CN102753945B - 流体流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种流体流量计，该流体流量计包括配件，该配件可附连到供水阀或管道，从而至少部分地延伸通过供水阀或管道的插孔。测量圆筒枢转地附连到配件，并且包括流体涡旋生成障碍物。传感器主体延伸通过配件并且在其端部具有传感器元件，该传感器元件布置在测量圆筒中并且与障碍物大体对准以检测由障碍物生成的流体涡旋。测量圆筒可从与配件大体对准的位置选择性地移动到大体平行于流体流动通过阀或管道的位置。

Description

流体流量计

技术领域

本发明总体上涉及用于阀和管道的流体流量计。更特别地，本发明涉及基于涡旋的原理的流量计，该流量计能够插入供水阀、管道等的小插孔中并且能够测量很低的流体流率。

背景技术

在流体动力学中，众所周知当流体遇到置于流体流动轴线中的障碍物时，它分开并且在障碍物的交替侧产生小涡流或涡旋。连续交替紊流波的生成被称为卡门（Karman）涡街。涡旋的分离或涡旋的生成的频率与流体的速度成正比。

插入涡旋式流量计基于该现象。涡旋分离生成可变压力的区域，该区域形成小压力冲击并且可以使用定位在障碍物的下游的位置的传感器进行检测。

目前，目前这样的流量计具有限制。现有的流量计在由大体上相当于大于1.5英尺/秒（0.5m/s）的流速的高于5000的雷诺数（Reynoldsnumber）限定的永久紊流范围内工作。该流型建立容易地可由不复杂的电子设备检测的稳定卡门涡街。

尽管测量大于0.5m/s并且由高于5000的雷诺数限定的流体流动涵盖绝大多数工业应用，但是在饮用水野外供应系统（供水系统）中，这样的系统通常针对大约3英尺/秒（大约1m/s）的最大速度进行设计并且具有低得多的最小速度。在低消耗时、例如在夜晚期间尤其如此，这时水实际上停止，很少的流体在供水系统中流动。实际上，水流在0.2m/s和0.5m/s之间的时间或情况可以有很多。这样的低流体流动产生具有比5000低得多的雷诺数的涡旋波，并且其检测需要更复杂的电子设备和迄今为止还没有的合适的算法。

目前的流量计的另一个问题是将流量计机械地插入管道中。为了正确地定向流量计的测量圆筒并且在障碍物和测量传感器之间具有足够的空间，需要至少1.5英寸（大约40mm）的长度。因此，在控制阀、蝶形阀、过滤器、接头或管的部分等（在本文中统称为阀和/或管道）中需要具有1.5英寸（40mm）和更大的最小直径的插孔或凸起以便能够将流量计机械地插入阀或管道中。

在工业阀的领域中，包括阀和管道的许多设备经常以标准化方式设计成具有额外螺纹孔以例如易于安装附件等。当不使用螺纹孔时，它们通常由螺纹和密封帽塞住。当使用螺纹孔时，去除帽并且例如为压力计提供容纳。在用于供水工业中的许多阀和管道中，螺纹孔具有小于1英寸（小于30mm）的直径。大多数螺纹孔具有0.5英寸（大约13mm）的直径，特别是对于直径在2英寸至20英寸（50mm至500mm）之间的管道设备，而其它螺纹孔具有0.75英寸（大约19mm）或1.0英寸（大约25mm）的直径。然而，现有的流量计的尺寸和肘形配置需要具有1.5英寸（至少38mm）的最小直径的螺纹孔或凸起。因此，仍然需要一种涡旋式流量计，其能够插入具有直径小于1.0英寸（大约25mm）的插孔或凸起的阀和管道中、乃至插入仅仅具有0.5英寸（大约13mm）的直径的这样的插孔中。也需要这样一种涡旋式流量计，其可以检测并且精确地测量小于1.5英寸/秒（0.5m/s）的流体流速。本发明满足这些需要，并且提供其它相关优点。

发明内容

本发明涉及一种阀或管道流体流量计。所述流量计大体上包括配件，所述配件适合于附连到所述阀或管道并且至少部分地延伸通过所述阀或管道的插孔使得所述配件的第一端部布置在所述阀或管道中。测量圆筒枢转地附连到所述配件的所述第一端部并且包括流体涡旋生成障碍物，其中所述测量圆筒能够从为了通过所述阀或管道的所述孔插入与所述配件的主轴线大体对准的位置选择性地移动到大体上平行于流体流动通过所述阀或管道的位置。传感器元件布置在所述障碍物的下游以用于检测由所述障碍物生成的流体涡旋。

