CN112540191B - 一种薄膜张缩式的微流速测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜张缩式的微流速测量装置及其方法，属于测量设备领域。本发明中的转子流速测量装置通过由气压驱动的调节气腔结构，使得在流速测量过程中通过改变调节气腔的体积调整其浮力，即可使其整体悬浮在待测流体中，使第二套管与中心轴之间理想状态下能无接触的相对转动，尽可能减少摩擦力。由此，本发明的微流速测量装置可以适用于微流速的测定。由于本发明中的调节气腔体积是通过弹性薄膜的张缩来调节的，因此只要两侧的弹性薄膜初始状态保持一致，其张缩变化就能够保持同步性，可方便地通过中心轴上连接的抽吸装置进行控制。因此可以在无需拆卸该装置的情况下，实时地调节其整体浮力，以便于适应不同流体环境，具有更大的灵活性。

Description

一种薄膜张缩式的微流速测量装置及其方法

技术领域

本发明属于测量设备领域，具体涉及一种薄膜张缩式的微流速测量装置及其方法。

背景技术

流速仪是用于测定流体流速的设备，通常来说，流速仪分为转子式流速仪、文丘里流速仪、电磁式流速仪、超声波多普勒流速仪。

其中，转子式流速仪的核心部件是叶轮，其通常在高流速和河流中使用。旋桨式流速仪、旋杯式流速仪和旋叶式流速仪均属转子式流速仪，工作原理基本相同，是利用水流动力推动转子旋转，根据转动速度推求流速。但是此类设备由于转轴处存在较大的摩擦力，因此通常不适宜用于中低流速的测量。

另外，文丘里流速仪、电磁式流速仪、超声波多普勒流速仪对于中高流速的测量较为准确，但是低流速的测定对于目前的流速测定仪器而言依然是一大难点。现有的流速仪普遍存在最低量程过高的问题，无法用于测定过小的流速，即微流速。因此，如何实现微流速的测定，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中微流速测定困难的缺陷，并提供一种薄膜张缩式的微流速测量装置及其方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种薄膜张缩式的微流速测量装置，其包括文丘里测流管和转子流速测量装置；

所述文丘里测流管由入口段、渐缩段、喉管段、渐扩段、出口段顺次连接而成，且所述喉管段的侧部设有凹形壳体，凹形壳体的内腔作为测流腔，凹形壳体的开口连通喉管段；测流腔上设有至少一个排气阀；

所述转子流速测量装置包括第一套管、第二套管和转速测量装置，第二套管同轴设于第一套管内部且两者之间通过若干支撑杆保持相对固定；所述第二套管为由内层管体和外层管体贴合嵌套而成的双层管体，所述中心轴贯穿第二套管的内层管体且中心轴外壁与内层管体内壁之间保留有缝隙，转子流速测量装置通过中心轴整体架设于测流腔中；环绕所述第一套管外壁固定有若干叶轮片，且部分叶轮片伸入所述喉管段中，剩余叶轮片位于测流腔内，伸入所述喉管段中的叶轮片在喉管段内流体推动下推动第一套管和第二套管整体转动；第一套管和外层管体的之间夹持的环形腔体两端对称固定有一层圆环形的弹性薄膜，且每层弹性薄膜封闭其所在位置的环形腔体横截面；第一套管、外层管体和两层弹性薄膜共同构成封闭的调节气腔，且两层弹性薄膜能随调节气腔内部气压的变化内缩或外扩，以改变调节气腔的体积大小；

所述中心轴为一端封闭另一端开口的中空轴，其内部空腔作为第一气孔道；中空轴的中部具有开孔段，所述开孔段范围内的轴侧壁沿程间隔开设有若干圈环向布置的气孔；所述支撑杆中开设有第二气孔道，所述内层管体上开设有一圈第一通孔，所述外层管体上开设有一圈第二通孔；第二气孔道的进口始终连通外层管体上的一圈第二通孔，第二气孔道的出口连通所述调节气腔；内层管体上的一圈第一通孔处于所述开孔段的轴向区间中；内层管体通过相对于外层管体转动，能够使所有第一通孔和第二通孔完全重合连通第一气孔道和第二气孔道之间的气路，也能够使所有第一通孔和第二通孔完全错开保持调节气腔封闭；

