CN102735300B - 气体流量计及气体流量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气体计量领域，具体涉及一种气体流量计及气体流量测量方法，能够提供大量程的计量范围。其中，气体流量计包括：气体管道，传感器组件；所述传感器组件安装在所述气体管道处，所述传感器组件包括气体感应流道，所述气体感应流道位于所述气体管道的内部，气体在所述气体管道和所述气体感应流道中的流向相同；所述传感器组件包括量热式传感元件、热耗散式传感元件和数据处理芯片，所述量热式传感元件和所述热耗散式传感元件位于所述气体感应流道内部并将检测到的温度变化信号发送至所述数据处理芯片，所述数据处理芯片根据所述温度变化信号进行数据存储和数据计算。
Description
技术领域
本发明涉及气体计量领域，具体涉及一种气体流量计及气体流量测量方法。
背景技术
现有技术在对城市用燃气流量进行测量时，大多采用机械仪表技术，例如涡轮燃气流量计和罗茨燃气流量计。虽然机械仪表具有较长的使用寿命和较好的可靠性，但其不能直接补偿由于环境变化带来的气体体积变化，例如温度和压力带来的影响。同时机械仪表的计量量程十分有限，无法满足需要检测的计量范围。
除了机械仪表外，还有少部分地方使用全电子式燃气流量计。这种流量计可以补偿温度和压力等环境因素变化造成的气体变化，也能增加远程数据通信和保障数据安全的能力。但是这种全电子式燃气流量计依然无法提供气体在同等压力下的大量程计量，无法满足实际需求。
发明内容
本发明提供一种气体流量计及气体流量测量方法，能够提供大量程的计量范围。
本发明提供了一种气体流量计，包括：
气体管道，传感器组件；
所述传感器组件安装在所述气体管道处，所述传感器组件包括气体感应流道，所述气体感应流道位于所述气体管道的内部，气体在所述气体管道和所述气体感应流道中的流向相同；
所述传感器组件包括量热式传感元件、热耗散式传感元件和数据处理芯片，所述量热式传感元件和所述热耗散式传感元件位于所述气体感应流道内部并将检测到的温度变化信号发送至所述数据处理芯片，所述数据处理芯片根据所述温度变化信号进行数据存储和数据计算。
在本发明的各实施例中，优选地，所述气体感应流道的入口位于所述气体管道的内径中心位置处；和/或
所述气体管道的管道壁上设有用于插入所述传感器组件的开口；和/或
所述传感器组件进一步包括位置调节件，其用于调节所述气体感应流道在所述气体管道的内部的位置。
在本发明的各实施例中，优选地，所述气体管道包括文丘里结构，所述气体感应流道的入口位于所述文丘里结构的最小内径处；和/或
所述气体感应流道的内径具有从其入口处向出口处渐缩的形状。
在本发明的各实施例中，优选地，当所述气体管道包括文丘里结构时，所述气体管道的最小内径为所述气体感应流道的入口处内径的2-10倍。
在本发明的各实施例中，优选地，所述气体管道内径为所述气体感应流道的内径的4-8倍。
在本发明的各实施例中，优选地，所述量热式传感元件和所述热耗散式传感元件集成在微机电系统（MEMS）质量流量传感芯片上；
所述气体流量计包括至少两个设置在所述气体感应流道处的所述MEMS质量流量传感芯片。
在本发明的各实施例中，优选地，所述传感器组件进一步包括主控电路和/或用于检测流经所述气体管道处的气体压力变化的差压传感器，所述主控电路包括用于向外部传送数据的无线传输模块，所述无线传输模块包括以下中的至少一种：蓝牙模块，低功耗近距离无线组网通讯技术（ZigBee）模块，红外线传输模块，通用分组无线服务技术（GPRS）传输模块；
和/或
所述数据处理芯片包括：内存元件，其用于存储所述传感器组件检测得到的数据；和/或，信号调理电路，其用于对所述传感器组件检测得到的数据进行校准。
在本发明的各实施例中，优选地，所述的气体流量计进一步包括以下中的至少一种：
