CN111397675A - 高精度非满管电磁流量计 - Google Patents

Abstract

高精度非满管电磁流量计。设非金属管道,管道外壁竖向Z中线上,固定上、下励磁线圈,管外周设矽钢片封闭体。在管道Y向左右装设一对夹角A＝0.1°‑90°感应电极。管道底部装温度计和接地电极。紧贴管道内壁为极板层:以竖向中心线周向对称设两组弧形金属极板组件,每组弧形夹角B＝180°‑A°,其内由多块主极板、副极板优化配置形成。电极和极板间有防干扰的大绝缘间距。极板层内壁铺贴圆筒绝缘衬里,流体在衬里内壁沿轴向X流动。顶端转换器采集感应电势和极板介电常数,并处理信号确定显示流量。非金属管道通过两端法兰与外部被测管道连接。本发明通过极板的优化设计配置,获得淮确的介电常数,大大提高了检测精度。解决了现有超声波等方法检测精度低的问题。用于污水管道水量的测量。

Description

高精度非满管电磁流量计

(一)技术领域

本发明高精度非满管电磁流量计,涉及流量测量,属流体流量、液位测量类G01F。

(二)背景技术

普通电磁流量计是以流经被测管道截面面积恒定，测量平均流速得到流量。非满管内的流体截面面积是随时间变化的，流量测量不仅要测量流过管道的平均流速，而且还要测量流过管道的流体截面积。也就是说，非满管电磁流量计的流量测量需要的至少是流速V和液位H两个变量。即包括流速测量部分和液位测量部分组成。

现有中国专利公开的非满管电磁流量计,为了提高测量精度,一般按被测管道内流体电导率、流体特性、流形分布、测量管材料电阻、管道口径大小等各种制约因素产生的问题而提供各种不同的结构和方法,以此进行改进。

现有公开使用的生活污水处理管道中,为了测量非满管流速、液位,采用的非满管流量计结构及现有制作方法,(例如:超声波的方法),其测得的流量均不准确,精度低。

(三)发明内容

本发明提供的高精度非满管电磁流量计,就是解决现在污水管道中,用超声波等测量污水液位和流量等精度极低的问题。

技术方案

高精度非满管电磁流量计,包括:转换器,其特征是

一、设一根非金属管道1,在轴向长X1中线XO剖面上设置:1)在非金属管道管壁外表面,竖向Z上方固定有一个上励磁线圈2a、下方固定一个下励磁线圈2b；励磁磁路中设有一个围绕非金属管道外周的多面矽钢片封闭体3。2)非金属管道下方以竖向中心线Zo对称Y向左右固定两个感应电极4a、4b,两个感应电极周向间夹角A＝0.1-90°；每个感应电极一端穿过管道壁孔内与流体接触,另一端与管道壁孔外的插座4.1连接并用引出线4.2引至转换器11；非金属管道外周空间装一个遮挡封闭的外壳7。二、非金属管道1轴向两外端外延伸出金属管9,并带法兰盘10；用以与外部两端被测管道法兰盘12连接；两法兰盘10间轴向长为X10。三、紧贴非金属管道1内壁设极板层5:沿竖向Z中心线Zo对称的Y向设置左右两组弧形金属极板组件5A、5B,每组内弧形夹角B＝180°-A；每组弧形金属极板组件内沿轴向X固定主极板数量NX＝1或2个；沿内壁弧线竖向固定主极板数量NZ＝1；相邻主极板间有缘绝间隙5Δ；每组弧形金属极板组件轴向长度X5小于非金属管道1长度X1。四、紧贴非金属管道内极板层5内壁,铺贴有圆筒绝缘衬里6；其长度X6为两法兰盘10间轴向长X10；流体在圆筒绝缘衬里6内壁沿轴向X流动。五、在非金属管道1管底部沿轴向X中心线上装设测流体温度的温度计8。六、在非金属管道1管底管壁外轴向X中心线上固定一个接地电阻4o。

本发明测量原理及方法,步骤如下:

1)流量计已获得的己知数据:①流体流经的流量计管道内径D(见图1)。②转换器采集的感应电极的感应电动势E。③转换器采集的主极板的表面或空间介电常数K。④转换器采集的温度计8检测的流体温度T。⑤流量计试验获得的流速系数K1。

