CN103175581A - 流道结构及流体流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流道结构，包括供流体通过的流道腔体，所述流道腔体具有供流体流入的入口和供流体流出的出口，其中：在所述入口和所述出口之间在所述流道腔体内设置有沿流体的流动方向延伸布置的一个流通横截面积缩小部分；在所述缩小部分处固定设置有沿所述流动方向延伸布置的第一整流部，所述第一整流部将流体分为至少两个流束。本发明还涉及一种流体流量测量装置。

Description

流道结构及流体流量测量装置

技术领域

本发明属于流体流量领域，特别是涉及一种流道结构以及具有该流道结构的流体流量测量装置。

背景技术

从微观来看，流体在流道(例如管道)中的流速分布是无序的，而且，由于受到安装结构的影响，还容易出现无序运动，即紊流状态，此时管道中任意一点的流速往往不能代表平均流速，且有时和平均流速相差较大。

为了使得测量点所获得的流体流速尽量与平均流速接近，可以在流体流速测量之前使用诸如整流板或整流孔对管道中的流体整流，但未能实现流体的加速。在大流量情况下，如此测得的流体流速基本上可以代表流体的平均流速，但是，对于小流量的情况，由于流体的粘滞效应，存在流量的测量精度不高的问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术缺陷，提出本发明。

根据本发明的一个方面，提出了一种流道结构，其包括供流体通过的流道腔体，所述流道腔体具有供流体流入的入口和供流体流出的出口，其中：在所述入口和所述出口之间在所述流道腔体内设置有沿流体的流动方向延伸布置的一个流通横截面积缩小部分；在所述缩小部分处固定设置有沿所述流动方向延伸布置的第一整流部，所述第一整流部将流体分为至少两个流束。

可选地，在所述流动方向上在所述第一整流部的上游设置有沿所述流动方向延伸布置的第二整流部，所述第一整流部与所述第二整流部分隔开，且所述第二整流部将流体分为至少两个流束。

进一步地，所述第二整流部设置在所述流道腔体的入口处。所述第一整流部可设置在所述流道腔体的大致中间位置。

可选地，所述缩小部分的横截面积为所述流道腔体的未缩小部分的横截面积的60-80％，优选地71％。

可选地，所述缩小部分的流体流入侧形成有在所述流动方向上渐缩的过渡部。进一步地，所述缩小部分的流体流出侧形成有在所述流动方向上渐扩的过渡部。

在以上流道结构中，至少所述第一整流部由至少两个平行布置的整流板形成。

可选地，所述至少两个整流板将进入所述缩小部分的流体分为流体厚度不同的至少两个流体束。

有利地，所述流道腔体由相对的一对第一壁板和相对的一对第二壁板围合而成且具有大致矩形横截面，其中所述一对第一壁板的面对所述流道腔体的一侧形成有突出结构，由该突出结构形成所述缩小部分。进一步地，所述流道腔体由相对的一对第一壁板和相对的一对第二壁板拼接而成。

至少所述第一整流部也可以由至少两个平行布置的孔道形成。

根据本发明的另一方面，提出了一种流体流量测量装置，其包括：

壳体，所述壳体形成上述流道结构的流道腔体，其中，至少所述第一整流部由至少两个平行布置的第一整流板形成；

流量信息采集元件，所述流量信息采集元件设置在所述流道结构的所述缩小部分的与一个流体束直接接触的壳体的壁面处；和

控制分析单元，所述控制分析单元根据所述流量信息采集元件输出的信息计算通过流道结构的流体的流量。

可选地，所述流量信息采集元件设置在所述壳体的壁面上形成的一个第一凹部中，该第一凹部和与所述壳体的壁面相邻并间隔开的第一整流部的一个整流板相对。

进一步地，所述至少两个平行布置的整流板将进入所述缩小部分的流体分为流体厚度不同的至少两个流体束，且形成凹部的所述壳体的壁面与和所述壳体的壁面相邻的整流板之间形成的流体束的流体厚度最小。

在上述流体流量测量装置中，所述壳体包括相对的一对第一壁板和相对的一对第二壁板，所述流道结构为所述一对第一壁板和所述一对第二壁板围合而成的大致矩形横截面的流道结构，其中所述一对第一壁板的面对所述流道腔体的一侧形成有突出结构，由该突出结构形成所述缩小部分。有利地，所述壳体由所述一对第一壁板和所述一对第二壁板拼接而成。