所述测量圆筒和所述配件之间的枢转连接允许所述测量圆筒具有的长度大于所述阀或管道孔的直径。这即使在阀或管道插孔的直径小于30mm时也是如此。

所述传感器元件与所述流体涡旋生成障碍物间隔并且大体对准。典型地，所述传感器元件至少部分地布置在所述测量圆筒内，从而与从所述测量圆筒的内壁延伸的所述流体涡旋生成障碍物大体对准。在特别优选的实施例中，所述传感器元件连接到延伸通过所述配件的传感器主体。所述测量圆筒包括适合于接收通过其中的所述传感器元件的狭槽。在一个实施例中，所述配件包括凹槽，所述凹槽接收所述传感器主体的突起以便使所述传感器元件与所述测量圆筒的狭槽对准。

所述传感器元件典型地包括压电传感器元件。锁环可以用于使所述配件和所述传感器主体彼此固定并且相对于所述测量圆筒内的所述障碍物将所述传感器元件保持在适当位置。

所述传感器元件与电子电路通信，所述电子电路适合于接收来自所述传感器元件的信号并且确定通过所述阀或管道的流体流速。所述流量计检测并且测量通过所述阀或管道的流体速度。这包括小于0.5m/s的流体流速并且包括在0.2至0.5m/s之间的流速。

根据结合附图进行的以下更详细描述，本发明的其它特征和优点将变得明显，附图作为例子示出本发明的原理。

附图说明

附图示出本发明。在这样的图中：

图1是体现本发明的流量计的侧视透视图；

图2是流量计的分解透视图，示出了流量计的各组成部分的相互连接；

图3是根据本发明的流量计和阀的插孔的部分分解透视图；

图4是用于定位本发明的流量计的测量圆筒的工具的分解透视图；

图5类似于图4，示出了使用工具将测量圆筒移动到适当位置；

图6是根据本发明的配件和移动到测量读取位置的测量圆筒的放大和部分截面图；

图7是本发明的阀和流量计的横截面图；

图8是大体上沿着图7的线8-8获得的测量圆筒和传感器的后视透视图；

图9是大体上沿着图1的线9-9获得的横截面图；

图10是高流动条件下的本发明的流量计的测量圆筒和传感器的示意性横截面图；

图11是描绘图10的流动的信号测量的图形；

图12是示出图10的流体的过渡流速的图形；

图13是类似于图10的横截面和示意图，但是在较低流动条件下；

图14是示出图13的流体流动的信号测量的图形；

图15是示出图13的流动的速度的层流的图形；

图16是低流动条件下的测量圆筒和传感器的横截面图；

图17是描绘图16的流动的信号测量的图形；以及

图18是描绘图16的流体流动的速度的层流的图形。

具体实施方式

如附图中所示，为了举例说明，本发明涉及一种用于阀或管道的流体流量计。如本文中将更完整地描述，本发明的流量计可以插入比目前已知的流体流量计更小的阀或管道的孔中。而且，本发明的流体流量计能够检测并且测量在供水工业中通常遇到的相对低的流体流率。

现在参考图1和2，显示了体现本发明的流量计100。流量计大体上包括配件102，该配件具有枢转地附连到配件的端部的测量圆筒104。在其端部具有传感器108的传感器主体106接收在中空配件102内。锁环110牢固地连接配件102和传感器主体106。头部单元112附连到传感器主体106的端部，并且典型地包括与传感器108通信的电子电路，这将在本文中更完整地进行解释。

现在参考图3，显示了饮用水/供水系统的示例性阀10。本发明的领域的技术人员将理解阀10可以包括其它类型的阀、过滤器、接头、乃至管道的节段。阀10具有入口12，该入口对应于邻接管或装置的直径。入口12或管道的内径在直径上典型地在2英寸至20英寸之间（大约5cm-50cm）。如上所述，阀、管道等10常常被制造成具有孔以用于插入和附连各种装置、测量仪等。这些通常牢固地被塞住直到需要。在图3中示出了一个这样的插孔14。在供水工业中，特别是对于与其关联的管道的尺寸，如上所述，插孔14在直径上典型地为1/2"（大约13mm）、3/4"（大约19mm）和1″（大约25mm）。0.5英寸直径的插孔是很常见的。

如上所述，流量计需要至少1.5英寸（大约40mm）的长度，因此需要阀或管道的插孔在直径上为至少1.5英寸。然而，本发明的流量计100克服了该缺陷。如图3中所示，测量圆筒104例如借助于销114和116枢转地附连到配件102，从而定位成与配件102大体上对准，并且移动到大体横向于配件102的位置，如图1和2中所示。配件102和测量圆筒104具有的外径小于插孔14的内径，从而通过其中插入阀或管道10中。配件102借助于配件102的螺纹118和插孔14的螺纹之间的螺纹接合固定到阀或管道10。这可以借助于配件102的倾斜螺母部分120实现，从而例如借助于钳子、套筒扳手等将配件102转动并且驱动到插孔14中。

