CN105157765B - 中部通孔动节流元件类靶式流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中部通孔动节流元件类靶式流量计，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类靶、表壳、表壳盖和传感器组成；表壳与表壳盖密封连接组成流量计壳体，中部通孔动节流元件类靶位于表壳进口孔道与出口孔道之间，类靶与传感器的一端固定连接，传感器的另一端与表壳盖固定连接。与差压式流量计相比，该流量计更充分地发挥了节流装置的优势性能，具有结构更简单、价格更低、阻力损失更小、使用寿命更长、精度更高、防堵塞、应用范围更广等优点。由于类靶的结构特点，该流量计许多性能优于靶式流量计，并克服了其容易温漂,抗过载能力较差的缺点。该流量计是一种高性价比的新型流量计，具有极广阔的发展前景。

Description

中部通孔动节流元件类靶式流量计

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，特别是涉及节流元件的流量计。

背景技术

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，这些欧美科学家囿于托里拆利固定式节流元件的研究模式，没有察觉到固定式节流元件其实适合的是实验室工作环境，这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。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。如“内置式中部通孔动节流元件流量计”（专利号ZL201210118468.1）和“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，该流量计不使用引压管和膜盒，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，而上述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，由于上述流量计主要使用动文丘里管，又没有引压管，因而防堵塞能力也大大优于差压式流量计。另外，由于上述流量计不使用引压管，因而可测量小管径流量，使用范围更广。在专利申请人上述动节流元件流量计中，需要在动节流元件两端或一端配接一个波纹管或弹性膜片，以保证被测流体全部流过动节流元件的中部通孔；另外，靶式流量计或转子流量计也是动节流元件流量计，它们的动节流元件为设置在测量管道中央的圆盘靶或转子，圆盘靶或转子没有中部通孔，被测流体从圆盘靶或转子与测量管道间的环形间隙流过。鉴于上述两点，再考虑到中部通孔动节流元件和圆盘靶均为动节流元件，因此，若以中部通孔动节流元件代替圆盘靶，即可设计出一种不需配接波纹管或弹性膜片的新型结构的中部通孔动节流元件流量计，且该流量计的许多性能是优于靶式流量计的。由于中部通孔动节流元件中部有通孔，在形状上并没有靶的典型特征，只是作用类似于靶，因此可将其称为类靶，并将使用该种类靶的流量计称为类靶式流量计。

发明内容

由于以中部通孔动节流元件代替圆盘靶后形成的类靶式流量计，在保留了上述中部通孔动节流元件流量计的大部分优点的前提下，可以不在中部通孔动节流元件上配接弹性膜片或波纹管，因而在许多应用场合使得流量计的结构得以简化，这一点在流量计样机试制阶段特别重要。因此，设计出一款在结构上更简单的中部通孔动节流元件流量计，是有利于包括以前各型中部通孔动节流元件流量计推广使用的。

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，研制的流量计是一种中部通孔动节流元件类靶式流量计，由中部通孔动节流元件类靶、表壳、表壳盖和传感器组成；表壳与表壳盖密封连接组成流量计壳体，规定中部通孔动节流元件类靶这种筒状或圆环状部件的被测流体流入侧为前端，这种筒状或圆环状部件的被测流体流出侧为后端，这种筒状或圆环状部件在径向内侧的中部通孔部件表面为内表面，这种筒状或圆环状部件在径向外侧的部件表面为外表面，中部通孔动节流元件类靶位于表壳进口孔道与表壳出口孔道之间，将壳体内腔分隔成互相连通的两个腔室，一个是由表壳进口孔道、中部通孔动节流元件类靶的中部通孔、表壳出口孔道组成的内部腔室，一个是位于表壳内表面、表壳盖内表面与中部通孔动节流元件类靶外表面之间的外部腔室，被测流体从表壳进口孔道流入后，大部分流体流过中部通孔动节流元件类靶的中部通孔，小部分流体从中部通孔动节流元件类靶前端的两腔室连通处流入外部腔室，再从中部通孔动节流元件类靶后端的两腔室连通处流回内部腔室，两部分流体在内部腔室重新汇合后，由表壳出口孔道流出，中部通孔动节流元件类靶与传感器的一端固定连接，传感器的另一端与表壳盖固定连接。