流量调节器组件，其包括流向调节器和流场调节器，所述流向调节器安置在所述气体管道的入口处并用于梳理流经所述气体管道的气体流向，所述流场调节器安置在与所述流向调节器相距预定距离处并用于调节流经所述气体管道的气体流场，所述预定距离为所述气体管道的入口处内径的2-5倍；
法兰结构，其安装在所述气体管道的两端；
表头，其包括显示屏，所述表头与所述传感器组件连接并位于所述气体管道外部，所述表头用于接收和/或显示所述传感器组件发送的数据。
本发明还提供了一种使用如前述的气体流量计的气体流量测量方法，包括：
量热式传感元件检测气体流动时在气体管道处产生的温度变化，并根据该温度变化计算出气体的第一流量；
热耗散式传感元件检测气体流动时在气体管道处产生的温度变化，并根据该温度变化计算出气体的第二流量；
根据所述第一流量及所述第二流量生成气体的气体流量。
在本发明的各实施例中，优选地，在使用量热式传感元件，和/或，热耗散式传感元件进行温度变化的检测之前，对气体进行流向和流场的调节。
通过本发明的各实施例提供的气体流量计和气体流量测量方法，能够带来以下至少一种有益效果：
1.能够提供大量程的计量范围，扩大气体流量计的应用范围。本发明的气体流量计通过使用量热式传感元件（使用量热式原理的传感元件）对小流量气体范围进行测量，使用热耗散式传感元件（使用热耗散式原理的传感元件）对大流量气体范围进行测量，两种传感元件同时使用能够提供大量程的计量范围。
2.能够进行高精度的测量。通过设置至少两个集成有量热式传感元件和热耗散式传感元件的MEMS质量流量传感芯片，从而可使用至少两个量热式传感元件和至少两个热耗散式传感元件对气体流量进行测量，提高了气体流量的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
图1为本发明的一种实施例的示意图。
图2为本发明的气体流量计的一种实施例的内部结构示意图。
图3a为本发明的传感器组件的一种实施例的示意图。
图3b为图3a的传感器组件的拆解图。
图4为本发明的一种实施例的总体结构拆解图。
图5为本发明的气体流量测量方法的一种实施例的步骤图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
本发明提供了一种气体流量计，包括：气体管道，传感器组件；
所述传感器组件安装在所述气体管道处，所述传感器组件包括气体感应流道，所述气体感应流道位于所述气体管道的内部，气体在所述气体管道和所述气体感应流道中的流向相同；
所述传感器组件包括量热式传感元件、热耗散式传感元件和数据处理芯片，所述量热式传感元件和所述热耗散式传感元件位于所述气体感应流道内部并将检测到的温度变化信号发送至所述数据处理芯片，所述数据处理芯片根据所述温度变化信号进行数据存储和数据计算。
本发明的气体流量计包括流量计主体，如图1中的流量计主体4，流量计主体内部设有气体管道，如图2中的气体管道401，即为将气体流量计接入待测量气体的管道时，气体（例如燃气）在流量计中流经的管道。流量计主体内部同时设有传感器组件，如图2中的传感器组件6，传感器组件中设有探头，探头中设有气体感应流道，如图3a中的气体感应流道601，气体感应流道处设有用于测量气体流量的传感元件，气体感应流道处于气体管道的内部，优选地，处于气体管道的内径中心处，便于检测到更准确的数据。气体以相同的方向流经气体管道和气体感应流道。气体管道的入口与气体感应流道的入口在同一侧，气体管道的出口与气体感应流道的出口在同一侧。
气体感应流道处的传感元件包括运用了量热式原理的量热式传感元件和运用了热耗散式原理的热耗散式传感元件，量热式元件和热耗散式元件安装在气体感应流道内部。