在流速测量过程中通过对第一气孔道进行抽气或鼓气，经由所述开孔段、完全重合的第一通孔和第二通孔以及第二气孔道构成的气路改变调节气腔的体积调整其浮力，使第二套管与中心轴之间能无接触的相对转动；所述转速测量装置用于测量第二套管的转速，以用于将转速转换为流速。

作为优选，所述的每层弹性薄膜通过两个同轴的固定环进行夹持固定，其中外圈的固定环环绕固定于第一套管内壁面，内圈的固定环环绕固定于第二套管外壁面，两个固定环以及两个固定环之间夹持的弹性薄膜构成一个完整的密封面。

作为优选，所述的弹性薄膜为乳胶膜。

作为优选，所述的转速测量装置包括光信号发射器、光信号接收器、信号分析仪和流速显示仪，所述凹形壳体上开设有透明窗，所述叶轮片上设有光信号反射器，所述光信号发射器和光信号接收器成对置于凹形壳体外部，光信号发射器通过透明窗向叶轮片发射光信号，并由光信号反射器反射至光信号接收器中，所述信号分析仪用于对光信号接收器的电信号进行处理计数并转换为第二套管的转速；每片叶轮片转动至光信号发射器和光信号接收器的光路反射位置时，光信号接收器产生一次计数；流速显示仪根据第二套管的转速与管内流速之间的映射关系，将第二套管的当前转速换算为所述入口段流速，并显示于显示屏上。

作为优选，所有支撑杆均绕中心轴对称布置，整个转子流速测量装置转动时不存在偏心。

作为优选，所述第二气孔道的进口孔径大于所述气孔的孔径。

作为优选，所述凹形壳体不同朝向的侧面均设置有排气阀，所述的凹形壳体的内壁为光滑的球面。

作为优选，所述支撑杆有4条，均位于所述调节气腔与轴向垂直的镜像对称面上，沿第二套管的环向等角度均匀布置；每条支撑杆中均设有所述第二气孔道。

进一步的，所述内层管体上开设的一圈第一通孔共4个，所述外层管体上开设的一圈第二通孔共4个，均沿环向等角度均匀布置。

作为优选，所述第一气孔道的开口端连接用于吸气或鼓气的抽吸装置。

第二方面，本发明提供了一种利用如第一方面任一方案所述薄膜张缩式的微流速测量装置的微流速测量方法，其步骤如下：

S1：将所述薄膜张缩式的微流速测量装置中文丘里测流管的入口段和出口段分别接入待测管道中，使凹形壳体内部充满管内流体；

S2：控制内层管体相对于外层管体转动使所有第一通孔和第二通孔完全重合，保持弹性薄膜处于平直状态，然后通过抽吸装置向第一气孔道中缓慢抽气直至所述调节气腔位于最小体积处，再通过抽吸装置向第一气孔道中缓慢鼓气，直至所述调节气腔位于最大体积处；在所述调节气腔体积变化过程中，保持待测管道内流速恒定，并获取所述转速测量装置测量得到的第二套管转速最大值；

S3：继续保持待测管道内流速恒定，重新调节所述调节气腔的体积，使得所述转速测量装置测量得到的第二套管转速达到所述第二套管转速最大值后，重新控制内层管体相对于外层管体转动使所有第一通孔和第二通孔完全错开，保持调节气腔封闭；

S4：流速测量时，待测管道内的流体依次入口段、渐缩段、喉管段、渐扩段和出口段，并在喉管段中按照截面的面积比例放大流速；流经喉管段中的流体推动伸入所述喉管段中的叶轮片，进而带动第一套管和第二套管绕着中心轴同步转动，通过所述转速测量装置测量第二套管的转速；

S5：根据预先测定的第二套管的转速与所述喉管段中流体流速之间的映射关系，将第二套管的实时转速转换为所述喉管段中流体的实时流速；

S6：根据所述喉管段中流体的实时流速，通过喉管段与待测管道的横截面积之比，换算得到待测管道中流体的实时流速。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

本发明通过设置文丘里测流管和转子流速测量装置，可通过文丘里喉管段放大原始的微流速，进而通过转子流速测量装置的转速来反应管内的流速。本发明中的转子流速测量装置通过由气压驱动的调节气腔结构，使得在流速测量过程中通过改变调节气腔的体积调整其浮力，即可使其整体悬浮在待测流体中，使第二套管与中心轴之间理想状态下能无接触的相对转动，尽可能减少摩擦力。由此，本发明的微流速测量装置可以适用于微流速的测定。

