CN110274085B - 一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置，包括阀芯、阀体、线圈、W形钢套、第一导磁柱和第二导磁柱；阀体形成顶部和前后开口的腔体，阀芯位于腔体内并可作水平旋转运动；阀芯设有连接阀体前后开口的水平通孔；阀芯包括相对放置的U形第一电极、第二电极，并通过第一导电塑料和第二导电塑料和印刷电路板电连接；线圈置于W形钢套的W形腔体内，位于阀体的下方，之间设有导磁板；第一导磁柱、第二导磁柱分别位于阀体的左右两侧，下部分别和W形钢套的左右两侧连接,上部和阀体上方的导磁盖左右两侧连接。本发明局部闭合磁路，外部导磁体的影响小，磁场分布均匀，介质流形影响小，工艺简单、成本低，电极信号不漏电精度更好。

Description

一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置

技术领域

本发明所述的一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置，涉及流量测量和控制领域，特别涉及热计量、水计量、污水计量等需要低功耗、低成本的流量测量和控制领域。本发明适用于平衡热量表、热量表/冷量表、水表、污水表等户用仪表，其原理和结构也适用于其他需要流量测量和控制的通用领域。

背景技术

电磁流量计是一种基于法拉第电磁感应原理的流量测量仪表，其基本原理是：当带有导电介质的流体通过磁场时，流体切割磁力线，在磁场的垂直方向上产生感应电势，感应电势的幅度和流体的流速成正比，从而获得流体的流速，进而获得流体的流量。为了产生磁场，在测量管的周围，安装有励磁线圈，所产生的磁场穿过流体，从而在流体中产生感应电势，在感应电势的正负极位置安装电极，即可测量感应电势的大小。电磁流量计在流量测量中有广泛的应用，具有测量精度高、线性度好、测量管内无构造件、抗污染物等优势。

阀是用于控制流体流速的装置，根据结构形式的不同有球阀、蝶阀、闸阀等。阀的主要部件包括阀芯和阀体，阀芯位于阀体内，可相对阀体旋转或移动，从而实现阀的开通和关闭。对于内置电磁流量传感器的控制阀，一般采用圆柱形阀芯，阀芯有一水平通孔，连接阀体的前后开口。阀芯相对阀体作水平旋转，从而改变阀芯水平通孔和阀体前后开口的相对位置，起到流速控制的目的。

现有技术的电磁式流量传感器和阀的一体化装置，CN103267552A “阀门和电磁流量计一体化装置及其应用”公开了一种布置结构，线圈放置在U形或W形导磁钢套内，并放置在阀芯下方，导磁板位于阀芯水平通孔中间，提高了测量区域的磁场强度。CN102840357A“流量测量和控制一体化装置”公开了另一种结构，线圈放置阀芯下方，导磁板放置在阀芯通孔的上部，从而简化了阀芯的制造工艺。现有技术，导磁板均位于阀芯内，由于阀芯和线圈之间被阀体隔开，导磁板和线圈的磁路之间无法用导磁材料连接形成局部闭合磁路，导致通孔内的磁场容易受外部导磁材料的干扰，从而影响了测量值。

现有技术的线圈放置在U形或W形的导磁钢套内，为了保证线圈所需要的绕线空间，线圈中部的导磁钢套或导磁体的宽度往往小于通孔的宽度，导致阀芯水平通孔内的磁场分布不均匀，测量时容易受水平通孔内流体流形的影响，因此阀芯的前后需要更长的直管改善流体的流形，这样就提高了现场的使用要求。在流量测量中，管道内存在构造物、弯管、内径变化等因素，会使流体产生不规则的紊流，当流体经过阀芯的水平通孔时，紊流会造成信号的误差，因此对于流量测量往往需要在流量传感器的前后保留一定长度的直管，以减少紊流的影响。对于电磁式流量传感器而言，磁场分布越均匀，紊流造成的误差就越小，因此，提高磁场的分布均匀度，有利于提高传感器的精度。

现有技术阀芯内置导磁板的方法，需要避开电极引线放置导磁板，工艺复杂，制造成本高。CN103267552A “阀门和电磁流量计一体化装置及其应用”在阀芯水平通孔的中部设置导磁板，CN102840357A “流量测量和控制一体化装置”将导磁板放置阀芯通孔的上部，这种在阀芯中设置导磁板的方式，均增加了阀芯的制造难度。

