CN104359514B - 中部通孔动节流元件远传燃气表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型中部通孔动节流元件远传燃气表，属于自动检测技术领域中的节流式流量计；由中部通孔动节流元件（绝大部分场合使用动文丘里管）、单波纹管、支承簧片、表壳、力传感器组成；该燃气表有两种结构型式，一种是在单波纹管内腔中部固定安装一个中部通孔的动节流元件，另一种是将单波纹管中段的形状制作成中部通孔动节流元件廓形，中部通孔动节流元件及其固定配件由弹性支承簧片承重；该远传燃气表结构简单，因而价格与膜式燃气表相当，比其它远传燃气表的价格低得多，却具有精度高、体积小、阻力损失小、功耗小、使用寿命长等特点，而且具有本质安全性能，具有极广阔的发展前景。

Description

中部通孔动节流元件远传燃气表

技术领域

本发明涉及一种在自动检测技术领域中实现流量检测的仪表，特别是涉及电子式远传燃气表。

背景技术

燃气表是计量收费和燃气节约管理的有效计量工具，其中，小口径的户用型膜式燃气表占燃气表总用量的大多数。膜式燃气表采用纯机械结构，体积大且不能直接输出电子信号，但价格便宜，较适合普通居民用户燃气使用的低压、小流量和月消耗量不大的现状。在燃气计量收费方面，国内很多地方至今还延用入户抄表的方式。该方式存在入户难度大、成本高、纠纷多、拖欠费严重、资金回收周期长等问题，不仅给居民生活造成不便，还存在入室抢劫、偷盗、行凶等安全隐患。为解决入户抄表的上述问题，燃气业界推出了远传燃气表和IC卡燃气表两大类智能燃气表解决方案。远传燃气表包括两大类，一类是在机械结构的膜式燃气表基表上加装机电信号转换装置形成的远传燃气表，另一类是以超声式、质量式、靶式等流量计为基表的电子远传燃气表。远传燃气表和IC卡燃气表的价格比普通膜式燃气表贵很多，且在使用中出现了很多不利于它们推广使用的问题。智能燃气表虽然是行业今后的发展方向，但目前在基表技术和自动抄表技术方面还有很多需要改进的地方，因此，设计一种基于节流装置，因而价格在机械结构的膜式燃气表上下，但性能又比膜式燃气表优越得多的远传燃气表，就是一项很有意义的工作。在流量测量领域，节流装置的发展有一个较长的历史进程。早在17世纪初，卡斯特里和托里拆利的研究就为节流装置奠定了理论基础。20世纪20年代，美国和欧洲一些国家几乎同时开始进行大规模的节流装置的试验研究，由此产生了至今仍广泛使用的差压式流量计。但很可惜，这些欧美科学家因循了此前的固定式节流装置的研究模式，导致他们研制出的差压式流量计并没有发挥出节流装置应有的全部优点。其实在波纹管仅仅提出十几年以后的1855年，德国就已经最先发表了制造波纹管的专利，在此基础上，完全可以研制出性能更佳的动节流元件流量计。为了充分发挥节流装置在流量测量中的优势性能，专利申请人研制了多种新型动节流元件流量计。在被测流体工作压力较高的场合，可使用“内置式中部通孔动节流元件流量计”（专利号ZL201210118468.1）；而在被测流体工作压力不太高的场合，可使用结构更简单的“中部通孔动节流元件配接弹性膜片或波纹管的流量计”（专利号ZL201110187493.0）。上述两种流量计均采用孔板、喷嘴或文丘里管廓形的中部通孔的动节流元件作为流量计的核心部件。与差压式流量计比较，上述流量计有下列优点。首先，该流量计不使用导压管，而是直接测量流体对动节流元件的推力，因而结构更简单，价格也更低。其次，差压式流量计主要使用孔板，而该流量计主要使用动文丘里管，因而流动阻力小、使用寿命长、测量精度也更高。再次，由于该流量计主要使用动文丘里管，又没有导压管，防堵塞能力也大大优于差压式流量计。最后，由于该流量计不使用导压管，因而可测量小管径流量，使用范围更广。但在“中部通孔动节流元件配接弹性膜片或波纹管的流量计”中，在动节流元件两端各配接一个波纹管是一个比较困难的工艺，这是因为使薄壁金属波纹管与动节流元件相互连接存在问题，无论螺纹连接或焊接都因为波纹管的壁较薄而较难实施，从而影响了这种动节流元件流量计的推广。因此，需要设计一种基于新型结构的中部通孔动节流元件流量计的远传燃气表，克服上述动节流元件流量计在加工工艺上遇到的困难。设计出的新型远传燃气表具有结构简单、造价低、各方面性能优良并适于小管径、小流量测量的特点，是一种综合效果较佳的远传燃气表。

