CN106841668A - 一种固定式叶轮结构的管道流速传感器以及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固定式叶轮结构的管道流速传感器以及使用方法，包括固定基板，固定基板包括一个固定板和位于固定板两边的固定面，其中在固定板上转动连接有转动轴，转动轴内安装有电阻应变片，转动轴上固定有叶轮；在固定板背部还设置有一个封闭外壳，封闭外壳与固定板背部之间设置有连接筋；管道流速计还包括数据处理电路，数据处理电路包括与各个压力传感器连接的将电阻应变片的数据转换成电信号的转换器，以及与各电阻应变片的转换器连接的数据处理器，通过数据处理器将各个转换器输出的电信号进行计算和转换。

Description

一种固定式叶轮结构的管道流速传感器以及使用方法

技术领域

本发明涉及一种固定式叶轮结构的管道流速传感器以及使用方法，属于管道流速传感器领域。

背景技术

流速计作为一个测量水流速度的设备，按领域，可以分为机械式、光学式、声波学式等几大类，其中：

光学式和声波学式具有数据采集精度高，流速反馈及时、对管道流速不存在衰减等影响广泛被使用在一些高精密的使用领域，比如：制药、精密化工、流体模型建立、管道和水泵等精密流体输送设备测试等；光学式和声学式主要通过声波、电磁波等介质，利用其在不同流速的介质下，对声波、电磁波衰减影响不同、传播速度不同的理念进行制造，其主体包括发射器和接收器，均为高精密的设备；

在对环境的要求较高，很难使用在诸如电厂、化工厂等粉尘含量高、水汽含量高的环境，且此类设备成本也较高，对于一些环境较差的使用工况，需要对设备进行经常性的保养和维护，不是很适合这些单位产品利润较低的工厂使用；

机械式的流速计一般安装于管道内部，从结构上来说，外界环境对机械式的流速计影响不大，而且机械式的流速计一般采用一个在流体中不断旋转的驱动叶轮，通过驱动叶轮的转速来获取流速，其主体结构包括叶轮和一个转动的发电机结构，结构简单、成本低廉，适合一些利润低、使用量大、对数据精度要求不高的工厂，但机械式的流速计也存在较大的缺点，为了降低数据模拟的难度，一般叶轮的转动轴线与管道的轴线同轴，流体迎面朝向叶轮流动，所以叶轮给管道中流体流速带来的衰减十分巨大，不仅可能使得管道内的流速无法达到工作指标，同时此种结构的流速也不是非常准确，一般只能按照在管路结构的尾管位置，使用范围也很小；

如ZL201110251948.0提出的一种机械式的流速计，其采用一个大型叶轮实现对流速的检测，此流速计流阻较大，对流体驱动泵的扬程要求较高，且对整个管路带来的流速衰减也较大，此外，此流速计一般需要串联到管道内，如果需要对现有管路进行安装，那么需要将现有管路进行拆卸，整体工程量较大，此外转动式的流速计如果叶轮的品质不高的话，转动时也会给管道带来一定的抖动，影响管路的寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中光学、声学式流速计成本高、使用环形要求高，叶轮式流速计流阻大、安装困难等技术问题，提供一种固定式叶轮结构的管道流速传感器以及使用方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种固定式叶轮结构的管道流速传感器，包括固定基板，所述固定基板包括一个固定板和位于固定板两边的固定面，其中在所述固定板上安装有扰流叶轮阵列机构；

所述扰流叶轮阵列机构包括安装在固定板一侧面的若干个转动轴，在所述固定板上设置有若干台阶式的转动孔，所述转动轴的端部设置有一个卡接在转动孔台阶面上的环形凸起部，在所述转动孔内设置有一个固定座，在转动轴内部设置有一个转动座，在所述固定座和转动座之间设置有电阻应变片，在所述转动轴的端部还固定有一个叶轮，所述叶轮包括一个与管道流体轴线平行的叶轮轴，叶轮轴垂直固定在转动轴上，在所述叶轮轴上环形阵列固定有若干叶轮片，所述叶轮片带动转动轴转动；

在所述固定面上部还设置有一个封闭外壳，所述封闭外壳边缘与固定板之间封闭连接，在所述封闭外壳与固定板之间设置有一个膨胀空腔，在固定板朝向扰流片的两端设置有两个凸起的膨胀卡扣，在所述膨胀空腔内填充有高压惰性气体，所述膨胀卡扣在膨胀空腔的驱动下卡紧在管道壁面的开口上；