由于本发明中的调节气腔体积是通过弹性薄膜的张缩来调节的，因此只要两侧的弹性薄膜初始状态保持一致，其张缩变化就能够保持同步性，可方便地通过中心轴上连接的抽吸装置进行控制。因此可以在无需拆卸该装置的情况下，实时地调节其整体浮力，以便于适应不同流体环境，具有更大的灵活性。

附图说明

图1为薄膜张缩式的微流速测量装置的结构示意图；

图2为转子流速测量装置的支撑杆位置剖视图；

图3为图2中Ⅰ位置放大图(气路连通状态)；

图4为图2中Ⅰ位置放大图(气路封闭状态)；

图5为内层管体和外层管体的两种控制状态示意图；

图6为带有数据处理和显示装置的微流速测量装置的示意图；

图7为抽吸装置在微流速测量装置上的装配示意图；

图中附图标记为：入口段1、渐缩段2、喉管段3、渐扩段4、出口段5、排气阀6、凹形壳体7、转子流速测量装置8、测流腔9、透明窗10、光信号发射器11、光信号接收器12、信号分析仪13、流速显示仪14、齿条15、齿轮16、抽吸装置17、光信号反射器81、叶轮片82、中心轴83、第二气孔道84、第二套管85、第一气孔道86、调节气腔87、弹性薄膜88、第一套管89、固定环90、支撑杆91、卡位件92、内层管体851、外层管体852。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种薄膜张缩式的微流速测量装置，其主要组成结构包括文丘里测流管和转子流速测量装置8两大部分。其中文丘里测流管用于为转子流速测量装置8提供安装位点，同时能够与待测流速的管道连接通过文丘里喉管段放大原始的微流速，以便于准确测定。而转子流速测量装置8的作用类似于传统的转子流量计中计量转速的部件，其能够通过自身转速来反应管内的流速。

需注意的是本发明中的微流速是指数值较低的流速，但并不限制一定要低于多少数值，事实上本发明也可以用于测量中高流速。

普通转子流量计中，由于叶轮与转轴之间存在摩擦力，因此其在微流速下会引入较大的误差，而且当流速低于一定值时甚至无法推动叶轮旋转，导致流量测定失败。因此，本发明中，通过文丘里测流管和转子流速测量装置8的特殊改进，来尽可能减少叶轮与转轴之间的摩擦力，进而提高测量程下限。下面具体描述本实施例中的文丘里测流管和转子流速测量装置8的具体结构。

参见图1所示，该文丘里测流管由入口段1、渐缩段2、喉管段3、渐扩段4、出口段5顺次连接而成，主体结构形式与普通的文丘里管类似，但本发明的特点是在喉管段3的侧部设有一个额外的凹形壳体7，凹形壳体7仅具有一侧开口，凹形壳体7的内腔作为测流腔9，而凹形壳体7的开口则连通喉管段3的侧向。另外，本发明中测流腔9作为叶轮的转动空间，因此为了避免产生涡流和扰动，凹形壳体7的内壁应当设置为光滑的球面。

在使用时，该文丘里管段是后续安装至待测管道中的，因此其内部的空气需要进行排除才能正常工作，因此本发明中在测流腔9上设有至少一个排气阀6。但是由于待测管道内的流体一般为液体，而测流腔9内的空气则会始终聚集在液体的平面上方，因此排气阀6最好设置多个，凹形壳体7不同朝向的侧面均设置有排气阀6。本实施例中，在三个朝向设置排气阀6。在正常测量管内流速之前，需要打开排气阀6排出内部空气，使管内流体充满整个测流腔9。

参见图2所示，本实施例中的转子流速测量装置8进行了减少转动摩擦力的特殊设计，以提高其对于微流速的测量准确性。该转子流速测量装置8包括第一套管89、第二套管85、同步移动控制装置和转速测量装置，第二套管85同轴设于第一套管89内部。第二套管85为由内层管体851和外层管体852贴合嵌套而成的双层管体，外层管体852与第一套管89的长度基本一致，其两端各自对齐，而内层管体851的一侧端部相对于外层管体852突出，且突出位置设置有卡位件92。设置双层管体的目的是为了使得内层管体851和外层管体852之间可以相对转动，其具体作用将在后文进行说明。第一套管89的内径大于第二套管85的外径，两者之间具有一个环形空腔。中心轴83贯穿第二套管85内的内层管体851，且中心轴83的外径略小于内层管体851的内径，由此中心轴83外壁与第二套管85内壁(即内层管体851内壁)之间可以保留有缝隙(最好不大于2～5mm)，以便于为后续降低两者之间摩擦力提供可能。另外，在第一套管89和第二套管85之间具有若干支撑杆91进行加强固定，以保持两条套管始终处于同轴布置状态而不会偏移。本实施例中，为了保证整体平衡不产生偏心，一共在环形空腔内设置了4条支撑杆91，4条支撑杆91均位于调节气腔87内部与中心轴83轴向垂直的镜像对称面上，沿第二套管85的环向90°等角度均匀布置，以此来保持整体平衡不会出现偏心旋转。

