CN104101385A - 一种流体流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种流体流量测量装置，包括测量管、节流件、支撑件和信号处理单元；节流件为流线体，并具有等直径的柱形中段；节流件通过支撑件固定于测量管的内部，并与测量管同轴；节流件的柱形中段与测量管之间形成环形流体通道；节流件的前端上设有高压引取点；环形流体通道中设有低压引取点，且至少一个低压引取点位于节流件外壁上；信号处理单元包括信号处理器，以及差压传感器和至少2个压力传感器；用于获取高压引取点与低压引取点的压力差值，或者分别获取低压引取点和高压引取点的压力值，进而传输至信号处理器，信号处理器根据接收到的差压或压力信号计算得到流体的流量，测量结果更加精确，且可避免数据传输时可能受到的干扰和破坏。

Description

一种流体流量测量装置

技术领域

本发明涉及流体流量测量技术领域，特别是一种流体流量测量装置。

背景技术

现有技术中，专利CN2736741公开了一种差压式流量计，该流量测量系统包含一个大致呈水滴形的节流件，通过一组位于节流件前端的、呈放射状分布的支撑片与测量管壁相连；节流件与测量管同轴，并在中间有一节圆柱型直管段；这样就在节流件的直管段与测量管内壁中间形成了一个等宽的环形流道，流体在管内压力作用下流经环形流道时，速度会加快并且流动会被调整到非常稳定的状态。该流动状态表现为在节流件的前部、中部及尾部都没有任何流动分离或旋涡。

但是，上述专利技术存在以下不足之处：1、单一的差压测量无法解决节流件在加工和安装时可能产生的不对称所带来的误差；2、节流件外形的优化不充分，在阻力损失和流动稳定方面有进一步改善的空间；3、信号处理和数据传输沿用常规的方式，即差压变送器，压力变送器和温度变送器都在测量管外，在恶劣的外部环境下容易受到损害或影响；4、由于采用传统的数据传输方式，数据不能保密，或容易受到人为更改。

根据专利CN2736741可知，流体通过节流件会产生一定的压力差。这种压力差与流量之间存在一定的函数关系，测量压力差就可以得到流量。

由于压力的引取是在测量管的壁面上开孔获取的，因此，在管内很高的压力情况下，密封问题和耐压性也可能存在隐患。

专利US7484425B2公布了一种由上游圆锥体、下游圆锥体和中段圆柱体构成的流量计。节流件被安置于流体流经的腔室内，第一个压力传感器测量第一个圆锥体顶端的压力，第二个压力传感器测量体中段圆柱附近的压力。第一个和第二个传感器的引压管内置于用于支撑节流件的支撑柱内。第一个压力传感器的引压管连通到第一个圆锥体的顶端为止。第二个压力传感器的引压管连通到处于中段圆柱与测量腔室内壁之间的某个位置上为止。通过比较第一个和第二个压力传感器的测量值可指示流经测量腔室内的质量流量。

上述专利中，流体在流经节流件时会产生不稳定的旋涡，使得流量测量不能获得较高的精确度。同时由于旋涡的存在，流体中的杂质会堆积，而节流件并不具备自清洗功能，难免影响测量。另外在各种非标准工况条件下，还会遇到，由于几何尺寸的限制无法安装所需长度的圆柱体中段，以及管道内流体引起节流件锐角边缘磨损等现象，在进行流体测量的过程中，就常常需要检查清理或更换流量计，这就意味着需要在流量计的上下游分别安装截止阀，而截止阀的开关切换难免对测量精度造成。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：通过改善节流件的结构和安装方式，避免高精度测量时，由节流件加工和安装时产生的几何不对称性所引起的误差；同时，通过完善测量系统的整体结构组成，避免外部环境对测量系统中各硬件结构造成的影响和损害，避免数据传输时可能受到的干扰和破坏，并能够实现在各种非标准工况条件下对管道内流量的准确测量。

