CN115979360A - 一种智能流阻式流量计 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业测量及控制领域，尤其是一种智能流阻式流量计，针对现有的差压式流量计通常需要敷设引压管路，安装不便，且测量脏污介质容易因塞而失效；热式流量计安装时需要有足够长的直管段，因其易受涡流和流体波动的影响；超声波流量计无法在严苛的条件下进行工作，无法对气体进行测量，亦对流体波动非常敏感的问题，现提出如下方案，其包括测量杆、安装法兰、固定外壳、信号转换单元、保护外壳、出线接口、被测管道、多剪切梁，本发明所述的智能流阻式流量计可用于具有防护要求的场合，无需额外加装变送器，直接输出4～20mA电信号，适用于各种介质或流速的流体测量，尤其适用于低流速流体的测量，耐磨损且不易堵塞。

Description

一种智能流阻式流量计

技术领域

本发明涉及工业测量及控制技术领域，尤其涉及一种智能流阻式流量计。

背景技术

现有应用于现代工业中的流量计的主要有差压式流量计、热式流量计及超声波流量计等。

差压式流量计通常需要敷设引压管路，安装不便，且测量脏污介质容易因塞而失效；热式流量计安装时需要有足够长的直管段，因其易受涡流和流体波动的影响；超声波流量计无法在严苛的条件下进行工作，无法对气体进行测量，亦对流体波动非常敏感。

针对上述问题，本发明文件提出了一种智能流阻式流量计。

发明内容

本发明提供了一种智能流阻式流量计，解决了现有技术中存在差压式流量计通常需要敷设引压管路，安装不便，且测量脏污介质容易因塞而失效；热式流量计安装时需要有足够长的直管段，因其易受涡流和流体波动的影响；超声波流量计无法在严苛的条件下进行工作，无法对气体进行测量，亦对流体波动非常敏感的缺点。

本发明提供了如下技术方案：

一种智能流阻式流量计，包括测量杆、安装法兰、固定外壳、信号转换单元、保护外壳、出线接口、被测管道、多剪切梁；

所述测量杆一端插入被测管道中，另一端固定在信号转换单元的活动端上，信号转换单元包括信号转换单元活动端、信号转换单元固定端和电容输出板，信号转换单元活动端与内部的多剪切梁固定在一起，多剪切梁内部安装有电容传感器动极板与电容传感器定极板，信号转换单元固定端与保护外壳连接，安装法兰通过拉铆钉与被测管道相连，固定外壳的底部通过法兰螺栓与安装法兰相连，所述固定外壳与安装法兰之间夹装了石墨密封垫，固定外壳的上端与保护外壳焊接在一起，保护外壳内部装有电路板和接线端子，外部信号线、电源线可连接至接线端子上，电路板的输出线通过出线接口送往外部，电路板上方有接线盖，所述接线盖安装在保护外壳上。

在一种可能的设计中，所述测量杆是截面为矩形的薄壁管，所述测量杆上开设有多对迟滞孔。

在一种可能的设计中，所述信号转换单元的外部有隔离波纹管。

在一种可能的设计中，所述安装法兰内部设置有过载保护环。

在一种可能的设计中，所述信号转换单元中的变形部分采用多剪切梁的结构。

在一种可能的设计中，所述多剪切梁包括多剪切梁活动端和多剪切梁固定端，所述信号转换单元活动端外部与测量杆配合使用，所述信号转换单元活动端内部与一个多剪切梁活动端连接，所述电容传感器动极板固定连接在多剪切梁活动端上，所述电容传感器定极板与电容传感器动极板平行设置并固定连接在多剪切梁固定端上，多剪切梁固定端同时与信号转换单元固定端相连。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

本发明所述的智能流阻式流量计可用于具有防护要求的场合，无需额外加装变送器，直接输出4～20mA电信号，适用于各种介质或流速的流体测量，尤其适用于低流速流体的测量，耐磨损且不易堵塞。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为测量杆的结构图。

图3为5种方案的流场分析图。

图4为方案3与方案4的参数对比图。

图5为信号转换单元的结构示意图。

附图标记：

1、测量杆；2、过载保护环；3、安装法兰；4、固定外壳；5、隔离波纹管；6、保护外壳；7、出线接口；8、接线盖；9、接线端子；10、电路板；11、信号转换单元；12、拉铆钉；13、法兰螺栓；14、密封垫；15、迟滞孔；16、被测管道；17、多剪切梁；11.1、信号转换单元活动端；11.2、电容传感器动极板；11.3、电容传感器定极板；11.4、电容输出板；11.5、信号转换单元固定端；17.1、多剪切梁活动端；17.2、多剪切梁固定端。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图对本发明实施例进行描述。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语、“连接”、“安装”应做广义理解，例如，“连接”可以是可拆卸地连接，也可以是不可拆卸地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。此外“连通”可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通。其中，“固定”是指彼此连接且连接后的相对位置关系不变。本发明实施例中所提到的方位用语，例如，“内”、“外”、“顶”、“底”等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方位用语是为了更好、更清楚地说明及理解本发明实施例，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