可选地，所述流体为气体；所述流体流量测量装置还包括测量壳体，所述测量壳体设置在一个壁板外侧且仅在所述壁板上开口而通过所述开口与所述流道腔体相通，且气氛传感器设置在所述测量壳体内，输出有关所述气体的成分的第一信息；所述流量信息采集元件为流量传感器，所述流量传感器输出与所述成分相关的第二信息；以及所述控制分析单元根据所述第一信息和所述第二信息计算通过流道结构的气体的所述成分的流量。所述气体可以为燃气。有利地，所述流量传感器和所述气氛传感器均为MEMS传感器。

有利地，安装所述测量壳体的外侧还设置有第二凹部，线路板安装在所述第二凹部内，且所述气氛传感器、所述流量传感器以及所述控制分析单元通过所述线路板电连接。

根据本发明的技术方案，至少可以获得如下技术效果之一：

(1)在缩小部分处设置了第一整流部，这在增加通过缩小部分的流体的流速的同时，有利于通过缩小部分的流体的稳定渐进的流态分布。

(2)在还设置了第二整流部的情况下，采用两级整流可良好地稳定流体状态，数据采集更真实，作为一级整流的第二整流部可使得进入流道腔体的流体保持平稳的流态，作为二级整流的第一整流部可让流体在加速过程中保持平稳状态，便于传感器采集有效精准的数据。利用两级整流将流场分割成至少两个的小流场，让每个小流场尽量保持有序的前进状态，从而使得采集的数据或信息更具有代表性。

(3)在流量传感器和气氛传感器均为MEMS传感器的情况下，可顺利完成能量/物质和信息之间的转换，具有精度高、功耗低、寿命长、性能稳定、成本低廉的优点。

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

附图说明

图1为根据本发明的第一实施例的流道结构的剖面示意图。

图2为根据本发明的第二实施例的流道结构的剖面示意图。

图3为图2中的流道结构的分解示意图。

图4为图2中的流道结构的立体示意图。

图5a为整流前的流体分布示意图，图5b为整流后的流体分布示意图。

图6为根据本发明的一个实施例的流体流量测量装置的剖面示意图。

具体实施方式

虽然将参照含有本发明的较佳实施例的附图充分描述本发明，但在此描述之前应了解本领域的普通技术人员可修改本文中所描述的发明，同时获得本发明的技术效果。因此，须了解以上的描述对本领域的普通技术人员而言为一广泛的揭示，且其内容不在于限制本发明所描述的示例性实施例。

图1为根据本发明的第一实施例的流道结构的剖面示意图。参照图1，流道结构10包括供流体通过的流道腔体11，所述流道腔体11具有供流体流入的入口(对应于图1中的流道腔体11的左端)和供流体流出的出口(对应于图1中的流道腔体11的右端)，其中：在所述入口和所述出口之间在所述流道腔体11内设置有沿流体的流动方向A延伸布置的一个流通横截面积缩小部分12；在所述缩小部分12处固定设置有沿所述流动方向A延伸布置的第一整流部13，所述第一整流部13将流体分为至少两个流束。例如，如图5中所示，第一整流部13可以将流体从图5a中的流动形态调整为图5b中的流动形态。第一整流部13的存在保证了通过缩小部分12的流体的稳定渐进的流态分布。

所述缩小部分12的横截面积为所述流道腔体11的未缩小部分的横截面积的60-80％，优选为71％。这样，可以在缩小部分12处形成流体加速部分，即，通过缩小部分12的流体的流速被加快，而提高流体的流速可以增加流体的稳定性(对小流量尤为重要)。同样如图1中所示，所述缩小部分12的流体流入侧形成有在所述流动方向A上渐缩的过渡部121，进一步地，所述缩小部分12的流体流出侧形成有在所述流动方向A上渐扩的过渡部122，如此，更有利于缩小部分12和第一整流部13对于经过的流体的整流和加速。

图2为根据本发明的第二实施例的流道结构的剖面示意图，图2与图1的不同仅在于图2的流道结构10中还设置有第二整流部14。具体地，第二整流部14在所述流动方向A上设置在所述第一整流部13的上游并沿所述流动方向A延伸布置，所述第一整流部13与所述第二整流部14分隔开，且所述第二整流部14将流体分为至少两个流束。第二整流部14有助于将处于紊流状态的流体整流为流态较为稳定的流体，在流体的流向在流道腔体11的入口处存在较大改变的情况(例如，由竖直向横向A的大约90度的转向)时尤其有用，从而为流体提供二级整流。采用两级整流可良好地稳定流体状态，数据采集更真实，作为一级整流的第二整流部14可使得进入流道腔体11的流体保持平稳的流态，作为二级整流的第一整流部13可让流体在加速过程中保持平稳状态，便于传感器采集有效精准的数据。利用两级整流将流场分割成至少两个的小流场，让每个小流场尽量保持有序的前进状态，从而使得采集的数据或信息更具有代表性。