转子流速测量装置8整体通过中心轴83整体架设于测流腔9中，其转动动力是由叶轮片82来提供的。环绕第一套管89外壁固定有多片叶轮片82，本实施例中一共设置8片，沿周向均匀同向布置。在8片叶轮片82中，部分叶轮片82通过测流腔9的开口伸入喉管段3中，而剩余叶轮片82位于测流腔9内，因此伸入喉管段3中的叶轮片82可以在喉管段3内流体推动下推动第一套管89和第二套管85整体绕着中心轴83转动。

在仅有重力作用时，第二套管85的内层管体851内壁将整体搭载在中心轴83表面转动，因此两者之间会产生较大的摩擦力，这不利于微流速的测量，因此本发明中通过对其进行浮力调节，期望通过浮力来抵消转子流速测量装置8的自身重力，使得转子流速测量装置8能够悬浮在流体中。而由于中心轴83外壁与第二套管85的内层管体851内壁之间可以保留有缝隙，当转子流速测量装置8能够悬浮在流体中时，两者之间的摩擦力即可降低至最低。但是由于不同流体的密度不同，因此同一个装置的浮力也会不同，所以本发明中需要通过一个可变体积的空腔来实现浮力调节，以便于适应不同流体类型。具体参见图2所示，本实施例中在第一套管89的内壁呈光滑表面，第二套管85的外壁也呈光滑表面，第一套管89内壁和第二套管85外壁(即外层管体852外壁)之间夹持形成了一个的环形腔体，该环形腔体的两端分别设置一层弹性薄膜88。弹性薄膜88是一层圆环形的的可伸缩膜，优选采用乳胶膜，即普通气球的材质，其具有较好的延展性和稳定性。两层弹性薄膜88沿环形腔体的中心镜像对称面对称布置，即其距离中心镜像对称面的距离相等。每层弹性薄膜88应当与中心轴83垂直布置，能够封闭其所在位置的环形腔体横截面。

在内部气压与外部大气压一致的情况下，两层弹性薄膜88初始状态均处于平直的状态，具有一定的张紧力。当内部气压变大时，两层弹性薄膜88会同步向外扩张形成外凸曲面，当内部气压变小时又会同步向内收缩形成内凹曲面，因此第一套管89、第二套管85和两层弹性薄膜88共同构成封闭且可改变体积大小的调节气腔87。而根据浮力计算公式可知，调节气腔87体积的变化，将直接影响其浮力的大小。因此，本发明在流速测量过程中通过改变调节气腔87的体积调整其浮力，即可使其整体悬浮在待测流体中，使第二套管85与中心轴83之间理想状态下能无接触的相对转动，尽可能减少摩擦力。

本发明中，弹性薄膜88可以通过粘贴方式固定，也可以通过外部的固定件进行固定。本实施例中，为了便于稳定的夹持，参见图2所示，每层弹性薄膜88通过两个同轴的固定环90进行夹持固定，其中外圈的固定环90环绕固定于第一套管89内壁面，内圈的固定环90环绕固定于第二套管85外壁面，两个固定环90中均具有一条夹持缝可以将弹性薄膜88的内环和外环紧密夹持。因此，在该做法下，两个固定环90以及两个固定环90之间夹持的弹性薄膜88构成一个完整的密封面。