发明内容

由于“中部通孔动节流元件配接弹性膜片或波纹管的流量计”存在制造工艺上的困难，不利于基于这种结构中部通孔动节流元件流量计的远传燃气表的推广使用，因此，需要研制一种在结构上使制造工艺简单化的中部通孔动节流元件远传燃气表。

本发明为解决其技术要求所采用的技术方案如下：如说明书附图所示，研制的燃气表是一种新型中部通孔动节流元件远传燃气表，由中部通孔动节流元件、波纹管、表壳、力传感器组成；新型中部通孔动节流元件远传燃气表为单波纹管中部通孔动节流元件远传燃气表，该燃气表有两种结构型式，一种是在一个波纹管内腔中部安装一个中部通孔动节流元件，中部通孔动节流元件的位置固定配件安装在波纹管外表面的中部，波纹管一端与燃气表表壳的被测流量入口端密封连接，波纹管另一端与燃气表表壳的被测流量出口端密封连接，中部通孔动节流元件及其固定配件由弹性支承簧片承重，每个支承簧片一端与固定配件固定连接，另一端与燃气表表壳固定连接；另一种是将一个波纹管中段的形状制作成中部通孔动节流元件廓形，中部通孔动节流元件廓形的形状固定配件安装在波纹管该廓形的外表面上，波纹管一端与燃气表表壳的被测流量入口端密封连接，波纹管另一端与燃气表表壳的被测流量出口端密封连接，波纹管的中部通孔动节流元件廓形及其固定配件由弹性支承簧片承重，每个支承簧片一端与固定配件固定连接，另一端与燃气表表壳固定连接。支承簧片由薄弹簧钢片制成，其特点是，支承簧片在竖直方向上的刚度很大，可以在无竖直方向位移的情况下，将动节流元件及其固定配件的重量传递到表壳壳体上；而支承簧片在管道轴向上的刚度又很低，使得动节流元件有轴向位移时，支承簧片产生的反弹力相对于被测燃气的推力可以忽略。

本发明的有益效果是，与差压式流量计相比，本远传燃气表和已有专利“中部通孔动节流元件配接弹性膜片或波纹管的流量计”一样，具有结构简单、价格低、阻力损失小、使用寿命长、精度高、防堵塞、应用范围广等优点。并且，与已有专利“中部通孔动节流元件配接弹性膜片或波纹管的流量计”相同，单波纹管中部通孔动节流元件远传燃气表依据的也是比质量式、超声波式等其他远传燃气表测量原理更基本的流量特性（节流原理），因而比它们的适应性和可靠性更高。比如，当测量条件大幅偏离允许范围时，被测燃气对动节流元件产生的推力是不会跟着消失的，顶多是测量误差增大一些；而质量式、超声波式等远传燃气表的测量误差则要大得多，甚至可能使这些远传燃气表的测量功能失效。最后，本远传燃气表优于已有专利“中部通孔动节流元件配接弹性膜片或波纹管的流量计”的是，由于动节流元件是安装在单波纹管内，甚至是直接将动节流元件廓形制作在单波纹管中段，没有薄壁波纹管与节流元件连接上的制造工艺困难问题，因而，本发明简化了中部通孔动节流元件远传燃气表的制造工艺，降低了其制造成本。由上述可见，该远传燃气表结构简单，因而价格与机械结构的膜式燃气表相当，比其它远传燃气表的价格低得多，却具有精度高、体积小、阻力损失小、功耗小、使用寿命长等特点，而且具有本质安全性能，因而具有极广阔的发展前景。

附图说明

图1是本发明的第一个实施例的结构原理图。

图2是第一个实施例中支承簧片的原理示意图。

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。

图中1.动文丘里管，2.波纹管，3.双孔悬臂梁，4.应变片，5.表壳盖，6.表壳，7.密封垫圈，8.开口卡圈，9.平垫圈，10.表壳入口接管,11.表壳出口接管，12.下固定瓦,13.上固定瓦,14.支承簧片，15.表壳入口外部接管，16.表壳出口外部接管，17.锁紧螺帽，18.挠性过滤介质。