在所述封闭外壳与固定板之间设置有若干连接筋；

所述管道流速计还包括数据处理电路，所述数据处理电路包括与各个电阻应变片连接的将电阻应变片数据转换成电信号的转换器，以及与各电阻应变片的转换器连接的数据处理器，通过数据处理器将各个转换器输出的电信号进行计算和转换，并通过数据显示器显示出实际流速；

所述固定面包括一个与管道外壁面对应的贴合面，在所述固定面的端部加工有环形开口，构成一个固定环，在两个固定面的固定环之间设置有一个箍紧带。

作为本发明的进一步创新，所述叶轮采用一体铸造制成，与转动轴之间通过螺钉固定。

作为本发明的进一步创新，所述叶轮阵列横向分为中间区和沿层区，所述沿层区位于中间区的两侧，所述沿层区电阻应变片的的灵敏度大于中间区电阻应变片的灵敏度。

作为本发明的进一步创新，在所述固定板和固定面之间设置有减振区，所述减振区的厚度小于固定板、固定面的厚度，减振区为连续的之字形缓冲结构。

作为本发明的进一步创新，在所述固定板和固定面的交界位置设置有一个条形的密封胶块，所述密封胶块与管道壁面接触。

一种固定式叶轮结构的管道流速传感器的使用方法，包括如下若干个步骤：

第一步，安装，在待测流量的管道壁面上切开一个方形的开口，开口面积根据固定基板的在平面上的投影面积进行设置，将本流速计装入到开口内，使得叶轮伸入到管道内，将固定面通过粘合剂或者螺钉固定到管道的壁面上；

第二步，测试，打开管道的通路，使得管道内填充有一定流速的流体，且保证扰流片至少有百分之50,处于流体介质内，且开口与流速计之间不发生泄漏；

第三步，数据采集，将流体的速度增大至正常工作状态，使得正常工作状态下的流体对叶轮产生扰动，使得叶轮处于一定摆动状态下，通过叶轮的摆动带动转动轴转动，使得电阻应变片扭曲，通过对各电阻应变片数据的收集，可以获得叶轮的摆动程度和摆动频率，通过相关计算式即可获得流体在不同流层位置的流速。

本发明的有益效果是：

1、本结构通过在管道内安装若干个叶轮，通过不同流速流体对叶轮上叶轮片扰动影响不同的原理，实现对流速的测量，相比于转动式的叶轮流速计，对流体流速的衰减更小，除了叶轮片表面的沿层阻力外，给管路带来的流速影响较小，不会因为单个流速计而影响到整个管路的流速。

2、本结构的叶轮片接触面积大，且通过螺钉连接，整体性强，强度高，不容易发生损坏。

3、膨胀空腔可以使得本流速计应用在一些流体工作压力较高的场合，使得本结构不会因为流体压缩压力变化过大，使得本产品被高压排出。

4、本流速计可以通过切割机对现有管道进行开口并安装，简单方便，不需要拆卸某些管路段，相比于叶轮式，安装复杂度更低。

5、本流速计的固定带可以在一些不方便粘合和螺钉钻孔的管壁上实现流速计的固定。

6、本流速计的减振区可以有效降低扰流片给整体管路带来的抖动影响，相比于转动叶轮式的流速计，更加稳定性。

7、阵列设置的叶轮考虑到了管路内不同位置管道沿层阻力不同，流速也不同的问题，为了保证流速，为了补偿叶轮不同位置的扰流影响较不同可能导致管路壁面位置流速检测不准确的问题，本结构改良了不同位置振动片传感器的精度，控制了成本，保证了整个设备的精度。

8、封闭外壳可以在流速计处于一些环境较差的工况时，保证压力传感器不受水汽、空气和一些活性气体的腐蚀，也不容易受外界压力的影响。

9、本结构主要利用叶轮片扰动时带动转动轴的转动区间大小来识别流速，所以对于叶轮的制造时的精度要求更低，相比于质量平衡要求度较高的叶轮式流速计，本结构品控要求更低，可以有效降低制造成本，缩短制造时间。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的剖面示意图。

