CN106841669A - 一种弹性应变式管道流速传感器以及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弹性应变式管道流速传感器以及使用方法，包括基板，基板包括一个支撑板和位于支撑板两边的固定面，其中在支撑板固定有扰流片阵列；扰流片阵列包括若干垂直固定在固定基板上的扰流片；扰流片与支撑板之间通过胶圈摆动连接；在扰流片之间设置有压力传感器；在支撑板上部还设置有一个封闭外壳，封闭外壳边缘与支撑板之间封闭连接，在封闭外壳与支撑板之间设置有一个膨胀空腔；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压力传感器数据转换成电信号的转换器，以及与各压力传感器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

一种弹性应变式管道流速传感器以及使用方法

技术领域

本发明涉及一种弹性应变式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，提供一种弹性应变式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：

一种弹性应变式管道流速传感器，包括基板，所述基板包括一个支撑板和位于支撑板两边的固定面，其中在所述支撑板上固定有扰流片阵列；

所述扰流片阵列包括若干扰流片，在所述支撑板上加工有若干条形沟槽，所述扰流片嵌入到条形沟槽内，所述扰流片被支撑板分隔成扰流部和摆动部，所述扰流部的长度大于摆动部，在条形沟槽边缘预留有供扰流片摆动的摆动间隙，在摆动间隙内填充有密封胶圈，所述扰流片通过密封胶圈的表面摩擦力固定在条形沟槽内；

在所述相邻两个扰流片之间同轴固定有两个弧形的弹性变形片，两个弹性变形片镜像设置且弧形的开口相向设置，在所述弹性变形片之间设置有一个柔性变形带，在所述柔性变形带上贴附有电阻应变片；

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固定带；

在所述支撑板上部还设置有一个封闭外壳，所述封闭外壳边缘与支撑板之间封闭连接，在所述封闭外壳与支撑板之间设置有一个膨胀空腔，所述支撑板采用弹性材料制成，在支撑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；

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。

作为本发明的进一步创新，所述扰流片表面设置有连续状的扰流波浪面。

作为本发明的进一步创新，所述各扰流片的摆动部之间以及扰流部之间通过若干个连接器连接，所述连接器包括一个套接在扰流片上的固定套，相邻两个扰流片之间的固定套通过一个柔性连接板连接。

作为本发明的进一步创新，所述扰流片的摆动部端部还设置有用于限位的止滑部，所述止滑部包括一个条形或球形的凸起，凸起的垂直高度大于条形沟槽的宽度。

作为本发明的进一步创新，所述扰流片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，所述中间区的扰流片的扰流部的长度大于沿层区扰流片的长度，所述电阻应变片分别中间区电阻应变片和沿层区电阻应变片，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，在所述支撑板和固定面之间设置有减振区，所述减振区的厚度小于支撑板、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，在所述支撑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。

一种弹性应变式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，使得扰流片伸入到管道内，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扰流片产生扰动，使得扰流片的扰流部处于一定的流体压力和扰动之下，扰流片在受扰动下发生抖动，通过与扰流片的摆动部，在杠杆结构的驱动下，使得摆动部推动弹性变形片变形，使得柔性变形带拉伸或压缩，通过对柔性变形带上电阻应变片数据的收集，可以获得扰流片的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扰流片，通过不同流速流体对扰流片扰动影响不同的原理，实现对流速的测量，相比于叶轮式的流速计，对流体流速的衰减更小，除了扰流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、本结构的扰流片分为扰流部和摆动部，利用杠杆原理，提高设备的灵敏度，对流速变化的感应更加精确。

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、本结构的主要拉伸传感机构采用弧形的变形片进行固定，通过此类四边形的变形结构，可以将微量的扰流片的摆动进行放大，进一步提高设备的灵敏度。

5、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。

6、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。

7、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，相比于叶轮式流速计，更加稳定性。

8、分段式的扰流片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，不同位置的扰流片长度不同，将本流速计对管路流速的影响降至最低，为了补偿不同短扰流片的扰流影响较小可能导致管路壁面位置流速检测不准确的问题，本结构提高了短扰流片处压力传感器的精度，控制了成本，保证了整个设备的精度。

9、本结构考虑到一些异形管路内流体的局部流速区别较大的问题，将各个扰流片之间通过连接器柔性连接，使得各个扰流片之间可以保证一定的同步抖动，以保证流体对流速计的驱动力，保证数据收集的准确性，而且连接器可以防止扰流片发生断裂后脱落至管路内，导致管道上相关设备卡死的问题。