本发明实施例中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明实施例中，“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本发明的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

实施例1

参照图1-5，一种智能流阻式流量计，包括测量杆1、安装法兰3、固定外壳4、信号转换单元11、电路板10、保护外壳6、出线接口7、被测管道16、多剪切梁17；

测量杆1一端插入被测管道16中，另一端固定在信号转换单元11的活动端上，信号转换单元11包括信号转换单元活动端11.1、信号转换单元固定端11.5和电容输出板11.4，信号转换单元活动端11.1与内部的多剪切梁17固定在一起，多剪切梁17内部安装有电容传感器动极板11.2与电容传感器定极板11.3，信号转换单元固定端11.5与保护外壳6连接，安装法兰3通过拉铆钉12与被测管道16相连，固定外壳4的底部通过法兰螺栓13与安装法兰3相连，固定外壳4与安装法兰3之间夹装了石墨密封垫14，固定外壳4的上端与保护外壳6焊接在一起，保护外壳6内部装有电路板10和接线端子9，外部信号线、电源线可连接至接线端子9上，电路板10的输出线通过出线接口7送往外部，电路板10上方有接线盖8，接线盖8安装在保护外壳6上。

实施例2

参照图1-5，一种智能流阻式流量计，包括测量杆1、安装法兰3、固定外壳4、信号转换单元11、电路板10、保护外壳6、出线接口7、被测管道16、多剪切梁17；

测量杆1一端插入被测管道16中，另一端固定在信号转换单元11的活动端上，信号转换单元11包括信号转换单元活动端11.1、信号转换单元固定端11.5和电容输出板11.4，信号转换单元活动端11.1与内部的多剪切梁17固定在一起，多剪切梁17内部安装有电容传感器动极板11.2与电容传感器定极板11.3，信号转换单元固定端11.5与保护外壳6连接，安装法兰3通过拉铆钉12与被测管道16相连，固定外壳4的底部通过法兰螺栓13与安装法兰3相连，固定外壳4与安装法兰3之间夹装了石墨密封垫14，固定外壳4的上端与保护外壳6焊接在一起，保护外壳6内部装有电路板10和接线端子9，外部信号线、电源线可连接至接线端子9上，电路板10的输出线通过出线接口7送往外部，电路板10上方有接线盖8，接线盖8安装在保护外壳6上，测量杆1是截面为矩形的薄壁管，测量杆1上可根据实际应用需要开设有多对迟滞孔15，信号转换单元11的外部有隔离波纹管5，安装法兰3内部设置有过载保护环2，信号转换单元11中的变形部分采用多剪切梁的结构，多剪切梁17包括多剪切梁活动端17.1和多剪切梁固定端17.2，信号转换单元活动端11.1外部与测量杆1配合使用，信号转换单元活动端11.1内部与一个多剪切梁活动端17.1连接，电容传感器动极板11.2固定连接在多剪切梁活动端17.1上，电容传感器定极板11.3与电容传感器动极板11.2平行设置并固定连接在多剪切梁固定端17.2上，多剪切梁固定端17.2同时与信号转换单元固定端11.5相连。

本技术方案的工作原理及使用流程为：

参见图1，本发明中，打有迟滞孔15的测量杆1插入被测管道16中，安装法兰3通过拉铆钉12固定在被测管道16上，其内部设置有过载保护环2防止超量程测量；固定外壳4的下端通过法兰螺钉13与安装法兰3连接，其内部安装有带隔离波纹管5的信号转换单元11，信号转换单元固定端11.5与固定外壳4连接，电容输出板11.4输出的差动电容信号送至电路板10进行计算处理并输出，电源线由外部接入，经接线端子9为电路板供电，电路板10的输出线通过出线接口7送往外部，线路板上方有接线盖8安装在保护外壳上。

上述流量计中，测量杆1是重要的捕获所需参数的部件，测量杆1应在对流场影响较小的情况下捕获到较大的物理量。对流场影响小意味着测量造成的管道内压力损失小，也同时意味着对管道流量输送影响小。因此，测量杆1的结构参数、迟滞孔15的大小比例等对于本发明的测量效果至关重要。为了实现对流场影响小的同时捕捉到较大物理量的最优方案，首先采用流场模拟对各种方案进行初步分析。

