CN108139242A - 隔膜位移流量计 - Google Patents

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Abstract

提供了一种流量计（5），其具有构造成接收过程材料的流的壳体（28）。隔膜（18）布置在壳体（28）中，并且可通过过程材料的流而形变。传感器（48）构造成检测隔膜（18）中的形变，并且流量计（5）构造成测量过程材料的流量。

Description

隔膜位移流量计
技术领域
下面描述的实施例涉及流体流领域，且更具体地说，涉及改进的隔膜位移流量计和相关方法。
背景技术
流量计和流量传感器利用于许多应用中，且举几个例来说，已经被医疗行业、化工行业、汽车行业和食品饮料行业所采用。通常需要具有极低成本的流量计解决方案，并且在一些环境中可能需要一次性流量计。例如，在医疗环境中，流量计可由生物危害物质污染，这需要在使用后进行高压灭菌或处置，这两者都可证明是昂贵的。
可认为是低成本流量计的当前技术包括蠕动泵流量计，涡轮仪表和差压流量计。尽管认为这些仪表是低成本的，但其仍然相对昂贵。除了蠕动泵的管道之外，大体上不会认为这些仪表是一次性的。
众所周知，流率可从蠕动泵获得。通过蠕动泵的流量可作为泵转速的比例计算。流率可通过简单地使转速乘以校准系数来计算。由于管道直径可能不一致，管道的弹性可变化，并且泵的上游和下游两者的压力都可变化，计算出的流率趋向于不准确。此外，通过更换管道，可能需要重新校准，这增加了操作成本。
差压流量计利用管道中的收缩区域，其横跨收缩而产生压降。随着通过流量计的流量增加，压降增加，且可更容易地测量。应用于这种流量计的伯努利方程表明，横跨收缩的压降与流率的平方成比例。通过测量收缩之前和之后的压力，可测量压降并将其与流率相关联。然而，差压传感器通常在低压差/低流率时表现出低准确性。此外，准确性可随着磨损和积聚降低。此外，这些流量计由于其成本而大体上不认为是一次性的。
涡轮流量计在本领域中也是众所周知的，并且用于各种各样的应用中。例如，涡轮放置在流量计本体的圆柱形孔中，并且流体通过该孔，这导致涡轮以基本上与流体流的速率成比例的速率旋转。然而，在低流率下，涡轮速度和流量之间的关系趋于非线性，因此流量计准确性受损。例如，如果使用磁性拾取线圈来检测涡轮的旋转，则在低速下很大程度上不存在足够大到引起可检测的电流变化的磁阻变化。因此，对于低流量系统来说，磁性拾取线圈涡轮流量计是不好的选择。
例如在医疗行业中，需要可用于任何数量的医疗装置的流量计，其中体液在其中通过。一旦医疗过程完成，流量计将需要高压灭菌或将其处理。目前蠕动泵是首选方法，但如上文所提到的，这些装置相对昂贵，不是特别可靠，并且容易出现不准确性。
下面描述的实施例提供了精确、便宜且一次性的流量计。目的是提供用于测量流体流量的准确而又便宜的实施例。目的是提供用于测量流体流量的一次性的实施例。目的是提供用于利用隔膜位移测量流体动量的实施例。本文提供了这些和其他目的，并且实现了本领域的进步。
发明内容
根据实施例提供了一种流量计。 流量计包括构造成接收过程材料流的壳体。隔膜布置在壳体中，其中隔膜可通过过程材料的流而形变。传感器构造成检测隔膜中的形变，并且流量计构造成测量过程材料的流量。
根据实施例提供了测量通过流量计的过程材料的流量的方法。该方法包括提供构造成接收过程材料的流的壳体，该壳体具有布置在其中的隔膜，并且提供构造成检测隔膜中的形变的传感器。该方法还包括使过程材料流过壳体，利用过程材料的流的力使隔膜形变并测量过程材料的流量。
方面
根据一个方面，流量计包括构造成接收过程材料的流的壳体以及布置在壳体中的隔膜，其中隔膜可通过过程材料的流而形变。传感器构造成检测隔膜中的变形，并且流量计构造成测量过程材料的流量。
优选地，隔膜包括感测环。
优选地，传感器构造成检测感测环的位置。
优选地，传感器是磁性传感器。
优选地，传感器是霍尔效应传感器。
优选地，传感器是红外传感器。
优选地，感测环包括含铁部分。
优选地，感测环包括磁性部分。
优选地，流量计包括靠近传感器布置的磁体。
优选地，流量计包括构造成接收流量计的基部。
优选地，传感器布置在基部中。
优选地，隔膜包括构造成允许过程材料流过其中的孔。
优选地，流量计包括构造成检测过程材料的温度的温度传感器。
优选地，温度传感器布置在基部中。
优选地，隔膜包括与包括相关联的数据的流量计一起的数据发送器，以及与基部一起的数据接收器，其中与数据发送器相关联的数据可传送到数据接收器。
优选地，隔膜中的形变与过程材料的流量成比例。
根据一个方面，通过流量计测量过程材料的流量的方法包括：提供构造成接收过程材料的流的壳体，其具有布置在其中的隔膜；提供构造成检测隔膜中的形变的传感器；使过程材料流过壳体；利用过程材料的流的力使隔膜形变；以及测量过程材料的流量。
优选地，隔膜的形变与过程材料的流量成比例。
优选地，该方法包括在隔膜上提供感测环的步骤。
优选地，传感器构造成检测感测环的位置。
优选地，传感器是磁性传感器。
