CN115307693A - 一种多量程可调节式mems差压流量计 - Google Patents

一种多量程可调节式mems差压流量计 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多量程可调节式MEMS差压流量计，包括MEMS差压芯片，节流板、电机控制模块、齿轮、轴承、通信接口和前管道、后管道；其中节流板节流板A和节流板B，MEMS差压芯片位于节流板A的中心位置；节流板A和节流板B通过轴承连接，节流板A固定不可转动，节流板B外圆周呈齿轮型，通过齿轮绕轴转动；函数孔分布在节流板A和节流板B圆周上，齿轮与节流板B配合连接；通信接口位于节流板A边缘；前管道置于节流板A前端，后管道置于节流板B后端，分别用于与外部管道连接。与现有的流量计相比，在相同测量精度等级要求下，既满足压损要求，又拓宽了流量计的工作量程范围，使其应用领域得到扩展。

Description

一种多量程可调节式MEMS差压流量计
技术领域
本发明属于流量测量和微电子传感器技术领域，涉及一种多量程可调节式MEMS差压流量计。
背景技术
随着物联网的不断发展，流量作为工业生产过程的重要物理量，需要被精准的测量。尤其对于中、小流量的精确测量，市场对流量计的便携性、性价比和适用范围提出更高的需求。流量计按其结构原理可分为：容积式流量计、压差式流量计、浮子流量计、涡轮流量计和电磁流量计等。其中，容积式流量计体积大，结构复杂，高温条件下零件易热膨胀、变形，因此不适用于高低温场合，此外，当流体洁净程度低时，需在上管段安装过滤器，并定时清理，维护工作量大；浮子流量计耐压低、不能测量含杂质的流体介质，且受外界磁场影响较大；涡轮流量计在长时间使用后，需定期校准，并且流体物性对流量特性影响大；电磁流量计对使用对象和环境相对严苛，不能测量气体和电导率低、含有大气泡的液体，而且不适用于高温环境，最高可承受温度为160℃；插入式流量计根据不同工作原理可分为插入式涡街、插入式涡轮、插入式电磁、热式均速管流量传感器等流量计，但这类流量计对直管段要求高，且仪表的测试精度较低，不易标准化；涡街流量计对管道机械振动比较敏感，因此不适用于振动和干扰较强的场所，同样也不适用于脉动流，否则会造成流量计示值偏高。质量流量计对外界振动干扰较为敏感，不能用于较大管径的流量测量，管内壁磨损、腐蚀、结垢对测量精度影响较大；超声波流量计只能用于清洁液体和气体的流量测量，并且对管道衬里要求高，目前主要应用于大口径管道的流量测量。
与上述流量计相比，差压式流量计具有成本低、可靠性高、抗振动能力强和标准化程度高等特点，适用于高温、高压、低静压、低流速、低密度流体流量的测量。随着科技的进步，各种新技术不断发展，差压式流量计中节流元件也在不断改进。传统节流装置只有一个流体节流孔，节流后破坏了流体原有的理想状态，而多孔平衡流量计虽具有多个函数孔，通过函数孔平衡整流流体形态，使其近似成为理想流体，但同样存在测量范围窄的缺点。尤其对于小量程范围内的流体流量，测试误差大，最终限制该类流量计的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种多量程可调节式MEMS差压流量计，该流量计集成2个节流板，流体流量通过电机驱动齿轮旋转调整节流板函数孔孔径大小，具有压损小、量程宽、体积小、成本低的特点。
本发明的一个目的是提供所述多量程可调节式MEMS差压流量计，包括MEMS差压芯片，节流板、电机控制模块、齿轮、轴承、通信接口和前管道、后管道；其中节流板包含2个，节流板A和节流板B，MEMS差压芯片位于节流板A的中心位置，用于感应节流板前后的压力差，并将压力差信号转换为流量信号；节流板A和节流板B同轴，通过轴承连接，节流板A固定不可转动，节流板B外圆周呈齿轮型，可通过齿轮绕轴转动；不同函数孔分别分布在节流板A和节流板B圆周上，齿轮与节流板B配合连接，电机控制模块通过驱动齿轮带动节流板B绕轴转动；通信接口位于节流板A边缘，用于传输流量信号；前管道置于节流板A前端，后管道置于节流板B后端，分别用于与外部管道连接。
所述节流板A固定不可转动，节流板B外圆周呈齿轮型，可通过齿轮绕轴转动，根据流量实时调节流体流经孔径。
所述节流板A和节流板B上分别分布两圈函数孔，大圆周函数孔分别位于所述节流板A和节流板B半径较大的圆周上，小圆周函数孔位于所述节流板A和节流板B半径较小的圆周上。
