知道，在热水的绝对压力变化时，波纹管8的刚度

也有一个相应的变化

，这将产生测量误差。即在热水流量不变的情况下，也即是在同一推力F作用下，此时文丘里管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，可以从以下两方面入手。一方面，是设法稳定热水的绝对压力，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，，因而可使

对

的影响减少。在本实施例中，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的要求也就不高，力传感器6可不必使用微位移传感器。

由于回水压力小于供水压力，从降低流量计所承受的热水压力从而降低对流量计壳体耐压要求的角度来看，流量计理应设置在回水管14上，但考虑到我国供热系统普遍存在有些用户经常使用散热器热水的情况，为避免造成不合理的计量误差，所以图2中将流量计设置在供水管道上。流量计设置在供水管道上还有另外一个好处，虽然各用户间回水的温度与压力相差比较大，但各用户间供水温度与压力却相差不大，可认为是相同的。因此，只在母表上设置供水总管温度、压力的测量回路，并将测得的温度值与压力值作为每块子表的供水温度与压力，就可以对各块子表进行温度、压力补偿计算，这样，各块子表只需送出温差信号即可，子表的电路结构因而得到简化。在图2中，传感器6其实是每块用户子表的温度传感器、力传感器及有关的处理电路，其中包括流量计变换电路中的V/I转换电路以及附属于温度传感器的电桥、放大电路与V/I转换电路，在流量计和温度传感器中均设置V/I转换电路是为了提高子表至母表间信号远传的能力。为提高温差信号的检测精度，供水温度敏感元件10和回水温度敏感元件12应选用配对的Pt1000铂电阻。

该实施例的工作过程：当热水流过某块子表内的动文丘里管4时，热水将对动文丘里管4产生一个正比于平均流速平方的推力，并使动文丘里管4产生一个不大的沿管道轴向的位移，这个位移使得力传感器弹性元件产生与推力对应的应变，这个应变使力传感器输出相对应的电信号，这个电信号经转换电路处理后输出一个与流量对应的电流信号并送至母表。与此同时，两个配对的Pt1000铂电阻产生与供水温度、回水温度对应的电阻信号，变送器内的电桥根据这两个电阻信号输出对应于供、回水温差的电压信号，温差电压信号经放大与V/I转换后也送至母表。母表接收到该块子表的流量信号与温差信号后，再结合自己检测到的供水温度信号及供水压力信号，根据焓差法或

系数法就可计算出该用户所消耗的瞬时热量，并可累积计算出其在某一段时间内的用热量。

实施例二

在图3的实施方案中，可以看出本实施方案在结构上大体与图2中的实施例一相同，只是在前、后部波纹管8中的每个单波内部大于波纹管8内径的被测液体可到达的各个空隙内，不填充挠性过滤介质1，而是使用了两个与波纹管8内径相同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口径的热水可到达的空隙，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，使得热水只有经过这个过滤膜片2才能进出该波纹管8上述各单波空隙。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。基于与实施例一中所述的同样的理由，过滤膜片2也可长期使用而不必更换。

实施例三

在图4的实施方案中，动文丘里管4的两端各配接一个圆环状的带边缘波纹的波纹弹性膜片7，前部弹性膜片7与后部弹性膜片7的内缘分别与文丘里管4的入口与出口密封连接，前部弹性膜片7与后部弹性膜片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与后部端管3相互间刚性连接，因而可固定两个端管3间的距离，并有在上面安装其他部件的作用。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，形成两个圆环状的过滤层，过滤层可跟随文丘里管4的前后移动做相应的轴向伸缩，保证热水只有经过过滤层才能进出上述两处空隙。由于在测量过程中文丘里管4的前后位移很小，热水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管径相同，热水的错流过滤流动对过滤层的通孔表面又有清洁作用，所以因挠性过滤介质1被堵塞而使弹性膜片7不能轴向移动的失效周期很长，可长期使用而不必更换。当热水流过文丘里管4时，其流量越大，热水对文丘里管4的推力也越大，文丘里管4又通过传动架将这个推力作用在力传感器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。