本发明采取的技术方案具体为：一种流体流量测量装置，包括测量管、节流件、支撑件和信号处理单元；

所述节流件为流线体，并具有等直径的柱形中段；节流件通过支撑件固定于测量管的内部，并与测量管同轴；节流件的柱形中段与测量管之间形成环形流体通道；

定义节流件朝向流体流向的一端为前端，节流件的前端上设有高压引取点；环形流体通道中设有低压引取点，且至少一个低压引取点位于节流件外壁上；

所述信号处理单元包括信号处理器，以及差压传感器和至少2个压力传感器；差压传感器的信号输入端分别通过引压管连接上述高压引取点和低压引取点；不同压力传感器的信号输入端分别通过引压管连接上述高压引取点和低压引取点；

差压传感器或压力传感器的输出端连接信号处理器的输入端，信号处理器根据接收到的差压或压力信号计算得到流体的流量。

本发明中，节流件为中空的流线体，信号处理器、压力传感器或差压传感器可设置于节流件内部，压力信号经信号处理器处理后得到的流量数据，引到测量管外部数据发送单元，通过有线或无线的方式对外传输。信号处理器也可以设置于测量管外部，压力传感器或压差传感器输出的信号通过有线方式传输至测量管外，以输入信号处理器，进而获取流量测量结果等数据。信号处理器可采用现有微处理器芯片，压力传感器或压差传感器皆可采用现有产品。

本发明的支撑件可制成流线型，当支撑件在测量管内位置稳定时，所设置的压力引取点上受到的压力也较为稳定，而节流件与测量管同轴，则更方便获取多个低压参考点，进而得到低压平均值。

本发明中，高压引取自节流件的前端部，优选为节流件迎向流体流动方向的最前端，而低压引取点设置于节流件外壁上，则可以最大限度避免因漩涡产生对压力造成的干扰，从而保证测量的精确度。通过获取环形流体通道内的高低压信号，即可在后续利用现有技术已知的压力差与流体流量之间的函数关系，计算流体的流量等参数。

优选的，本发明信号处理单元位于节流件内部；信号处理单元还包括通信模块，信号处理器的信号输出端连接通信模块的输入端。通信模块可选择现有的无线通信模块，这样就避免了信号经有线输出对节流件外壳、测量管外壳造成的损伤，避免流体泄露，同时测量结果无法操控修改，保证了结果的可信度。

作为一种改进，信号处理单元还包括温度传感器，温度传感器检测流体的温度信号，并将温度信号传输至信号处理器。流体温度可用于辅助测算流体的差压，因为温度对诸如流体的黏性、密度、雷诺数等参数都有很大的影响，并且进而影响到差压和所涉及流速之间的关系。信号处理器在根据高压和低压信号或者压差信号进行流量测算时，可将温度信号作为另一分析基础参数。

作为一种改进，节流件前端的前方设有过滤网，过滤网可起到防止杂质堆积阻塞的效果。

本发明节流件外壁上的低压引取点数量为3个以上，节流件外壁上的所有低压引取点呈圆周分布，便于获得低压的平均值。

优选的，节流件的前端端部为椭球形，后端端部为曲面锥形，能够更有效的在避免产生流体漩涡的同时，方便设置更有利的压力引取点，获取更准确的压力信号。

本发明支撑件为两组，分别连接节流件的前端端部和后端端部；各组支撑件由2个以上支撑片组成，低压引取点的位置在与测量管同轴的圆周方向上，与前端支撑件中的每个支撑片皆相互偏置，这样可以使得低压引取点避开支撑片尾迹的干扰。支撑片要设计成不产生流动分离的流线形，这样支撑片的流动阻力会控制得尽量低。

作为一种实施方式，信号处理单元中的信号处理器位于测量管外，差压传感器或压力传感器的信号输出端通过信号输出线连接信号处理器；信号输出线贯穿节流件外壁、支撑片内部、以及测量管外壁，进而连接信号处理器。