现在参考图3-5，为了通过具有小于1″（大约25mm）的直径的插孔14可插入，测量圆筒104必须与配件102的主轴线对准，从而通过插孔14插入阀或管道10中。然而，为了运转正常，测量圆筒104的入口122必须被定位成大体上面对流体流动，并且因此测量圆筒104必须大体上平行于流动通过阀或管道10的流体。

因此，本发明包含工具124以选择性地移动测量圆筒104。该工具包括长形轴126，该长形轴在一个端部具有模拟传感器的较细元件128，该较细元件能够插入形成于测量圆筒104中的狭槽130中。轴126在它的相对端部具有倾斜端部132。轴126可延伸通过具有手拧螺丝136的环134，该手拧螺丝在其中延伸并且与轴126接合。环134被配置成螺纹地接收配件102的外螺纹138。

当安装本发明的流量计100时，在将配件102固定到阀或管道10之后，如上所述，将工具124的“传感器”端部128插入配件102中，其中模拟传感器端部128接合测量圆筒104的内壁，并且当工具124延伸到阀或管道10中时，测量圆筒104枢转，工具124的模拟传感器端部128延伸通过测量圆筒104的狭槽130，直到测量圆筒104枢转大约九十度使得它大体上横向于配件102的主轴线，并且它的入口122面对通过管道或阀10的流体流动。工具124可以包括在轴126上的标记140，向位于阀或管道10的外部的安装者指示测量圆筒104何时已完全枢转并且正确定位。例如，一旦轴126已插入测量标记140与环134大体对准的点，安装者知道测量圆筒104已枢转完整的九十度。不同测量标记140可以形成于工具124上以适应不同尺寸的测量圆筒104或插孔14。

现在参考图6，如上所述，当测量圆筒大体上横向于配件102的主轴线使得它的入口122大体上面对接近流体时测量圆筒104被正确地定位。流体穿过圆筒104并且遇到障碍物（在本领域中有时被称为非流线形体），该障碍物产生流体流动中的紊流，所述紊流实质上是具有可以由本发明的传感器检测的高和低压力区域的涡旋。流体然后穿过圆筒104并且到达测量圆筒的出口144。如本文中将更完整地解释，传感器延伸到在障碍物142的下游的测量圆筒104中，从而检测由障碍物142生成的涡旋。

现在参考图7和8，一旦已使用工具124正确地定位测量圆筒104，去除工具124并且将传感器主体106插入配件102中使得在其端部的传感器108延伸通过测量圆筒104的狭槽130，从而在与非流线形体障碍物142间隔开并且在非流线形体障碍物142的下游的位置布置在测量圆筒104内，从而检测由障碍物142产生的流体紊流。

现在参考图2和7，重要的是正确地对准传感器主体106和因此传感器108使得传感器108延伸通过测量圆筒104的狭槽130，从而布置在非流线形体障碍物142的下游并且与其大体对准。传感器108是压电传感器并且因此有力地将传感器108移动到与物体或表面接触会损坏传感器108，并且可能使它不能操作。因而，传感器主体106包括接收在配件102的凹槽148内的突起或突舌146。以该方式，传感器主体106正确地被对准并且定位成使得传感器108延伸通过狭槽130并且与非流线形体障碍物142对准并且适当地间隔，如图7和8中所示。

继续参考图2和7，一旦适当地定位传感器主体106和传感器108，在内部带螺纹的锁环110接合配件102的螺纹部分138，从而使配件102和传感器主体106牢固地彼此固定。典型地，形成于传感器主体106上的用于附连头部单元112的外螺纹150与传感器108大体上相对，如图7中所示。

现在参考图9，显示了体现本发明的流量计100的横截面图，该流量计处于适当位置以检测并且测量穿过阀或管道10的流体的流速。将看到内壁152在测量圆筒104的入口122处略微呈锥形，并且在测量圆筒104的出口144处略微呈锥形，这便于通过测量圆筒104的流动。

如上所述，并且如图10和13中所示，当流体流动通过测量圆筒104时，如方向箭头所示，流体遇到非流线形体障碍物142，该障碍物导致产生由螺旋形箭头所示的涡旋154。当涡旋154（也被称为卡门涡街）经过传感器108时它们被检测。当检测到呈高和低压力涡旋154的形式的流体紊流时，信号生成并且发送到电子电路156，必要时该电子电路可以进一步测量或分析信号以计算流率。传感器108典型地借助于电线158与电子电路156电子通信，如图9中所示。电子电路156典型地布置在头部单元112内。另外或备选地，电子电路156可以与头部单元112的外部的进一步测量和/或分析所生成的信号和数据的另一个电子电路、处理器等电子通信。