本发明的有益效果是，与差压式流量计相比，本流量计和已有专利“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。与靶式流量计相比，由于类靶的结构特点，类靶式流量计很容易克服靶式流量计难以克服的两个主要缺点，即克服其容易受介质温度变化影响产生温漂, 抗过载能力较差这两个缺点；在两者性能方面，由于中部通孔动节流元件主要使用动文丘里管，因此动文丘里管类靶式流量计阻力损失更小、防堵塞能力更强、并可测量微小管径流量。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，中部通孔动节流元件类靶式流量计依据的也是比涡街式、电磁式、超声波等其他流量计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，当测量条件严重偏离允许范围（如被测液体中混有大量气泡或者敏感元件结垢）时，被测流体对动节流元件产生的推力是不会有太大变化的，因而顶多就是测量误差增大一些；而涡街式、电磁式、超声波式等流量计的测量误差一般则要大得多，甚至可能使这些流量计的测量功能失效。最后，本流量计优于已有专利“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，除结构更简单、价格更低以外，由于不需在中部通孔动节流元件上配接弹性膜片或波纹管，生产厂家更容易制造出流量计样机来进行性能验证，更有利于中部通孔动节流元件流量计的推广应用。由上述可见，本流量计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是本发明的第二个实施例的结构原理图。

图3是本发明的第三个实施例的结构原理图。

图4是本发明的第四个实施例的结构原理图。

图5是本发明的第五个实施例的结构原理图。

图6是本发明的第六个实施例的结构原理图。

图7是本发明的第七个实施例的结构原理图。

图中1.动文丘里管类靶，2.双孔悬臂梁，3.应变片，4.表壳，5.表壳盖，6.密封式电缆连接器，7.连接螺栓，8.测量杆，9.挠性管弹性体，10.电容动电极,11.电容静电极，12.电容读取芯片,13.弹性管,14.杯形测量杆，15.绝缘支承棒，16.出线孔，17.基座，18.挠性过滤介质，19.表壳孔道隔热内衬，20.螺栓隔热垫圈，21.表壳盖隔热密封垫圈，22.螺栓隔热套管，23.动孔板类靶。

具体实施方式

在七个实施例中，只在实施例七采用了动孔板类靶23，在其余六个实施例中，为了减少流动阻力损失和防止污物聚集，中部通孔动节流元件类靶均采用动文丘里管类靶1，动文丘里管类靶1也是类靶式流量计最常用的中部通孔动节流元件类靶。但在有些应用场合，前六个实施例中的动文丘里管类靶1也可被替换为动孔板类靶23或动喷嘴类靶，由于流量计其他部分均可保持原结构形式不变，故不再一一赘述。常用来做类靶的中部通孔动节流元件有动文丘里管、动孔板和动喷嘴，在实际应用中，这些动文丘里管、动孔板和动喷嘴当然既可以是标准节流元件，也可以采用各种非标准节流元件，如采用各种非标准的节流孔板。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，动文丘里管类靶1位于表壳4进口孔道与出口孔道之间，力传感器的弹性敏感元件采用双孔悬臂梁2，双孔悬臂梁2上端固定在表壳盖5上，下端通过连接螺栓7与动文丘里管类靶1固定在一起。被测流体从表壳4进口流入后，大部分流体流经动文丘里管类靶1中部通孔形成干流，由于动文丘里管类靶1前后存在压差，小部分流体从动文丘里管类靶1前端环形缝隙流出至外部腔室形成支流，该支流再从外部腔室经动文丘里管类靶1后端环形缝隙流入内部腔室，重新与干流汇合并由表壳4出口流出。当被测流体流过动文丘里管类靶1时，流体的流量越大，流体对动文丘里管类靶1的推力也越大，动文丘里管类靶1将这个推力传递到双孔悬臂梁2上，双孔悬臂梁2产生与推力对应的应变，使得分别贴在双孔悬臂梁2正、负应变区的应变片3的电阻产生差动变化，由这些应变片3组成了力传感器的测量电桥，因此电阻的差动变化使电桥输出电压改变，再经力传感器中放大器与处理电路（图中未画出）进一步处理后输出与被测对应的电信号。

与经典文丘里管的廓形相比，由于动文丘里管类靶1没有引压管，所以经典文丘里管为引压所设的入口圆筒段与圆筒形喉部都没有保留的必要，故动文丘里管类靶1廓形只有圆锥收缩段和圆锥扩散段。另外，为缩短动文丘里管类靶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，动文丘里管类靶1全长大约只是管径的1.5～2.0倍。由于动文丘里管类靶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类靶1口径不变的情况下，直径比β越大，压损越小，动文丘里管类靶1也越短，但被测流体在动文丘里管类靶1上产生的最大推力也越小，对力传感器的要求较高。由于被测流体在动文丘里管类靶1上产生的最大推力比动孔板类靶23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3贴在双孔悬臂梁2的应力集中处，即使在整个量程范围内作用在双孔悬臂梁2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2粘贴应变片3处产生的应变却比较大，能够满足后续处理电路的要求。