有利地，如图2中所示，所述第二整流部14设置在所述流道腔体11的入口处，这有利于适当增加第二整流部14与第一整流部13之间的距离，该距离可为1-5cm，优选为2cm，当然，根据整流部的长度不同，也可以选择其它合适的距离。进一步有利地，所述第一整流部13设置在所述流道腔体11的大致中间位置。

上述的第一整流部13可以由至少两个平行布置的整流板131形成，类似地，第二整流部14也可以由至少两个平行布置的整流板141形成。至少两个整流板131可以将进入所述缩小部分12的流体分为流体厚度不同的至少两个流体束。所述整流板131、141沿所述流动方向A的长度为5-10cm，优选为7cm。整流板结构可实现微流加速并保证流体稳定渐进的流速分布，如图5b中所示。

如图3、4中所示，所述流道腔体11由相对的一对第一壁板15和相对的一对第二壁板16围合而成且具有大致矩形横截面，其中所述一对第一壁板15的面对所述流道腔体11的一侧形成有突出结构151，由该突出结构151形成所述缩小部分12，进一步可选地，所述流道腔体11由相对的一对第一壁板15和相对的一对第二壁板16拼接而成。

上述的整流部13、14也可以由至少两个平行布置的孔道形成。

下面参照图6描述根据本发明的一个实施例的流体流量测量装置。该流体流量测量装置20包括：

壳体，所述壳体形成上述流道结构10的流道腔体11，其中，至少所述第一整流部13由至少两个平行布置的第一整流板131形成；

流量信息采集元件22，所述流量信息采集元件22设置在所述流道结构10的所述缩小部分12的与一个流体束直接接触的壳体的壁面处；和

控制分析单元(未示出)，所述控制分析单元根据所述流量信息采集元件输出的信息计算通过流道结构10的流体的流量。

需要指出的是，流道结构10形成的流道腔体11可以是矩形横截面，也可以是圆形横截面，还可以其它合适形状的横截面。

所述流量信息采集元件22设置在所述壳体的壁面上形成的一个第一凹部212中，该第一凹部212和与所述壳体的壁面相邻并间隔开的一个第一整流板131相对。有利地，所述至少两个第一整流板131可以将进入所述缩小部分12的流体分为流体厚度不同的至少两个流体束，形成所述第一凹部212的所述壳体的壁面与和所述壳体的壁面相邻的第一整流板131之间形成的流体束的流体厚度最小，如此，基于非等分的整流间距设计，流量信息采集元件22附近流道窄，可实现微流加速并保证流体稳定渐进的流速分布。

流量信息采集元件22的形式可以有很多形式。例如MEMS传感器、超声波传感器、压力传感器等。

如图3、4中所示，所述壳体包括相对的一对第一壁板15和相对的一对第二壁板16，所述流道结构10为所述一对第一壁板15和所述一对第二壁板16围合而成的大致矩形横截面的流道结构，其中所述一对第一壁板15的面对所述流道腔体11的一侧形成有突出结构151，由该突出结构151形成所述缩小部分12。

有利地，所述壳体由所述一对第一壁板15和所述一对第二壁板16拼接而成。

有利地，所述流体为气体；所述流体流量测量装置20还包括测量壳体25，所述测量壳体25设置在一个壁板(例如第一壁板15)外侧且仅在所述壁板上开口而通过所述开口与所述流道腔体11相通，且气氛传感器(未示出)设置在所述测量壳体内，输出有关所述气体的成分的第一信息；所述流量信息采集元件22为流量传感器，所述流量传感器输出与所述成分相关的第二信息；以及所述控制分析单元根据所述第一信息和所述第二信息计算通过流道结构的气体的所述成分的流量。有利地，所述气体为燃气。有利地，所述流量传感器和所述气氛传感器均为MEMS传感器。

对于以上提及的气氛传感器而言，同一种气体成分，气氛传感器的输出信号唯一，而对于不同的气体成分，气氛传感器的输出不同的信号。因为测量壳体25仅通过一个开口与流道腔体11中的流体进行气体交换，测量壳体25在本发明中实为一种半封闭腔体，半封闭腔体也为气氛传感器提供了一种气体流速近乎为零的工作环境，有利地，对气体成分的测量不受流速的影响。

如图6中所示，一个壁板(例如一个第一壁板15)的外侧设置有第二凹部，线路板26安装在所述第二凹部内，且所述气氛传感器、所述流量传感器以及所述控制分析单元通过所述线路板电连接。