现在参考图10-12，由流体通过障碍物142导致的流体流动中的分离旋涡或涡旋紊流生成可变压力的区域。这些可变压力的区域由传感器108并且更特别地借助于封装在传感器108内的压电晶体检测。高和低压力区域产生作用于传感器108的力，该力使它越过它的中性轴线来回移动，在高压力和低压力之间交替，并且因此记录为信号生成并且发送到电子电路156的“计数”。

传统上，压电传感器已用于通过测量由卡门涡街导致的传感器的机械偏转的程度而检测流动。然而，根据本发明，流量计100不测量偏转，而是计数偏转事件并且基于由卡门涡街导致的偏转输出频率。图11是表示由电子电路156从传感器108接收的（一个或多个）信号中的计数或偏转事件的数量的图形。图12是示出信号的频率的图形，该信号表示偏转事件的数量并且因此表示由图形的最右侧阴影部分表示的速度（以米/秒计），指示高于0.5m/s的流体流率，并且因此具有超过5000的紊流速度或雷诺数。

现在参考图13-15，为0.2至0.5m/s之间的流体流率或2000至5000之间的雷诺数提供类似图示。将看到所生成的紊流或高/低压力涡旋的数量更少，并且因此计数事件或频率信号的数量更少，如图14的图形中所示。因此，确定并且计算流速在0.2至0.5m/s之间，如图15的阴影部分中所示。

现在参考图16-18，为小于0.2m/s的流体流率或小于2000的雷诺数提供类似图示。由流过障碍物142的流体生成很少（如果有的话）的涡旋紊流，并且因此生成很少的信号事件，如图17中所示，并且因此系统确定并且计算流体流率小于0.2m/s。

因此，如果在短时间内检测到大量的高/低压力涡旋流体紊流，则信号的频率将更大并且因此可以将流体流率确定并且计算为某个速度。然而，在相同时间内检测到的流体紊流越少指示流体正在可以被确定并且计算的越慢的速度下流动，如关于图10-18所示和所述。本发明的装置和方法的独特方面在于可以检测、测量并且计算0.2至0.5m/s之间的流体流率。而且，也可以检测小于0.2m/s或大于0.5m/s的流体流率。

再次参考图4和5，在必须从阀或管道10去除流量计的情况下，例如在更换、维修或清洁等期间，在去除头部单元112、锁环110和传感器主体106之后，再次使用工具124拉直测量圆筒104使得可以从插孔14去除它。插孔14典型地在1/2"至1″之间（大约13mm-25mm）并且测量圆筒104具有超过该直径的长度（典型地大于30mm）。因此，必须将测量圆筒104放回到与配件102对准。这借助于工具124的轴126的倾斜端部132实现，该倾斜端部与测量圆筒104接合并且以这样的方式旋转使得将测量圆筒104从图5中所示的位置移动到图4中所示的位置使得可以从阀或管道10去除配件102和测量圆筒104。

尽管为了举例说明已详细地描述了若干实施例，但是可以进行各种修改而不脱离本发明的范围和精神。因此，除了由附带的权利要求限制以外本发明不受限制。

Claims (22)

1.一种流体流量计，其包括：

配件，所述配件配置为附连到阀或管道并且至少部分地延伸通过所述阀或管道的插孔，使得所述配件的第一端部布置在所述阀或管道中；

测量圆筒，其具有入口和出口，所述测量圆筒枢转地附连到所述配件的所述第一端部并且包括流体涡旋生成障碍物，其中所述测量圆筒能够在为了通过所述阀或管道的所述插孔插入与所述配件的主轴线大体对准的位置和与所述配件的主轴线大体上横向的位置之间枢转，使得在所述测量圆筒被插入到所述阀或管道中后，流过所述阀或管道的所述流体与所述测量圆筒平行地流动经过所述测量圆筒；以及