2)建立液面高度h随介电常数k和流体温度t变化的数学模型,即函数h＝f(k,t)。

3)由己知的采集介电常数K、流体温度T和数学模型,获得对应此刻的液面高度H。

4)由己知的管道内径D和数学模型获得的液面高度H,由下列公式<1>,确定导电流体的此刻横截面积S:

5)确定此刻截面上平均流速V＝K1E。.....<2>

上述<2>式中流速系数K1和感应电动势E为已获取的己知数据。

6)确定此刻流体流量Q＝S V……<3>

上述<3>式中S为导电流体的横截面积、V是流体的平均流速(截面上分布各位置流速平均值)。

按上述技术方案、原理和方法的描述可以得出:本发明流速测量部分按法拉第电磁感应定律，导电流量在磁场中运动，在垂直于磁场方向和流体运动的方向产生感应电动势E，从而测量流体的流速V。液位测量部分使用介电常数法测量，流量计采用不同结构,尤其是主、副极板的不同配置,流体介质对应的介电常数K不同，通过测量介电常数的变化来测量液位；再通过获得的液位H的变化而获得流体截面积S,是一种利用流速-面积法测量管道内流体流量的测量仪器。

本发明有益效果:

1)设计的一对上下励磁线圈2a、2b产生交变磁场,通过一个矽钢片封闭体3,交变磁通封闭,使非金属管道1内充满竖向Z交变磁场。当非金属管道内通过法兰内孔沿轴向X向将流体导入,液面漫过轴向X中点位置径向Y两侧的两个感应电极4a、4b时,两感应电极连线为径向Y是垂直于磁场方向Z和流体运动的方向X的,按法拉第电磁感应定律，两感应电极4a、4b产生感应电势E,从而实现流体流速的测量。

2)紧贴非金属管道1内壁的极板层5,是用于测量非金属管道1内的介电常数K。两组弧形金属极板组件内由2-4块主极板或增加的2个辅助极板组成,选用这种优化配置的极板组件,能使介电常数K测量更精确。

3)介电常数测量方式分为表面介电常数法和空间介电常数法，表面介电常数是通过采集后连接左前主极板5A1和左后主极板5A2两块极板完成，或者是右前主极板5B1和右后主极板5B2完成。空间介电常数法是通过采集后连接左前主极板5A1与右前主极板5B1完成，或者是通过左后主极板5A2与右后主极板5B2完成。提供这种多种连接组合的极板系统,有利于流量计确定液位时建立数学模型,即函数h＝f(k,t)。

4)两感应电极4a、4b间夹角A＝0.1-90°，两组弧形金属极板组件5中每组弧形夹角B＝180-A；在轴向X中点处两组弧形极板组件与两个感应电极竖向不相交，流速和液位的测量互不影响。极板层下方主极板与感应电极4a、4b间有足够的防干扰间距。这些设计均使测量准确精度高。

4)主极板、副极板弧面嵌入固定接触的非金属管道内壁的凹状槽内,使多块极板安装定位方便不位移；相邻极板间自然形成凸状的缘绝间隙5Δ。

5)两组弧形金属极板组件5A、5B轴向长均小于非金属管道长X1。圆筒绝缘衬里6轴向长等于两法兰盘10间轴向长X10,可防止流体进入极板层内。

(四)附图说明

图1本发明轴向正剖视图(Z-X面)。

图2为图1的A-A剖视图(Z-Y面)。

图3为图1的B-B剖视图(Y-X面)。

图4矽钢片闭合体内非金属管道内壁极板层5的立体图。(取出管道内圆筒绝缘衬里6,展示管道内极板层全部构件布置)

图5矽钢片闭合体内非金属管道内壁有圆筒绝缘衬里6的立体图。

(五)具体实施方式

高精度非满管电磁流量计,本实施例包括如下部分:

一.见图1,设一个非金属管道1,在非金属管道1轴向长X1中线XO剖面上设置如下构件:1)见图2,在非金属管道1管壁外表面,竖向Z上方固定有一个上励磁线圈2a、下方固定一个下励磁线圈2b；励磁磁路中设有一个围绕非金属管道外周的多面矽钢片封闭体3。2)见图2,非金属管道1下方竖向中心线Zo对称Y向左右固定两个感应电极4a、4b,两个感应电极周向间夹角A＝60°。每个感应电极一端穿过管道壁孔内与流体接触,另一端与管道壁孔外的电极插座4.1连接,并用电极引线4.2沿非金属管道表面连接到转换器11内。

见图1,外壳7由非金属轴1两端的金属圆环7a、7b和径向最外处金属圆筒7c焊接固定组成。形成一个遮挡空间,保护矽钢片封闭体和上下励磁线圈不受污水和污染物损坏。

二.见图1,非金属管道1轴向两外端外延伸出金属管9,并带法兰盘10；用以与外部两端被测管道外法兰盘12连接；两法兰盘10间轴向长X10。

三.见图2,紧贴非金属管道1内壁极板层5,沿竖向Z中心线Zo对称的Y向设置左右两组弧形金属极板组件5A、5B,每组弧形夹角B＝120°。见图2、图4,左、右两组弧形金属极板组件内极板配置如下:沿内壁弧线竖向布置极板数量均为n_Z＝1,沿轴向X数量均为n_X＝2:形成左前主极板5A₁和左后主极板5A₂；右前主极板5B₁和右后主极板5B₂。在非金属管道1内壁底部旁,左右各增设一个长形左辅助极板5A3、右辅助极板5B3。在左右前主极板5A₁、5B₁；左右后主极板5A₂、5B₂、感应电极4a、4b与左右辅助极板5A₃、5B₃周向间,各留出了两条最大的防干扰的左右绝缘间距5Amax、5Bmax由非金属管道1内壁的凸状条形成。

见图1、图2极板层5中两组弧形金属极板组件5A、5B轴向X长度X₅小于非金属管道1长度X1。

四.见图1、图2、图3和图5,紧贴非金属管道1内两组弧形金属极板组件5A、5B(5A、5B见图2)内壁铺贴圆筒绝缘衬里6。见图1,图3,圆筒绝缘衬里6轴向X长度X₆(X₆在图3内)与两法兰盘10间轴向长X10基本相等。流体在圆筒绝缘衬里6内壁沿轴向X流动。圆筒绝缘衬里6采用绝缘材料聚四氟乙烯、聚氨酯、耐磨塑料等制作,可绝缘和防污水腐蚀。

五.见图3,沿非金属管道1管底部轴向X中心线上装设测流体温度的温度计8。

六.见图3,在非金属管道1管底管壁外中心线处固定一个接地电阻4o。

七.转换器11的组成及功能说明:

1)设供电电源:将市电转换成低压直流电源给转换器供电，转换器通过控制信号产生交变电源给励磁线圈2a、2b供电。

2)设信号处理器CPU(采用单片机或专用芯片)。

3)采集感应电势E:见图2,由感应电极4a、4b后端与管道壁孔外的插座4.1连接,并用引线4.2沿非金属管道表面连接到转换器11内信号处理器的采集端口。

4)采集极板上介电常数:见图4,对应左前主极板5A₁、左后主极板5A₂、左辅助极板5A₃的三个位置的非金属管道1壁开孔,分别穿入左前主极导线5A₁n、左后主极导线5A_2n、左辅助极导线5A_3n前端与左边三个极板电连接,然后将三根极板导线经非金属管道1表面上引至连接到转换器11内信号处理器极板介电系数采集端口。同理,见图2,图4,右边一组弧形金属极板组件5B内也用相同方式引出三根极板连接导线右前主极导线5B₁n、右后主极导线5B_2n、右辅助极导线5B_3n连接到信号处理器极板介电系数采集端口。

5)信号处理器内处理采集信号,计算确定流体流量Q,按前述公式<1>、<2>、<3>便可确定。这里不再重复。

本实施例上述高精度非满管电磁流量计,其制作方法简述如下:(按时间先后次序)