作为一种优选的实施方式，信号处理单元中的信号处理器位于节流件内，信号处理器通过信号输出线连接外部设备，信号输出线贯穿节流件外壁、支撑片内部，以及测量管外壁。

本发明的有益效果为：流体型的节流件更能够避免漩涡的产生，加之支撑件的固定效果，可避免高精度测量时，由节流件结构和安装时产生的几何不对称性所引起的误差；且更加便于合理的选取压力引取点，以最终得到准确的流量测量结果。同时，本发明的信号处理单元融合了信号的获取、处理及传输，内置式的信号处理器可避免外部环境对各硬件结构造成的影响和损害，避免数据传输时可能受到的干扰和破坏，并能够实现在各种非标准工况条件下对管道内流量的准确测量。

附图说明

图1所示为本发明的系统结构示意图；

图2所示为图1中A-A向剖面示意图；

图3所示为图1中B-B向剖面示意图；

图1至图3中：1-测量管，11-法兰，12-螺栓孔，10-环形流体通道，2-节流件，21-柱形中段，22-前端，23-后端，24-高压引取点，25-低压引取点，26-引压管，3-过滤网、4-支撑片，5-压力传感器或差压传感器，6-信号处理器，7-传输线，8-外部设备，9-温度传感器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步说明。

结合图1至图3，本发明的流体流量测量装置，包括测量管1、节流件2、支撑件和信号处理单元；节流件2为流线体，并具有等直径的柱形中段21；节流件2通过支撑件固定于测量管1的内部，并与测量管1同轴；节流件2的柱形中段21与测量管1之间形成环形流体通道10；定义节流件2朝向流体流向的一端为前端22，节流件前端22的前方设有过滤网3，以过滤流体中杂质，防止阻塞流体通道；

节流件2的前端21上设有高压引取点24；环形流体通道10中设有低压引取点25，且至少一个低压引取点25位于节流件2外壁上；

信号处理单元包括信号处理器6，以及差压传感器和至少2个压力传感器；差压传感器的信号输入端分别通过引压管26连接上述高压引取点24和低压引取点25；不同压力传感器的信号输入端分别通过引压管26连接上述高压引取点24和低压引取点25；

差压传感器或压力传感器的输出端连接信号处理器的输入端，信号处理器6根据接收到的差压或压力信号计算得到流体的流量。

本发明中，信号处理器可设置于节流件的内部或测量管的外部，信号处理器6位于测量管1外部时，压力传感器5或差压传感器所获取的压力信号可通过信号输出线贯穿节流件外壁、支撑片4内部、以及测量管1外壁，进而连接信号处理器6，再利用信号处理器6进行流量数据的获取处理；当信号处理器6设置于节流件2内部时，可将压力信号经信号处理器6处理后得到的流量数据，通过有线或无线的方式对外传输至外部设备8。信号处理器可采用现有微处理器芯片，压力传感器或压差传感器皆可采用现有产品。差压传感器或压力传感器的信号输出端通过信号输出线连接信号处理器；

实施例

图1至图3所示的实施例中，测量管1的两端分别密封焊接有法兰11，法兰11上具有螺栓孔12，在测量时，可通过法兰11上的螺栓孔12，将本发明的装置连接在待测管道上，并使得节流件2的前端22迎向流体流动方向。流线体的节流件2的柱形中段21与测量管1内壁之间形成环形流体通道。过滤网3可起到防止杂质堆积阻塞的效果。

节流件2的前端22端部为椭球形，后端23端部为曲面锥形，可更有效的在避免产生流体漩涡的同时，方便设置更有利的压力引取点，获取更准确的压力信号。节流件2外壁上的低压引取点25数量为3个，节流件2外壁上的所有低压引取点呈圆周分布，便于获得低压的平均值。节流件2为中空的流线体，信号处理器、压力传感器或差压传感器可设置于节流件内部，使得节流件2内部形成引压仓。

支撑件分为两组，每组由3个支撑片组成，分别连接节流件2的前端22端部和后端23端部；支撑片4制成流线型，低压引取点25的位置在与测量管1同轴的圆周方向上，与前端22支撑件中的每个支撑片皆相互偏置。这样可以使得低压引取点25避开支撑片4尾迹的干扰。支撑片要设计成不产生流动分离的流线形，这样支撑片的流动阻力会控制得尽量低。当支撑件4在测量管内位置稳定时，所设置的低压、高压引取点上受到的压力也较为稳定，而节流件2与测量管1同轴，则更方便获取多个低压参考点25，进而得到低压平均值。