10、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。

11、本结构主要利用扰流片扰动时压力的变化区间大小来识别流速，所以对于扰流片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、扰流片；1-1、扰流部；1-2摆动部；2、固定基板；3、固定面；4、减震区；5、弹性变形片；6、封闭外壳；7、气嘴；8、固定套；9、连接板；10、密封胶块；11、膨胀卡扣；12、固定带；13、柔性变形带；14、止滑部；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1，一种弹性应变式管道流速传感器，包括基板，所述基板包括一个支撑板和位于支撑板两边的固定面，其中在所述支撑板上固定有扰流片阵列；

所述扰流片阵列包括若干扰流片，所述扰流片表面设置有连续状的扰流波浪面，在所述支撑板上加工有若干条形沟槽，所述扰流片嵌入到条形沟槽内，所述扰流片被支撑板分隔成扰流部和摆动部，所述扰流部的长度大于摆动部，在条形沟槽边缘预留有供扰流片摆动的摆动间隙，在摆动间隙内填充有密封胶圈，所述扰流片通过密封胶圈的表面摩擦力固定在条形沟槽内，所述扰流片的摆动部端部还设置有用于限位的止滑部，所述止滑部包括一个条形或球形的凸起，凸起的垂直高度大于条形沟槽的宽度；

在所述相邻两个扰流片之间同轴固定有两个弧形的弹性变形片，两个弹性变形片镜像设置且弧形的开口相向设置，在所述弹性变形片之间设置有一个柔性变形带，在所述柔性变形带上贴附有电阻应变片；

所述各扰流片的摆动部之间以及扰流部之间通过若干个连接器连接，所述连接器包括一个套接在扰流片上的固定套，相邻两个扰流片之间的固定套通过一个柔性连接板连接；

在所述支撑板上部还设置有一个封闭外壳，所述封闭外壳边缘与支撑板之间封闭连接，在所述封闭外壳与支撑板之间设置有一个膨胀空腔，所述支撑板采用弹性材料制成，在支撑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；

所述扰流片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，所述中间区的扰流片的扰流部的长度大于沿层区扰流片的长度，所述电阻应变片分别中间区电阻应变片和沿层区电阻应变片，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。

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固定带；

在所述支撑板和固定面之间设置有减振区，所述减振区的厚度小于支撑板、固定面的厚度，减振区为连续的之字形缓冲结构；

在所述支撑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。

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。

一种弹性应变式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，开口面积根据支撑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，使得扰流片伸入到管道内，将固定面通过粘合剂或者螺钉固定到管道的壁面上并通过固定带进行拉紧；

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扰流片产生扰动，使得扰流片的扰流部处于一定的流体压力和扰动之下，扰流片在受扰动下发生抖动，通过与扰流片的摆动部，在杠杆结构的驱动下，使得摆动部推动弹性变形片变形，使得柔性变形带拉伸或压缩，通过对柔性变形带上电阻应变片数据的收集，可以获得扰流片的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。

本发明主要利用不同流速流体对的扰动不同，通过在不同流速下扰动幅度和频率均不同的扰流片，实现对管道内流体流速的检测，结构简单，无需其余精密的传感器件，制造成本低，维护成本低；

制造时，首先采用一整个不锈钢板冲压加工获得支撑板、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；

之后在条形沟槽内安装密封胶圈，并插入扰流片阵列，针对不同的使用情况，扰流片可以使用碳纤维或者钛合金等硬度较高的材料切割和冲压获得；扰流片阵列安装到位后，套接连接器，并在扰流片之间插接弹性变形片，在弹性变形片的中部设置有固定孔，通过固定孔设置柔性变形带，并放置到压力容器中进行应力释放；

而后，在应力释放完成后的柔性变形带上安装贴片式的电阻应变片，并安装连接电路；

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，使得两个区域的扰流片规格、压力传感器精度都不同，在保证流体流速检测的精度的同时，降低了设备的成本；

扰流片的扰流部受到流体的驱动而发生抖动，在抖动时，扰动的力在力臂较短的摆动部上体现，因为扰动，弹性变形片发生压缩，使得柔性变形带发生拉伸，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。

