CN108709593B - 一种环形涡街流量计量装置、流量计及其流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形涡街流量计量装置、流量计及其流量测量方法，包括测量管道和用于使流体产生环形涡街的发生体，发生体为圆环形，所述发生体位于测量管道内，发生体上设有用于流体流通的流动通道，流动通道一端开口位于发生体的内侧，流动通道的另一端开口位于环形发生体的外侧，流动通道设有多个，每个流动通道内均设有用于检测涡街的热式传感器。本发明能够在测量管道中形成涡线闭合的环形旋涡，解决了测量管道的管壁对涡街的影响，使得测量用的旋涡完整性更好，提高了涡街流量计的测量精度。

Description

一种环形涡街流量计量装置、流量计及其流量测量方法

技术领域

本发明涉及计量方法及器械领域，具体为环形涡街流量计量装置、流量计及其流量测量方法。

背景技术

涡街流量计是根据卡门涡街原理研究生产的测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。传统的涡街流量计主要通过柱状发生体产生涡街并在发生体下方设置有压电式传感器对涡街的频率进行测量得到相应的流量数据。

传统的涡街流量计中的柱状发生体，安装在测量管道测量位置截面的直径处。流体在圆管中流动时，流体的理想状态下为三维轴对称的流态分布，所以沿着柱状发生体的轴向流速是不相同的。在上游阻力件，如阀门或者弯管等的影响下，还会使流速分布产生畸变、旋转等。再加上柱状发生体所产生的旋涡的涡管不是封闭的，两端向流体截面延伸，所以在管壁附近两端被扰乱。这些都会影响柱状发生体分离的涡街的稳定性和规则性，是影响涡街流量计测量精度的主要障碍。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种环形涡街流量计量装置、流量计及其流量测量方法，能够在测量管道中形成涡线闭合的环形旋涡，解决了测量管道的管壁对涡街的影响，使得测量用的旋涡完整性更好，提高了涡街流量计的测量精度。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种环形涡街流量计量装置，包括测量管道和用于使流体产生环形涡街的发生体，发生体为圆环形，所述发生体位于测量管道内，发生体上设有用于流体流通的流动通道，流动通道一端开口位于发生体的内侧，流动通道的另一端开口位于环形发生体的外侧，流动通道设有多个，每个流动通道内均设有用于检测涡街的热式传感器。

为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种环形涡街流量计，本流量计包括了流量计本体和采用上述技术方案的环形涡街流量计量装置。

与现有技术相比，采用了上述技术方案的环形涡街流量计量装置和流量计，具有如下有益效果：

一、采用本发明的环形涡街流量计量装置和流量计，测量管道内形成的环形旋涡的涡线为闭合的，不会向着测量管道管壁延伸，环状旋涡的规则性不会受到管壁影响，保证了旋涡的完整性，确保流量计测量的准确度。

二、本发明中的发生体位环形发生体，流体在流经测量管道和发生体时，环形发生体减少了对流体的阻挡，相应地仪表受到的压力就会减小，一边的压力损失就会减少，能够提高测量的量程和测量精度。

三、通过环形涡街流量计量装置采集到的信号的信噪比高，信号的规则性也更好，具有更高的重复性和稳定性。

四、采用本发明的热式涡街流量计，热式传感器对流体流动带动热能变化更为灵敏，能够测量到传统通过压力计算流量时无法检测到的小流量流体的流动，扩大了流量计的量程。

五、热式传感器位于流动通道内，在安装过程中，对上游的直管道要求条件降低，能够适应更多场合的运用和安装。

为了使得测量管道内的流速的轴对称分布，保证环状发生体周围各占的流速相等，发生体优选地位于测量管道的中部，发生体的圆心与测量管道截面的圆心重合。

优选的，所述发生体上设有三个流动通道，流动通道的轴向延长线均经过环形发生体的圆心。

优选的，所述流动通道均匀分布在环形发生体上，每个流动通道的轴向延长线的夹角为120度。三个流动通道和相应流动通道内的热式传感器时以环形发生体的圆心为对称中心的，这样可以完全地将来自任何方向的管道振动相互抵消，避免测量管道的振动对测量结果的影响，具有更强的抗干扰性。

优选的，所述热式传感器位于流动通道的中部。

优选的，所述发生体通过固定支架固定在测量管道上，所述固定支架包括三根支撑杆，三根支撑杆的轴向延长线均通过发生体的圆心，支撑杆延长线之间的夹角为120度。

为了实现上述发明目的，本发明还采用了以下技术方案：一种运行上述的环形涡街流量计量装置的流量测量方法：

所述待测量流体通过环形的所述发生体形成环形涡街信号，

环形涡街信号通过发生体内的多个流动通道传递到每个流动通道内的相应热式传感器上，并且不同流动通道内相应的热式传感器检测到同一环形涡街信号在不同流动通道内流动的多组频率信号，