量热式原理是检测气体流过产生的温度变化，并通过测量气体的质量从而计算出气体的流量。优选地，量热式原理易于测量低速、小量的气体。在本发明使用量热式传感元件的过程中，当无气体介质流过量热式传感元件时，量热式传感元件周围保持稳定的温度场（温度分布）,当气体介质流过量热式传感元件时，温度场因为流体介质带走热量导致局部温度重新分布。局部温度场的变化量取决于流体介质的质量及流速。量热式传感元件对此温度分布进行测量，得到温度变化并将该温度变化转换为电信号。通过校准，专门设计的信号处理电路和智能控制软件可对此信号进行放大和调理，并做线性化处理，从而测量实际的介质质量流量。
热耗散式原理是当气体流过发热物体时，发热物体散失的热量与气体流量呈一定的比例关系。通过仪器检测这种比例关系，通常为线性比例关系，并将这种比例关系转换为测量流量信号的线性输出。优选地，热耗散式原理易于测量高速、大量的气体。本发明使用热耗散式传感元件时，热耗散式传感元件设有发热物体（例如为加热电阻丝），当气体流经该传感元件时，会从发热物体上带走一定量的热量，补充并测量这一部分热量，通过测量的热量计算出气体的流量。
在本发明的实施例中，较优地，量热式传感元件和热耗散式传感元件集成在传感芯片上，使结构更紧凑，更便于操作。优选地，量热式传感元件和热耗散式传感元件集成在微机电系统MEMS质量流量传感芯片上，传感芯片位于气体感应流道上，便于对气体进行检测和计量。MEMS是微机电系统，是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。质量流量是单位时间内流经一横断面的流体质量数量。微机电系统MEMS质量流量传感芯片是通过微机电系统根据检测到的信号（例如温度变化信号）计量气体质量流量的芯片。较优地，气体感应流道处设置两个或两个以上的传感芯片，以便于使用多个传感元件进行检测，最终得到准确的气体流量数据。
传感器组件还包括数据处理芯片，数据处理芯片接收量热式传感元件和热耗散式传感元件发来的温度变化信号，并对该信号进行存储、校准，并根据该信号进行计算。
在本发明的各实施例中，优选地，所述气体感应流道的入口位于所述气体管道的内径中心位置处；和/或，所述气体管道的管道壁上设有用于插入所述传感器组件的开口；和/或，所述传感器组件进一步包括位置调节件，其用于调节所述气体感应流道在所述气体管道的内部的位置。
在本发明的各实施例中，优选地，所述气体管道包括文丘里结构，所述气体感应流道位于所述气体管道的最小内径处；和/或，所述气体感应流道的内径具有从其入口处向出口处渐缩的形状。
在本发明的各实施例中，优选地，所述气体管道内径为所述气体感应流道的内径的4-8倍。
在本发明的各实施例中，优选地，当所述气体管道包括文丘里结构时，所述气体管道的最小内径为所述气体感应流道的入口处内径的2-10倍。
当气体的流速较低时，气流的前端为抛物面，中心流速最快；当气体的流速较高时，气流的前端为直面，中心流速最快。当气体感应流道的入口位于气体管道内径中心时，气体流道处的传感元件能够检测到气体管道内径中心处的气体流动状态，即检测到流速最快的中心气体处，能够增加传感元件的灵敏度。
在本发明的实施例中，气体管道的内部可为直管道，或较优地，内部具有文丘里结构，当气体管道内部具有文丘里结构时，由于文丘里的两端向中间渐缩的结构特性，气体在流经文丘里结构的最小内径处时，气体的流速最快。这时，将传感器组件的探头置于文丘里结构的最小内径处，即将气体感应流道的入口置于文丘里结构的最小内径处，能够增加传感元件的灵敏度。
在本发明的实施例中，为了将传感器组件的探头置于气体管道中，使量热式和热耗散式两种传感元件处于气体管道的内径中心处，且并不影响气体在气体管道中的流速，可将传感器组件沿垂直于气体管道轴线的方向插入气体管道中，便于结构的设置和安装。
