CN104792373A - 一种变面积临界流流量计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变面积临界流流量计。包括前后连接的气体输入壳体、密封喷嘴和气体输出壳体，连接轴安装在气体输入壳体内，节流体安装在密封喷嘴和气体输出壳体内，连接轴后端与节流体同轴连接；连接轴前端同轴安装有高精度位移传感器，密封喷嘴开有异型中心孔，节流体前部为圆锥体，节流体后部圆柱轴连接有用于驱动节流体轴向前后移动的运动机构；两个气体壳体上安装有标准法兰，气体输入壳体和气体输出壳体的侧壁上分别安装有输入、输出气体压强传感器。本发明在可变面积喷嘴基础上对节流器位置进行控制从而精确控制喉部面积，从而获得确定流量，并且移植性强，易于与管道联接，减少了人力成本和工作量。
Description
技术领域
本发明设计的是一种气体流量计，更具体涉及一种可以直接用于测定管道气体流量的变面积临界流流量计。
背景技术
流量是现代生活生产中的一个重要参数，工业生产过程、科学实验以及各种经济核算大多需要涉及到流量。20世纪以来由于能源计量、环境保护、交通运输等应用领域对流量测量需求的牵引，使得流量计量技术得到快速发展。随着国家“节能减排”战略的提出，能源计量、废水废气的计量成为流量测量领域的重要课题。临界流文丘里喷嘴具有良好的流量计量稳定性，原理简单可靠，因此，其作为流动控制仪表或标准装置中的标准表而得到广泛应用。
目前临界流喷嘴主要存在问题是流量测量范围为“1”，即一个喷嘴只是一个流量，然而流量的测量往往具有很大的范围，因此需要将喷嘴设计出不同的尺寸。此外改变流量只能改变上游压力、并联增加喷嘴个数或者更改喷嘴，这在工业应用中往往无法实现，从而其推广应用受到极大的限制。为节约制造成本与实验成本，发明一种大测量范围的喉部可调临界流文丘里喷嘴仪器代替一系列不同喉部面积的临界流喷嘴的并联安装使用，将大大提高量值传递及工业气体流量计量的效率成本，在实验流体力学中也迫切需要可调临界流喷嘴，其发明意义重大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种可以集成接口、传感器、刻度、调节机构和临界流喷嘴的可以直接用于测量气体流量的变面积临界流流量计。
为解决技术问题，本发明是通过如下技术方案实现：
本发明包括气体输入壳体、密封喷嘴和气体输出壳体，密封喷嘴的前、后端分别与气体输入壳体和气体输出壳体密封连接，连接轴安装在气体输入壳体内，节流体安装在密封喷嘴和气体输出壳体内，连接轴后端与节流体同轴连接；气体输入壳体和气体输出壳体通过连接在各自端面凸缘之间的螺栓和螺母连接，连接轴前端同轴安装有高精度位移传感器，高精度位移传感器通过传感器固定环在气体输入壳体中径向定位；位于气体输入壳体内的连接轴通过前置固定环在气体输入壳体中径向定位，节流体后部通过节流体固定环和节流体轴承在气体输出壳体中径向定位；密封喷嘴开有喇叭状的异型中心孔，节流体前部为圆锥体，后部为圆柱轴，圆锥体位于密封喷嘴异型中心孔内，圆锥体的小端靠近靠近气体输入壳体一侧，节流体后部圆柱轴连接有用于驱动节流体轴向前后移动的运动机构；气体输入壳体的输入端面安装有第一标准法兰，气体输出壳体的输出端面安装有第二标准法兰，第一标准法兰和第二标准法兰均与管道连接；气体输入壳体和气体输出壳体的侧壁上分别安装有输入气体压强传感器、输出气体压强传感器。
所述的运动机构包括PLC伺服电机和安装在气体输出壳体内的齿轮，PLC伺服电机固定安装在气体输出壳体的外侧壁，PLC伺服电机的输出轴伸入气体输出壳体与齿轮同轴连接，节流体后部轴与齿条同轴连接，齿条与齿轮啮合，齿轮通过齿轮固定环在气体输出壳体中径向定位。