对于同样大小的热水流量，相对于在文丘里管4两端均配接波纹管8的流量计来说，在文丘里管4两端均配接弹性膜片7的流量计感受到的推力更大。此时，热水对文丘里管4的推力由两部分组成，一部分是热水直接作用在文丘里管4上的推力；另一部分是热水通过弹性膜片7间接作用在文丘里管4上的推力，其数值大小为文丘里管4前后压差乘以弹性膜片7的有效面积。

热水直接作用在文丘里管4上的推力F ₁与热水流量之间关系与实施例一中相同，即

式中  

，——文丘里管4前、后热水作用在其上的静压力；

      A ₁——文丘里管4的有效横截面积；

      

——热水的重度；

      

——阻力系数，它与动文丘里管4形状，热水粘性等有关；

      

——重力加速度；

      ——热水流过动文丘里管4中部通孔的流速；

      ——外接管道内径；

      

——动文丘里管4中部通孔直径。

热水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。

热水对动文丘里管4总的推力F为

或  

根据上式可得热水体积流量

的表达式

在上式中，当热水的各项参数及动文丘里管4几何尺寸已确定后，

为常数，因此热水的体积流量

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。

与实施例一相同，也可得出测量相对误差的表达式，即

但与实施例一中波纹管8不同的是，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

要很大才行，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。热量表设计的其余部分于实施例一相同，不再重复。

实施例四

在图5的实施方案中，可以看出本实施例与图4的实施例三在结构上大体相同，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的两端分别与动文丘里管4一端及靠近该端的端管3连接，过滤膜片2可跟随动文丘里管4的前后位移做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这两个过滤膜片2才能进出上述空隙。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。

实施例五

在图6的实施方案中，仅在动文丘里管4的入口端配接弹性膜片7，环形弹性膜片7的内缘与动文丘里管4密封连接，环形弹性膜片13的外缘与前部端管3密封连接，弹性膜片7还可对动文丘里管4入口端起支承定位的作用；动文丘里管4出口端与后部端管3之间的环形间隙将内、外腔室连通，并由无外摩擦力、内摩擦力极小、轴向反弹力小的金属片吊带9将文丘里管4支承定位在刚性耐压壳体内。防堵塞机构按如下方式设置，在弹性膜片13与前部端管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，形成一个圆环状的过滤层，过滤层可跟随动文丘里管4的前后移动做同样的轴向伸缩，使得上述空隙大小因动文丘里管4前后移动产生微小变化时，热水只有经过这个过滤层才能进出上述空隙；而在动文丘里管4出口端与后部端管3间的环形间隙内，部分或全部填充挠性过滤介质1，形成一个圆环状的过滤层，过滤层也可跟随动文丘里管4的前后位移做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这个过滤层才能流进或流出外腔室。本实施例中的防堵塞机构还可以采用与图6中不同的方式，即不使用挠性过滤介质1，而使用两个与端管等口径的圆筒状的过滤膜片2，每个过滤膜片2的两端分别与动文丘里管4一端及靠近该端的端管连接，每个过滤膜片2均可跟随动文丘里管4的前后位移做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这两个过滤膜片2才能进出上述两处间隙。因为这种与图6不同的防堵塞机构的结构可参考实施例四附图5中的对应连接方式，为节省篇幅，就没有再专门附图。

本实施例与实施例三一样，在同样的热水流量下，文丘里管4比配接波纹管8时可获得更大的推力而阻力损失不变。热水对动文丘里管4的推力除了内腔室热水流动对动文丘里管4产生的直接推力外，还包括外腔室中弹性膜片7受到其前、后两侧静压力差作用而产生的对动文丘里管4的间接推力。热水对动文丘里管4的直接推力的计算方法与实施例一中相同，热水对动文丘里管4的间接推力的计算方法为弹性膜片7前、后两侧静压力差乘上弹性膜片7有效面积。热水作用在文丘里管4上的推力F为直接推力与间接推力之和，若文丘里管4在这个推力F的作用下产生位移