下面描述根据本发明的其中流量传感器和气氛传感器均为MEMS传感器的流体流量测量装置的操作。

首先，选择需要测量的气体成分(例如氮气或二氧化碳)，然后由气氛传感器确定存在该气体成分并输出对应的信号C1(第一信息)。

然后，流量传感器输出该气体成分的与流量相关的电信号U(第二信息)。

之后，控制分析单元根据已经存储的所述气体成分的电信号U与流量Q的关系曲线，获得对应于该第二信息的所述气体成分的流量Q。

可选地，可以使用如下关系式表示Q：Q＝C1*(a*U+b)。其中a、b的值的选取基于流道结构的参数(例如，整流板的长度、整流板之间的间距、缩小部分的横截面积与流道腔体的未缩小部分的横截面积的比值、整个流道结构的长度、两级整流部之间的距离等)、要测量的气体成分(例如，氮气或二氧化碳)。

可以通过设定气氛传感器而选择测量不同成分的流量。

需要指出的是，以上虽然具体描述了测量气体流中的不同成分的流量，但是，通过选择合适的流量信息采集元件22，利用本发明的流道结构以及流体流量测量装置也可以测量通过该整个流道结构的整个流体的流量。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (15)

1.一种流道结构，包括供流体通过的流道腔体，所述流道腔体具有供流体流入的入口和供流体流出的出口，其中：

在所述入口和所述出口之间在所述流道腔体内设置有沿流体的流动方向延伸布置的一个流通横截面积缩小部分；

在所述缩小部分处固定设置有沿所述流动方向延伸布置的第一整流部，所述第一整流部将流体分为至少两个流束。

2.根据权利要求1所述的流道结构，其中：

在所述流动方向上在所述第一整流部的上游设置有沿所述流动方向延伸布置的第二整流部，所述第一整流部与所述第二整流部分隔开，且所述第二整流部将流体分为至少两个流束。

3.根据权利要求2所述的流道结构，其中：

所述第二整流部设置在所述流道腔体的入口处。

4.根据权利要求3所述的流道结构，其中：

所述第一整流部设置在所述流道腔体的大致中间位置。

5.根据权利要求1所述的流道结构，其中：

所述缩小部分的横截面积为所述流道腔体的未缩小部分的横截面积的60-80％。

6.根据权利要求5所述的流道结构，其中：

所述缩小部分的横截面积为所述流道腔体的未缩小部分的横截面积的71％。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的流道结构，其中：

至少所述第一整流部由至少两个平行布置的整流板形成。

8.根据权利要求7所述的流道结构，其中：

所述至少两个整流板将进入所述缩小部分的流体分为流体厚度不同的至少两个流体束。

9.根据权利要求7所述的流道结构，其中：

所述流道腔体由相对的一对第一壁板和相对的一对第二壁板围合而成且具有大致矩形横截面，其中所述一对第一壁板的面对所述流道腔体的一侧形成有突出结构，由该突出结构形成所述缩小部分。

10.一种流体流量测量装置，包括：

壳体，其形成根据权利要求7所述的流道结构的所述流道腔体；

流量信息采集元件，所述流量信息采集元件设置在所述流道结构的所述缩小部分的与一个流体束直接接触的壳体的壁面处；和

控制分析单元，所述控制分析单元根据所述流量信息采集元件输出的信息计算通过流道结构的流体的流量。

11.根据权利要求10所述的流体流量测量装置，其中：

所述流量信息采集元件设置在所述壳体的壁面上形成的一个第一凹部中，该第一凹部和与所述壳体的壁面相邻并间隔开的第一整流部的一个整流板相对。

12.根据权利要求11所述的流体流量测量装置，其中：

所述至少两个平行布置的整流板将进入所述缩小部分的流体分为流体厚度不同的至少两个流体束；

形成所述第一凹部的所述壳体的壁面与和所述壳体的壁面相邻的整流板之间形成的流体束的流体厚度最小。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的流体流量测量装置，其中：

所述壳体包括相对的一对第一壁板和相对的一对第二壁板，所述流道结构为所述一对第一壁板和所述一对第二壁板围合而成的大致矩形横截面的流道结构，其中所述一对第一壁板的面对所述流道腔体的一侧形成有突出结构，由该突出结构形成所述缩小部分。

14.根据权利要求13所述的流体流量测量装置，其中：

所述流体为气体；

所述流体流量测量装置还包括测量壳体，所述测量壳体设置在一个壁板外侧且仅在所述壁板上开口而通过所述开口与所述流道腔体相通，且气氛传感器设置在所述测量壳体内，输出有关所述气体的成分的第一信息；

所述流量信息采集元件为流量传感器，所述流量传感器输出与所述成分相关的第二信息；以及

所述控制分析单元根据所述第一信息和所述第二信息计算通过流道结构的气体的所述成分的流量。

15.根据权利要求14所述的流体流量测量装置，其中：

所述气体为燃气，所述流量传感器和所述气氛传感器均为MEMS传感器。

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