在该装置中，由于管内流体的压力一般是恒定的，因此调节气腔87内的体积是通过内部气压的改变来实现的。但是构成调节气腔87的第一套管89、第二套管85和两层弹性薄膜88均是不断转动的，在其上部设置气管会导致转动过程中气管扭曲无法完成相应功能的实现。因此，在本发明中，通过整个装置中固定不动的中心轴83来实现充气或抽气。参见图2所示，中心轴83为一端封闭另一端开口的中空轴，中心轴83的内部空腔作为第一气孔道86，其开口端伸出整个转子流速测量装置8，以便于连接外部的充气设备。中心轴83的中部位置具有一段开孔段，开孔段范围内的中心轴83轴侧壁开设有若干圈环向布置的气孔，每一圈气孔沿着轴的环向等间隔布置，本实施例中一圈气孔共有4个。另外，每条支撑杆91中均开设有第二气孔道84。与之配合的是，在支撑杆91位置处的内层管体851上开设有一圈第一通孔，在支撑杆91位置处的外层管体852上开设有一圈第二通孔，一圈第一通孔和一圈第二通孔均为4个，均沿环向等角度均匀布置。在使用过程中，外层管体852是始终相对于支撑杆91保持不动的，因此4条支撑杆91上的4条第二气孔道84的进口始终连通外层管体852上的一圈第二通孔，第二气孔道84的出口又连通调节气腔87。而沿轴向方向看，内层管体851上的一圈第一通孔则处于开孔段的轴向区间即出气范围中。相邻两圈气孔的间隔相同，本实施例中沿着中心轴83的轴向一共设置了5圈气孔，第二气孔道84的进口正对着中间的一圈气孔。

如图2所示，内层管体851的端部具有一个突出部，且其带有卡位件92，该卡位件92的作用是作为外部受力点，使得内层管体851能够相对于外层管体852转动。实际使用时，可以利用外部设备对卡位件92施加旋转力，使得两层管体能相对转动。但本实施例中，由于外层管体852本身就是在流体对叶轮的驱动下旋转的，因此可以直接利用可移动的卡件限制卡位件92的转动，进而限制内层管体851不动，外层管体852即可相对于内层管体851发生转动。当两层管体发生相对转动时，能够使所有第一通孔和第二通孔完全重合连通第一气孔道86和第二气孔道84之间的气路，参见图3所示，此时可以通过第一气孔道86的抽气和鼓气对调节气腔87的压力进行调节。当两者继续转动时亦可使所有第一通孔和第二通孔完全错开保持调节气腔87封闭，参见图4所示，此时可以保持调节气腔87内处于最佳压力而不会从其他地方泄露。对于双层管体而言，所有第一通孔和第二通孔完全重合连通的状态参见图5(a)所示，所有第一通孔和第二通孔完全错开的状态参见图5(b)所示。

由于本发明中的中心轴83与第二套管85的内壁在旋转过程中应当不接触以减小摩擦力，因此无法像其他的气路一样直接对接相连。但本发明通过设置多圈气孔营造了一个更大的出气范围，可以避免第二气孔道84的进口无法对准气孔的问题。而且，由于中心轴83与第二套管85的内壁之间本身间距就很小，因此其沿程阻力较大，第一气孔道86、多圈气孔、完全重合的第一通孔和第二通孔、和第二气孔道84实际上构成一条气路，当对第一气孔道86的开口端进行抽气或者鼓气操作时，其气压变化可以灵敏地反映至调节气腔87，调节完毕后再重新错开第一通孔和第二通孔即可封闭调节气腔87。而第一气孔道86不进行充气或抽气，第一通孔和第二通孔又保持重合时，调节气腔87的内压与大气压一致，即可恢复初始状态。

另外，为了减小该气路自身的气流阻力，最好使第二气孔道84的进口孔径、第一通孔的孔径和第二通孔的孔径相同且均大于开孔段上气孔的孔径。由此，在使用过程中针对不同密度的流体，可以通过调节调节气腔87的压力来改变其体积大小，进而使装置整体悬浮在待测流体中，保持第二套管85与中心轴83无接触转动。

基于上述结构，可以实现细微流速的放大和测量，但其测定的不是直接的流速信号，而是需要通过一个转速测量装置测量第二套管85的转速，后续再将转速转换为流速。转速测量装置的具体形式可以与传统的转子流量计类似，同样的转速与流速的映射转换也可以参考传统转子流量计的做法。

为了进一步便于理解，本发明提供了一种转速测量装置的实现形式，该形式的转速测量装置可以实现无接触式的转速测定，进一步避免对中心轴直接测量导致的摩擦力提升。参见图6所示，该转速测量装置包括光信号发射器11、光信号接收器12、信号分析仪13和流速显示仪14，其中凹形壳体7上开设有透明窗10，使得光信号能够透过该透明窗10。叶轮片82上设有光信号反射器81，本实施例中光信号反射器81为一片反光片。光信号发射器11和光信号接收器12成对置于凹形壳体7外部，光信号发射器11通过透明窗10向叶轮片82发射光信号，并由光信号反射器81反射至光信号接收器12中，光信号接收器12可以感应到反射的光信号，进而将其转换为电信号。