具体实施方式

在以下三个实施例中，为了减少流动阻力损失，中部通孔动节流元件均采用动文丘里管1，这也是本远传燃气表最常用的动节流元件。但在有些应用场合，动文丘里管1也可被替换为动孔板或动喷嘴，由于远传燃气表其他部分均可保持原结构形式不变，故不再一一赘述。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1的实施方案中，动文丘里管1放置在一个波纹管2内腔中部，动文丘里管1两端的外直径稍小于其中间部分的外直径，上固定瓦13与下固定瓦12两端凸缘的内侧面具有与波纹管2外表面波谷相匹配的形状，由于波纹管是薄壁的，很容易产生轻微的变形，因此，当上固定瓦13与下固定瓦12相互锁紧时，波纹管2外面的固定瓦内凸缘能够卡住动文丘里管1直径稍小的两端外边缘，使动文丘里管1与波纹管2中间各波的相互位置在测量过程中保持不变。从图2中可以看到，动文丘里管1、上固定瓦13与下固定瓦12的重量是由四个支承簧片14支承的，支承簧片14上有竖直向波纹，可以保证支承簧片14在竖直方向上有较大的刚度，同时在管道轴向上刚度又很低。支承簧片14的厚度在满足垂直方向刚度的情况下应尽量的薄，因而当动文丘里管1有轴向位移时，支承簧片14产生的反弹力相对于流体推力可以忽略不计。为便于燃气表装配，在波纹管2穿过表壳6前、后通孔后，将锁紧后外径大于表壳6前、后通孔直径的开口卡圈8卡入波纹管2两端波谷处，再将安装在表壳入口接管10和表壳出口接管11上的密封垫圈7与波纹管2两端密封面接触，最后用螺丝将表壳入口接管10、表壳出口接管11压紧在表壳6上，波纹管2两端就被固定在表壳6的前、后通孔处，并形成一个被测燃气从燃气表表壳入口接管10流入，然后流经动文丘里管1，再由燃气表表壳出口接管11流出的无泄漏的流动通道。当被测燃气流过动文丘里管1时，燃气的流量越大，燃气对动文丘里管1的推力也越大，动文丘里管1又通过上固定瓦13上的传动机构将这个推力作用在力传感器的弹性元件双孔悬臂梁3上，双孔悬臂梁3产生与推力对应的应变，使得分别贴在双孔悬臂梁3正、负应变区的应变片4的电阻产生差动变化，这个电阻的差动变化经力传感器中的电桥与放大器进一步处理后输出与推力对应的电信号。为了燃气表信号远传的需要，力传感器采用了8管脚单芯片的XTR115型二线制电流变送器，其通信与供电线路合一，无需再单独敷设通信缆线。本燃气表采用每单元设一总表，每户一分表的工作模式，以大幅减少每户分表的造价。该远传燃气表自身不设电源，由远处总表的电源通过上述两根通信、供电共用线缆供电。分表仅实时测量燃气的瞬时燃气量、由总表统一对各表瞬时燃气量进行累计燃气量的积算并统一给各分表供电。通常使用智能化总表和模拟化分表，总表对各分表分时供电，即仅在对某块分表采样以读取其瞬时燃气量值时，才对其供电，这既大大减小了总表电源容量，又大大减小了各块分表的功耗。当分表输出为4～20mA直流信号，总表电源为24V直流电压时，采样时间4s，采样开关闭合时间<0.02s,则每块分表月耗电仅1度。这个耗电量虽然比仅在读取累计值时才通电的光电直读式远传燃气表的耗电量多，但这个耗电量显然可以满足远传燃气表经济运行的要求，何况其还有进一步减少的可能。另外，由于分表输出的是4～20mA活零点的直流信号，使得智能总表很容易判断各分表断线和短路故障。最后值得一提的是，本远传燃气表的每块分表都是采取安全火花防爆设计方法的本质安全仪表，当用户燃气泄漏时，燃气表故障产生的安全火花的能量是不足以引爆可燃气体的；而且燃气管道只引到分表而不必引到设在楼梯间等处的总表，总表和每块分表间只有两根线缆连接。力传感器电路以单芯片的XTR115型二线制电流变送器为主体，总表引出的两根线缆分别接至每块分表力传感器电路XTR115的4、7管脚，给XTR115供电并接受其输出的4～20mA直流信号的瞬时燃气值，贴在双孔悬臂梁上的应变片组成的电桥由XTR115的1、3管脚间接供电。安全火花防爆设计包括两条措施：一是XTR115外接的几个电子元件中无电感器，电容器数值很小（0.01μF）并可并联二极管消除不安全火花，这种电路设计既有利于缩短每块分表对应的总表采样开关闭合所需的时间，又有利于防止分表电路产生不安全火花；二是总表直流电源中设有限流、限压的防爆栅电路，可防止过电流、过电压经两根线缆窜入分表。上述第一条措施使得危险场所（分表处有燃气管道）不产生不安全火花，第二条措施使得安全场所（总表处无燃气管道）的不安全火花到不了危险场所。从图1还可以看出，即使因制造缺陷造成燃气漏出波纹管2，只要燃气表表壳6维持密封，并采取密封式电缆接头出线，该远传燃气表仍能正常工作，而不会出现燃气泄漏事故。