所述节流板B上的函数孔与节流板A的函数孔分布在相同圆周位置上，且节流板B上的小圆周函数孔与节流板A的小圆周函数孔分布角度存在偏移。
所述节流板A和节流板B的函数孔数量、孔径相同；且节流板A和节流板B的函数孔数量、孔径、偏移角度可根据应用需求推导计算。
本发明的另一个目的是提供一种多量程可调节式MEMS差压流量计节流板的设计方法，具体步骤如下：
步骤一：确定节流板结构尺寸
根据外接管道尺寸要求，设计节流板A和节流板B直径。
步骤二：确定节流板A和节流板B函数孔结构参数
式（1）为流体流量与压力差对应函数关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，Q为体积流量，C为流出系数，ε为可膨胀系数，d为节流板函数孔孔径，β为等效直径比，Δp为压力差，ρ为流体密度；
式（2）为管道直径与函数孔孔径间函数关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，β为等效直径比，d为节流板函数孔孔径，D为管道直径；
根据流量测量范围及压损要求，采用公式（1）和（2）分别计算最小流量Qmin、分界流量Qt、最大流量Qmax对应函数孔孔径d1、d2、d3和函数孔数量n1、n2、n3；
对于节流板A，在半径为r1的圆周上设置孔径为d3的n3个大圆周函数孔，在半径为r2的圆周上设置孔径为d1的n1个小圆周函数孔，其中r1> r2；
对于节流板B，在半径为r1的圆周上设置孔径为d3的n3个大圆周函数孔，在半径为r2的圆周上设置孔径为d1的n1个小圆周函数孔，其中r1> r2；节流板A与节流板B中小圆周函数孔的分布角度不同，二者错位，偏移角度通过函数孔数量、孔径大小计算；
步骤三：已知流量与函数孔孔径，仿真计算压力差变化范围
采用Ansys Fluent模块建立模型，分别仿真计算最小流量Qmin对应函数孔孔径d1和函数孔数量n1情况下节流板前后压力差Δp1、最大流量Qmax对应函数孔孔径d3和函数孔数量n3情况下节流板前后压力差Δp2，分界流量Qt对应节流板前后压力差Δp3，分别验证Δp1、Δp2和Δp3是否满足设计要求；
步骤四：节流板安装设计
节流板A和节流板B通过轴承连接，节流板A固定，节流板B绕轴转动，结合步骤二的分界流量Qt，计算节流板B外圆周的齿距和齿数，然后选用相同齿距的齿轮与节流板B装配，再结合孔径为d1的n1个小圆周函数孔位置布局，计算齿轮运转角度与时间，确保电机控制模块的精准性。当流体流量Q：Qmin≤Q＜Qt时，节流板B通过电机控制，绕轴转动至孔径d1的小圆周函数孔全开，孔径d3的大圆周函数孔关闭，流体流经小圆周函数孔；当流体流量Q：Qt＜Q≤Qmax时，节流板B通过电机控制，绕轴转动至孔径d3的大圆周函数孔全开，孔径d1的小圆周函数孔关闭，流体流经大圆周函数孔；其中，分界流量Qt对应的函数孔孔径d2介于d1和 d3之间，通过电机的精确控制实现孔径大小的调节；
步骤五：方法性能评估
在仿真分析的基础上，初步获得流量与函数孔孔径变化的函数关系，之后进行试验验证，修正电机控制模块参数，以确保多量程可调节式MEMS差压流量计的压损及测试精度要求。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明的多量程可调节式MEMS差压流量计，在满足压损范围条件下，根据流量值，通过电机控制模块实时调节节流板函数孔大小，满足MEMS差压芯片压力检测分辨力的同时，实现流体流量的精确测量。与现有的多孔平衡流量计相比，在相同测量精度等级要求下，多量程可调节式MEMS差压流量计既满足压损要求，又拓宽了流量计的工作量程范围，使其应用领域得到扩展。
附图说明
图1（a）为本发明多量程可调节式MEMS差压流量计的结构前视图。
图1（b）为本发明多量程可调节式MEMS差压流量计的结构后视图。
图1（c）为本发明多量程可调节式MEMS差压流量计的结构左视图。
图2（a）为流体流量
Figure 707592DEST_PATH_IMAGE005
时，本发明节流板结构示意图。
图2（b）为本发明多量程可调节式MEMS差压流量计的节流板随齿轮运作示意图。
图2（c）为流体流量
Figure DEST_PATH_IMAGE006