信号分析仪13用于对光信号接收器12的电信号进行处理计数。每片叶轮片82上均具有光信号反射器81，因此转动至光信号发射器11和光信号接收器12的光路反射位置时，光信号接收器12即可产生一次计数。本实施例中，光信号发射器11、光信号接收器12和信号分析仪13三者构成了一种反射式光电传感器，此类设备元件可采用现有设备实现，不需要特殊设计。另外，在固定时间内，获得光信号计数次数后，即可转换为第二套管85的转速，由此可以进一步换算成相应的流速或者流量。

另外，在信号分析仪13后可以继续连接流速显示仪14，流速显示仪14中预先存储通过试验标定的的第二套管85的转速与管内流速之间的映射关系，然后根据第二套管85的转速与管内流速之间的映射关系，将第二套管85的当前实时转速换算为入口段1的流速，并显示于显示屏上。如果入口段1的横截面与待测管道是一致的，那么入口段1的流速等价于待测管道的流速，但是如果两者是不一致的，那么需要基于其流量相等的原则，根据两者的管段横截面积之比进行换算。

另外，本发明中，微流速测量装置所使用的材料不宜采用金属等过重的材质，优选采用有机玻璃、高分子塑料等材质，使其除了调节气腔87之外其余部件的整体比重大于环境流体的比重但也不宜过大，以便于通过改变调节气腔87内气体体积可以使其悬浮于流体中。另外，两层弹性薄膜88之间的间距应当进行合理设计，使得其调节范围能够满足整个装置在不同流体中的悬浮要求。

另外，第一气孔道86的开口端可以采用可拆卸的形式连接任意用于吸气或鼓气的抽吸装置17。由于该装置中的调节气腔87体积一般较小，因此参见图7所示，可采用柱塞式的气泵进行控制，手动和自动均可。

基于上述薄膜张缩式的微流速测量装置，本发明还提供了一种微流速测量方法，其步骤如下：

S1：将本发明的薄膜张缩式的微流速测量装置中文丘里测流管的入口段1和出口段5分别接入待测管道中，管道的连接可以通过设置法兰盘来实现。通过打开排气阀6排出内部气体，使凹形壳体7内部充满管内流体。

S2：通过操作设于凹形壳体7内的可移动式针形卡件，限制卡位件92的转动，以此控制内层管体851相对于外层管体852转动使所有第一通孔和第二通孔完全重合，然后迅速撤掉针形卡件的限制，使得第一通孔和第二通孔连通气路，此时保持弹性薄膜88处于基本平直的初始状态。然后，通过抽吸装置17向第一气孔道86中缓慢抽气直至调节气腔87位于最小体积处，再通过抽吸装置17向第一气孔道86中缓慢鼓气，直至调节气腔87位于最大体积处。需注意该抽气和鼓气过程均应当尽量慢，为流速测定留下充足的时间。在该鼓气过程中，调节气腔87的体积变化会逐渐由最小变到最大，该过程中，需要保持待测管道内流速恒定，因此可以通过转速测量装置测量得到第二套管85在该过程中的转速变化，从该转速变化曲线中确定第二套管85转速的最大值。由于第二套管85与中心轴83之间无接触的相对转动时，其第二套管85转速必然最大，因此可以确定该转速对应的调节气腔87体积就是能够使装置整体悬浮的最佳体积。

S3：继续保持待测管道内流速恒定，第一通孔和第二通孔完全重合，重新通过抽气和鼓气调节调节气腔87的体积，使得转速测量装置测量得到的第二套管85转速达到前述确定的第二套管85转速最大值后，立即操作可移动式针形卡件限制卡位件92的转动，控制内层管体851相对于外层管体852转动使所有第一通孔和第二通孔完全错开，保持调节气腔87封闭使内部气压保持在最佳压力处，由此完成校准工序。

S4：当完成上述调试后，即可进行真正的流速测量。流速测量时，待测管道内的流体依次入口段1、渐缩段2、喉管段3、渐扩段4和出口段5，并在喉管段3中按照截面的面积比例放大流速；流经喉管段3中的流体推动伸入喉管段3中的叶轮片82，进而带动第一套管89和第二套管85绕着中心轴83同步转动，通过转速测量装置测量第二套管85的转速；

