CN111307228A - 一种模块化压力位差式层流流量传感元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化压力位差式层流流量传感元件。包括壳体和安装在壳体上的取压管座，其特征在于所述取压管座包括第一取压管座和第二取压管座，所述壳体上设有第一贯通孔道和第二贯通孔道，第一贯通孔道和第二贯通孔道内分别安装有多个毛细管组件，第一贯通孔道内毛细管组件之间形成第一取压腔室，第二贯通孔道内毛细管组件之间形成第二取压腔室，第一取压管座与第一取压腔室连通，第二取压管座与第二取压腔室连通。在传感元件壳体不变的情况下，通过调整毛细管直径和数量可改变传感元件的流量测量范围。这种模块化设计的压力位差式层流流量传感元件具有结构紧凑、型式统一、易于系列化和性能可靠的特点，适合于高精度流量测量需求。

Description

一种模块化压力位差式层流流量传感元件

技术领域

本发明涉及流量测量技术领域，具体为一种模块化压力位差式层流流量传感元件。

背景技术

层流流量计具有无可动部件、量程比宽、测控准确、能够进行瞬时流量测量等优点，在微小气体流量测量和瞬时气体流量测量具有相当的优势。

层流流量计是基于哈根-伯肃叶定律工作的，即流经测量流道的流量与层流元件进出口两截面的压差是成线性关系的。但是，流量与压差的线性关系只有在充分发展层流流动情况下才成立。典型的层流流量传感器结构如图5所示，主要由传感器壳体19、层流阻流件21、整流器22、取压管座20组成。对于这种结构，层流元件进出口流动损失和层流元件入口段流动损失等非线性流动损失不可避免，因此，流量和差压不能保证很好的线性。当然，增大毛细管长径比可提高传感器的线性度，对同时会增大传感器尺寸和压损，应用受到一定限制。

为了进一步提高层流传感元件的线性，研究者提出了压力位差式层流流量测量方法。这种方法可以消除流体进出毛细管损失和毛细管层流入口段流动损失，具有更好的线性，应用前景广阔。本向发明的目的是针对压力位差式层流流量测量传感技术进行实用化设计，推动该技术进入实际应用。

发明内容

为了将压力位差式层流流量测量技术用于实际，设计线性好、结构紧凑、易于系列化的传感器结构型式，提出了本项发明。具体如下：

一种模块化压力位差式层流流量传感元件，包括壳体和安装在壳体上的取压管座，所述取压管座包括第一取压管座和第二取压管座，所述壳体上设有第一贯通孔道和第二贯通孔道，第一贯通孔道和第二贯通孔道内分别安装有多个毛细管组件，第一贯通孔道内毛细管组件之间形成第一取压腔室，第二贯通孔道内毛细管组件之间形成第二取压腔室，第一取压管座与第一取压腔室连通，第二取压管座与第二取压腔室连通，第一取压腔室和第二取压腔室位置不同。

进一步的，所述的第一贯通孔道内安装有第一毛细管组件和第三毛细管组件，第一毛细管组件和第三毛细管组件之间构成第一取压腔室，第二贯通孔道内安装有第二毛细管组件和第四毛细管组件，第二毛细管组件和第四毛细管组件之间构成第二取压腔室。

进一步的，所述第一毛细管组件和第四毛细管组件为短组件，第二毛细管组件和第三毛细管组件为长组件，第一毛细管组件、第四毛细管组件、第二毛细管组件和第三毛细管组件位置交叉对称，在第一贯通孔道和第二贯通孔道内第一毛细管组件与第二毛细管组件安装位置对应，第三毛细管组件和第四毛细管组件安装位置对应。

进一步的，所述壳体是在一整块材料上加工而成，设有第一取压管座安装孔和第二取压管座安装孔，第一取压管座安装孔对应第一贯通孔道并与其联通，第二取压管座安装孔对应第二贯通孔道并与其联通，在中部位置开有一个温度传感器探头安装孔，所述温度传感器探头安装孔不与第一贯通孔道和第二贯通孔道联通，用于安装温度传感器探头。

进一步的，所述毛细管组件由不锈钢管壳、数根毛细管和两个毛细管支撑块组成，支撑块安装在不锈钢管壳两端，利用支撑块上小孔位置设计实现毛细管的有序排列。

进一步的，在传感元件壳体不变的情况下，通过调整毛细管组件中毛细管直径和数量可改变传感元件的流量测量范围，实现不同规格的传感元件设计。

进一步的，所述第一贯通孔道和第二贯通孔道中第一取压腔室和第二取压腔室位置孔道直径比毛细管组件安装位置直径略小，相差毛细管组件中不锈钢管壳的厚度。

工作时，采用差压传感器测量两个取压管座之间的差压ΔP，此差压称之为压力位差。当毛细管中流动为层流时，流经传感元件流体的体积流量Q与压力位差ΔP成正比，两者之间关系满足哈根-泊肃叶定律，即