参见图2的测量杆截面结构图，其宽度为h，厚度为b，壁厚为e，前壁较大孔直径为d₁，后壁较小孔直径为d₂。假定参数K_d1＞0.5h＞K_d2，在测量杆长度宽度厚度均相同的情况下，将初步方案设定为以下五种：

1.d₁＝0，d₂＝K_d1h；

2.d₁＝K_d1h，d₂＝0；

3.d₁＝K_d1h，d₂＝K_d2h；

4.d₁＝d₂＝K_d1h；

5.d₁＝d₂＝0。

将以上数据分别建立三维模型，设置相同的入口及出口条件，按照图示坐标系，设定流体速度为10m/s并延z向流动，可得到速度等线切面对比图，如图3。图中可见，方案1、5对流场的影响最大，蓝色部分的低流速区长度最长；其次为方案2，在测量杆后壁后方有一段低流速区；再次为方案3，其流场中不存在低流速区，对照色条可估计流经测量杆后的最小流速约为5m/s；方案4对流场的影响最小，其流场中的最低流速约为7m/s。

为了对照方案3及方案4的效果，在流场流经测量杆截面后约2h处取一组数据，按照流场宽度等距取20个点，物理量包含静压P、流体速度v和流体密度ρ；分别定义方案3和方案4的各物理量为p₃、v₃、ρ₃和p₄、v₄、ρ₄。由理想流体沿流管作定常流动时的伯努利定理知，流动速度增加，流体的静压将减小；反之，流动速度减小，流体的静压将增加。但是流体的静压和动压之和，称为总压始终保持不变。由于垂直高度不变，可知

式中ΔE为方案3与方案4因结构不同造成的流场能量耗散差。比对如图4的数据可见，方案3的流速、静压和密度均比方案4低。将各个物理量的平均值带入上式计算后可知，ΔE为正值，则说明流场经过方案4结构残余的能量比流场经过方案3结构所残余的能量更多，即方案3对流速信号的削减更为明显。那么对于流速信号的捕捉效率，则方案3效率更高。

根据以上分析，上述流量计中的迟滞孔，应该采用类似于方案3的设计，即前壁孔较大，后壁孔较小的方案。由于在测量杆上打孔会影响测量杆的力学性能，故先进行抗弯截面系数的核算，以防测量杆易折弯或破坏。

依照前文参数设置，测量杆长度为L，宽度为h，厚度为b，壁厚为e，前壁较大孔直径为d₁，后壁较小孔直径为d₂。未打孔时测量杆在其受力方向的抗弯惯性矩为

其相应的抗弯截面系数为

打孔后测量杆在其受力方向的抗弯惯性矩为

其相应的抗弯截面系数为

由于测量杆采用塑性金属材料，运用第三强度理论或第四强度理论进行校核。测量杆通常只受单向应力，因此只考虑其受力方向上的惯性矩或抗弯截面系数。打孔后需要保证惯性矩或抗弯截面系数减少在可接受的范围内，定义残余系数

残余系数可表征打孔后与打孔前的抗弯惯性矩之比，按照经验该值通常可取0.6～0.85。

上述流量计中，迟滞孔的打孔密度应根据测量管道的大小，可按照等面积法、等间距法、等流量法、等速度法中任一方法对待测管道的截面积进行划分并取点，划分面积的数量按照管道尺寸不同通常为2～5。

上述流量计是通过测量杆受力来获取流量信号的，因此需对整个测力部分进行受力分析。假设测量杆插入管道时贯穿整个管道截面但不与对侧内管壁接触，则测量杆可近似看做一端固定的悬臂梁。当被测管道内部黏性流体为理想层流流动时，流速的分布规律为旋转抛物面，而旋转剖物体的体积恰好等于它的外切圆柱体的一半，因此平均流速等于最大流速的一半。测量杆在管道内部收到的载荷可简化看作测量杆投影在x方向上的面积受到持续均匀风速v的作用而产生的力。则该测量杆收到的风压可以简化计算为

此处v为平均流速，ρ为流体密度。已知测量杆受到的力为

F＝w·N·C_d

其中N为迎流方向的受力面积，C_d为该测量杆的阻力系数。由于阻力系数会受到流体状态、粘度、测量杆的外形、表面摩擦因数等诸多因素的影响，对阻力系数的核算通过实流试验进行。

依据前文定义，按照长度相同，K_d1不变，K_d2/K_d1＝0.15、0.3、0.45、0.6、0.75实际制作一批样件，用于对比不同前后孔时的阻力系数。样件除后壁孔径尺寸外，其余参数均相同。将样件置入流场中进行测试，流场流速由3m/s至15m/s大小可调，使用相同的力传感器测量特定流速下样件所收到的力，并取多组读数进行平均。所得数据按照上述公式进行计算，可得上述样件的平均阻力系数分别为：0.1728、0.1833、0.1764、0.1543、0.1462。对比可知K_d2/K_d1＝0.3时的阻力系数较为优秀。但由于阻力系数与风速的关系并非线性关系，某些风速下的阻力系数较平均风速下的表现不同，可以供特定流速量程下的设计使用。