由于双孔悬臂梁2具有挠度小、应变大的特点，相应的动文丘里管类靶1的位移也极小，可认为该流量计没有可动部件，因而其可靠性也较高。同时，由于可将动文丘里管类靶1视为固定部件，因此可按照固定式节流元件前后压差与被测流量间的关系对其进行分析。也就是说，按照已知的固定式节流元件的知识，被测流量中，干流的流量越大，动文丘里管类靶1前后的压差也越大；而动文丘里管类靶1前后的压差越大，在该压差驱动下，流经动文丘里管类靶1外部腔室的支流流量也越大。显然，就流量与压差相互间的变化趋势来说，干流和支流是正相关的。当两个变化趋势完全一致（也就是对于整个测量范围内任意两个不同大小的流量，其干流与支流的流量之比都相同）时，通过对流量计的量程调整（不是在中部通孔中流过最大干流与最大支流之和时将流量计输出调为满度，而是在中部通孔中流过最大干流时将流量计输出调为满度），可实现理论上无分流测量误差的流量测量；即使两个变化趋势只是大致差不多（也就是对于整个测量范围内各个不同大小的流量，其干流与支流的流量之比均大致相同），通过量程调整后，流量的分流测量误差也要比支流流量要小很多。

由于四个应变片3构成的测量电桥处于表壳4与表壳盖5构成壳体内的压力环境中，为了不破坏壳体的密封性，测量电桥输出端线缆与电源端线缆需经密封式电缆连接器6引出至表壳盖5外面的力传感器后续处理电路。当被测流体具有使电路短路的特性时，还要对应变片3及其连接导线做绝缘保护层的相关处理。由于对动文丘里管类靶1本身机械强度的要求较低，同时也为了减少流量计安装不水平造成的双孔悬臂梁2应变误差，动文丘里管类靶1采用较轻的非金属材质。采用非金属材质也可以使动文丘里管类靶1中部通孔更不易结垢，造价也更低。

前面说过，由于动文丘里管类靶1的结构特点，类靶式流量计中很容易克服靶式流量计难以克服的两个主要缺点，即克服其容易受介质温度变化影响产生温漂, 抗过载能力较差这两个缺点。温漂的解决方案将在实施例四中介绍，这里先介绍如何抗过载。设计时适当选择动文丘里管类靶1环形的后端面与表壳4出口孔道环形的前端面间的距离，使得在规定测量条件下双孔悬臂梁2最大挠度小于该距离，两个环形的端面相互不会接触，不影响正常测量。但在出现不正常的大脉冲流量时，则动文丘里管类靶1超标的向后位移量使其环形的后端面与固定不动的表壳4出口孔道环形的前端面接触，从而将过大的推力作用在表壳4上，防止其损坏双孔悬臂梁2。

实施例二

在图2的实施方案中，可以看出本实施例与图1的实施例在结构上有很多相同之处，只是两者的力传感器有所不同。在本实施例中，力传感器的弹性元件采用了薄圆筒壁的挠性管弹性体9，动文丘里管类靶1固定连接在测量杆8下端，测量杆8上端与挠性管弹性体9较厚的圆筒顶盖固定连接。当被测流体流过动文丘里管类靶1时，流体的流动在动文丘里管类靶1上产生了一个与流体流量相对应的推力，此推力通过测量杆8传递到挠性管弹性体9上，在挠性管弹性体9薄壁圆筒上产生弯矩作用，紧贴于挠性管弹性体9外表面上的四个应变片3组成的测量电桥失去平衡，产生对应于推力大小的不平衡电压输出，力传感器后续电路通过对该电压输出做进一步处理即可知被测流量大小。

上述挠性管弹性体结构形式也是目前新型靶式流量计常用的结构形式，不同的是在这里测量杆8下面固定的是动文丘里管类靶1，而新型靶式流量计下面固定的是圆盘靶。由于动文丘里管类靶1采用非金属材质制造，因此其并不比金属材质的圆盘靶重多少。从图2可以看出，由于动文丘里管类靶的结构特点，和实施例一中的情况相同，新型靶式流量计抗过载能力较差的问题可以得到很好的解决，这里不再赘述。同样，新型靶式流量计容易受介质温度变化影响产生温漂的解决方案可参见实施例四。在性能方面，由于文丘里管的形状特点，当被测流体流过动文丘里管类靶1的中部通孔时，流体流动产生的涡流区域很小，因此动文丘里管类靶1比圆盘靶的阻力损失小很多、防堵塞能力也更强。又由于被测流体主要流过动文丘里管类靶1中部通孔，而不像靶式流量计那样，被测流体需要流过圆盘靶与测量管之间的环形缝隙，因此类靶式流量计可测量更小管径的流量。