现有技术的电极下端通常布置在水平通孔的中部，而对于采用单只线圈放置在阀芯下方的磁路结构，未必是最佳的布置位置，从而影响了电极信号的强度和精度。另外，CN102840887A “电磁流量计的电极装置”的电极为水平布置，外侧通过导电塑料连接印刷电路板，由于导电塑料的电导率低，需要设计更大的尺寸，导致导电塑料的外侧绝缘性能不佳，容易导致外侧漏电从而影响电极信号的强度和精度。

现有技术的电磁式流量传感器和阀的一体化装置，随着城市集中供暖热计量的发展，在现有技术的基础上，改善阀芯的制造工艺、解决外部导磁体对传感器的影响、降低现场使用要求，以提供低功耗、低成本的电磁式流量传感器和阀的一体化装置。

综上所述，现有技术的电磁式流量传感器和阀的一体化装置存在以下问题：

1)阀芯内部放置导磁体的方式，外磁路不是闭合磁路，容易受外部导磁体的干扰；

2)通孔内的磁场分布不均匀，容易受介质流形影响，从而使用要求高；

3)阀芯内部放置导磁板的方式，工艺复杂、成本高；

4)电极和导电塑料的现有布置方式，影响电极信号强度和精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置，解决现有技术容易受外部导磁体干扰、工艺复杂、使用要求高、提高电极信号精度的问题，特别是解决电磁式平衡热量表的技术问题。

一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置，包括阀芯、阀体、线圈、W形钢套、第一导磁柱和第二导磁柱；阀体形成顶部和前后开口的腔体，阀芯位于腔体内并可以相对于阀体作水平旋转；阀芯设有连接阀体前后开口的水平通孔；阀芯上部设有连接杆从阀体的顶部开口伸出；阀芯包括有第一电极、第二电极，分别位于水平通孔的左右两侧；线圈置于W形钢套的W形腔体内，位于阀体的下方；第一导磁柱、第二导磁柱分别位于阀体的左右两侧，下部分别和W形钢套的左右两侧接近或接触，以便导磁。所述W形钢套、第一导磁柱和第二导磁柱为磁导体。

所述阀体底部和W形钢套之间设有导磁板，导磁板为磁导体。

所述导磁板的宽度大于阀芯水平通孔底面的宽度。

所述导磁板的宽度大于W形钢套中部凸起顶面的宽度。

所述阀体的上方设有导磁盖，第一导磁柱和第二导磁柱的上部分别和导磁盖的左右两侧接触，导磁盖为磁导体。

所述第一电极、第二电极为相对放置的U形电导体。

所述阀芯进一步设有印刷电路板、第一导电塑料和第二导电塑料，第一电极和第二电极的上部分别通过第一导电塑料和第二导电塑料，和印刷电路板的左右两侧实现电连接。

所述第一电极和第二电极的下部末端，位于阀芯水平通孔的中偏下位置。

所述第一导磁柱和第二导磁柱为导磁的螺杆。

所述阀体的材料包括有含碳纤维的导电塑料。

本发明提供了一种在阀体周围增加导磁柱，无需在阀芯内设置导磁板的导磁体布置方法，从而简化了阀芯的制造工艺。本发明在W形钢套的两侧增加导磁柱，在阀体的上部增加导磁盖，并且导磁柱的下部和W形钢套之间，导磁柱的上部和导磁盖之间，保持尽可能小的间隙，从而形成局部闭合磁路；这种导磁体的布置方式，导磁柱位于阀体的外侧，和电极的布置不冲突，避免了在阀芯中设置导磁板，制造工艺相对简单。

根据本发明的另一方面，提供了一种简单的局部闭合磁路布置方法，从而降低外部导磁体对测量的影响。本发明在W形钢套的两侧增加导磁柱，在阀体的上部增加导磁盖，并且导磁柱的下部和W形钢套之间，导磁柱的上部和导磁盖之间，保持尽可能小的间隙，从而形成局部闭合磁路。并且，本发明的导磁柱进一步采用导磁的螺杆，为阀体紧固所需的结构件，并且常规的螺杆均有导磁能力，因此，本发明的导磁柱并不增加零件和成本。由于螺杆可以实现和W形钢套、导磁盖的紧固配合，因此可以形成理想的局部闭合磁路，从而有效减少外部导磁体对阀芯水平通孔内磁场强度的干扰。现有技术，未见有在阀体四周增加导磁柱，形成局部闭合磁路的方法。