依据前述，采用第三强度准则来校核测量杆的打孔截面强度，则

其中[σ]为测量杆制造材料的许用应力。

上述流量计中，信号转换单元11用于将力信号转换为电信号，其结构如图5所示，其中信号转换单元11的移动端11.1外部用于固定测量杆1，内部与一个多剪切梁17的移动端17.1连接，多剪切梁17的移动端17.1上固定有电容传感器的动极板11.2。两块电容传感器的定极板11.3与动极板11.2平行，固定在多剪切梁17的固定端17.2，多剪切梁17的固定端17.2同时与信号转换单元11的固定端11.5相连。当测量杆受力时，与测量杆连接在一起的多剪切梁17也随之变形。由于多剪切梁17的力学特性，其移动端17.1相对于固定端17.2的位移是单向的，因此与移动端17.1相固连的动极板11.2会相应移动，同时与固定端17.2相连的两个定极板11.3不动，因此差动电容式传感器的极板间距将发生变化，从而导致电容的变化。若动极板11.2与两侧定极板11.3的间距均为d，初始电容值为C_d，则动极板移动Δd后引起的电容变化为

配用的输出电路使用桥式电路，这种电容传感器接口电路的电容-电压表达式为

电路板上的后续应用电路对Δu信号进行滤波放大等处理，即可获得稳定可用的电压信号。将电压信号进行模数转换后送微处理器进行运算，通过数模转换可输出4～20mA标准通讯信号。

上述流量计中，出线接口7安装在保护外壳6上，保护外壳的顶端安装着接线盖8，外部信号线、电源线可连接至电路板10的接线端子9上，这些输出线通过出线接口送往外部设备或系统。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内；在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种智能流阻式流量计，其特征在于，包括：测量杆(1)、安装法兰(3)、固定外壳(4)、信号转换单元(11)、电路板(10)、保护外壳(6)、出线接口(7)、被测管道(16)、多剪切梁(17)；

所述测量杆(1)一端插入被测管道(16)中，另一端固定在信号转换单元(11)的活动端上，信号转换单元(11)包括信号转换单元活动端(11.1)、信号转换单元固定端(11.5)和电容输出板(11.4)，信号转换单元活动端(11.1)与内部的多剪切梁(17)固定在一起，多剪切梁(17)内部安装有电容传感器动极板(11.2)与电容传感器定极板(11.3)，信号转换单元固定端(11.5)与保护外壳(6)连接，安装法兰(3)通过拉铆钉(12)与被测管道(16)相连，固定外壳(4)的底部通过法兰螺栓(13)与安装法兰(3)相连，所述固定外壳(4)与安装法兰(3)之间夹装了石墨密封垫(14)，固定外壳(4)的上端与保护外壳(6)焊接在一起，保护外壳(6)内部装有电路板(10)和接线端子(9)，外部信号线、电源线可连接至接线端子(9)上，电路板(10)的输出线通过出线接口(7)送往外部，电路板(10)上方有接线盖(8)，所述接线盖(8)安装在保护外壳(6)上。

2.根据权利要求1所述的一种智能流阻式流量计，其特征在于，所述测量杆(1)是截面为矩形的薄壁管，所述测量杆(1)上可根据实际应用需要开设有多对迟滞孔(15)。

3.根据权利要求1所述的一种智能流阻式流量计，其特征在于，所述信号转换单元(11)的外部有隔离波纹管(5)。

4.根据权利要求1所述的一种智能流阻式流量计，其特征在于，所述安装法兰(3)内部设置有过载保护环(2)。

5.根据权利要求1所述的一种智能流阻式流量计，其特征在于，所述信号转换单元(11)中的变形部分采用多剪切梁的结构。

6.根据权利要求2所述的一种智能流阻式流量计，其特征在于，所述多剪切梁(17)包括多剪切梁活动端(17.1)和多剪切梁固定端(17.2)，所述信号转换单元活动端(11.1)外部与测量杆(1)配合使用，所述信号转换单元活动端(11.1)内部与一个多剪切梁活动端(17.1)连接，所述电容传感器动极板(11.2)固定连接在多剪切梁活动端(17.1)上，所述电容传感器定极板(11.3)与电容传感器动极板(11.2)平行设置并固定连接在多剪切梁固定端(17.2)上，多剪切梁固定端(17.2)同时与信号转换单元固定端(11.5)相连。

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