高压引取点24设置于节流件2的前端22端部，优选为节流件2迎向流体流动方向的最前端，而低压引取点25设置于节流件2外壁上，可以最大限度避免因漩涡产生对压力造成的干扰，从而保证测量的精确度。通过获取环形流体通道内的高低压信号，即可在后续利用现有技术已知的压力差与流体流量之间的函数关系，计算流体的流量等参数

本实施例中，信号处理器6采用现有技术中德州仪器生产的MSP430单片机，信号处理器6位于节流件2内部，信号输出线7贯穿节流件2外壁、支撑片4内部、以及测量管1外壁，进而连接外部设备8；信号输出线7也可用无线通信模块代替，这样就避免了信号经有线输出对节流件外壳、测量管外壳造成的损伤，避免流体泄露，同时测量结果无法操控修改，保证了结果的可信度。

信号处理单元还包括温度传感器9，温度传感器9设置于节流件的后端23，用于检测流体的温度信号，并将温度信号传输至信号处理器8。流体温度可用于辅助测算流体的差压，因为温度对诸如流体的黏性、密度、雷诺数等参数都有很大的影响，并且进而影响到差压和所涉及流速之间的关系。信号处理器在根据高压和低压信号或者压差信号进行流量测算时，可将温度信号作为另一分析基础参数。

Claims (10)

1.一种流体流量测量装置，其特征是，包括测量管、节流件、支撑件和信号处理单元；

所述节流件为流线体，并具有等直径的柱形中段；节流件通过支撑件固定于测量管的内部，并与测量管同轴；节流件的柱形中段与测量管之间形成环形流体通道；

定义节流件朝向流体流向的一端为前端，节流件的前端上设有高压引取点；环形流体通道中设有低压引取点，且至少一个低压引取点位于节流件外壁上；

所述信号处理单元包括信号处理器，以及差压传感器和至少2个压力传感器；差压传感器的信号输入端分别通过引压管连接上述高压引取点和低压引取点；不同压力传感器的信号输入端分别通过引压管连接上述高压引取点和低压引取点；

差压传感器或压力传感器的输出端连接信号处理器的输入端，信号处理器根据接收到的差压或压力信号计算得到流体的流量。

2.根据权利要求1所述的流体流量测量装置，其特征是，信号处理单元位于节流件内部；信号处理单元还包括通信模块，信号处理器的信号输出端连接通信模块的输入端。

3.根据权利要求2所述的流体流量测量装置，其特征是，所述通信模块为无线通信模块。

4.根据权利要求1所述的流体流量测量装置，其特征是，信号处理单元还包括温度传感器，温度传感器检测流体的温度信号，并将温度信号传输至信号处理器。

5.根据权利要求1所述的流体流量测量装置，其特征是，节流件前端的前方设有过滤网。

6.根据权利要求1至5任一项所述的流体流量测量装置，其特征是，节流件外壁上的低压引取点数量为3个以上，节流件外壁上的所有低压引取点呈圆周分布。

7.根据权利要求1至5任一项所述的流体流量测量装置，其特征是，节流件的前端端部为椭球形，后端端部为曲面锥形。

8.根据权利要求1至5任一项所述的流体流量测量装置，其特征是，支撑件为两组，分别连接节流件的前端端部和后端端部；各组支撑件由至少2个支撑片组成，低压引取点的位置在与测量管同轴的圆周方向上，与前端支撑件中的每个支撑片皆相互偏置。

9.根据权利要求8所述的流体流量测量装置，其特征是，信号处理单元中的信号处理器位于测量管外，差压传感器或压力传感器的信号输出端通过信号输出线连接信号处理器；信号输出线贯穿节流件外壁、支撑片内部、以及测量管外壁，进而连接信号处理器。

10.根据权利要求8所述的流体流量测量装置，其特征是，信号处理单元中的信号处理器位于节流件内，信号处理器通过信号输出线连接外部设备，信号输出线贯穿节流件外壁、支撑片内部，以及测量管外壁。