所述的PLC伺服电机、高精度位移传感器均连接到计算机，通过计算机控制PLC伺服电机的运动，进而实现节流体的轴向移动，调节改变节流体前部圆锥体与密封喷嘴异型中心孔之间的喉部面积。
所述的密封喷嘴异型中心孔分为入口段、中间段和扩散段三段，中间段的直径小于两侧的入口段和扩散段的直径，入口段内孔为向外扩张的球面，扩散段内孔为向外扩张的圆锥面，中间段内孔两端分别与入口段内孔、扩散段内孔的曲面相切；所述的气体输出壳体内孔腔为阶梯孔结构，其小孔端连接所述密封喷嘴的扩散段内孔，其小孔端呈圆锥面并与所述密封喷嘴扩散段内孔的圆锥面相切。
所述的传感器固定环内侧壁沿圆周均布有三根向中心径向方向的支撑杆，高精度位移传感器被三根支撑杆支撑中心形成径向定位。
所述的前置固定环与节流体固定环结构相同，均为同轴的内、外圆环结构，内、外圆环之间沿圆周均布连接有多根径向的连接杆，连接轴套在前置固定环的内圆环中形成径向定位，节流体后部中心轴通过节流体轴承套在节流体固定环的的内圆环中形成径向定位。
所述的密封喷嘴分别与气体输入壳体和气体输出壳体连接的端面之间通过密封圈密封。
所述的节流体采用连续型节流体或者台阶型节流体。
所述的连续型节流体前端圆锥体为光滑的锥面，圆锥角为6度，前端端部为半球面，连续型节流体可连续获得流量量程。
所述的台阶型节流体前端圆锥体为从小端到大端呈直径依次递增的阶梯轴，相邻台阶之间光滑过渡并倒有圆角，台阶型更为精确、重复性高，可以分档设置，操作性强。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种完整的流量测定仪器，集成了接口、传感器、刻度、调节机构和变面积喷嘴，在可变面积喷嘴基础上对节流器位置进行控制从而精确控制喉部面积，从而获得确定流量。
本发明内部气体流道符合临界流文丘里喷嘴设计规程，在此基础上减少内部流场气体干扰，压力损失小，获得结果稳定准确。
本发明集成了两个压力传感器、一个位移传感器和PLC电机控制系统，可以精确控制节流体位置，操作简便，准确；移植性强，两边设有标准法兰，易于与管道联接；并且实验时不需要人工操作，减少了人力成本和工作量。
附图说明
图1是本发明的三维爆炸示意图。
图2是本发明的剖视图示意图。
图3是本发明气体输入壳体的剖视图。
图4是本发明密封喷嘴的剖视图。
图5是本发明气体输出壳体的剖视图。
图6是本发明传感器固定环的三维视图。
图7是本发明节流体固定环的三维视图。
图8是本发明前置固定环的三维视图。
图9是本发明台阶型节流体的剖视图。
图10是本发明连续型节流体的剖视图。
图11是本发明齿轮固定环的三维视图。
图中：1、第一标准法兰，2、传感器固定环，3、输入气体压强传感器，4、气体输入壳体，5、密封圈，6、密封喷嘴，7、气体输出壳体，8、节流体固定环，9、输出气体压强传感器，10为节流体固定齿条，11、第二标准法兰，12、齿轮，13、齿轮固定环，14、PLC伺服电机，15、节流体轴承，16、节流体，17、螺母，18、螺栓，19、高精度位移传感器，20、导入孔，21、等值入口段，22、第一传感器固定螺纹孔，23、前置固定环，24、第一密封槽，25、第一固定螺纹孔，26、扩散段，27为中间段，28、入口段，29、第二密封槽，30、第二固定螺纹孔，31、第二传感器固定螺纹孔，32、等值出口段，33、直线扩张段，34、连接轴。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明包括气体输入壳体4、密封喷嘴6和气体输出壳体7，密封喷嘴6的前、后端分别与气体输入壳体4和气体输出壳体7密封连接，连接轴34安装在气体输入壳体4内，节流体16安装在密封喷嘴6和气体输出壳体7内，连接轴34后端与节流体16同轴连接，气体输入壳体4和气体输出壳体7通过连接在各自端面凸缘之间的螺栓18和螺母17连接，连接轴34前端同轴安装有高精度位移传感器19，高精度位移传感器19通过传感器固定环2在气体输入壳体4中径向定位；位于气体输入壳体4内的连接轴34通过前置固定环23在气体输入壳体4中径向定位，节流体16后部通过节流体固定环8和节流体轴承15在气体输出壳体7中径向定位。