在本发明的实施例中，可在气体管道的管道壁上设置一开口，用于将传感器组件插入气体管道中，使气体感应流道悬空设于气体管道的内部。这样的结构便于结构的设置和安装。
在本发明的实施例中，可在传感器组件处设置用于调节气体感应流道位置的位置调节件，以调节气体感应流道在气体管道内部的位置，以便于气体管道内部的气体的流向或流场发生变化时，气体感应流道能够同时跟着改变，检测到最有效的数据。
在本发明的实施例中，气体感应流道的内径具有从其入口处向出口处渐缩的形状，即喇叭形状，可将气体在气体感应流道的入口处压缩，加快气体的流速，这样能够使得单位体积内气体分子数更多，使传感元件检测时更加敏感，特别是当低速小量气体流过时，传感元件的灵敏度更高。
在本发明的实施例中，当气体管道为直管道时，其内径为气体感应流道的内径的4-8倍，优选地为6倍。当所述气体管道具有文丘里结构时，气体管道的最小内径为所述气体感应流道的入口处内径的2-10倍，优选地为3倍。
在本发明的各实施例中，优选地，所述传感器组件进一步包括主控电路和/或用于检测流经所述气体管道处的气体压力变化的差压传感器，所述主控电路包括用于向外部传送数据的无线传输模块，所述无线传输模块包括以下中的至少一种：蓝牙模块，低功耗近距离无线组网通讯技术ZigBee模块，红外线传输模块，通用分组无线服务技术GPRS传输模块；和/或所述数据处理芯片包括：内存元件，其用于存储所述传感器组件检测得到的数据；和/或，信号调理电路，其用于对所述传感器组件检测得到的数据进行校准。
在本发明的实施例中，传感器组件中进一步包括主控电路，其接收量热式传感元件和热耗散式传感元件发送的温度变化信号，并将该信号放大并转为电信号，并将该电信号传送至外部，例如表头，表头可将该电信号处理并显示气体的流量数据，或者表头直接将该电信号显示为气体的流量数据，数据显示在表头的显示器中，该显示器可为LED显示屏。主控电路与量热式传感元件和热耗散式传感元件之间，主控电路与表头之间，均可通过无线传输模块进行数据和信号传送，无线传输模块可选择蓝牙模块、低功耗近距离无线组网通讯技术ZigBee模块、红外线传输模块、通用分组无线服务技术GPRS传输模块中的一种或多种。
传感器组件中还可进一步设置差压传感器，用于检测气体管道处的气体压力变化。差压传感器可将气体的压力变化发送至主控电路，用于监测气体的流动情况。
数据处理芯片可对量热式传感元件、热耗散式传感元件、差压传感器等检测到的数据进行存储、校准和计算。数据可存储在内存元件中；数据校准和数据计算可通过信号调理电路完成。
在本发明的各实施例中，优选地，所述的气体流量计进一步包括以下中的至少一种：
流量调节器组件，其包括流向调节器和流场调节器，所述流向调节器安置在所述气体管道的入口处并用于梳理流经所述气体管道的气体流向，所述流场调节器安置在与所述流向调节器相距预定距离处并用于调节流经所述气体管道的气体流场，所述预定距离为所述气体管道的入口处内径的2-5倍；法兰结构，其安装在所述气体管道的两端；表头，其包括显示屏，所述表头与所述传感器组件连接并位于所述气体管道外部，所述表头用于接收和/或显示所述传感器组件发送的数据。
由于气体在管道中的流向和流场（运动流体所占有的空间区域）有可能会不规范，可在流量计主体处设置流量调节器组件调节气体的流向和流场，该组件可包括流向调节器（如图2中的流向调节器5-1）和流场调节器（如图2中的流场调节器5-2）。
流向调节器用于梳理气体的流向，其具有多孔，优选地，该多孔均匀分布，该多孔均具有相等的预定长度和相同的延伸方向，该预定长度例如可为2-5cm，气体流经该多孔后可规范气体的流向，使气体具有统一的流向。由于要在检测气体流量之前调节气体的流向，所以流向调节器要设置在流量计主体的入口处，优选地，设置在气体管道的进口端。