根据本发明的另一方面，提供了一种在阀体底部和W形钢套之间增加导磁板，改善阀芯水平通孔内磁场分布的布置方法。由于W形钢套内需要一定的空间容纳线圈，因此，W形钢套的中部导磁体宽度不能过大，无法大于阀芯水平通孔的宽度，这导致了水平通孔内的磁场分布不均匀。本发明通过增加一个导磁板的方式，导磁板的宽度大于阀芯水平通孔的宽度，不仅改善了水平通孔内的磁场分布，而且保证W形钢套内线圈所需的空间。

根据本发明的另一方面，提供了一种阀芯内部电极和导电塑料的布置，从而改善电极信号强度和精度的方法。本发明采用U形的电极，并且将导电塑料布置在通孔上部，由于电极通常为不锈钢等金属材料制造，体积较小，电极外侧的绝缘层较厚，从而避免了电极信号的漏电。并且，本发明的电极下部的末端位于阀芯通孔中间偏下的位置，磁场分布强度更大，磁场分布更均匀，电极信号的强度和精度更高。现有技术，未见有在水平通孔上方设置导电塑料，改善电极信号漏电的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)局部闭合磁路，外部导磁体的影响小；

2)磁场分布均匀，介质流形影响小，降低使用要求；

3)阀芯内部无需导磁板，工艺简单、成本低；

4)电极信号不漏电，精度更好。

本发明的任一技术方案不一定能全部实现以上有益效果。

附图说明

图1是本发明一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置实施例的剖面图；

图中，阀芯1、印刷电路板2、第一电极3a、第二电极3b、下阀体4a、上阀体4b、线圈5、W形钢套6、导磁板7、第一螺杆8a、第二螺杆8b、导磁盖9、第一导电塑料10a、第二导电塑料10b。

具体实施方式

参见图1，为本发明一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置实施例的剖面图，包括阀芯单元、阀体单元和励磁单元。

其中阀芯单元包括阀芯1、印刷电路板2、第一电极3a、第二电极3b、第一导电塑料10a、第二导电塑料10b。本实施例的阀芯1位于阀体单元腔体内的外形为圆柱形，内有连接阀体单元腔体前后开口的水平通孔，水平通孔的截面为长方形，也可以采用长圆形、梯形等形状，阀芯1上部的圆柱形连接杆可以驱动阀芯1作水平旋转，同时通过内置的印刷电路板2将电极信号从阀芯1中引出。第一电极3a和第二电极3b为U形，采用不锈钢材料制造，U形开口相对安装在阀芯水平通孔的左右两侧。电极的下端位于水平通孔中间偏下的位置。第一导电塑料10a和第二导电塑料10b采用导电塑料制造，用注塑工艺和阀芯1融合为一体，并嵌入在阀芯1的内部，以防止电极周围渗水进入印刷电路板2。第一导电塑料10a和第二导电塑料10b分别接触印刷电路板2的正反面，以便将第一电极3a、第二电极3b的信号传输至印刷电路板2，印刷电路板2可以包含有信号调理电路。

阀体单元包括下阀体4a、上阀体4b、第一螺杆8a、第二螺杆8b、导磁盖9，形成顶部和前后开口的腔体，阀芯1位于腔体内，本实施例所示的腔体为圆柱形。腔体中的阀芯单元水平旋转，实现阀门的开通和关断，图1所示的阀芯单元位置为阀门的开通状态。下阀体4a、上阀体4b之间的接缝处应密封，如采用橡胶、聚四氟乙烯等材料。上阀体4b上部设置导磁盖9，以提高上阀体4b的强度，并提供磁屏蔽。下阀体4a、上阀体4b和导磁盖9之间，采用第一螺杆8a、第二螺杆8b紧固。第一螺杆8a、第二螺杆8b采用导磁材料制造，如碳钢、导磁不锈钢等，和导磁盖9形成了闭合磁路。阀芯1上部的圆柱形连接杆从阀体腔体的顶部开口处伸出，连接杆和开口之间放置滑动密封件，如油封、密封圈等。下阀体4a采用含碳纤维的导电塑料制造，以提供良好的信号屏蔽能力，防止电极信号受外界电磁场干扰。

励磁单元位于阀体单元的下方，包括线圈5、W形钢套6、导磁板7。线圈5采用通常线圈的绕制方法，将漆包线水平绕制在工字形骨架上，并放置在W形钢套6内。导磁板7位于W形钢套上方，并固定在下阀体4a底部的凹槽内。第一螺杆8a和第二螺杆8b穿过W形钢套外侧的翻边，并将W形钢套固定在下阀体4a上。导磁板7、W形钢套、第一螺杆8a、第二螺杆8b、导磁盖9构成局部闭合磁路，从而对于外部导磁体的干扰不敏感，保证了电极信号的稳定。