密封喷嘴6开有喇叭状的异型中心孔，节流体16前部为圆锥体，后部为圆柱轴，圆锥体位于密封喷嘴6异型中心孔内，圆锥体的小端靠近靠近气体输入壳体4一侧，节流体16后部圆柱轴连接有用于驱动节流体16轴向前后移动的运动机构；气体输入壳体4的输入端面安装有第一标准法兰1，气体输出壳体7的输出端面安装有第二标准法兰11，第一标准法兰1和第二标准法兰11均与管道连接，第一标准法兰1和第二标准法兰11采用DN150型号；气体输入壳体4和气体输出壳体7的侧壁上分别安装有输入气体压强传感器3、输出气体压强传感器9，以检测和控制气体被压比。
气体输入壳体4和气体输出壳体7的侧壁上分别开有第一传感器固定螺纹孔22和第二传感器固定螺纹孔31，输入气体压强传感器3、输出气体压强传感器9分别装在第一传感器固定螺纹孔22和第二传感器固定螺纹孔31内。
气体输入壳体4的内孔为阶梯孔，小端为导入孔20朝向输入端，大端为等值入口段21，内孔大端端面内设有用于密封的内凹的环形密封槽24，气体输入壳体4的大端外侧壁设有凸缘，凸缘上开有第一固定螺纹孔25。
气体输出壳体7的内孔为三段阶梯孔，小端为等值出口段33朝向输出端，中间段为直线扩张段32，内孔大端内设有用于密封的第二密封槽29，气体输出壳体7的大端外侧壁设有凸缘，凸缘上开有第二固定螺纹孔30。
气体输入壳体4和气体输出壳体7之间的螺栓18连接第一固定螺纹孔25和第二固定螺纹孔30。
运动机构包括PLC伺服电机14和安装在气体输出壳体7内的齿轮12，PLC伺服电机14固定安装在气体输出壳体7的外侧壁，PLC伺服电机14的输出轴伸入气体输出壳体7与齿轮12同轴连接，节流体16后部轴与齿条10同轴连接，齿条10与齿轮12啮合，齿轮12通过齿轮固定环在气体输出壳体7中径向定位，齿轮固定环如图11所示。
PLC伺服电机14、高精度位移传感器19均连接到计算机，通过计算机控制PLC伺服电机14的运动，进而实现节流体16的轴向移动，调节改变节流体16前部圆锥体与密封喷嘴6异型中心孔之间的喉部面积。
密封喷嘴6异型中心孔分为入口段28、中间段27和扩散段26三段，中间段27的直径小于两侧的入口段28和扩散段26的直径，入口段28内孔为向外扩张的球面，扩散段26内孔为向外扩张的圆锥面，中间段27内孔两端分别与入口段28内孔、扩散段26内孔的曲面相切。
气体输出壳体7内孔腔为阶梯孔结构，其小孔端连接所述密封喷嘴6的扩散段内孔，其小孔端呈圆锥面并与所述密封喷嘴6扩散段内孔的圆锥面相切。
传感器固定环2内侧壁沿圆周均布有三根向中心径向方向的支撑杆，高精度位移传感器19被三根支撑杆支撑中心形成径向定位。
前置固定环23与节流体固定环8结构相同，均为同轴的内、外圆环结构，内、外圆环之间沿圆周均布连接有多根径向的连接杆，连接轴34套在前置固定环23的内圆环中形成径向定位，节流体16后部中心轴通过节流体轴承15套在节流体固定环8的的内圆环中形成径向定位。
密封喷嘴6分别与气体输入壳体4和气体输出壳体7连接的端面之间通过密封圈5密封，与舱外气体隔离。
节流体16采用连续型节流体或者台阶型节流体。连续型节流体前端圆锥体为光滑的锥面，圆锥角为6度，前端端部为半球面，连续型节流体可连续获得流量量程，如图10所示。台阶型节流体前端圆锥体为从小端到大端呈直径依次递增的阶梯轴，相邻台阶之间光滑过渡并倒有圆角，台阶型更为精确、重复性高，可以分档设置，操作性强，如图9所示。
本发明的密封喷嘴内节流体通过固定环固定在气体输出壳体中；节流体尾部接有齿条装置，电机通过齿轮齿条传动系统12控制节流体水平位置；通过高精度位移传感器19反馈信号控制伺服电机旋转角度，精确控制节流体水平位置，以达到控制喉部面积的目的。