优选地，传感器是霍尔效应传感器。
优选地，传感器是红外传感器。
优选地，感测环包括含铁部分。
优选地，感测环包括磁性部分。
优选地，该方法包括靠近传感器放置磁体的步骤。
优选地，该方法包括提供构造成接收流量计的基部的步骤。
优选地，传感器布置在基部中。
优选地，该方法包括在隔膜中形成孔的步骤，其中该孔构造成允许过程材料流过其中。
优选地，该方法包括提供构造成检测过程材料的温度的温度传感器的步骤。
优选地，温度传感器布置在基部中。
优选地，该方法包括以下步骤：提供与流量计一起的数据发送器；利用数据发送器发送数据；提供与基部一起的数据接收器；以及利用数据接收器接收数据。
附图说明
所有附图上的相同的参考标号表示相同的元件。附图不一定按比例绘制。
图1图示了根据实施例的流量计；
图2图示了也具有基部的图1的流量计的剖视图；
图3A-3D图示了经受增加的流体力的流量计的隔膜；
图4为根据实施例的流量计的图；
图5为根据另一实施例的流量计的图；和
图6为图示了传感器电压与隔膜位移之间的关系的图表。
具体实施方式
图1-6和以下描述描绘了具体示例以教导本领域技术人员如何制作和使用隔膜位移流量计及相关方法的实施例的最佳模式。为了教导发明原理的目的，一些常规方面已简化或省略。本领域技术人员将会理解落入本发明范围内的这些实例的变化。本领域技术人员将会理解，下面描述的特征可以各种方式组合以形成本发明的多种变型。结果，本发明不限于下面描述的具体示例，而仅由权利要求及其等同物限制。
图1和2图示了根据实施例的流量计5。图2图示了图1的流量计5的截面，还示出了基部12。流量计5包括传感器组件10。传感器组件10响应于过程材料的流率。过程材料可为流体、流体混合物、含有颗粒的流体、浆料等。仪表电子设备（未示出）可经由至少引线14,16,60连接到流量计5，以在路径26之上提供流率和温度信息以及与本发明无关的其他信息。传感器组件10可包括隔膜18和附接到隔膜18的至少一个感测环20。在实施例中，隔膜18附接到隔膜安装件22。在另一实施例中，隔膜附接到第一端盖24或第二端盖30。
在实施例中，壳体28位于第一端盖24和第二端盖30之间。在一些实施例中，壳体28可为透明材料。在另一实施例中，壳体28由第一端盖24或第二端盖30或第一和第二端盖24,30的组合限定。在实施例中，壳体28和端盖24,30由例如塑料的便宜材料制造使得认为流量计5是一次性的，但也构想了其他材料，例如金属、聚合物、陶瓷和本领域已知的任何其他材料。温度导管32图示为布置在第一端盖24中，但也构想了其在第二端盖30和/或壳体28中。第一端盖24可具有附接到其上的第一端口36，并且第二端盖30可具有附接到其上的第二端口38。在实施例中，端口36,38中的至少一个由端盖24,30限定。端口36,38相应地提供进出流量计5的流体路径。在实施例中，第二端口38具有大于或等于第一端口36的面积。
温度导管32提供与温度测量装置的流体接触。在实施例中，温度传感器34布置在温度导管32中。在实施例中，热传导材料布置在温度导管32中，该温度导管32可与温度传感器34热连通。在实施例中，温度传感器34包括电阻温度检测器。在实施例中，热传导构件可突出通过端盖24,30以便与过程材料接触并且还从流量计5向外延伸。在实施例中，引线14与温度传感器34连通并且可将温度相关信息提供给计量电子设备或构造成接收温度数据的另一设备。
将过程材料引入到第一端口36中，然后其通过第一端盖24并且接触隔膜18的第一侧40。过程材料的压力导致隔膜18变形，在下文将更全面讨论。隔膜18中的孔42允许过程材料从流量计5的第一腔室44传送到流量计5的第二腔室46。在过程材料通过孔42时，其还可在一些实施例中通过由感测环20限定的第二孔50。进入第二腔室46的过程材料然后可经由第二端口38离开流量计5。
隔膜18使用柔性材料构成。在实施例中，隔膜是橡胶的，但也构想其他塑料、薄膜、聚合物、金属以及本领域已知的合适隔膜材料。随着过程材料流入第一端口36，过程材料对隔膜18施加力，这导致隔膜18朝向第二腔室46位移。由于感测环20附接到隔膜18，所以感测环20也位移。转向图3A-3D，图3A图示了无流状态，而流出现在图3B中，流在图3C中进一步增加，且在图3D中再进一步增加。将显而易见的是，随着流增加，作用在隔膜18上的力增加，这导致偏转增加。在实施例中，作用在隔膜18上的力F可描述为：
(1)
其中：
ρ是流体的质量密度；
V是流速；
A是隔膜的面积；和
CD是阻力系数。
提供传感器48以检测感测环20的偏转。传感器48检测由于感测环20到传感器48的距离变化而发生的磁场变化。在由图4图解地图示的实施例中，感测环20是磁性的，并且随着感测环20由通过流量计5的流体流移位，传感器48检测感测环20的磁场强度的变化。在图5中，感测环20由例如钢的含铁材料制成，例如但不限于此。除了传感器48之外，还提供了磁体52，并且靠近传感器48布置，与感测环20相反。在另外又一实施例中，感测环20是包括磁性部分和非磁性部分的组件。在这些实施例中，非磁性部分可为含铁或非含铁的。传感器48可为霍尔效应传感器，例如但不限于此。在另一实施例中，传感器48机械地检测隔膜18的形变。然而在图5中，磁体52靠近传感器48、与感测环20相反，构想了传感器48和磁体52相对于感测环20的任何相对角度或位置。在另一实施例中，传感器48是红外检测器，并且感测隔膜18的位移。