与经典文丘里管的廓形相比，由于动文丘里管1没有取压管，所以经典文丘里管为取压所设的入口圆筒段与圆筒形喉部都没有保留的必要，故动文丘里管1廓形只有圆锥收缩段和圆锥扩散段。另外，为缩短动文丘里管1长度，圆锥收缩段的圆锥角度取为40°，圆锥扩散段的圆锥角度取为15°。在直径比β=0.4～0.75范围内，动文丘里管1全长大约只是管径的1.5～2.0倍。由于动文丘里管1的长度大大小于经典文丘里管，在β>0.6时，其压损甚至小于经典文丘里管。在最大流量和动文丘里管1口径不变的情况下，直径比β越大，压损越小，动文丘里管1也越短，但被测燃气在动文丘里管1上产生的最大推力也越小，对力传感器的要求较高。由于被测燃气在动文丘里管1上产生的最大推力比动孔板小得多，因此需要使用小量程的力传感器。如按常规方法设计小量程力传感器，则必然使得其弹性元件的刚度很小，但这要导致力传感器的非线性、重复性、滞后和蠕变等性能指标变坏，达不到高准确度的要求。目前，通常采用低弹性模量的铝合金双孔悬臂梁结构弹性元件的设计方案来解决灵敏度与刚度这对矛盾。采用上述双孔悬臂梁结构后，由于把应变片4贴在双孔悬臂梁3的应力集中处，即使在整个量程范围内作用在双孔悬臂梁3上的力都很小，梁的挠度也始终小于一个微量数值，但在双孔悬臂梁3粘贴应变片4处产生的应变却比较大，能够满足后续处理电路的要求。

被测燃气作用在动文丘里管1上的推力与被测流量之间关系的分析如下：动文丘里管1安置在水平直管道上，这样，研究动文丘里管1前、后燃气的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，——动文丘里管1前、后燃气作用在其上的静压力；

——被测燃气的重度；

——阻力系数，它与动文丘里管1形状，燃气粘性等有关；

——重力加速度；

——燃气流过动文丘里管1中部通孔的流速。

显然，乘以动文丘里管1的有效横截面积A，即得到被测燃气作用在动文丘里管1上的推力F。动文丘里管1有效横截面积可按下式计算

式中——外接管道内径；

——动文丘里管1中部通孔直径。

动文丘里管1的有效横截面积直接按其几何尺寸计算是基于以下考虑：与边缘受限的弹性膜片的有效面积的计算不同，动文丘里管1是整体移动的，有效横截面积不必考虑边缘效应。

综合以上两式可得

或

据上式可得被测体积流量的表达式

在上式中，当被测燃气的各项参数及动文丘里管1几何尺寸已确定后，为常数，因此被测燃气的体积流量与推力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，因此只能通过对燃气表进行实验标定的方法来确定值。

若动文丘里管1在推力F的作用下产生位移，则在波纹管2与力传感器弹性元件双孔悬臂梁3上分别产生与大小的反弹力，其中。由上述可得

，

式中 ——波纹管2的刚度；

——力传感器弹性元件双孔悬臂梁3的刚度。

并且，

在上式中，如果波纹管2的刚度与双孔悬臂梁3的刚度为常数，则力传感器通过调量程的方式，就可以由测量位移，准确测得燃气流量的大小。但经过有限元分析后知道，在燃气的绝对压力变化时，波纹管2的刚度也有一个相应的变化，这将产生测量误差。即在燃气流量不变的情况下，也即是在同一推力F作用下，此时动文丘里管1的位移为，有一个测量误差，此时的反弹力公式为