S5：根据预先测定的第二套管85的转速与喉管段3中流体流速之间的映射关系，将第二套管85的实时转速转换为所述喉管段3中流体的实时流速；

S6：根据喉管段3中流体的实时流速，通过喉管段3与待测管道的横截面积之比，即可换算得到待测管道中流体的实时流速。

由此可见，即使目标流体因为温度变化或者流体介质本身变化，导致其密度改变，本发明也可以通过外部的气泵改变调节气腔的体积来实现原位的最佳体积校准节，使得第二套管85与中心轴83之间无接触的相对转动，而无需对整个装置进行拆卸。因此，本发明的薄膜式气动调节方式具有更高的灵活性。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种薄膜张缩式的微流速测量装置，其特征在于，包括文丘里测流管和转子流速测量装置(8)；

所述文丘里测流管由入口段(1)、渐缩段(2)、喉管段(3)、渐扩段(4)、出口段(5)顺次连接而成，且所述喉管段(3)的侧部设有凹形壳体(7)，凹形壳体(7)的内腔作为测流腔(9)，凹形壳体(7)的开口连通喉管段(3)；测流腔(9)上设有至少一个排气阀(6)；

所述转子流速测量装置(8)包括第一套管(89)、第二套管(85)和转速测量装置，第二套管(85)同轴设于第一套管(89)内部且两者之间通过若干支撑杆(91)保持相对固定；所述第二套管(85)为由内层管体(851)和外层管体(852)贴合嵌套而成的双层管体，中心轴(83)贯穿第二套管(85)的内层管体(851)且中心轴(83)外壁与内层管体(851)内壁之间保留有缝隙，转子流速测量装置(8)通过中心轴(83)整体架设于测流腔(9)中；环绕所述第一套管(89)外壁固定有若干叶轮片(82)，且部分叶轮片(82)伸入所述喉管段(3)中，剩余叶轮片(82)位于测流腔(9)内，伸入所述喉管段(3)中的叶轮片(82)在喉管段(3)内流体推动下推动第一套管(89)和第二套管(85)整体转动；第一套管(89)和外层管体(852)的之间夹持的环形腔体两端对称固定有一层圆环形的弹性薄膜(88)，且每层弹性薄膜(88)封闭其所在位置的环形腔体横截面；第一套管(89)、外层管体(852)和两层弹性薄膜(88)共同构成封闭的调节气腔(87)，且两层弹性薄膜(88)能随调节气腔(87)内部气压的变化内缩或外扩，以改变调节气腔(87)的体积大小；

所述中心轴(83)为一端封闭另一端开口的中空轴，其内部空腔作为第一气孔道(86)；中空轴的中部具有开孔段，所述开孔段范围内的轴侧壁沿程间隔开设有若干圈环向布置的气孔；所述支撑杆(91)中开设有第二气孔道(84)，所述内层管体(851)上开设有一圈第一通孔，所述外层管体(852)上开设有一圈第二通孔；第二气孔道(84)的进口始终连通外层管体(852)上的一圈第二通孔，第二气孔道(84)的出口连通所述调节气腔(87)；内层管体(851)上的一圈第一通孔处于所述开孔段的轴向区间中；内层管体(851)通过相对于外层管体(852)转动，能够使所有第一通孔和第二通孔完全重合连通第一气孔道(86)和第二气孔道(84)之间的气路，也能够使所有第一通孔和第二通孔完全错开保持调节气腔(87)封闭；

在流速测量过程中通过对第一气孔道(86)进行抽气或鼓气，经由所述开孔段、完全重合的第一通孔和第二通孔以及第二气孔道(84)构成的气路改变调节气腔(87)的体积调整其浮力，使第二套管(85)与中心轴(83)之间能无接触的相对转动；所述转速测量装置用于测量第二套管(85)的转速，以用于将转速转换为流速。

2.如权利要求1所述的薄膜张缩式的微流速测量装置，其特征在于，所述的每层弹性薄膜(88)通过两个同轴的固定环(90)进行夹持固定，其中外圈的固定环(90)环绕固定于第一套管(89)内壁面，内圈的固定环(90)环绕固定于第二套管(85)外壁面，两个固定环(90)以及两个固定环(90)之间夹持的弹性薄膜(88)构成一个完整的密封面。