时，本发明节流板结构示意图。
图中：
1-MEMS差压芯片，2-节流板A，3-节流板B，4-电机控制模块，5-齿轮，6-通信接口，7-前管道，8-后管道，9-函数孔，10-轴承。
具体实施方式
图1所示为一种多量程可调节式MEMS差压流量计结构示意图。包括MEMS差压芯片1，节流板A2，节流板B3，电机控制模块4，齿轮5，通信接口6，前管道7，后管道8，函数孔9；MEMS差压芯片1位于节流板A2的中心位置，用于感应节流板前后的压力差，并将压力差信号转换为流量信号；节流板A2和节流板B3同轴，通过轴承10连接，节流板A2固定不可转动，节流板B3外圆周呈齿轮型，可通过齿轮5绕轴转动；不同函数孔分别分布在节流板A2和节流板B3圆周上，齿轮5与节流板B2配合连接，电机控制模块4通过驱动齿轮5带动节流板B3绕轴转动；通信接口6位于节流板A2边缘，用于传输流量信号；前管道7置于节流板A2前端，后管道8置于节流板B3后端，分别用于与外部管道连接。
本发明一种多量程可调节式MEMS差压流量计节流板的具体步骤如下：
步骤一：确定节流板结构尺寸
根据外接管道尺寸要求，设计节流板A和节流板B直径。
步骤二：确定节流板A和节流板B函数孔结构参数
式（1）为流体流量与压力差对应函数关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
其中，Q为体积流量，C为流出系数，ε为可膨胀系数，d为节流板函数孔孔径，β为等效直径比，Δp为压力差，ρ为流体密度；
式（2）为管道直径与函数孔孔径间函数关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
其中，β为等效直径比，d为节流板函数孔孔径，D为管道直径；
根据流量测量范围及压损要求，采用公式（1）和（2）分别计算最小流量Qmin、分界流量Qt、最大流量Qmax对应函数孔孔径d1、d2、d3和函数孔数量n1、n2、n3；
对于节流板A，在半径为r1的圆周上设置孔径为d3的n3个大圆周函数孔，在半径为r2的圆周上设置孔径为d1的n1个小圆周函数孔，其中r1> r2；
对于节流板B，在半径为r1的圆周上设置孔径为d3的n3个大圆周函数孔，在半径为r2的圆周上设置孔径为d1的n1个小圆周函数孔，其中r1> r2；节流板A与节流板B中小圆周函数孔的分布角度不同，二者错位，偏移角度通过函数孔数量、孔径大小计算；
步骤三：已知流量与函数孔孔径，仿真计算压力差变化范围
采用Ansys Fluent模块建立模型，分别仿真计算最小流量Qmin对应函数孔孔径d1和函数孔数量n1情况下节流板前后压力差Δp1、最大流量Qmax对应函数孔孔径d3和函数孔数量n3情况下节流板前后压力差Δp2，分界流量Qt对应节流板前后压力差Δp3，分别验证Δp1、Δp2和Δp3是否满足设计要求；
步骤四：节流板安装设计
节流板A和节流板B通过轴承连接，节流板A固定，节流板B绕轴转动，结合步骤二的分界流量Qt，计算节流板B外圆周的齿距和齿数，然后选用相同齿距的齿轮与节流板B装配，再结合孔径为d1的n1个小圆周函数孔位置布局，计算齿轮运转角度与时间，确保电机控制模块的精准性。当流体流量Q：Qmin≤Q＜Qt时，节流板B通过电机控制，绕轴转动至孔径d1的小圆周函数孔全开，孔径d3的大圆周函数孔关闭，流体流经小圆周函数孔；当流体流量Q：Qt＜Q≤Qmax时，节流板B通过电机控制，绕轴转动至孔径d3的大圆周函数孔全开，孔径d1的小圆周函数孔关闭，流体流经大圆周函数孔；其中，分界流量Qt对应的函数孔孔径d2介于d1和 d3之间，通过电机的精确控制实现孔径大小的调节；
步骤五：方法性能评估
在仿真分析的基础上，初步获得流量与函数孔孔径变化的函数关系，之后进行试验验证，修正电机控制模块参数，以确保多量程可调节式MEMS差压流量计的压损及测试精度要求。

Claims (7)

1.一种多量程可调节式MEMS差压流量计，包括MEMS差压芯片、节流板、电机控制模块、齿轮、轴承、通信接口和前管道、后管道；其中所述节流板包含节流板A和节流板B；所述节流板A和节流板B同轴，通过轴承连接；所述节流板A和节流板B圆周上分别分布不同函数孔；所述MEMS差压芯片位于节流板A的中心位置，用于感应节流板前后的压力差，并将压力差信号转换为流量信号；所述齿轮与节流板B配合连接；所述通信接口位于节流板A边缘，用于传输流量信号；所述前管道置于节流板A前端，所述后管道置于节流板B后端，分别与外部管道连接。