气体输入壳体结构见图3，中间段的喉部直径为D，扩散段圆锥面的锥角为20度。圆柱过渡段20与等值入口段21之间存在台阶，过渡段直径为D1，D1＝4D，等值入口段直径为D2，D2＝2.5D，误差在0.1D以内，等值入口段长度为L2，L2长度应为0.9～1.1D1之间，入口圆环面直径应为1.8～2.2D1之间，以确保气体输入稳定，前段焊有标准法兰1，可与管道连接。M12为输入壳体密封喷嘴固定螺纹孔径，D4为压力传感器固定螺纹孔径。
气体输出壳体结构见图5，D6为喷嘴尾部孔径，扩散区域角度与喷嘴扩散区域角度相同，减少气体扰动，壳体尾端焊有标准法兰11，可与管道连接，壳体传感器连接处应密封良好。密封喷嘴结构见图4，喉部最大圆面直径设为50mm，直线扩张段直线与水平角度应大于节流体扩张角度为10度。D5为密封喷嘴扩散段出口直径，d为密封槽宽度，M12为输出壳体密封喷嘴固定螺纹孔径，D3为输出壳体延伸段直径，R为输出壳体连接段直径。
传感器固定环、前置固定环结构见图6、图8，置于输入壳体圆柱过渡段20，保证位移传感器主体部分不发生位移；节流体固定环结构见图7，置于输出壳体扩张段33，固定环位置壳体设有固定槽，保证固定环位置不变。
台阶型节流体结构见图9，设有五个台阶，各个台阶位移L1相等，前段为直径R1的半球面，台阶与延伸段设有圆角，以减少气体扰动。
连续型节流体扩散段位移与台阶型节流体位移相等，前段半球面直径与台阶型相等。两者特点不同，应根据实际情况选用。
调节节流体位置时应选取最大喉部面积点，固定位移传感器初始位置，调整电机使节流体前段与位移传感器探头刚好接触；由于节流体位置与喉部面积关系已知，因此可以通过控制电机转动和位移传感器反馈回的位置信息控制喉部面积的从而控制喉部流量。
本发明的实施例及其具体实施工作过程如下：
(1)先调试传感器，打开控制平台，调节位移传感器主体初始位置，控制电机调整节流体初始位置，使节流体前段刚好与位移传感器探头接触。
(2)通过改变进气、出气口压强，调节气体被压比，将被压比调节至所需值，获得初始流量，本实施例中初始被压比为0.7。
(3)通过控制伺服电机，调节节流体位置，通过位移传感器反馈信号，实现精确控制节流体位置，本实施例中调节节流体分别移动15mm、55mm、85mm、110mm、135mm，从而控制喉部过流面积分别达到1720.21mm2、1432.57mm2、1149.16mm2、853.13mm2和578.05mm2，根据喉部面积与流量转换公式，获得对应1200mm3、1000mm3、800mm3、600mm3、400mm3流量，实现对流量精确控制。
具体实施中，台阶状节流体16具有五个位移为12mm的水平台阶L1，水平台阶经过喉部时，喉部面积维持稳定，气体流量维持稳定，基于此设定若干刻度，完成对流量的精确控制。本实施例通过对节流体位置精确控制，获得五种精确流量，操作简便，准确，重复性强，重复精度高，具有显著的技术效果，对流量测量行业具有一定积极意义。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1. 一种变面积临界流流量计，其特征在于：包括气体输入壳体（4）、密封喷嘴（6）和气体输出壳体（7），密封喷嘴（6）的前、后端分别与气体输入壳体（4）和气体输出壳体（7）密封连接，连接轴（34）安装在气体输入壳体（4）内，节流体（16）安装在密封喷嘴（6）和气体输出壳体（7）内，连接轴（34）后端与节流体（16）同轴连接；
