CN112212926B - 一种基于多孔节流与mems压力传感器的流量测量方法 - Google Patents

一种基于多孔节流与mems压力传感器的流量测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法，涉及流量计技术领域。所述流量测量方法基于流量测量装置，流量测量装置包括多孔平衡流量计、导压管、MEMS压力传感器、信号采集单元和信号处理单元；所述多孔平衡流量计包括前直管段、后直管段和多孔节流板，通过法兰盘和螺栓将三者连接起来；多孔节流板上开设螺栓孔、函数孔和导压孔，多孔节流板的一侧面布置MEMS压力传感器和信号采集单元，另一侧面布置导压管。被测介质从前直管段流入，经多孔节流板流至后直管段，MEMS压力传感器检测前直管段与后直管段的压力差，信号采集单元采集压力差信号，并传递给信号处理单元，信号处理单元将压力差信号转化成流量信号。

Description

一种基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法
技术领域
本发明涉及流量测量技术领域，特别是涉及一种基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法。
背景技术
差压式流量计是应用最为广泛的流量计之一，具有适用介质多，结构简单，成本低，稳定性好等一系列优势，已经广泛应用到石油、化工、冶金、电力、天然气、水处理等行业，并形成了国际标准。流体流经差压式流量计，在节流孔板处收缩，节流件前后产生差压，而差压信号与流量有关，可通过差压信号换算得到流量。常见的差压式流量计包括孔板流量计和文丘里管等。
多孔平衡流量计相较于传统的单孔流量计，拓展了测量范围，减少了对前后直管段的要求，测量精度更高。但是当前的多孔平衡流量计的取压装置尺寸大，需要在被测介质的管道上钻取取压孔，导致安装便携性差，成本高，对管道有破坏性。因此，有必要研究一种可以解决上述问题的流量测量方法。
发明内容
针对以上现有的问题和需求，本发明提出了一种基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法，所述方法将多孔节流技术与MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）压力传感器结合，避免了取压打孔，在降低成本的同时，提升了测量精度和测量范围。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法，包括以下步骤：
a.组装基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量装置；
所述基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量装置包括：多孔平衡流量计、导压管、MEMS压力传感器、信号采集单元和信号处理单元；
所述多孔平衡流量计包括：前直管段、后直管段和位于前直管段和后直管段之间的多孔节流板，所述前直管段和后直管段与多孔节流板通过法兰盘连接；
所述多孔节流板的几何中心位于前直管段和后直管段的轴心线上，所述多孔节流板的几何中心处设置一个导压孔，所述多孔节流板上设置多个函数孔，所述多孔节流板的平面面积大于前直管段和后直管段的截面积，所述多孔节流板的平面面积大于法兰盘的截面积；
所述MEMS压力传感器的正面为第一感压面，第一感压面上设有第一感压孔，MEMS压力传感器的背面为第二感压面，第二感压面上设有第二感压孔，第一感压孔的设置位置与第二感压孔的设置位置不重合，所述MEMS压力传感器设置于多孔节流板面向前直管段的侧面，第二感压孔的中心与多孔节流板的几何中心重合；
所述导压管设置于多孔节流板面向后直管段的侧面，所述导压管与导压孔相接，所述导压管的轴心线与后直管段的轴心线重合；
所述信号采集单元设置于多孔节流板面向前直管段的侧面且延伸到法兰盘外部的边缘上；
b.使被测介质从所述前直管段流入，经过多孔节流板后流入后直管段；
c.所述MEMS压力传感器检测前直管段与后直管段的压力差信号；
d.所述信号采集单元采集压力差信号，并将压力差信号传输给信号处理单元；
e.所述信号处理单元对压力差信号进行运算处理，并将其转换成流量信号输出。
在上述方案的基础上，步骤e具体如下：
所述信号处理单元根据获得的压力差信号，依据如下公式计算得到被测介质的流量Q v ：
Figure 373974DEST_PATH_IMAGE001
上式中，C是流量系数，β是等效直径比，D是前直管段和后直管段的内径，ρ是被测介质的密度，Δp是前直管段与后直管段的压力差。
在上述方案的基础上，等效直径比β的计算公式如下：
Figure 619011DEST_PATH_IMAGE002
上式中，d是函数孔的内径，n是函数孔的数量。
在上述方案的基础上，步骤a中，前直管段和后直管段的内径均为D，前直管段的长度L1大于等于D，后直管段的长度L2大于等于D，导压管的长度L3大于等于D。
在上述方案的基础上，步骤a中，所述MEMS压力传感器为封装芯片，第一感应孔感应前直管段的流体压力，第二感应孔通过导压管感应后直管段的流体压力，第二感应孔的直径小于等于导压孔的直径，导压孔的直径小于等于导压管的内径。