式中，n--单个毛细管组件中毛细管根数；

d--毛细管直径；

ΔL--长短毛细管长度之差；

μ--流体的动力粘度；

ΔP--压力位差；

C--流量系数。

本发明具有的有益效果是：

1)传感元件壳体一体化设计，使得传感元件结构紧凑，一致性好，容易实现标准化设计与加工组装，保证性能稳定可靠。

2)模块化设计方案使得这种压力位差式层流流量传感单元非常容易实现系列化。

3)采用这种模块化设计方案，在传感元件壳体尺寸不变的情况下，通过调整毛细管组件中毛细管直径和数量可改变传感元件的流量测量范围，从而可以方便地实现同一系列、不同规格的传感元件设计，即不同规格的传感元件可共用同一尺寸的壳体，减少生产所需模具。

4)毛细管组件更换方便。当毛细管由于污染阻塞和其他原因失效时，可更换毛细管组件，维修方便。

附图说明

图1模块化压力位差式层流流量传感元件示意图；

图2壳体示意图；

图3毛细管组件结构示意图；

图4模块化压力位差式层流流量传感元件工作原理示意图；

图5传统层流流量传感器结构示意图；

其中：1-壳体；2-第一毛细管组件；3-第二毛细管组件；4-第一取压管座；5-第二取压管座；6-第三毛细管组件；7-第四毛细管组件；8-第一取压腔室；9-第二取压腔室；10-螺纹；11-第一贯通孔道；12-温度探头安装孔；13-第二取压管座安装孔；14-第二贯通孔道；15-第一取压管座安装孔；16-不锈钢管壳；17-毛细管；18-毛细管支撑座；19-传感器壳体；20-取压管座；21-层流阻流件；22-整流器。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进行进一步说明。

图1为模块化压力位差式层流流量传感元件结构示意图。传感元件包括壳体1、第一毛细管组件2、第二毛细管组件3、第一取压管座4、第二取压管座5、第三毛细管组件6、第四毛细管组件7组成。

壳体1是在一整块材料上加工而成，内部设有两个贯通孔道，分别为第一贯通孔道11和第二贯通孔道14，第一毛细管组件2和第三毛细管组件6安装在第一贯通孔道11中，第二毛细管组件3和第四毛细管组件7安装在第二贯通孔道14中。四个毛细管组件分为长短两种，第一毛细管组件2和第四毛细管组件7为短组件，第二毛细管组件3和第三毛细管组件6为长组件，毛细管组件在第一贯通孔道11和第二贯通孔道14的安装顺序不同，第一贯通孔道11中第一毛细管组件2的安装位置与第二贯通孔道14中第二毛细管组件3对应，第一贯通孔道11中第三毛细管组件6的安装位置与第二贯通孔道14中第四毛细管组件7对应，这样就构成除了长短毛细管组件相对位置不同，其它完全相同的两条并联流动支路，两条支路流动阻力特性相同。每条流动支路两个层流组件之间空腔为取压腔室，第一毛细管组件2和第三毛细管组件6之间的空腔为第一取压腔室8，第二毛细管组件3和第四毛细管组件7之间的空腔为第二取压腔室9，第一取压管座4和第二取压管座5分别安装于第一取压腔室8和第二取压腔室9处，用于测取两个腔室的差压ΔP，此差压称之为压力位差。

图2为壳体示意图。在取压腔室对应的位置开有取压管座安装孔，分别为第一取压管座安装孔15和第二取压管座安装孔13，第一取压管座安装孔15对应第一贯通孔道11并与其联通，第二取压管座安装孔13对应第二贯通孔道14并与其联通。在壳体1中部位置开有一个温度传感器安装孔12，此孔为盲孔，不与贯通孔道联通，用于安装温度传感器。壳体1两端加工内螺纹10，用于管道连接。取压腔室位置孔道直径比其它部分略小(相差毛细管组件中不锈钢管壳的厚度)，具有毛细管组件定位的作用，方便安装。

图3为毛细管组件结构示意图，4个毛细管组件结构一样，由不锈钢管壳16、数根毛细管17和两个毛细管支撑块18组成，支撑块18上开有小孔，用于支撑和固定毛细管17，支撑块18安装在不锈钢管壳16两端。图4中毛细管根数为6根。实际上毛细管组件中毛细管直径和数量都可在一定范围内调整，以便实现在不改变传感元件总体结构和尺寸的情况下，改变传感元件的流量测量范围。可见，模块化压力位差式层流传感元件可以方便地实现系列化、标准化设计，而且不同规格的传感元件可共用同一尺寸的壳体1，减少生产所需模具。

参见图4，即模块化压力位差式层流流量传感元件工作原理示意图。假设流动方向由左向右，流经传感元件的流量为Q，传感元件左侧入口处压力为P0，上方支路取压腔室压力为P1，下方支路取压腔室压力为P2，压力位差