响应于磁场的变化，可由传感器48产生输出电压，并且这种变化是由于感测环20的位移。在图2中，传感器48示出在基部12中，但是构想了其他位置，诸如壳体28或端盖24,30，例如但不限于此。由于感测环20的位移与流速成比例，并且磁场与感测环20的位移成比例，因此产生与流速成比例的输出电压。将理解的是，流量-位移斜率主要是隔膜18的弹性和孔42,50的尺寸的函数。图6通过提供隔膜18位移测试而图示了这种关系。将清楚的是，在隔膜位移和电压之间存在基本上线性的关系，其由趋势线54指出。将理解的是，响应的线性范围可通过相应地改变隔膜18的尺寸和/或弹性和/或孔42,50的尺寸来调节。
在实施例中，容积流率可从以下等式导出：
(2)
其中：
D是流体的密度；且
V是流速。
与施加在隔膜18上的力成比例的输出电压允许导出流速V。因此，通过将等式（1）代入等式（2），可导出流率：
(3)
这个等式可简化为：
(4)
因此，容积流率可由过程材料流所引起的力导出。
回到图2，在实施例中，基部12包含温度传感器34和传感器48，使得流量计5部分更简单且生产更便宜并且还认为是一次性的。在这些实施例中，温度传感器34经由温度导管32与过程材料热连通，如上文所提到的，温度导管32可包括流体导管和/或热传导材料。类似地，当安装在基部12上时，流量计5可放置在传感器48附近。
在一些实施例中，流量计5具有包含关于流量计5的信息的数据发送器56。基部12可通过数据接收器58收集/读取数据发送器56的信息。数据发送器56的信息可为型号、序列号、仪表规格、仪表兼容性、校准信息或本领域已知的任何其他相关信息中的至少一种。该信息从流量计5经由基部12传递到流量计5和基部12附接到的流量计电子设备或任何系统。数据发送器56可为标签、条形码、RFID标签、SIM卡、集成电路、磁条或任何传送存储的数据的器件。类似地，数据接收器58可为扫描仪、条形码阅读器、RFID阅读器、SIM阅读器、用于接收电子连接的端口、磁条阅读器或用于接收存储的数据的任何其他接口。例如但不限于，流量计5可放置在基部12中，其中附接到流量计5的RFID中的信息由基部中的RFID读取器读取。校准和其他信息传送到与基部12电子连通的设备，因此随着在流率计算中使用适当的校准和模型数据，可计算准确的流量读数。类似地，流量计5的产品规格可被传送到与基部12电子连通的装置。例如但不限于，如果具有与特定的期望使用不相容的流量范围的流量计5安装在基部12中，则可触发通知或警报以提醒用户应该利用具有不同规格的流量计5。
应该注意的是，基部12还可包含存储器、计算机可读介质、集成电路、放大器、滤波器、信号处理器、接口以及用于提供、处理、存储、中继、显示和接收到/来自流量计5和/或到/来自基部12所连接到的装置的信息的任何相关电子设备。
上述实施例的详细描述并非本发明人所构想的在本发明的范围内的所有实施例的详尽描述。实际上，本领域技术人员将认识到，可对上述实施例的某些元件进行各种组合或消除以创造进一步的实施例，并且这样的进一步的实施例落入本发明的范围和教导内。对于本领域的普通技术人员而言还将显而易见的是，可将上述实施例整体或部分地组合以创造本发明的范围和教导内的额外实施例。
因此，虽然为示例目的在本文描述了本发明的特定实施例和用于本发明的示例，但是相关领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内可能有各种等同修改。本文提供的教导可应用于其他装置和方法，而不仅仅适用于上述和附图中示出的实施例。因此，本发明的范围应由所附的权利要求确定。

Claims (32)

1.一种流量计（5），包括：
壳体（28），其构造成接收过程材料的流；
布置在所述壳体（28）中的隔膜（18），其中所述隔膜（18）能够通过所述过程材料的流而变形；
传感器（48），其构造成检测所述隔膜（18）中的形变；且
其中，所述流量计（5）构造成测量所述过程材料的流量。
2.根据权利要求1所述的流量计（5），其特征在于，所述隔膜（18）包括感测环（20）。