图中：1、叶轮；2、固定板；3、固定面；4、减震区；5、连接筋；6、封闭外壳；7、气嘴；8、电阻应变片；9、转动轴；10、密封胶块；11、膨胀卡扣；12、固定环；13、箍紧带；14、固定带；A中间区；B、沿层区。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1，一种固定式叶轮结构的管道流速传感器，包括固定基板，所述固定基板包括一个固定板和位于固定板两边的固定面，其中在所述固定板上安装有扰流叶轮阵列机构；

所述扰流叶轮阵列机构包括安装在固定板一侧面的若干个转动轴，在所述固定板上设置有若干台阶式的转动孔，所述转动轴的端部设置有一个卡接在转动孔台阶面上的环形凸起部，在所述转动孔内设置有一个固定座，在转动轴内部设置有一个转动座，在所述固定座和转动座之间设置有电阻应变片，在所述转动轴的端部还固定有一个叶轮，所述叶轮包括一个与管道流体轴线平行的叶轮轴，叶轮轴垂直固定在转动轴上，在所述叶轮轴上环形阵列固定有若干叶轮片，所述叶轮片带动转动轴转动，所述叶轮采用一体铸造制成，与转动轴之间通过螺钉固定；

在所述固定面上部还设置有一个封闭外壳，所述封闭外壳边缘与固定板之间封闭连接，在所述封闭外壳与固定板之间设置有一个膨胀空腔，在固定板朝向扰流片的两端设置有两个凸起的膨胀卡扣，在所述膨胀空腔内填充有高压惰性气体，所述膨胀卡扣在膨胀空腔的驱动下卡紧在管道壁面的开口上；

在所述封闭外壳与固定板之间设置有若干连接筋；

所述管道流速计还包括数据处理电路，所述数据处理电路包括与各个电阻应变片连接的将电阻应变片数据转换成电信号的转换器，以及与各电阻应变片的转换器连接的数据处理器，通过数据处理器将各个转换器输出的电信号进行计算和转换，并通过数据显示器显示出实际流速；

所述固定面包括一个与管道外壁面对应的贴合面，在所述固定面的端部加工有环形开口，构成一个固定环，在两个固定面的固定环之间设置有一个箍紧带。

所述叶轮阵列横向分为中间区和沿层区，所述沿层区位于中间区的两侧，所述沿层区电阻应变片的的灵敏度大于中间区电阻应变片的灵敏度。

在所述固定板和固定面之间设置有减振区，所述减振区的厚度小于固定板、固定面的厚度，减振区为连续的之字形缓冲结构。

在所述固定板和固定面的交界位置设置有一个条形的密封胶块，所述密封胶块与管道壁面接触。

一种固定式叶轮结构的管道流速传感器的使用方法，包括如下若干个步骤：

第一步，安装，在待测流量的管道壁面上切开一个方形的开口，开口面积根据固定基板的在平面上的投影面积进行设置，将本流速计装入到开口内，使得叶轮伸入到管道内，将固定面通过粘合剂或者螺钉固定到管道的壁面上；

第二步，测试，打开管道的通路，使得管道内填充有一定流速的流体，且保证扰流片至少有百分之50,处于流体介质内，且开口与流速计之间不发生泄漏；

第三步，数据采集，将流体的速度增大至正常工作状态，使得正常工作状态下的流体对叶轮产生扰动，使得叶轮处于一定摆动状态下，通过叶轮的摆动带动转动轴转动，使得电阻应变片扭曲，通过对各电阻应变片数据的收集，可以获得叶轮的摆动程度和摆动频率，通过相关计算式即可获得流体在不同流层位置的流速。

制造时，首先采用一整个不锈钢板冲压加工获得固定板、固定面以及之字形缓冲结构的缓冲减振区；

随后在冲压后的不锈钢上进行激光切割，获得条形沟槽和环形开口；

之后在固定板上安装焊接引导管，连通引导管钻孔获得台阶孔，并安装转动轴，同时安装电阻应变片，最后在转动轴上安装叶轮；

安装完成后，安装封闭外壳，即可完成产品的生产；

安装时，首先对管道壁进行切割，通过膨胀卡扣，将本传感器卡入到管道的切割开口处，然后套接固定带，再根据具体情形选择不同规格的密封胶条和密封胶片进行本产品的安装和密封调试，安装完成后对膨胀空腔进行充气，使得膨胀空腔内压力与管道内流体工作压力相对持平。