由多组频率信号通过整合和修正确定频率修正信号，

借助于换算公式由所得的频率修正信号确定穿过所述环形涡街流量计量装置的流量值。

优选的，所述环形涡街信号通过三个流动通道和相应三个热式传感器确定三组频率信号。

与现有技术相比，上述技术方案的运行环形涡街流量计量装置的测量方法，具有如下有益效果：

一、采用本发明的测量方法，利用发生体产生环形旋涡后进行测量，环形旋涡不会向着测量管道管壁延伸，环状旋涡的规则性不会受到管壁影响，保证了旋涡的完整性，确保涡街流量测量方法的准确度。

二、通过环形涡街流量计量装置采集到的信号的信噪比高，信号的规则性也更好，具有更高的重复性和稳定性。

三、利用热式传感器代替传统涡街流量计中的压电晶体作为传感器，热式传感器中对流体流动带动热能变化更为灵敏，能够测量到传统通过压力计算流量时无法检测到的小流量流体的流动，扩大了对流体流量的测量范围。

四、将流体流动转化为温度的变化，免去了传统测量方法中需要对压力进行修正的步骤，使得测量的过程更加精简。

五、本发明是通过热式传感器测量得到的温差变化的频率来计算涡街的频率从而计算出流体的流量，在计量采样过程中，需要用的数据是温度变化的频率，而不是具体的温度差值，采用本发明的小流量流体的测量方法，不需要对热式传感器进行温度的修正，简化了测量的步骤。

六、本发明的测量方法只需要温度变化的频率值，对具体的温差值要求不高，具体温差很容易受到外界的影响而变化，但是温度变化的频率受影响程度小，使得测量结果更加精准。

附图说明

图1为本发明一种环形涡街流量计量装置实施例的结构示意图；

图2为本实施例中发生体的结构示意图；

图3为图1中A-A的截面示意图。

附图标记：1、测量管道；2、发生体；3、流动通道；4、热式传感器；5、支撑杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1为本实施例中环形涡街流量计量装置的结构图和涡街测量方法的原理图，图1中的箭头方向为测量管道1内流体的流动方向，在测量管道1的中部设有环形发生体2，发生体2位于测量管道1的中部。发生体2的圆心与测量管道1截面的圆心重合。气流在经过环形发生体2后形成涡街，涡街由多个规则交错的旋涡组成。如图1和图2中所示，旋涡为环形旋涡，旋涡的涡线为封闭的圆形。交错的旋涡分为内外套设的两层旋涡，内侧的旋涡位于环形发生体2的内侧，外侧的旋涡位于环形发生体2的外侧，产生的内外两层的旋涡和环形发生体2的圆心互相重合。为了保证环状发生体2能够稳定地固定在测量管道1中，并且最大程度地减少发生体2支撑对产生的涡街规则性的影响，发生体2通过固定支架固定在测量管道1上，所述固定支架包括三根支撑杆5，三根支撑杆5的轴向延长线均通过发生体2的圆心，支撑杆5延长线之间的夹角为120度。

图2为本实施例中发生体2的结构示意图，发生体2上同时设置了三个流动通道3，流动通道3一端开口位于发生体2的内侧，流动通道3的另一端开口位于环形发生体2的外侧，并且每个流动通道3内均设置了相应的热式传感器4对流经流动通道3的流体进行检测。在本实施例中，热式传感器4采用MEMS传感器。三个流动通道3的轴向延长线均经过发生体2的圆心，且均匀分布在环形发生体2上。图3为图1中A-A的截面图，也就是测量管道1和发生体2的横向截面图，从图3中可以看出发生体2上的三个流动通道3的轴向延长线的夹角为120度。每个流动通道3内的热式传感器4均位于流动通道3的中部，三个热式传感器4与发生体2圆心的连线之间的夹角也为120度。为了使得发生体2的支架不会影响到热式传感器4对旋涡的测量，三个支撑杆5和三个热式传感器4相互交错均匀间隔，保证热式传感器4检测到的外侧的涡街的规则性不会被支撑杆5破坏。

测量管道1内的流体在发生体2的迎流面的作用下产生的有规律的旋涡沿着发生体2的内外两侧向下游流动，在流动经过发生体2上的流动通道3时，单个旋涡中的流体就会向流动通道3内流动。流动通道3的中部设置了一个热式传感器4，热式传感器4包括了中间的加热体和加热体两边的温度传感器。单个旋涡的流体从流动通道3的一端流动到另一端，则会在流动通道3内形成相对加热体的上游和下游。加热体的上游设有两个上游温度传感器，下游同样设置了两个下游温度传感器，上下游的温度传感器都是以加热体为中心对称设置的，上下游均设置有两个温度传感器，采用二次温差测热式流量的测量方法对此处的温差进行测量，能够很好的避免传统热敏传感器测量范围小和噪声的问题。

单个旋涡流进流动管道并流经加热体后，加热体周围的热量会因为流体流动发生变化，此时温度传感器检测到温度变化，产生温差数据记录一次旋涡。流体在流经发生体2后产生的旋涡是有规则的左右交替的，所以外侧的旋涡经过后，另一侧的旋涡会从流动通道3的另一端开口流入流动通道3内，流动通道3内的流体流动方向会发生调转，相对加热体产生新的上游和下游；也就是说，上述加热体的上下游是相对的，可以相互转换的。