3.如权利要求1所述的薄膜张缩式的微流速测量装置，其特征在于，所述的弹性薄膜(88)为乳胶膜。

4.如权利要求1所述的薄膜张缩式的微流速测量装置，其特征在于，所述的转速测量装置包括光信号发射器(11)、光信号接收器(12)、信号分析仪(13)和流速显示仪(14)，所述凹形壳体(7)上开设有透明窗(10)，所述叶轮片(82)上设有光信号反射器(81)，所述光信号发射器(11)和光信号接收器(12)成对置于凹形壳体(7)外部，光信号发射器(11)通过透明窗(10)向叶轮片(82)发射光信号，并由光信号反射器(81)反射至光信号接收器(12)中，所述信号分析仪(13)用于对光信号接收器(12)的电信号进行处理计数并转换为第二套管(85)的转速；每片叶轮片(82)转动至光信号发射器(11)和光信号接收器(12)的光路反射位置时，光信号接收器(12)产生一次计数；流速显示仪(14)根据第二套管(85)的转速与管内流速之间的映射关系，将第二套管(85)的当前转速换算为所述入口段(1)流速，并显示于显示屏上。

5.如权利要求1所述的薄膜张缩式的微流速测量装置，其特征在于，所有支撑杆(91)均绕中心轴(83)对称布置，整个转子流速测量装置(8)转动时不存在偏心。

6.如权利要求1所述的薄膜张缩式的微流速测量装置，其特征在于，所述凹形壳体(7)不同朝向的侧面均设置有排气阀(6)，所述的凹形壳体(7)的内壁为光滑的球面。

7.如权利要求1所述的薄膜张缩式的微流速测量装置，其特征在于，所述支撑杆(91)有4条，均位于所述调节气腔(87)与轴向垂直的镜像对称面上，沿第二套管(85)的环向等角度均匀布置；每条支撑杆(91)中均设有所述第二气孔道(84)。

8.如权利要求7所述的薄膜张缩式的微流速测量装置，其特征在于，所述内层管体(851)上开设的一圈第一通孔共4个，所述外层管体(852)上开设的一圈第二通孔共4个，均沿环向等角度均匀布置。

9.如权利要求1所述的薄膜张缩式的微流速测量装置，其特征在于，所述第一气孔道(86)的开口端连接用于吸气或鼓气的抽吸装置(17)。

10.一种利用如权利要求1～9任一所述薄膜张缩式的微流速测量装置的微流速测量方法，其特征在于，步骤如下：

S1：将所述薄膜张缩式的微流速测量装置中文丘里测流管的入口段(1)和出口段(5)分别接入待测管道中，使凹形壳体(7)内部充满管内流体；

S2：控制内层管体(851)相对于外层管体(852)转动使所有第一通孔和第二通孔完全重合，保持弹性薄膜(88)处于平直状态，然后通过抽吸装置(17)向第一气孔道(86)中缓慢抽气直至所述调节气腔(87)位于最小体积处，再通过抽吸装置(17)向第一气孔道(86)中缓慢鼓气，直至所述调节气腔(87)位于最大体积处；在所述调节气腔(87)体积变化过程中，保持待测管道内流速恒定，并获取所述转速测量装置测量得到的第二套管(85)转速最大值；

S3：继续保持待测管道内流速恒定，重新调节所述调节气腔(87)的体积，使得所述转速测量装置测量得到的第二套管(85)转速达到所述第二套管(85)转速最大值后，重新控制内层管体(851)相对于外层管体(852)转动使所有第一通孔和第二通孔完全错开，保持调节气腔(87)封闭；

S4：流速测量时，待测管道内的流体依次入口段(1)、渐缩段(2)、喉管段(3)、渐扩段(4)和出口段(5)，并在喉管段(3)中按照截面的面积比例放大流速；流经喉管段(3)中的流体推动伸入所述喉管段(3)中的叶轮片(82)，进而带动第一套管(89)和第二套管(85)绕着中心轴(83)同步转动，通过所述转速测量装置测量第二套管(85)的转速；

S5：根据预先测定的第二套管(85)的转速与所述喉管段(3)中流体流速之间的映射关系，将第二套管(85)的实时转速转换为所述喉管段(3)中流体的实时流速；

S6：根据所述喉管段(3)中流体的实时流速，通过喉管段(3)与待测管道的横截面积之比，换算得到待测管道中流体的实时流速。

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