，则在弹性膜片7与力传感器6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弹性元件的刚度。

并且，

。

在实施例三、四中，弹性膜片7仅在单侧承受热水压力，因而其变形严重。在热水压力波动时，弹性膜片7的变形程度也要跟着压力变化，使得其刚度

也跟着变化，从而产生了测量误差。但是，本实施例及实施例七中的弹性膜片7前、后两侧均承受热水压力，由于两侧热水压力相差不多，绝大部分压力被相互平衡，很小的压力差仅能使弹性膜片7产生微不足道的变形，因此，可认为弹性膜片7的刚度在测量最大热水流量（此时有最大压差）时也保持不变，即

。这样，在上式中，由于弹性膜片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6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，也就是将这样力传感器6弹性元件的刚度从调到

。因此，通过测量位移

，就可以准确测得热水流量的大小。

当热水流过动文丘里管4时，热水的流量越大，热水对动文丘里管4的推力也越大，动文丘里管4又通过杠杆16将这个推力作用在力传感器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。安装在机壳5上的弹性轴封膜片15为杠杆16的支点，弹性轴封膜片15同时还起到密封的作用，以防止流量计壳体内的热水泄漏，在杠杆16下端使用的是内摩擦力极小的柔性铰链。热量表设计的其余部分与实施例一相同，不再重复。

实施例六

在图7的实施方案中，仅在动文丘里管4入口端配接波纹管8，波纹管8后端与动文丘里管4入口端密封连接，波纹管8前端与前部端管3密封连接，动文丘里管4出口端与后部端管3之间的环形间隙将内、外腔室连通；动文丘里管4的前、后两端均由无外摩擦力，内摩擦力极小、轴向反弹力小的金属片吊带9支承定位在刚性耐压壳体内。防堵塞机构按如下方式设置，在波纹管8内部大于波纹管8口径的热水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每个单波内都形成了一个圆环状的过滤层，各单波过滤层可跟随波纹管8的轴向移动做相应的轴向伸缩，使得上述各单波空隙的大小因动文丘里管4前后移动产生微小变化时，热水只有经过各单波的过滤层才能进出各单波空隙；在动文丘里管4出口端与后部端管间的环形间隙内，部分或全部填充挠性过滤介质1，形成一个圆环状的过滤层，过滤层可跟随动文丘里管4的前后位移做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这个过滤层才能流进或流出外腔室。本实施例中的防堵塞机构还可以采用与图7不同的方式，即不使用挠性过滤介质1，而使用两个与端管等口径的圆筒状的过滤膜片2，一个过滤膜片2封闭波纹管8中所有单波内部大于波纹管8口径的热水可到达的空隙，使得热水只有经过这个过滤膜片2才能进出波纹管8上述各单波空隙，另一个过滤膜片2的两端分别与动文丘里管4出口端及后部端管3连接，过滤膜片2可跟随动文丘里管4的前后位移做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过过滤膜片2才能流进或流出外腔室。因为这种与图6不同的防堵塞机构的结构可参考实施例二附图3、实施例四附图5中的对应连接方式，为节省篇幅，就没有再专门附图。

在本实施例中，热水对动文丘里管4的推力只有内腔室流体流动对动文丘里管4的推力，这个推力F的计算方法与实施例一中相同。若文丘里管4在推力F的作用下产生位移

，则在波纹管8与力传感器6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，

。

与实施例五相同，本实施例中，波纹管内外侧均承受热水压力，由于两侧热水压力相差不多，绝大部分相互平衡，很小的压力差仅能使波纹管8产生微不足道的变形，因此，可认为波纹管8的刚度

在测量最大热水流量（此时有最大压差）时也保持不变，即

。这样，在上式中，由于波纹管8的刚度

与力传感器6弹性元件的刚度

为常数，则力传感器6通过调量程的方式，就可以通过测量位移，准确测得热水流量的大小。

当热水流过动文丘里管4时，热水的流量越大，热水对动文丘里管4的推力也越大，动文丘里管4又通过杠杆16将这个推力作用在力传感器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。安装在机壳5上的弹性轴封膜片15为杠杆16的支点，弹性轴封膜片15同时还起到密封的作用，在杠杆下端使用的是内摩擦力极小的柔性铰链。热量表设计的其余部分与实施例一相同，不再重复。