2.根据权利要求1所述的一种多量程可调节式MEMS差压流量计，其特征在于，所述节流板A固定不可转动，节流板B外圆周呈齿轮型，可通过齿轮绕轴转动，根据流量实时调节流体流经孔径。
3.根据权利要求1所述的一种多量程可调节式MEMS差压流量计，其特征在于，所述电机控制模块通过驱动齿轮带动节流板B绕轴转动。
4.根据权利要求1所述的一种多量程可调节式MEMS差压流量计，其特征在于，所述节流板A和节流板B的函数孔数量、孔径相同。
5.根据权利要求1所述的一种多量程可调节式MEMS差压流量计，其特征在于，所述节流板A和节流板B上分别分布两圈函数孔，大圆周函数孔分别位于所述节流板A和节流板B半径较大的圆周上，小圆周函数孔位于所述节流板A和节流板B半径较小的圆周上。
6.根据权利要求5所述的一种多量程可调节式MEMS差压流量计，其特征在于，所述节流板B上的函数孔与节流板A的函数孔分布在半径相同圆周上，且节流板B上的小圆周函数孔与节流板A的小圆周函数孔分布角度存在偏移。
7.根据权利要求1所述的一种多量程可调节式MEMS差压流量计，其特征在于，所述节流板的设计方法，具体步骤如下：
步骤一：确定节流板结构尺寸
根据外接管道尺寸要求，设计节流板A和节流板B直径；
步骤二：确定节流板A和节流板B函数孔结构参数
式（1）为流体流量与压力差对应函数关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，Q为体积流量，C为流出系数，ε为可膨胀系数，d为节流板函数孔孔径，β为等效直径比，Δp为压力差，ρ为流体密度；
式（2）为管道直径与函数孔孔径间函数关系：
Figure 768261DEST_PATH_IMAGE002
其中，β为等效直径比，d为节流板函数孔孔径，D为管道直径；
根据流量测量范围及压损要求，采用公式（1）和（2）分别计算最小流量Qmin、分界流量Qt、最大流量Qmax、对应函数孔孔径d1、d2、d3和函数孔数量n1、n2、n3；
对于节流板A，在半径为r1的圆周上设置孔径为d3的n3个大圆周函数孔，在半径为r2的圆周上设置孔径为d1的n1个小圆周函数孔，其中r1> r2；
对于节流板B，在半径为r1的圆周上设置孔径为d3的n3个大圆周函数孔，在半径为r2的圆周上设置孔径为d1的n1个小圆周函数孔，其中r1> r2；节流板A与节流板B中小圆周函数孔的分布角度不同，二者错位，偏移角度通过函数孔数量、孔径大小计算；
步骤三：已知流量与函数孔孔径，仿真计算压力差变化范围
采用Ansys Fluent模块建立模型，分别仿真计算最小流量Qmin对应函数孔孔径d1和函数孔数量n1情况下节流板前后压力差Δp1、最大流量Qmax对应函数孔孔径d3和函数孔数量n3情况下节流板前后压力差Δp2，分界流量Qt对应节流板前后压力差Δp3，分别验证Δp1、Δp2和Δp3是否满足设计要求；
步骤四：节流板安装设计
节流板A和节流板B通过轴承连接，节流板A固定，节流板B绕轴转动，结合步骤二的分界流量Qt，计算节流板B外圆周的齿距和齿数，然后选用相同齿距的齿轮与节流板B装配，再结合孔径为d1的n1个小圆周函数孔位置布局，计算齿轮运转角度与时间，确保电机控制模块的精准性；
当流体流量Q：Qmin≤Q＜Qt时，节流板B通过电机控制，绕轴转动至孔径d1的小圆周函数孔全开，孔径d3的大圆周函数孔关闭，流体流经小圆周函数孔；当流体流量Q：Qt＜Q≤Qmax时，节流板B通过电机控制，绕轴转动至孔径d3的大圆周函数孔全开，孔径d1的小圆周函数孔关闭，流体流经大圆周函数孔；节流板B通过电机控制，绕轴转动至孔径d3的大圆周函数孔全开，孔径d1的小圆周函数孔关闭，流体流经大圆周函数孔；孔径d1的小圆周函数孔关闭，流体流经大圆周函数孔；其中，分界流量Qt对应的函数孔孔径d2介于d1和 d3之间，通过电机的精确控制实现孔径大小的调节；
步骤五：方法性能评估
在仿真分析的基础上，初步获得流量与函数孔孔径变化的函数关系，之后进行试验验证，修正电机控制模块参数，以确保多量程可调节式MEMS差压流量计的压损及测试精度要求。
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