在上述方案的基础上，步骤a中，所述函数孔和导压孔贯穿多孔节流板，函数孔均匀分布在以导压孔的中心为圆心的一个或多个圆周上，且函数孔所在圆周的直径小于前直管段和后直管段的内径。
在上述方案的基础上，步骤a中，所述前直管段和后直管段的两端均设有法兰盘，多孔节流板上开设与法兰盘一一对应的螺栓孔，通过插入螺栓紧密连接多孔节流板与法兰盘，并采用密封圈密封。
在上述方案的基础上，步骤a中，所述MEMS压力传感器、导压管和信号采集单元与多孔节流板的连接方式均为焊接连接。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法，所述方法将MEMS压力传感器与多孔平衡流量计相结合，利用多孔平衡流量计测量前直管段与后直管段的压力差，MEMS压力传感器通过感应区和导压管对压力差进行检测，并通过信号处理单元换算得到流量。多孔节流板减少了对前直管段、后直管段的要求，对被测介质的整流效果更好，MEMS压力传感器检测压力差精度高，分辨率高，体积小，成本低，不仅可以避免管道打孔，而且提升了安装便捷性，同时扩展了流量测量范围，适用于多种介质的差压测量。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明的多孔平衡流量计与MEMS压力传感器集成结构示意图；
图2为图1的拆分图；
图3为图1的剖面图；
图4为MEMS压力传感器结构示意图，图4（a）为MEMS压力传感器的后视图，图4（b）为MEMS压力传感器的正视图；
图5为多孔节流板的结构示意图；
图中：1、前直管段，2、后直管段，3、多孔节流板，4、函数孔，5、螺栓孔，6、导压孔，7、导压管，8、法兰盘，9、MEMS压力传感器，10、第一感压孔，11、第二感压孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供的一种基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法依赖于测量装置（全称基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量装置），所述测量装置包括：多孔平衡流量计、导压管7、MEMS压力传感器9、信号采集单元和信号处理单元。其中，多孔平衡流量计和MEMS压力传感器9如图1-4所示。
本发明中的多孔平衡流量计包括：前直管段1、后直管段2和位于前直管段1和后直管段2之间的多孔节流板3；前直管段1和后直管段2均为不锈钢材质，被测介质从前直管段1流向后直管段2，如图3中箭头所示。
多孔节流板3的平面面积大于前直管段1和后直管段2的截面积，多孔节流板3的几何中心位于前直管段1和后直管段2的轴心线上。在本发明中，前直管段1和后直管段2与多孔节流板3分别采用法兰盘8连接。多孔节流板3的平面面积大于法兰盘8的截面积，在多孔节流板3上开设与法兰盘8上的螺栓孔一一对应的螺栓孔5（如图5所示），通过插入螺栓将法兰盘8与多孔节流板3连接，并采用密封圈进行密封。多孔节流板3上的螺栓孔5均匀分布在以多孔节流板3的几何中心为圆心的圆周上。
本实施例中的MEMS压力传感器9为封装芯片，设置于多孔节流板3面向前直管段1的侧面上，MEMS压力传感器9的正面为第一感压面，背面为第二感压面，第一感压面上设有第一感压孔10，第二感压面上设有第二感压孔11，第一感压孔10的设置位置与第二感压孔11的设置位置不重合，其中第二感压孔11的中心与多孔节流板3的几何中心重合。多孔节流板3面向后直管段2的侧面上焊接一根导压管7，导压管7的轴心线与后直管段2的轴心线重合。如图5所示，多孔节流板3上开设了函数孔4，函数孔4均匀分布在以多孔节流板3的几何中心为圆心的圆周上，在本实施例中，函数孔4的数量为4，大小均相等。在多孔节流板3的几何中心处开设导压孔6，导压孔6和第二感压孔11的中心均位于导压管7的轴心线上。函数孔4所在的最大圆周小于前直管段1和后直管段2的内径。
在本发明中，前直管段1和后直管段2的内径均为D，前直管段1的长度L1大于等于D，后直管段2的长度L2大于等于D，导压管7的长度L3大于等于D。被测介质从前直管段1流入，经过函数孔4，再流入后直管段2中，MEMS压力传感器9的第一感压孔10感应前直管段1的流体压力，第二感压孔11通过导压管7感应后直管段2的流体压力。信号采集单元焊接在多孔节流板3面向前直管段1的侧面且伸出法兰盘8外部的边缘处，信号采集单元采集压力差信号，再通过无线传输方式将压力差信号传递给信号处理单元，信号处理单元将压力差信号换算成流量信号，并输出。
本发明所提供的基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法，包括如下步骤：
a.组装基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量装置；
b.使被测介质从所述前直管段1流入，经过多孔节流板3后流入后直管段2；
c.所述MEMS压力传感器9检测前直管段与后直管段的压力差信号；
d.所述信号采集单元采集压力差信号，并将压力差信号传输给信号处理单元；
e.所述信号处理单元对压力差信号进行运算处理，并将其转换成流量信号输出；
信号处理单元根据获得的压力差信号，依据如下公式计算得到被测介质流量Q v ：