传感器元件，所述传感器元件至少部分地布置在所述测量圆筒内，使得所述传感器元件与所述流体涡旋生成障碍物大致对准，并且与所述流体涡旋生成障碍物间隔开。

2.根据权利要求1所述的流量计，其中所述测量圆筒具有的长度大于所述阀或管道的插孔的直径。

3.根据权利要求2所述的流量计，其中所述阀或管道的所述插孔在直径上小于30mm。

4.根据权利要求1所述的流量计，其中流体涡旋生成障碍物从所述测量圆筒的内壁延伸。

5.根据权利要求1所述的流量计，其中所述测量圆筒包括适于接收通过其中的所述传感器元件的狭槽。

6.根据权利要求5所述的流量计，其中所述传感器元件连接到延伸通过所述配件的传感器主体。

7.根据权利要求6所述的流量计，其中所述配件包括凹槽，所述凹槽接收所述传感器主体的突起以用于使所述传感器元件与所述测量圆筒的狭槽对准。

8.根据权利要求6所述的流量计，其包括锁环以用于使所述配件和所述传感器主体彼此固定。

9.根据权利要求1所述的流量计，其中所述传感器元件包括压电传感器元件。

10.根据权利要求1所述的流量计，其中所述传感器元件与电子电路电通信，所述电子电路配置为接收来自所述传感器元件的信号并且确定通过所述阀或管道的流体流速。

11.根据权利要求10所述的流量计，其中所述流量计检测并且测量通过所述阀或管道的包括小于0.5米每秒的流体速度。

12.一种流体流量计，其包括：

中空配件，所述中空配件适于附连到阀或管道并且至少部分地延伸通过所述阀或管道的插孔，使得所述配件的第一端部布置在所述阀或管道中；

测量圆筒，其具有入口和出口，所述测量圆筒枢转地附连到所述配件的所述第一端部并且包括置于其中的流体涡旋生成障碍物；以及

传感器主体，其具有在其端部的传感器元件，其特征在于

所述测量圆筒能够可枢转地附连到所述配件的第一端部，并且能够在为了通过所述阀或管道的插孔插入与所述配件的主轴线大体对准的位置和大体上横向于所述配件的所述主轴线的位置之间枢转；并且

其中当所述测量圆筒处于大体上横向于所述配件的所述主轴线的位置时，所述传感器主体可插入到所述中空配件中，直至所述传感器元件延伸通过在所述测量圆筒的壁中的狭槽并且至少部分地置于所述测量圆筒中，使得所述传感器元件与所述流体涡旋生成障碍物大致对准，并且与所述流体涡旋生成障碍物间隔开。

13.根据权利要求12所述的流量计，其中所述阀或管道的插孔具有小于30mm的直径。

14.根据权利要求13所述的流量计，其中所述配件包括凹槽，所述凹槽接收所述传感器主体的突起以用于使所述传感器元件与所述测量圆筒的狭槽对准。

15.根据权利要求12所述的流量计，其包括锁环以用于使所述配件和所述传感器主体彼此固定。

16.根据权利要求12所述的流量计，其中所述传感器元件包括压电传感器元件。

17.根据权利要求12所述的流量计，其中所述传感器元件与电子电路电通信，所述电子电路适合于接收来自所述传感器元件的信号并且确定通过所述阀或管道的流体流速。

18.根据权利要求17所述的流量计，其中所述流量计检测并且测量通过所述阀或管道的包括小于0.5米每秒的流体速度。

19.一种流体流量计，其包括：

配件，所述配件适合于附连到阀或管道并且至少部分地延伸通过具有小于30mm的直径的所述阀或管道的插孔，使得所述配件的第一端部布置在所述阀或管道中；

具有入口和出口以及大于30mm的长度的测量圆筒，所述测量圆筒枢转地附连到所述配件的所述第一端部并且包括设置在其中的流体涡旋生成障碍物；

传感器主体，所述传感器主体延伸通过所述配件并且在其端部具有传感器元件，所述传感器元件至少部分地布置在所述测量圆筒中，从而处于沿着所述测量圆筒的主轴线与所述流体涡旋生成障碍物大致对准，并且检测由所述障碍物生成的流体涡旋；以及

电子电路，所述电子电路与所述传感器通信并且适合于接收来自所述传感器元件的信号并且确定通过所述阀或管道的包括小于0.5米每秒的流体流速；

其中所述测量圆筒能够在为了通过所述阀或管道的插孔插入与所述配件的主轴线大体对准的位置和大体上横向于所述配件的所述主轴线并且大体上平行于流动通过所述阀或管道的流体的位置之间枢转，使得在所述测量圆筒被插入到所述阀或管道中后，流动通过所述阀或管道的所述流体与所述测量圆筒平行地流动经过所述测量圆筒。

20.根据权利要求19所述的流量计，其中所述测量圆筒包括狭槽，所述狭槽用于在其中接收所述传感器元件。

21.根据权利要求19所述的流量计，其包括锁环以用于使所述配件和所述传感器主体彼此固定。

22.根据权利要求19所述的流量计，其中所述传感器元件包括压电传感器元件。