本实施例的导磁板7、W形钢套6、第一螺杆8a、第二螺杆8b、导磁盖9为各自独立的部件，构成流量传感器所需的磁路。每个部件也可以由几个更小的导磁和不导磁部件组合而成，也可以将导磁部件局部去除，这种组合和局部去除几乎不影响整体的导磁特性。将一个导磁部件拆分为多个部件、以及局部去除的技术方案，为本领域技术人士所熟知的技术，此类情况亦在本发明的保护范围内。

本实施例的导磁板7、W形钢套6、第一螺杆8a、第二螺杆8b、导磁盖9为各自独立的部件，构成流量传感所需的磁路。在磁路上增加导磁体，并不会显著改善磁路的特性，比如在阀芯中增加导磁体、线圈中心增加导磁体、阀体四周增加导磁螺杆等。在现有磁路的基本结构基础上，增加导磁体的的技术方案，为本领域技术人士所熟知的技术，此类情况亦在本发明的保护范围内。

本实施例的W形钢套更改为U形钢套和中间导磁柱的组合，也是W形钢套的一种方式，该方式是公开的技术，为本领域技术人士所熟知的技术，此类情况亦在本发明的保护范围内。

本实施例的第一螺杆8a、第二螺杆8b设置在阀体的左右两侧，也可以围绕阀体，在阀体两侧设置若干根导磁螺杆，这种增加导磁螺杆的方式，并不改变磁路的基本特性，为本领域技术人士所熟知的技术，此类情况亦在本发明的保护范围内。

本实施例的一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置，将本装置垂直或水平镜像、或旋转任何角度，并不影响本装置的基本技术特征，为本领域技术人士所熟知的技术，此类情况亦在本发明的保护范围内。

尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，本领域技术人员将会理解，根据已经公开的教导和启示，可以对那些细节进行各种修改和替换，这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (7)

1.一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置，其特征在于：所述装置包括阀芯（1）、阀体、线圈（5）、W形钢套（6）、第一导磁柱（8a）和第二导磁柱（8b）；阀体形成顶部和前后开口的腔体，阀芯（1）位于腔体内并可以相对于阀体作水平旋转；阀芯（1）设有连接阀体前后开口的水平通孔；阀芯（1）上部设有连接杆从阀体的顶部开口伸出；阀芯（1）包括有第一电极（3a）、第二电极（3b），分别位于水平通孔的左右两侧；线圈（5）置于W形钢套（6）的W形腔体内，位于阀体（4）的下方；第一导磁柱（8a）、第二导磁柱（8b）分别位于阀体的左右两侧，下部分别和W形钢套（6）的左右两侧接近或接触，以便导磁，所述W形钢套（6）、第一导磁柱（8a）和第二导磁柱（8b）为磁导体；

所述阀体底部和W形钢套（6）之间设有导磁板（7），导磁板（7）为磁导体；

所述导磁板（7）的宽度大于阀芯（1）水平通孔底面的宽度；

所述导磁板（7）的宽度大于W形钢套（6）中部凸起顶面的宽度。

2.如权利要求1所述的一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置，其特征在于：所述阀体的上方设有导磁盖（9），第一导磁柱（8a）和第二导磁柱（8b）的上部分别和导磁盖（9）的左右两侧接触，导磁盖（9）为磁导体。

3.如权利要求1所述的一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置，其特征在于：所述第一电极（3a）、第二电极（3b）为相对放置的U形电导体。

4.如权利要求1所述的一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置，其特征在于：所述阀芯（1）进一步设有印刷电路板（2）、第一导电塑料（10a）和第二导电塑料（10b），第一电极（3a）和第二电极（3b）的上部分别通过第一导电塑料（10a）和第二导电塑料（10b），和印刷电路板（2）的左右两侧实现电连接。

5.如权利要求1所述的一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置，其特征在于：所述第一电极（3a）和第二电极（3b）的下部末端，位于阀芯（1）水平通孔的中偏下位置。

6.如权利要求1所述的一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置，其特征在于：所述第一导磁柱（8a）和第二导磁柱（8b）为导磁的螺杆。

7.如权利要求1所述的一种电磁式流量传感器和阀的一体化装置，其特征在于：所述阀体的材料包括有含碳纤维的导电塑料。

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