实施例七

在图8的实施方案中，文丘里管4内置在由前、后部端管3及机壳5组成的刚性耐压壳体内。使用两个圆环状的第一电容外极板17与第二电容外极板18，这两个电容外极板17、18的内缘均与文丘里管4密封连接；同时使用同样大小的圆环状电容内极板19，电容内极板19的外缘与刚性耐压壳体固定连接，上述三个极板构成了一个差动电容敏感元件。使用两个弹性膜片7，这两个环形弹性膜片7的内缘分别与两个电容外极板17、18的外缘密封连接，两个环形弹性膜片7的外缘分别与刚性耐压壳体密封连接。在第一电容外极板17与第二电容外极板18间的密封空间内充满硅油，作为传递压力的介质。由于设在文丘里管4前部的两个弹性膜片7本身有支承作用，所以只在文丘里管4后部设置了金属片吊带9。第一电容外极板17与第二电容外极板18跟随动文丘里管4一起移动，为差动电容敏感元件的动极板，电容内极板19与刚性耐压壳体固定在一起，为差动电容敏感元件的固定极板。当热水流量为零，即差动电容敏感元件两侧的压力相同时，电容内极板19与两个电容外极板17、18之间的距离相等，均为；当热水流量增大时，动文丘里管4在热水的推动下向后移动，两个弹性膜片7变形产生反弹力，当反弹力与流体推力平衡时，动文丘里管4停止向后移动。在这个新的平衡位置，电容内极板19与第一电容外极板17的距离近了一个

的距离，相应的，与第二电容外极板18的距离远了一个

的距离；即电容内极板19与第一电容外极板17间的电容变大，而电容内极板19与第二电容外极板18间的电容变小。

若不考虑边缘电场影响，差动电容敏感元件两个电容、

可以近似看成是平板电容器，因此，上述电容量变化可用下式表示

式中  

，——电容

、介质的介电常数，两个电容中的介质（硅油）相同，故

；

      

，

——电容

、的极板面积，制造中使两者相等，即

。

上述差动电容敏感元件输出的差动电容变化由差动电容敏感元件输出电缆20送至电容传感器6处理，即可得到与文丘里管4位移对应的电量输出。由于位移与流体对文丘里管4的推力对应，该推力又与热水流量对应，因此，电容传感器的电量输出就与热水流量相对应。

防堵塞机构按如下方式设置，在文丘里管4与前、后部端管3间的两个环形间隙处，填充挠性过滤介质1，形成两个圆环状的过滤层，过滤层可跟随波纹管8的前后移动做同样的轴向伸缩，保证热水只有经过这两个过滤层才能流进或流出被差动电容敏感元件分隔的两个互不连通的独立外腔室。在测量过程中，文丘里管4的前后位移很小，进出上述两个外腔室的流量也就很小，同时过滤层的通孔口径与端管3的口径相同，热水的错流过滤流动对过滤层的通孔表面又有清洁作用，所以挠性过滤介质1因堵塞而失效的周期就很长，可长期使用而不必更换。本实施例中的防堵塞机构还可以采用与图8不同的方式，即不使用挠性过滤介质1，而使用两个与端管等口径的圆筒状的过滤膜片2，每个过滤膜片2的两端分别与动文丘里管4一端及靠近该端的端管连接，每个过滤膜片2均可跟随动文丘里管4的前后位移做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这两个过滤膜片2才能进出上述两处独立外腔室。因为这种与图8不同的防堵塞机构的结构可参考实施例四附图5中的对应连接方式，为节省篇幅，就没有再专门附图。