流场调节器用于调节气体的流场，其具有均匀分布的多孔，使气体流经流场调节器后，在气体管道的横截面处具有相同的密度。优选地，流场调节器设置在流向调节器和传感器组件之间，气体要先流经流向调节器被调节流向后，再经流场调节器被规范流场，再流经传感器组件被检测，使得传感器组件检测的数据更有效更准确。气体先被调节流向后再被调节流场，才能使气体的整流效果更好，如果先调节流场，还有可能会出现流场不规范的情况。优选地，流场调节器设置在与流向调节器相距一定距离处，以使气体的流向被有效调节。该距离可为气体管道入口处内径的2-5倍，优选地，为3倍。
在如图1、图2、图3a、图3b、图4所示的本发明的实施例中，气体流量计包括流量计主体4，流量计主体4具有气体管道401，气体管道401的两端通过法兰结构3连接在待检测的气体管道中。气体管道401处设置有传感器组件6，传感器组件6连接有表头1，表头1上设置有用于显示气体流量数据的LED显示屏2。气体管道401包括文丘里结构，传感器组件6从气体管道401的外壁以垂直于气体管道轴线的方向插入气体管道401中，传感器组件6前端的探头处设有气体感应流道601，气体感应流道601的入口处于文丘里结构的最小内径处。气体感应流道601的内部设置有MEMS质量流量传感芯片602，该传感芯片上集成有量热式传感元件和热耗散式传感元件。在使用时，气体在流经气体管道401时，先经气体管道401的入口端的流向调节器5-1调节气体的流向，后经与流向调节器相距一距离的流场调节器5-2调节流场，气体的流向和流场都规范后才流经气体感应流道601。当有小流量的气体流过时，量热式传感元件检测该气体流过所产生的温度变化，当有大流量的气体流过时，热耗散式传感元件检测该气体流过所产生的温度变化。量热式传感元件和热耗散式传感元件将温度变化信号发送至数据处理芯片，数据梳理芯片对该信号进行存储、校准和计算，数据处理芯片再将计算后的气体流量发送至表头1，最终气体流量显示在LED显示屏2上。
本发明还提供了一种使用如前述的气体流量计的气体流量测量方法，包括：
传感元件检测第一流量气体流动时在气体管道处产生的温度变化，并使用量热式原理根据该温度变化计算出气体的流量；传感元件检测第二流量气体流动时在气体管道处产生的温度变化，并使用热耗散式原理根据该温度变化计算出气体的流量；其中，所述第二流量气体的流量大于所述第一流量气体的流量。
在如图5所示的测量方法步骤中，包括：
步骤501：传感元件检测第一流量气体流动时在气体管道处产生的温度变化，并使用量热式原理根据该温度变化计算出气体的流量；
步骤502：传感元件检测第二流量气体流动时在气体管道处产生的温度变化，并使用热耗散式原理根据该温度变化计算出气体的流量；
其中，所述第二流量气体的流量大于所述第一流量气体的流量。
在本发明的实施例中，步骤501和步骤502可无先后顺序，可同时进行。
在本发明的各实施例中，优选地，在使用传感元件进行所述温度变化的检测之前，对气体进行流向和流场的调节。对气体先进行流向和流场的调节和规范后再进行检测，能够使检测得到的数据更有效更精准。
通过本发明的各实施例提供的气体流量计和气体流量测量方法，能够带来以下至少一种有益效果：
1.能够提供大量程的计量范围。本发明的气体流量计通过使用量热式传感元件（使用量热式原理的传感元件）对小流量气体范围进行测量，使用热耗散式传感元件（使用热耗散式原理的传感元件）对大流量气体范围进行测量，两种传感元件同时使用能够提供大量程的计量范围。
2.能够进行高精度的测量。通过设置至少两个集成有量热式传感元件和热耗散式传感元件的MEMS质量流量传感芯片，从而可使用至少两个量热式传感元件和至少两个热耗散式传感元件对气体流量进行测量，提高了气体流量的测量精度。
通过本发明提供的气体流量计，能够对气体进行超大动态测量范围的测量，同时对气体测量进行自动温度补偿和压力补偿。