实施例三

在图3的实施方案中，可以看出本实施例与图1的实施例在结构上有很多相同之处，只是两者的传感器有所不同。在本实施例中，采用了差动电容结构的电容式位移传感器，其核心元件是两组对称安装的电容，即两片固定不动的电容静电极11和两片随杯形测量杆14上部的弹性管13摆动的电容动电极10组成的两组变参数电容。两组变参数电容采用差动电容结构，可以提高流量计的灵敏度和量程比。从图3可以看出，文丘里管类靶1固定安装在杯形测量杆14上，杯形测量杆14密封连接在弹性管13上，弹性管13密封连接在基座17上，基座17密封连接在表壳盖5上。两组变参数电容的差动电容值输入至电容读取芯片12，电容读取芯片12和两片电容静电极11均固定安装在绝缘支承棒15上，电容读取芯片12的信号、电源线缆由出线孔16引出。两组变参数电容的两片电容动电极10能随着杯形测量杆14的微小偏移而发生位移,而两片电容静电极11的位置固定不动。当被测流体流过动文丘里管类靶1中部通孔，进而使杯形测量杆14受力,电容动电极10随着弹性管13弯转而产生微小偏移时, 两组电容的电容极间距都发生了变化： 一组电容极间距减小, 电容值增大；另一组电容极间距增加, 电容值减小。原本对称安装、电容值相同的两组电容产生了一个电容差值，从而间接实现了动文丘里管类靶1所受力和电容差值之间的转换。电容式位移传感器后续电路只要对这个电容差值做进一步处理，就可得到与被测流量对应的输出信号值。电容式位移传感器上述测量原理可简述如下。

若动文丘里管类靶1受到流体冲击时,受力为, 电容动电极10随杯形测量杆14发生微小偏移 , 而电容原始极间距为,相对于极为微小, 则差动电容值与偏移存在以下关系:

式中，──两组电容的电容值；──介电常数；──极板相对面积。

由上式可以得出以下关系：

即体积流量与差动电容值的开方存在线性关系，因此可以通过检测差动电容值来判断体积流量的大小。

实施例四

图4是一个测量高温流体时抑制温漂的实施方案，可以看出本实施例与图1的实施例在结构上几乎完全相同，只是为了达到有效抑制动文丘里管类靶式流量计温度漂移的目的，在适当位置加上了一些隔热部件。为了使隔热部件在图上能够看得更清楚一些，在图4中没有画连接螺栓7。在图4中可以看到，被测流体至双孔悬臂梁2的传热途径主要有三条：一是高温流体经表壳4、表壳盖5对双孔悬臂梁2的导热过程；二是高温流体经动文丘里管类靶对双孔悬臂梁2的导热过程1；三是动文丘里管类靶1外部腔室内的高温流体直接对双孔悬臂梁2的导热过程及对流换热过程。由于动文丘里管类靶1的结构特点及其低流阻低压差特性，使得被测流体干流流量很大，支流流量很小；并可认为表壳4与表壳盖5围成的壳体内腔被动文丘里管类靶1分隔成干流流过的内部腔室和支流流过的外部腔室两部分。为抑制类靶式流量计的温度漂移，就要大幅减少从高温流体传递到双孔悬臂梁2的传热量。采取的第一项措施是，动文丘里管类靶1采用具有隔热性质的非金属材料制成，表壳4进、出口孔道内加装表壳孔道隔热内衬19，并采取加大流阻的措施尽量减少支流流量，就可使外部腔室流体温度明显低于内部腔室流体温度。为提高该项降温措施效果，表壳4进、出口与外接工艺管道的连接处应加装隔热密封垫圈，连接螺栓应套上隔热套管并加装隔热垫片。连接螺栓的隔热套管及隔热垫片的使用方法可参见图4中螺栓隔热套管22和螺栓隔热垫圈20的图示。为进一步减少外部腔室内的次高温流体对双孔悬臂梁2的传热量，第二项措施是，在连接表壳4与表壳盖5时，使用表壳盖隔热密封垫圈21，连接螺栓也应套上隔热套管并加装隔热垫片，以切断高温流体经导热性好的金属材质的表壳4、表壳盖5至双孔悬臂梁2的传热通道。同时，在表壳盖5内表面及双孔悬臂梁2表面也应涂敷隔热保护层（图中未画出）。由于上述简单措施可大幅减少从被测流体至双孔悬臂梁2的传热量，故本实施方案可有效减小类靶式流量计温度漂移造成的误差。