ΔP＝P₁-P₂＝(P₀-P₂)-(P₀-P₁) (2)

由于两个并联支路流动阻力特性相同，流经两个支路的流量相同，均为Q/2，ΔP相当于下方毛细管组件虚线处到出口的压差，并且不包含出口局部损失等非线性损失(这里要求短毛细管组件的长度应大于毛细管内层流流动入口段长度)。

根据哈根-泊肃叶定律，当毛细管中流动为层流时，某段毛细管两侧的压降与通过毛细管的流体流量成正比。假设毛细管组件中毛细管直径为d，根数为n，与压力位差ΔP成正比，则流经下方毛细管组件的流量

式中，μ--流体的动力粘度。

实际应用时，考虑毛细管尺寸误差，以及其它未考虑到的影响因素，需要引入流量系数C，于是可得到压力位差式层流流量传感单元流量和压力位差关系式，即公式(1)。

式中，n--单个毛细管组件中毛细管根数；

d--毛细管直径；

ΔL--长短毛细管长度之差；

μ--流体的动力粘度；

ΔP--压力位差；

C--流量系数。

以上所述仅为本发明的基本思路和方法，并不用以限制本发明，凡在本发明的思路和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模块化压力位差式层流流量传感元件，包括壳体(1)和安装在壳体(1)上的取压管座，其特征在于所述取压管座包括第一取压管座(4)和第二取压管座(5)，所述壳体(1)上设有第一贯通孔道(11)和第二贯通孔道(14)，第一贯通孔道(11)和第二贯通孔道(14)内分别安装有多个毛细管组件，第一贯通孔道(11)内毛细管组件之间形成第一取压腔室(8)，第二贯通孔道(14)内毛细管组件之间形成第二取压腔室(9)，第一取压管座(4)与第一取压腔室(8)连通，第二取压管座(5)与第二取压腔室(9)连通，第一取压腔室(8)和第二取压腔室(9)位置不同。

2.根据权利要求1所述的一种模块化压力位差式层流流量传感元件，其特征在于所述的第一贯通孔道(11)内安装有第一毛细管组件(2)和第三毛细管组件(6)，第一毛细管组件(2)和第三毛细管组件(6)之间构成第一取压腔室(8)，第二贯通孔道(14)内安装有第二毛细管组件(3)和第四毛细管组件(7)，第二毛细管组件(3)和第四毛细管组件(7)之间构成第二取压腔室(9)。

3.根据权利要求2所述的一种模块化压力位差式层流流量传感元件，其特征在于第一毛细管组件(2)和第四毛细管组件(7)为短组件，第二毛细管组件(3)和第三毛细管组件(6)为长组件，第一毛细管组件(2)、第四毛细管组件(7)、第二毛细管组件(3)和第三毛细管组件(6)位置交叉对称，在第一贯通孔道(11)和第二贯通孔道(14)内第一毛细管组件(2)与第二毛细管组件(3)安装位置对应，第三毛细管组件(6)和第四毛细管组件(7)安装位置对应。

4.根据权利要求1所述的一种模块化压力位差式层流流量传感元件，其特征在于：壳体(1)是在一整块材料上加工而成，设有第一取压管座安装孔(15)和第二取压管座安装孔(13)，第一取压管座安装孔(15)对应第一贯通孔道(11)并与其联通，第二取压管座安装孔(13)对应第二贯通孔道(14)并与其联通，在中部位置开有一个温度传感器探头安装孔(12)，用于安装温度传感器探头。

5.根据权利要求1所述的一种模块化压力位差式层流流量传感元件，其特征在于：毛细管组件由不锈钢管壳(16)、数根毛细管(17)和两个毛细管支撑块(18)组成，支撑块(18)安装在不锈钢管壳(16)两端，利用支撑块(18)上小孔位置设计实现毛细管(17)的有序排列。

6.根据权利要求5所述的一种模块化压力位差式层流流量传感元件，其特征在于：在传感元件壳体(1)不变的情况下，通过调整毛细管组件中毛细管(17)直径和数量可改变传感元件的流量测量范围，实现不同规格的传感元件设计。

7.根据权利要求5所述的一种模块化压力位差式层流流量传感元件，其特征在于所述第一贯通孔道(11)和第二贯通孔道(14)中第一取压腔室(8)和第二取压腔室(9)位置孔道直径比毛细管组件安装位置直径略小，相差毛细管组件中不锈钢管壳的厚度。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种模块化压力位差式层流流量传感元件，其特征在于采用差压传感器测量两个取压管座之间的差压ΔP，当毛细管中流动为层流时，流经传感元件流体的体积流量Q与压力位差ΔP成正比，两者之间关系满足哈根-泊肃叶定律，即

式中，n--单个毛细管组件中毛细管根数；

d--毛细管直径；

ΔL--长短毛细管长度之差；

μ--流体的动力粘度；

ΔP--压力位差；

C--流量系数。

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