上式左边的，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，是设法稳定燃气的绝对压力，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，是使力传感器弹性元件双孔悬臂梁3的刚度远大于波纹管2的刚度，即，这也可使对的影响减少。在本实施例中，由于波纹管2的轴向刚度比较小，使双孔悬臂梁3的刚度远大于波纹管2的刚度的条件比较容易实现，因此，设置单波纹管2对流量计测量误差的影响是可以忽略的。

另外，本发明燃气表虽然称为“动”节流元件远传燃气表，但由于双孔悬臂梁具有挠度小、应变大的特点，相应的动节流元件位移也极小，可认为该远传燃气表没有可动部件，因而其可靠性也较高。

实施例二

在图3的实施方案中，可以看出本实施例与图1的实施例在结构上大体相同，只是没有像图1中那样使用单独制作的动文丘里管1，而是采用了异型波纹管形状的单波纹管2，也就是使用电沉积、化学沉积或焊接的方法直接将波纹管2中段制作成文丘里管廓形。由于波纹管2中段的文丘里管廓形是薄壁的，因此，将上固定瓦13与下固定瓦12的内表面制作成与该文丘里管廓形相匹配的形状，以防止波纹管2的文丘里管廓形在被测燃气内压作用下发生变形。上固定瓦13与下固定瓦12也由与图2相同的支承簧片14承重，在此不再另行画出。

实施例三

在图4的实施方案中，可以看出本实施例与图3的实施例在结构上大体相同，只是波纹管2的两端不是用开口卡圈8固定，而是直接用表壳6入口管与出口管固定。出于固定的需要，单波纹管2两端制成的形状与表壳6入口管与出口管的形状相匹配。由于波纹管2两端固定凸缘的直径大于表壳6入口管或出口管通径，出于各部件相互装配上的需要，表壳6是由上下分离的两部分组合在一起的。当燃气表与表壳入口外部接管15、表壳出口外部接管16由加了密封垫圈7的锁紧螺帽17连接在一起时，就形成了一个被测燃气从表壳入口外部接管15流入，然后流经单波纹管2中段的文丘里廓形，再由表壳出口外部接管16流出的无泄漏的流动通道。

以上所述仅为本发明几个较佳的实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。例如，在三个实施例中，单波纹管2两端与燃气表表壳6出、入口的密封连接都是采用机械密封连接方式，但至少还可以有焊接密封连接方式。因此，本发明的保护范围应以权利要求书中所述范围为准。

Claims (2)

1.一种中部通孔动节流元件远传燃气表，由中部通孔动节流元件（1）、波纹管（2）、表壳（6）、力传感器组成，其特征在于：中部通孔动节流元件远传燃气表为单波纹管中部通孔动节流元件远传燃气表，在该燃气表中，在一个波纹管（2）内腔中部安装一个中部通孔动节流元件（1），中部通孔动节流元件（1）的位置固定配件上固定瓦（12）、下固定瓦（13）安装在波纹管（2）外表面的中部，波纹管（2）一端与燃气表表壳（6）的被测流量入口端密封连接，波纹管（2）另一端与燃气表表壳（6）的被测流量出口端密封连接，中部通孔动节流元件（1）及其上固定瓦（12）、下固定瓦（13）由弹性支承簧片（14）承重，每个支承簧片（14）一端与上固定瓦（12）、下固定瓦（13）固定连接，另一端与燃气表表壳（6）固定连接，上固定瓦（12）、下固定瓦（13）上有连接机构，通过这个连接机构把中部通孔的动节流元件（1）所受到的流体冲击力传递到力传感器。

2.一种中部通孔动节流元件远传燃气表，由波纹管（2）、表壳（6）、力传感器组成，其特征在于：中部通孔动节流元件远传燃气表为单波纹管中部通孔动节流元件远传燃气表，在该燃气表中，将一个波纹管（2）中段的形状制作成中部通孔动节流元件廓形，中部通孔动节流元件廓形的形状固定配件上固定瓦（12）、下固定瓦（13）安装在波纹管（2）该廓形的外表面上，波纹管（2）一端与燃气表表壳（6）的被测流量入口端密封连接，波纹管（2）另一端与燃气表表壳（6）的被测流量出口端密封连接，波纹管（2）的中部通孔动节流元件廓形及其上固定瓦（12）、下固定瓦（13）由弹性支承簧片（14）承重，每个支承簧片（14）一端与上固定瓦（12）、下固定瓦（13）固定连接，另一端与燃气表表壳（6）固定连接，上固定瓦（12）、下固定瓦（13）上有连接机构，通过这个连接机构把中部通孔的动节流元件廓形所受到的流体冲击力传递到力传感器。