每个热式传感器4检测到温度变化后就会进入到下一步的转换和计算中，检测到的温差转化为电压信号。本实施例中，发生体2上的三个热式传感器4会同时对同一流量进行检测，在理想状态下，三个热式传感器4上得到的电压信号是一样的，但是受到流体流速、共振和发生体2支撑架的影响，三个热式传感器4最终得出的电压信号不会完全一致，对接收到的三组信号进行对比和适当的修正即可。三组数据之间进行对比和修正，能够保证流量计在计量过程中的精确度。

上述的环形涡街流量计量装置运用在流量计中，对流过流量计的流量进行检测。下面对运行上述环形涡街流量计量装置和流量计对流体流量进行检测的测量方法进行进一步阐述：

待测量流体在测量管道1中流动，在流动过程中通过环状发生体2形成内外两层的环形旋涡信号，多个环形旋涡构成一组规则交错的涡街，单个旋涡的涡线为封闭的环形，环形旋涡流过的发生体2上规律设置的三个测量管道1内的三个加热体。

环形涡街信号通过发生体2内的三个流动通道3传递到每个流动通道3内的相应热式传感器4上，并且不同流动通道3内的热式传感器4通过同时检测同一环形涡街信号在不同流动通道3内的流动确定三组频率信号。热式传感器4通过上游温度传感器42和下游温度传感器43检测到的所述涡街信号在流动通道3内多次改变加热体2周边温度差的温差信号确定频率信号。其中，当流动通道3内的流体发生流动后，加热体上游和下游的温度发生改变，使上下游均产生温差。上下游的温度传感器将检测到的温度差转换为电压信号，将单个旋涡能够使温度传感器检测到一次温度差，当流体在发生体2附近产生一系列旋涡时，温度传感器就能检测到多个涡街信号，转换为多个电压信号，形成一组电压信号。三个热式传感器4总共收集到三组略有不同的电压信号，通过对三组电压信号进行修正得到一组能够代表涡街频率的频率修正信号。频率修正信号经过处理器处理就是流量计检测到的涡街的频率值。得到流体流动产生的涡街的频率后，借助于换算公式由所得的频率修正信号确定穿过所述环形涡街流量计量装置的流量值。

以上所述使本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种环形涡街流量计量装置，包括测量管道(1)，其特征在于：还包括用于使待测量流体产生环形涡街的发生体(2)，所述发生体(2)为环形，所述发生体(2)位于测量管道(1)内，发生体(2)上设有用于流体流通的流动通道(3)，流动通道(3)一端开口位于环形发生体(2)的内侧，流动通道(3)的另一端开口位于环形发生体(2)的外侧，流动通道(3)设有多个，每个流动通道(3)内均设有用于检测涡街的热式传感器(4)。

2.根据权利要求1所述的环形涡街流量计量装置，其特征在于：所述发生体(2)位于测量管道(1)的中部，发生体(2)的圆心与测量管道(1)截面的圆心重合。

3.根据权利要求1所述的环形涡街流量计量装置，其特征在于：所述发生体(2)上设有三个流动通道(3)，流动通道(3)的轴向延长线均经过环形发生体(2)的圆心。

4.根据权利要求3所述的环形涡街流量计量装置，其特征在于：所述流动通道(3)均匀分布在环形发生体(2)上，每个流动通道(3)的轴向延长线的夹角为120度。

5.根据权利要求1所述的环形涡街流量计量装置，其特征在于：所述热式传感器(4)位于流动通道(3)的中部。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的环形涡街流量计量装置，其特征在于：所述发生体(2)通过固定支架固定在测量管道(1)上，所述固定支架包括三根支撑杆(5)，三根支撑杆(5)的轴向延长线均通过发生体(2)的圆心，支撑杆(5)延长线之间的夹角为120度。

7.一种环形涡街流量计，包括流量计本体，其特征在于：所述本体内设有如权利要求1～6任意一项所述的环形涡街流量计量装置。

8.一种用于权利要求1至6中任一项所述的环形涡街流量计量装置的流量测量方法，其特征在于：

所述待测量流体通过环形的所述发生体(2)形成环形涡街信号，

环形涡街信号通过发生体(2)内的多个流动通道(3)传递到每个流动通道(3)内的相应热式传感器(4)上，并且不同流动通道(3)内相应的热式传感器(4)检测到同一环形涡街信号在不同流动通道(3)内流动的多组频率信号，

由多组频率信号通过整合和修正确定频率修正信号，

借助于换算公式由所得的频率修正信号确定穿过所述环形涡街流量计量装置的流量值。

9.根据权利要求8所述的流量测量方法，其特征在于：所述环形涡街信号通过三个流动通道(3)和相应三个热式传感器(4)确定三组频率信号。