测量时，本结构分为A、B两个区域，分别针对不同的沿层流阻，设计了中间区和沿层区，使得两个区域的电阻应变片的精度不同，在保证流体流速检测的精度的同时，降低了设备的成本；

叶轮的叶轮片受到流体的驱动而发生抖动，在抖动时，扰动的力在转动轴的转动上体现，因为转动，电阻应变片发生扭曲，电阻应变片的电阻值发生变化，通过测量获得的电阻值变化数据可以通过相关的扰流公式转化成实际的局部流速值，再通过相关矩阵变化就可以获得管道内流体的流速和粘度的情况。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种固定式叶轮结构的管道流速传感器，其特征在于：包括固定基板，所述固定基板包括一个固定板和位于固定板两边的固定面，其中在所述固定板上安装有扰流叶轮阵列机构；

所述扰流叶轮阵列机构包括安装在固定板一侧面的若干个转动轴，在所述固定板上设置有若干台阶式的转动孔，所述转动轴的端部设置有一个卡接在转动孔台阶面上的环形凸起部，在所述转动孔内设置有一个固定座，在转动轴内部设置有一个转动座，在所述固定座和转动座之间设置有电阻应变片，在所述转动轴的端部还固定有一个叶轮，所述叶轮包括一个与管道流体轴线平行的叶轮轴，叶轮轴垂直固定在转动轴上，在所述叶轮轴上环形阵列固定有若干叶轮片，所述叶轮片带动转动轴转动；

在所述固定面上部还设置有一个封闭外壳，所述封闭外壳边缘与固定板之间封闭连接，在所述封闭外壳与固定板之间设置有一个膨胀空腔，在固定板朝向扰流片的两端设置有两个凸起的膨胀卡扣，在所述膨胀空腔内填充有高压惰性气体，所述膨胀卡扣在膨胀空腔的驱动下卡紧在管道壁面的开口上；

在所述封闭外壳与固定板之间设置有若干连接筋；

所述管道流速计还包括数据处理电路，所述数据处理电路包括与各个电阻应变片连接的将电阻应变片数据转换成电信号的转换器，以及与各电阻应变片的转换器连接的数据处理器，通过数据处理器将各个转换器输出的电信号进行计算和转换，并通过数据显示器显示出实际流速；

所述固定面包括一个与管道外壁面对应的贴合面，在所述固定面的端部加工有环形开口，构成一个固定环，在两个固定面的固定环之间设置有一个箍紧带。

2.如权利要求1所述的一种固定式叶轮结构的管道流速传感器，其特征在于：所述叶轮采用一体铸造制成，与转动轴之间通过螺钉固定。

3.如权利要求1所述的一种固定式叶轮结构的管道流速传感器，其特征是：所述叶轮阵列横向分为中间区和沿层区，所述沿层区位于中间区的两侧，所述沿层区电阻应变片的的灵敏度大于中间区电阻应变片的灵敏度。

4.如权利要求1所述的一种固定式叶轮结构的管道流速传感器，其特征是：在所述固定板和固定面之间设置有减振区，所述减振区的厚度小于固定板、固定面的厚度，减振区为连续的之字形缓冲结构。

5.如权利要求1所述的一种固定式叶轮结构的管道流速传感器，其特征是：在所述固定板和固定面的交界位置设置有一个条形的密封胶块，所述密封胶块与管道壁面接触。

6.一种如权利要求1所述的一种固定式叶轮结构的管道流速传感器的使用方法，其特征是：包括如下若干个步骤：

第一步，安装，在待测流量的管道壁面上切开一个方形的开口，开口面积根据固定基板的在平面上的投影面积进行设置，将本流速计装入到开口内，使得叶轮伸入到管道内，将固定面通过粘合剂或者螺钉固定到管道的壁面上；

第二步，测试，打开管道的通路，使得管道内填充有一定流速的流体，且保证扰流片至少有百分之50,处于流体介质内，且开口与流速计之间不发生泄漏；

第三步，数据采集，将流体的速度增大至正常工作状态，使得正常工作状态下的流体对叶轮产生扰动，使得叶轮处于一定摆动状态下，通过叶轮的摆动带动转动轴转动，使得电阻应变片扭曲，通过对各电阻应变片数据的收集，可以获得叶轮的摆动程度和摆动频率，通过相关计算式即可获得流体在不同流层位置的流速。