1)见图1,用非金属材料制作一个圆筒形管道1,管径及壁厚与被测管道相等,其长度为X1。2)制作两个带法兰10的金属管9备用。制作或外购互换器备用。3)见图2,图4,在非金属管道1内壁均开对应各种极板的凹状槽,并将左右前主极板5A₁、5B₁；左右后主极板5A₂、5B₂；、左右辅助极板5A₃、5B₃共六个极板嵌入各凹状槽内用螺栓固定,形成极板层5。4)在非金属管道极板层5内壁铺贴圆筒绝缘衬里6并固定。5)见图2,图4,在非金属管道壁外表面安装如下构件:①固定上、下励磁线圈2a、2b。②从表面向内钻径向孔安装两个感应电极4a、4b以及电极插座4.1和电极引线4.2。③从表面向内钻径向孔安装Y向两组左右前主极引线5A_1n、5B_1n；左右后主极引线5A_2n、5B_2n；左右辅助极引线5A_3n、5B_3n。④见图3,在管道底部表面向内钻径向孔安装温度计8及接地电极4o。6)紧贴上、下励磁线圈2a、2b顶端安装矽钢片封闭体3。7)见图1,制作金属圆环7a、7b和径向最外处金属圆筒7c,焊接后成为外壳7,固定在非金属轴1两端。8)金属外壳上方安装转换器11。9)见图1,将两个带法兰10的金属管9分别固定在非金属管道1两端面,并将圆筒绝缘衬里6铺贴在两端金属管9和法兰10内孔。10)最后用两法兰10与被测管道法兰12装密封垫连接固定。11)转换器11装上电磁流量计编程软件,液晶显示器时实显示被测管道中流量及相关监测信息。

Claims (5)

1.高精度非满管电磁流量计,包括:转换器,其特征是

一、设一根非金属管道(1),在轴向长X1中线XO剖面上设置:1)在非金属管道管壁外表面,竖向Z上方固定有一个上励磁线圈(2a)、下方固定一个下励磁线圈(2b)；励磁磁路中设有一个围绕非金属管道外周的多面矽钢片封闭体(3)；2)非金属管道下方以竖向中心线Zo对称Y向左右固定两个感应电极(4a、4b),两个感应电极周向间夹角A＝0.1-90°；每个感应电极一端穿过管道壁孔内与流体接触,另一端与管道壁孔外的插座(4.1)连接并用引出线(4.2)引至转换器(11)；非金属管道外周空间装一个遮挡的外壳(7)；

二、非金属管道轴向两外端外延伸出金属管(9),并带法兰盘(10)；用以与外部两端被测管道法兰盘(12)连接；两法兰盘(10)间轴向长为X10；

三、紧贴非金属管道内壁设极板层(5):沿竖向Z中心线Zo对称的Y向设置左右两组弧形金属极板组件(5A、5B),每组内弧形夹角B＝180°-A；每组弧形金属极板组件内沿轴向X固定主极板数量N_X＝1或2个；沿内壁弧线竖向固定主极板数量N_Z＝1；相邻主极板间有缘绝间隙(5Δ)；每组弧形金属极板组件轴向长度X5小于非金属管道长度X1；

四、紧贴非金属管道内极板层(5)内壁,铺贴有圆筒绝缘衬里(6)；其长度X6为两法兰盘(10)间轴向长X10；流体在圆筒绝缘衬里内壁沿轴向X流动；

五、在非金属管道管底部沿轴向X中心线上装设测流体温度的温度计(8)；

六、在非金属管道管底管壁外轴向X中心线上固定一个接地电阻(4o)。

2.按权利要求1所述非满管电磁流量计,其特征是两个感应电极夹角A＝60°；弧形金属极板组件的弧形夹角B＝120°。

3.按权利要求1所述非满管电磁流量计,其特征是在极板层(5)内在管底位置旁增设以竖向中心线Zo对称Y向左右两个辅助极板；主极板与感应电极(4a、4b)处在同一区域,设有防干扰的大缘绝间距。

4.按权利要求1、或3所述非满管电磁流量计,其特征是极板层中,与主极板或辅助极板弧面接触的非金属管道内壁为凹状槽,相邻极板间形成的非金属管道内壁凸状条成为缘绝间隙(5Δ)。

5.按权利要求1所述非满管电磁流量计,其特征是所述圆筒绝缘衬里(6)采用绝缘材料聚四氟乙烯、聚氨酯、耐磨塑料制作。

Images