实施例五

图5是一个测量脏污流体的实施方案，可以看出本实施例与图1的实施例在结构上几乎完全相同，只是在表壳4进口孔道的环形后端面与动文丘里管类靶1的环形前端面之间的连通内外两腔室的环形间隙处，以及动文丘里管类靶1的环形后端面与表壳4出口孔道的环形前端面之间的连通内外两腔室的环形间隙处填充了挠性过滤介质18，在每个环形间隙内形成一个圆环状的过滤层，具有弱弹性的过滤层可跟随动文丘里管类靶1的前后位移做相应的轴向伸缩，从而保证被测流体支流只有经过各过滤层才能进出动文丘里管类靶1的外部腔室。挠性过滤介质18可使用海绵状过滤介质或纤维状过滤介质，其挠性指的是该过滤介质在极小的外力作用下，就可以按设计要求改变自己的形状。挠性过滤介质18形成的圆环状过滤层与动文丘里管类靶1的连接可采用尼龙搭扣或其他简单的方式。由于每个圆环状过滤层的通孔口径与表壳4进、出口的口径相同，被测流体的切向流动对过滤层通孔的表面有自清洁作用，所以挠性过滤介质18因堵塞而使动文丘里管类靶1失去位移能力的时间就很长，可长期使用而不必更换。

实施例六

图6也是一个测量脏污流体的实施方案，可以看出本实施例与图5的实施例在结构上并没有什么不同，只是在被测流体脏污程度不太严重时，考虑到被测流体只从动文丘里管类靶1前面的环形间隙流入外部腔室，而在动文丘里管类靶1后面的环形间隙处，流体是从外部腔室流回内部腔室的，因此，只需要在动文丘里管类靶1前面的环形间隙处填充挠性过滤介质18。

实施例七

图7是另一种中部通孔动节流元件类靶的实施方案，可以看出本实施例与图1的实施例在结构上几乎完全相同，只是在图7中双孔悬臂梁2下端固定连接的是动孔板类靶23而不是图1中的动文丘里管类靶1。使用动孔板类靶23的优点是，同样流量下作用在动孔板类靶23上的推力比使用动文丘里管类靶1大很多，适合测量被测流量下限比较小的场合。

由于可实现的实施例种类众多，以上所述的只不过是本发明几个较佳的实施例而已，因而不能将这几个实施例用于限定本发明的保护范围。例如，流量计中可选择的传感器种类明显比七个实施例中那几种传感器要多得多，如还可选择电感式传感器、涡流式传感器等等。另外，传感器一端固定连接动喷嘴类靶或其他类型的中部通孔动节流元件类靶也是明显可行的实施例。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 (1)

1.一种中部通孔动节流元件类靶式流量计，由中部通孔动节流元件类靶（1）、表壳（4）、表壳盖（5）和传感器组成，中部通孔动节流元件类靶（1）的作用与靶式流量计中的圆盘靶类似，其特征在于：表壳（4）与表壳盖（5）密封连接组成流量计壳体，规定中部通孔动节流元件类靶（1）这种筒状或圆环状部件的被测流体流入侧为前端，这种筒状或圆环状部件的被测流体流出侧为后端，这种筒状或圆环状部件在径向内侧的中部通孔部件表面为内表面，这种筒状或圆环状部件在径向外侧的部件表面为外表面，中部通孔动节流元件类靶（1）位于表壳（4）进口孔道与表壳（4）出口孔道之间，将壳体内腔分隔成互相连通的两个腔室，一个是由表壳（4）进口孔道、中部通孔动节流元件类靶的中部通孔、表壳（4）出口孔道组成的内部腔室，一个是位于表壳（4）内表面、表壳盖（5）内表面与中部通孔动节流元件类靶（1）外表面之间的外部腔室，被测流体从表壳（4）进口孔道流入后，大部分流体流过中部通孔动节流元件类靶（1）的中部通孔，小部分流体从中部通孔动节流元件类靶（1）前端的两腔室连通处流入外部腔室，再从中部通孔动节流元件类靶（1）后端的两腔室连通处流回内部腔室，两部分流体在内部腔室重新汇合后，由表壳（4）出口孔道流出，中部通孔动节流元件类靶（1）与传感器的一端固定连接，传感器的另一端与表壳盖（5）固定连接。