3.根据权利要求2所述的流量计（5），其特征在于，所述传感器（48）构造成检测所述感测环（20）的位置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的流量计（5），其特征在于，所述传感器（48）是磁性传感器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的流量计（5），其特征在于，所述传感器（48）是霍尔效应传感器。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的流量计（5），其特征在于，所述传感器（48）是红外传感器。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的流量计（5），其特征在于，所述感测环（20）包括含铁部分。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的流量计（5），其特征在于，所述感测环（20）包括磁性部分。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的流量计（5），其特征在于，还包括布置在所述传感器（48）附近的磁体（52）。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的流量计（5），其特征在于，还包括构造成接收所述流量计（5）的基部（12）。
11.根据权利要求10所述的流量计（5），其特征在于，所述传感器（48）布置在所述基部（12）中。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的流量计（5），其特征在于，所述隔膜（18）包括构造成允许所述过程材料从中流过的孔（42）。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的流量计（5），其特征在于，还包括构造成检测所述过程材料的温度的温度传感器（34）。
14.根据权利要求13所述的流量计（5），其特征在于，所述温度传感器（34）布置在所述基部（12）中。
15.根据权利要求10,11和14中任一项所述的流量计（5），其特征在于，还包括：
与包括相关联的数据的所述流量计（5）一起的数据发送器（56）；和
与所述基部（12）一起的数据接收器（58），其中与所述数据发送器（56）相关联的数据能够被传送到所述数据接收器（58）。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的流量计（5），其特征在于，所述隔膜（18）中的形变与所述过程材料的流量成比例。
17.一种通过流量计测量过程材料的流量的方法，包括：
提供构造成接收过程材料的流的壳体，具有布置在其中的隔膜；
提供构造成检测所述隔膜中的形变的传感器；
使过程材料流过所述壳体；
利用所述过程材料的流的力使所述隔膜形变；和
测量所述过程材料的流量。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述隔膜的形变与所述过程材料的流量成比例。
19.根据权利要求17和18中任一项所述的方法，其特征在于，包括在所述隔膜上提供感测环的步骤。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其特征在于，所述传感器构造成检测所述感测环的位置。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其特征在于，所述传感器是磁性传感器。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述传感器是霍尔效应传感器。
23.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其特征在于，所述传感器是红外传感器。
24.根据权利要求17至22中任一项所述的方法，其特征在于，所述感测环包括含铁部分。
25.根据权利要求17至24中任一项所述的方法，其特征在于，所述感测环包括磁性部分。
26.根据权利要求17至25中任一项所述的方法，其特征在于，包括将磁体靠近所述传感器放置的步骤。
27.根据权利要求17至26中任一项所述的方法，其特征在于，包括提供构造成接收所述流量计的基部的步骤。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述传感器布置在所述基部中。
29.根据权利要求27至28中任一项所述的方法，其特征在于，包括在所述隔膜中形成孔的步骤，其中所述孔构造成允许过程材料从中流过。
30.根据权利要求17至29中任一项所述的方法，其特征在于，包括提供构造成检测所述过程材料的温度的温度传感器的步骤。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述温度传感器布置在所述基部中。
32.根据权利要求27,28和30中任一项所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
提供与所述流量计一起的数据发送器；
利用所述数据发送器发送数据；
提供与所述基部一起的数据接收器；和
利用所述数据接收器接收数据。
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