本产品的结构进步有：

1、本结构通过在管道内安装若干个扰流片，通过不同流速流体对扰流片扰动影响不同的原理，实现对流速的测量，相比于叶轮式的流速计，对流体流速的衰减更小，除了扰流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、本结构的扰流片分为扰流部和摆动部，利用杠杆原理，提高设备的灵敏度，对流速变化的感应更加精确。

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、本结构的主要拉伸传感机构采用弧形的变形片进行固定，通过此类四边形的变形结构，可以将微量的扰流片的摆动进行放大，进一步提高设备的灵敏度。

5、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。

6、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。

7、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，相比于叶轮式流速计，更加稳定性。

8、分段式的扰流片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，不同位置的扰流片长度不同，将本流速计对管路流速的影响降至最低，为了补偿不同短扰流片的扰流影响较小可能导致管路壁面位置流速检测不准确的问题，本结构提高了短扰流片处压力传感器的精度，控制了成本，保证了整个设备的精度。

9、本结构考虑到一些异形管路内流体的局部流速区别较大的问题，将各个扰流片之间通过连接器柔性连接，使得各个扰流片之间可以保证一定的同步抖动，以保证流体对流速计的驱动力，保证数据收集的准确性，而且连接器可以防止扰流片发生断裂后脱落至管路内，导致管道上相关设备卡死的问题。

10、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。

11、本结构主要利用扰流片扰动时压力的变化区间大小来识别流速，所以对于扰流片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。

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 (8)

1.一种弹性应变式管道流速传感器，其特征在于：包括基板，所述基板包括一个支撑板和位于支撑板两边的固定面，其中在所述支撑板上固定有扰流片阵列；

所述扰流片阵列包括若干扰流片，在所述支撑板上加工有若干条形沟槽，所述扰流片嵌入到条形沟槽内，所述扰流片被支撑板分隔成扰流部和摆动部，所述扰流部的长度大于摆动部，在条形沟槽边缘预留有供扰流片摆动的摆动间隙，在摆动间隙内填充有密封胶圈，所述扰流片通过密封胶圈的表面摩擦力固定在条形沟槽内；

在所述相邻两个扰流片之间同轴固定有两个弧形的弹性变形片，两个弹性变形片镜像设置且弧形的开口相向设置，在所述弹性变形片之间设置有一个柔性变形带，在所述柔性变形带上贴附有电阻应变片；

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固定带；

在所述支撑板上部还设置有一个封闭外壳，所述封闭外壳边缘与支撑板之间封闭连接，在所述封闭外壳与支撑板之间设置有一个膨胀空腔，所述支撑板采用弹性材料制成，在支撑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；

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。

2.如权利要求1所述的一种弹性应变式管道流速传感器，其特征在于：所述扰流片表面设置有连续状的扰流波浪面。

3.如权利要求1所述的一种弹性应变式管道流速传感器，其特征在于：所述各扰流片的摆动部之间以及扰流部之间通过若干个连接器连接，所述连接器包括一个套接在扰流片上的固定套，相邻两个扰流片之间的固定套通过一个柔性连接板连接。

4.如权利要求1所述的一种弹性应变式管道流速传感器，其特征是：所述扰流片的摆动部端部还设置有用于限位的止滑部，所述止滑部包括一个条形或球形的凸起，凸起的垂直高度大于条形沟槽的宽度。

5.如权利要求1所述的一种弹性应变式管道流速传感器，其特征是：所述扰流片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，所述中间区的扰流片的扰流部的长度大于沿层区扰流片的长度，所述电阻应变片分别中间区电阻应变片和沿层区电阻应变片，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。

6.如权利要求1所述的一种弹性应变式管道流速传感器，其特征是：在所述支撑板和固定面之间设置有减振区，所述减振区的厚度小于支撑板、固定面的厚度，减振区为连续的之字形缓冲结构。

7.如权利要求1所述的一种弹性应变式管道流速传感器，其特征是：在所述支撑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。

8.一种如权利要求1所述的一种弹性应变式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，使得扰流片伸入到管道内，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扰流片产生扰动，使得扰流片的扰流部处于一定的流体压力和扰动之下，扰流片在受扰动下发生抖动，通过与扰流片的摆动部，在杠杆结构的驱动下，使得摆动部推动弹性变形片变形，使得柔性变形带拉伸或压缩，通过对柔性变形带上电阻应变片数据的收集，可以获得扰流片的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。