CN105675069A - 分布力层流流量计 - Google Patents

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张洪军
李开慧
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/34—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure
    • G01F1/36—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure the pressure or differential pressure being created by the use of flow constriction

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Abstract

本发明公开了一种分布力层流流量计的原理和结构。该流量计由测量管、蜂窝阻流件、连接杆、测力传感器和流量积算与显示输出单元组成。沿测量管周向均布的三个连接杆将阻流件与三个测力传感器连接起来，连接杆与阻流件为铰接。工作时，流体以层流方式流经阻流件蜂窝状通道，对通道壁面产生摩擦力作用，流体对阻流件的作用力与流量成正比。流体对阻流件的作用力通过连接杆传递到测力传感器上，由测力传感器测出，进而可以获得流量值。相对于传统的层流流量计，本发明采用测力而不是测量压力降的办法，而且采用阻流件周向三个点进行测力，这种设计可以消除流速分布对流量测量的影响，因此，所发明的分布力层流流量计可不需要直管段。

Description

分布力层流流量计
技术领域
本发明涉及流量计技术领域，具体为层流流量计技术。
背景技术
层流流量计是根据流体以层流方式流经流量计流道时，其压降与流量成正比的原理设计和工作的。层流流量计一般由层流流量传感器、差压计、压力温度补偿传感器和流量积算单元组成，其中层流流量传感器典型结构如图1所示，包括传感器本体、层流阻流件、取压装置、整流器四个部分。
层流流量计中的核心元件是层流阻流件，层流阻流件从轴线方向看是一个蜂窝状的圆盘，相当于许多薄壁细管排在一起，流量计正常工作时，流体在细管中流动处于层流流动状态。假设细管当量直径为d，则细管两端（即阻流件前后）压降
（1）
式中，L-细管长度，即阻流件厚度；-流体密度；v-细管内平均流速；C-细管内流动起始段长度有关的系数，一定范围内可取为常数；Re-雷诺数。雷诺数Re定义为
（2）
式中，-流体的动力粘性系数。
假设细管的流通截面积为，则压降与通过流量的关系为
（3）
可见，流量与压降的一次方成正比，考虑到总流量是通过所有阻流件细管流量之和，通过流量计的总流量可记为
（4）
式中
k1-系数，由层流流量计结构参数决定。
层流流量计由于差压与流量呈线性关系,还具有内部无可动部件、可靠性高、响应速度快等特点，比较适合于脉动气流、微小流量的测量，在环保、医疗和汽车行业获得应用，在天然气计量方面也有很大潜力。
发明内容
本发明针对传统的层流流量计进行改进，通过测量流体作用在层流阻流件上的力进而获得流量。具体技术方案如下：
一种分布力层流流量计，由测量管、蜂窝阻流件、连接杆、测力传感器和流量积算与显示输出单元组成，通过测量流体作用在蜂窝阻流件上的力实现流量测量。
进一步的，采用沿测量管周向均布的三个所述测力传感器测量蜂窝阻流件所受流体的作用力，流体对阻流件的作用力等于三个力传感器所测得三个力之和。
进一步的，流体在蜂窝阻流件的蜂窝通道中做层流流动，流体对阻流件的总作用力与流量成正比，与速度分布无关。
进一步的，所述连接杆将蜂窝阻流件与三个测力传感器连接起来，其中连接杆与蜂窝阻流件之间为铰接。
本发明具有的有益效果是：
1）通过测量层流阻流件所受流体作用力来获得流量，流量与力的一次方成正比，使得信号处理更加简单可靠，更加容易提高测量准确度。
2）采用周向均匀布置的三个测力传感器测量阻流件受到流体的作用力，连接杆与阻流件之间为铰接，这种设计可保证力的作用中心位置对力值测量没有影响，即流体作用力可以获得准确测量。考虑到流量与流体作用力的一次方成正比，速度分布对流量测量没有影响，分布力层流流量计对测量直管段长度没有要求。
附图说明
图1是典型的层流流量传感器结构示意图；
图2a是分布力层流流量计的结构示意图；
图2b是分布力层流流量计的A-A剖视图；
图3蜂窝阻流件受力分析图；
图中附图标记含义：
1-测量管；2-蜂窝阻流件；3-连接杆；4-测力传感器；5-流量积算与显示输出单元；6-信号线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提出了一种分布力层流流量计。具体原理如下：
参见图2,所发明的分布力层流流量计由测量管1、蜂窝阻流件2、连接杆3、测力传感器4、流量积算与显示输出单元5和信号线6组成。采用沿测量管周向均布的三个测力传感器4测量蜂窝阻流件2所受流体的作用力，连接杆3将蜂窝阻流件2与三个测力传感器4连接起来，其中连接杆3与蜂窝阻流件2之间为铰接。流量计通过测量流体作用在阻流件上的力实现流量测量。
流量计工作原理如下：
流量计正常工作时，流体在蜂窝阻流件的蜂窝通道中做层流流动，假设阻流件共有N个通道，每个通道流通截面积和当量直径都一样，分别为A和d，通道长度（即蜂窝阻流件厚度）为L，其中第i个通道内平均流速为，流量为，则通道两端的压降
（5）
流体作用在这个通道壁面上的摩擦力为
（6）
流体对阻流件作用总的摩擦力为
（7）
式中，系数，总流量。
由（7）式可知，流体对蜂窝阻流件的总摩擦作用力与流量的一次方成正比，且与作用力的作用中心或速度分布无关。当然，由于蜂窝通道壁厚不为零，必然引起流体流线方向改变和流体质点的滞止，也会贡献一部分流动阻力，此惯性阻力与流体的密度有关，且与流速的平方成正比。当蜂窝通道长径比达到一定数值时，流体惯性阻力的影响可忽略不计，公式（7）成立。
本发明采用三个测力传感器来测力蜂窝阻流件所受流体作用力，且阻流件与连接杆之间是铰接，铰接处到测力传感器之间的距离（即力臂）L1、L2、L3是确定不变的（参见图3），这样阻流件所受流体作用力F在数值上严格等于三个测力传感器所测得的三个力之和，即：
(8)
即便当测量管内流速分布畸变导致作用力F的作用中心偏离管道中心，测力传感器所测得的力值也不会受到影响，考虑到流量与流体作用力的一次方成正比，速度分布对流量测量没有影响，因此，所发明的分布力层流流量计对测量直管段长度没有要求。

Claims (4)

1.一种分布力层流流量计，由测量管（1）、蜂窝阻流件（2）、连接杆（3）、测力传感器（4）和流量积算与显示输出单元（5）组成，其特征在于：通过测量流体作用在蜂窝阻流件（2）上的力实现流量测量。
2.根据权利要求1所述的一种分布力层流流量计，其特征在于：采用沿测量管周向均布的三个所述测力传感器（4）测量蜂窝阻流件（2）所受流体的作用力，流体对阻流件的作用力等于三个力传感器所测得三个力之和。
3.根据权利要求2所述的一种分布力层流流量计，其特征在于：流体在蜂窝阻流件（2）的蜂窝通道中做层流流动，流体对阻流件的总作用力与流量成正比，与速度分布无关。
4.根据权利要求1所述的一种分布力层流流量计，其特征在于：所述连接杆（3）将蜂窝阻流件（2）与三个测力传感器（4）连接起来，其中连接杆（3）与蜂窝阻流件（2）之间为铰接。
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