本发明提供的各种实施例可根据需要以任意方式相互组合，通过这种组合得到的技术方案，也在本发明的范围内。
显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种气体流量计，其特征在于，包括：
气体管道，传感器组件；
所述传感器组件安装在所述气体管道处，所述传感器组件包括气体感应流道，所述气体感应流道位于所述气体管道的内部，气体在所述气体管道和所述气体感应流道中的流向相同；
所述传感器组件包括量热式传感元件、热耗散式传感元件和数据处理芯片，所述量热式传感元件和所述热耗散式传感元件位于所述气体感应流道内部并将检测到的温度变化信号发送至所述数据处理芯片，所述数据处理芯片根据所述温度变化信号进行数据存储和数据计算。
2.如权利要求1所述的气体流量计，其特征在于，
所述气体感应流道的入口位于所述气体管道的内径中心位置处；和/或
所述气体管道的管道壁上设有用于插入所述传感器组件的开口；和/或
所述传感器组件进一步包括位置调节件，其用于调节所述气体感应流道在所述气体管道的内部的位置。
3.如权利要求1所述的气体流量计，其特征在于，
所述气体管道包括文丘里结构，所述气体感应流道的入口位于所述文丘里结构的最小内径处；和/或
所述气体感应流道的内径具有从其入口处向出口处渐缩的形状。
4.如权利要求3所述的气体流量计，其特征在于，当所述气体管道包括文丘里结构时，所述气体管道的最小内径为所述气体感应流道的入口处内径的2-10倍。
5.如权利要求1所述的气体流量计，其特征在于，
所述气体管道内径为所述气体感应流道的内径的4-8倍。
6.如权利要求1所述的气体流量计，其特征在于，所述量热式传感元件和所述热耗散式传感元件集成在微机电系统MEMS质量流量传感芯片上；
所述气体流量计包括至少两个设置在所述气体感应流道处的所述MEMS质量流量传感芯片。
7.如权利要求1所述的气体流量计，其特征在于，
所述传感器组件进一步包括主控电路和/或用于检测流经所述气体管道处的气体压力变化的差压传感器，所述主控电路包括用于向外部传送数据的无线传输模块，所述无线传输模块包括以下中的至少一种：蓝牙模块，低功耗近距离无线组网通讯技术ZigBee模块，红外线传输模块，通用分组无线服务技术GPRS传输模块；
和/或
所述数据处理芯片包括：内存元件，其用于存储所述传感器组件检测得到的数据；和/或，信号调理电路，其用于对所述传感器组件检测得到的数据进行校准。
8.如权利要求1-7任一项所述的气体流量计，其特征在于，进一步包括以下中的至少一种：
流量调节器组件，其包括流向调节器和流场调节器，所述流向调节器安置在所述气体管道的入口处并用于梳理流经所述气体管道的气体流向，所述流场调节器安置在与所述流向调节器相距预定距离处并用于调节流经所述气体管道的气体流场，所述预定距离为所述气体管道的入口处内径的2-5倍；
法兰结构，其安装在所述气体管道的两端；
表头，其包括显示屏，所述表头与所述传感器组件连接并位于所述气体管道外部，所述表头用于接收和/或显示所述传感器组件发送的数据。
9.一种使用如权利要求1-8任一项所述的气体流量计的气体流量测量方法，其特征在于，包括：
量热式传感元件检测第一流量气体流动时在气体管道处产生的温度变化，并使用量热式原理根据该温度变化计算出气体的流量；
热耗散式传感元件检测第二流量气体流动时在气体管道处产生的温度变化，并使用热耗散式原理根据该温度变化计算出气体的流量；
其中，所述第二流量气体的流量大于所述第一流量气体的流量。
10.如权利要求9所述的气体流量测量方法，其特征在于，在使用量热式传感元件，和/或，热耗散式传感元件进行温度变化的检测之前，对气体进行流向和流场的调节。
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