气体输入壳体（4）和气体输出壳体（7）通过连接在各自端面凸缘之间的螺栓（18）和螺母（17）连接，连接轴（34）前端同轴安装有高精度位移传感器（19），高精度位移传感器（19）通过传感器固定环（2）在气体输入壳体（4）中径向定位；位于气体输入壳体（4）内的连接轴（34）通过前置固定环（23）在气体输入壳体（4）中径向定位，节流体（16）后部通过节流体固定环（8）和节流体轴承（15）在气体输出壳体（7）中径向定位；密封喷嘴（6）开有喇叭状的异型中心孔，节流体（16）前部为圆锥体，后部为圆柱轴，圆锥体位于密封喷嘴（6）异型中心孔内，圆锥体的小端靠近靠近气体输入壳体（4）一侧，节流体（16）后部圆柱轴连接有用于驱动节流体（16）轴向前后移动的运动机构；气体输入壳体（4）的输入端面安装有第一标准法兰（1），气体输出壳体（7）的输出端面安装有第二标准法兰（11），第一标准法兰（1）和第二标准法兰（11）均与管道连接；气体输入壳体（4）和气体输出壳体（7）的侧壁上分别安装有输入气体压强传感器（3）、输出气体压强传感器（9）。
2. 根据权利要求1所述的一种变面积临界流流量计，其特征在于：所述的运动机构包括PLC伺服电机（14）和安装在气体输出壳体（7）内的齿轮（12），PLC伺服电机（14）固定安装在气体输出壳体（7）的外侧壁，PLC伺服电机（14）的输出轴伸入气体输出壳体（7）与齿轮（12）同轴连接，节流体（16）后部轴与齿条（10）同轴连接，齿条（10）与齿轮（12）啮合，齿轮（12）通过齿轮固定环在气体输出壳体（7）中径向定位。
3. 根据权利要求1所述的一种变面积临界流流量计，其特征在于：所述的PLC伺服电机（14）、高精度位移传感器（19）均连接到计算机，通过计算机控制PLC伺服电机（14）的运动，进而实现节流体（16）的轴向移动，调节改变节流体（16）前部圆锥体与密封喷嘴（6）异型中心孔之间的喉部面积。
4. 根据权利要求1所述的一种变面积临界流流量计，其特征在于：所述的密封喷嘴（6）异型中心孔分为入口段（28）、中间段（27）和扩散段（26）三段，中间段（27）的直径小于两侧的入口段（28）和扩散段（26）的直径，入口段（28）内孔为向外扩张的球面，扩散段（26）内孔为向外扩张的圆锥面，中间段（27）内孔两端分别与入口段（28）内孔、扩散段（26）内孔的曲面相切；
所述的气体输出壳体（7）内孔腔为阶梯孔结构，其小孔端连接所述密封喷嘴（6）的扩散段内孔，其小孔端呈圆锥面并与所述密封喷嘴（6）扩散段内孔的圆锥面相切。
5. 根据权利要求1所述的一种变面积临界流流量计，其特征在于：所述的传感器固定环（2）内侧壁沿圆周均布有三根向中心径向方向的支撑杆，高精度位移传感器（19）被三根支撑杆支撑中心形成径向定位。
6. 根据权利要求1所述的一种变面积临界流流量计，其特征在于：所述的前置固定环（23）与节流体固定环（8）结构相同，均为同轴的内、外圆环结构，内、外圆环之间沿圆周均布连接有多根径向的连接杆，连接轴（34）套在前置固定环（23）的内圆环中形成径向定位，节流体（16）后部中心轴通过节流体轴承（15）套在节流体固定环（8）的的内圆环中形成径向定位。
7. 根据权利要求1所述的一种变面积临界流流量计，其特征在于：所述的密封喷嘴（6）分别与气体输入壳体（4）和气体输出壳体（7）连接的端面之间通过密封圈（5）密封。
8. 根据权利要求1所述的一种变面积临界流流量计，其特征在于：所述的节流体（16）采用连续型节流体或者台阶型节流体。
9. 根据权利要求1所述的一种变面积临界流流量计，其特征在于：所述的连续型节流体前端圆锥体为光滑的锥面，圆锥角为6度，前端端部为半球面。
10. 根据权利要求1所述的一种变面积临界流流量计，其特征在于：所述的台阶型节流体前端圆锥体为从小端到大端呈直径依次递增的阶梯轴，相邻台阶之间光滑过渡并倒有圆角。
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