    本实施例与实施例三一样，在同样的热水流量下，文丘里管4比配接波纹管8时可获得更大的推力而阻力损失不变。热水对动文丘里管4的推力除了内腔室热水流动对动文丘里管4产生的直接推力外，还包括外腔室中差动电容敏感元件受到两侧静压力差作用对动文丘里管4的间接推力。热水对动文丘里管4的直接推力的计算方法与实施例一中相同，热水对动文丘里管4的间接推力的计算方法为差动电容敏感元件两侧静压力差乘上差动电容敏感元件有效面积，此处差动电容敏感元件有效面积为电容外极板面积与弹性膜片7有效面积之和，热水作用在文丘里管4上的推力F为直接推力与间接推力之和。另外，如果将两个电容外极板固定在刚性耐压壳体上，而将电容内极板固定在文丘里管4上，两个环形弹性膜片的内缘固定在文丘里管4上，外缘固定在刚性耐压壳体上，则电容内极板是动极板，两个电容外极板为固定极板，可组成另一种结构形式的差动电容敏感元件，但这种结构形式的缺点是间接推力较小，因为这时差动电容敏感元件的有效面积仅为弹性膜片7的有效面积。热量表设计的其余部分与实施例一相同，不再重复。

Claims (1)

1.一种基于动文丘里管流量计的热量表，由基于动文丘里管流量计、温度传感器和积算仪三部分组成，其特征是：热量表的基于动文丘里管流量计有两种结构形式：第一种结构形式是动文丘里管（4）两端均配接弹性膜片（7）或波纹管（8），当动文丘里管（4）两端均配接弹性膜片（7）时，在动文丘里管（4）入口侧配接的弹性膜片（7）与流量计入口端端管（3）间大于端管（3）口径的空隙处，以及在动文丘里管（4）出口侧配接的弹性膜片（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，过滤层可跟随动文丘里管（4）的轴向移动做同样的轴向伸缩，使得上述两处空隙大小因动文丘里管（4）前后移动而产生微小变化时，供热热水只有经过这两个圆环状的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），每个过滤膜片（2）的两端分别连接动文丘里管（4）一端及靠近该端的端管（3），过滤膜片（2）可跟随动文丘里管（4）的轴向移动做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这两个过滤膜片（2）才能进出上述两处空隙，当动文丘里管（4）两端均配接波纹管（8）时，在动文丘里管（4）入口侧配接的波纹管（8）以及动文丘里管（4）出口侧配接的波纹管（8）每一个单波内部大于波纹管（8）口径的热水可到达的各空隙内，部分或全部填充挠性过滤介质（1），在上述每个单波空隙内形成一个环形的过滤层，各单波过滤层可跟随波纹管（8）轴向的伸缩做相应的轴向伸缩，使得热水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（1）填充上述各单波空隙，而是用两个与波纹管（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口径的热水可到达的空隙，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，使得热水只有经过过滤膜片（2）才能进出波纹管（8）上述各单波空隙；第二种结构形式是仅在动文丘里管（4）的一端配接弹性膜片（7）或波纹管（8），在这种结构形式中，动文丘里管（4）内置在由流量计入口端端管（3）、流量计出口端端管（3）及机壳（5）组成的刚性耐压壳体内，内置的动文丘里管（4）将刚性耐压壳体内的空间分隔成两个腔室，即包括动文丘里管（4）中部通孔在内的内腔室，以及动文丘里管（4）外表面与刚性耐压壳体间的外腔室，动文丘里管（4）入口端靠近流量计入口端端管（3），动文丘里管（4）出口端靠近流量计出口端端管（3），动文丘里管（4）内孔的轴线与上述两个端管（3）内孔的轴线重合，但动文丘里管（4）与上述两个端管（3）均不接触，而这两个不接触处是允许内置的动文丘里管（4）作轴向微量位移的环形间隙，在动文丘里管（4）入口端或出口端配接的弹性膜片（7）或波纹管（8）使内、外腔室在动文丘里管（4）的这一端不连通，而在动文丘里管（4）不配接的弹性膜片（7）或波纹管（8）的另一端，动文丘里管（4）与靠近该端的端管（3）之间的环形间隙