Figure 867589DEST_PATH_IMAGE001
上式中，C是流量系数，β是等效直径比，D是前直管段和后直管段的内径，ρ是被测介质的密度，Δp是前直管段与后直管段的压力差。
其中，等效直径比β的计算公式如下：
Figure 986767DEST_PATH_IMAGE002
上式中，d是函数孔的内径，n是函数孔的数量。
依据上述方法即可通过压力差信号计算得到流量信号。
MEMS压力传感器获取差压的原理是：采用周边固定的圆形应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量。当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，电桥输出与压力成正比的电压信号。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.组装基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量装置；
所述基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量装置包括：多孔平衡流量计、导压管、MEMS压力传感器、信号采集单元和信号处理单元；
所述多孔平衡流量计包括：前直管段、后直管段和位于前直管段和后直管段之间的多孔节流板，所述前直管段和后直管段与多孔节流板通过法兰盘连接；
所述多孔节流板的几何中心位于前直管段和后直管段的轴心线上，所述多孔节流板的几何中心处设置一个导压孔，所述多孔节流板上设置多个函数孔，所述多孔节流板的平面面积大于前直管段和后直管段的截面积，所述多孔节流板的平面面积大于法兰盘的截面积；
所述MEMS压力传感器的正面为第一感压面，第一感压面上设有第一感压孔，MEMS压力传感器的背面为第二感压面，第二感压面上设有第二感压孔，第一感压孔的设置位置与第二感压孔的设置位置不重合，所述MEMS压力传感器设置于多孔节流板面向前直管段的侧面，第二感压孔的中心与多孔节流板的几何中心重合；
所述导压管设置于多孔节流板面向后直管段的侧面，所述导压管与导压孔相接，所述导压管的轴心线与后直管段的轴心线重合；
所述信号采集单元设置于多孔节流板面向前直管段的侧面且延伸到法兰盘外部的边缘上；
b.使被测介质从所述前直管段流入，经过多孔节流板后流入后直管段；
c.所述MEMS压力传感器检测前直管段与后直管段的压力差信号；
d.所述信号采集单元采集压力差信号，并将压力差信号传输给信号处理单元；
e.所述信号处理单元对压力差信号进行运算处理，并将其转换成流量信号输出。
2.如权利要求1所述的基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法，其特征在于，步骤e具体如下：
所述信号处理单元根据获得的压力差信号，依据如下公式计算得到被测介质的流量Q v ：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
上式中，C是流量系数，β是等效直径比，D是前直管段和后直管段的内径，ρ是被测介质的密度，Δp是前直管段与后直管段的压力差。
3.如权利要求2所述的基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法，其特征在于，等效直径比β的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
上式中，d是函数孔的内径，n是函数孔的数量。
4.如权利要求2所述的基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法，其特征在于，步骤a中，前直管段的长度L1大于等于D，后直管段的长度L2大于等于D，导压管的长度L3大于等于D。
5.如权利要求1所述的基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法，其特征在于，步骤a中，所述MEMS压力传感器为封装芯片，第一感应孔感应前直管段的流体压力，第二感应孔通过导压管感应后直管段的流体压力，第二感应孔的直径小于等于导压孔的直径，导压孔的直径小于等于导压管的内径。
6.如权利要求1所述的基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法，其特征在于，步骤a中，所述函数孔和导压孔贯穿多孔节流板，函数孔均匀分布在以导压孔的中心为圆心的一个或多个圆周上，且函数孔所在圆周的直径小于前直管段和后直管段的内径。
7.如权利要求1所述的基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法，其特征在于，步骤a中，所述前直管段和后直管段的两端均设有法兰盘，多孔节流板上开设与法兰盘一一对应的螺栓孔，通过插入螺栓紧密连接多孔节流板与法兰盘，并采用密封圈密封。
8.如权利要求1所述的基于多孔节流与MEMS压力传感器的流量测量方法，其特征在于，步骤a中，所述MEMS压力传感器、导压管和信号采集单元与多孔节流板的连接方式均为焊接连接。
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