将内、外腔室连通，上述连接关系形成一个热水从流量计入口端端管（3）入口流入，接着流过动文丘里管（4）中部通孔，最后从流量计出口端端管（3）出口流出的内腔室流动通道，由于内、外腔室之间有在动文丘里管（4）的一端配接的弹性膜片（7）或波纹管（8）的分隔作用，虽然外腔室容积在动文丘里管（4）轴向位移时会有微量变化，但从总体上看，经由连通内、外腔室的环形间隙，因外腔室容积微量变化而从内腔室流进或流出外腔室的微量热水在稍长一段时间内的累积流量为零，因此，可认为流入流量计的热水只流经内腔室流动通道，在动文丘里管（4）的一端配接弹性膜片（7）时，环形的弹性膜片（7）的内缘与动文丘里管（4）密封连接，弹性膜片（7）的外缘与刚性耐压壳体密封连接，弹性膜片（7）还可对动文丘里管（4）配接弹性膜片（7）端起支承定位的作用，动文丘里管（4）另一端由无外摩擦力、内摩擦力小、轴向反弹力小的弹性支承元件（9）支承定位在刚性耐压壳体内，在动文丘里管（4）的一端配接波纹管（8）时，波纹管（8）一端与动文丘里管（4）该端密封连接，波纹管（8）另一端与靠近的动文丘里管（4）该端的端管（3）密封连接，动文丘里管（4）的两端均由无外摩擦力、内摩擦力小、轴向反弹力小的弹性支承元件（9）支承定位在刚性耐压壳体内，在这种结构形式中，防堵塞机构按如下方式设置，当仅在动文丘里管（4）的一端配接弹性膜片（7）时，在弹性膜片（7）与其所连接端管（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），形成一个圆环状的过滤层，过滤层可跟随动文丘里管（4）的轴向移动做同样的轴向伸缩，使得上述空隙大小因动文丘里管（4）轴向移动产生微小变化时，热水只有经过这个过滤层才能进出上述空隙，而在动文丘里管（4）不配接弹性膜片（7）的另一端与靠近该端的端管（3）间的环形间隙内，部分或全部填充挠性过滤介质（1），形成一个圆环状的过滤层，过滤层可跟随动文丘里管（4）的轴向位移做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这个过滤层才能流进或流出外腔室，仅在动文丘里管（4）的一端配接弹性膜片（7）的流量计的防堵塞机构还可以用两个与端管（3）等口径的圆筒状的过滤膜片（2），每个过滤膜片（2）的两端分别与动文丘里管（4）一端及靠近该端的端管（3）连接，过滤膜片（2）可跟随动文丘里管（4）的轴向位移做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这两个过滤膜片（2）才能进出上述两处间隙，当仅在动文丘里管（4）的一端配接波纹管（8）时，在这个波纹管（8）内部大于波纹管（8）内径的热水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，各单波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波纹管（8）轴向伸缩产生微小变化时，热水只有经过各单波的过滤层才能进出各单波空隙，在动文丘里管（4）不配接波纹管（8）的另一端与靠近该端的端管（3）间的环形间隙内，部分或全部填充挠性过滤介质（1），形成一个圆环状的过滤层，过滤层可跟随动文丘里管（4）的轴向位移做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这个过滤层才能流进或流出外腔室，仅在动文丘里管（4）一端配接波纹管（8）的流量计的防堵塞机构还可以用两个与端管（3）等口径的圆筒状的过滤膜片（2），一个过滤膜片（2）封闭波纹管（8）中所有单波内部大于波纹管（8）口径的热水可到达的空隙，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，使得热水只有经过这个过滤膜片（2）才能进出波纹管（8）上述各单波空隙，另一个过滤膜片（2）的两端分别连接动文丘里管（4）不配接波纹管（8）的那一端及靠近该端的端管（3），过滤膜片（2）可跟随动文丘里管（4）的轴向位移做同样的轴向伸缩，使得热水只有经过这个过滤膜片（2）才能流进或流出外腔室。

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