CN1164910C - 斜板流量传感器 - Google Patents

Abstract

本斜板流量传感器适于流体流量检测。该传感器在外壳内固定测量管，测量管中空为测量流道；测量流道内配有测量板，测量板与测量管在上游端底部活动连接；测量板与测量管之间有复位弹簧；测量板在复位弹簧和流体作用下，斜向关闭或开启测量流道；测量板上有磁铁，在磁铁对应的外壳上，固定磁敏器件。当流体推动测量板偏转时，磁敏器件即检测磁场变化，输出流量信号。本传感器小流量检测精度高，大流量检测阻力低，结构简单，寿命长。

Description

斜板流量传感器

技术领域：

本发明涉及一种流量传感器，尤其涉及一种宽量程的斜板流量传感器，适用于流体，特别是液体的流量检测。

背景技术：

目前利用磁敏器件，特别是霍尔集成电路作流量检测器的，如中国专利87213580U《霍尔旋涡流量检测器》；93225150.1《霍尔涡轮流量检测器》。前者是产生频率与“卡门”涡街旋涡频率相同的脉动信号，后者是输出频率与涡轮转速成正比的脉冲信号。在需要模拟信号的场合，它们必须进行相应的信号转换。

美国贝尔医疗系统公司的《可变孔流量检测器》，其专利申请号为：98813682.1。该检测器虽然采用了可偏转的“舌门”来改变流道有效横截面积，以提高流体在低流率下的灵敏度和分辨力，降低高流率下的测量阻力。但它不是直接把响应流体流率的“舌门”偏转量转换成流量信号，而是把“舌门”上下游的流体压力用导压管引出，再用压差检测器转换成与流量相关的压差模拟信号，这模拟信号经A/D转换后还要输入微处理器，最后经编程计算后才能输出流量值。该检测器之“舌门”垂直安装在流道中，在流率大于预定值时，“舌门”需保护，否则易损坏。该具有“舌门”和“可变孔”的流量检测器，转换环节多，结构很复杂。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种结构更简单、检测量程较宽、精度较高、线性较好、检测阻力小、直接输出模拟信号的斜板流量传感器。

为实现上述发明目的，其技术方案是：

本斜板流量传感器有一外壳；在外壳内装有固定的测量管，测量管中空为测量流道；测量流道内配有测量板，测量板的上游端与传感器上游端内的底部活动连接；在测量板与测量管或外壳之间装有复位弹簧；测量板在复位弹簧和流体作用下，可绕活动连接处偏转，斜向关闭或开启测量流道；测量板上装有磁铁，在磁铁对应的测量管或外壳上，固定有磁敏器件，磁敏器件处在磁铁的有效磁场中。

当流体流量为零时，流体对测量板无推力。此时测量板在复位弹簧作用下，测量板的自由端由测量流道的活动连接这边，即底壁处，向测量流道的对边靠近，即向顶壁靠近，轻触顶壁表面。这时测量板在测量管的测量流道内的姿态形似对角线，从而斜向关闭测量流道，或促使测量流道有效横截面最小化。此时测量板处在初始位置，偏转量为零。

当流体流量不为零时，流体推动测量板克服复位弹簧力，产生绕活动连接处的偏转，开启测量流道。流量越大，开度越大。由于测量流道有效横截面增大，阻力随之减小。测量板在流体推力和复位弹簧力共同作用下达到动态平衡，即测量板在某流量值下，有其确定的，也是唯一的偏转量。

当测量板偏转时，带动其上的磁铁随之运动，以改变磁铁与磁敏器件之间的距离，使磁敏器件所处的磁场发生变化，从而输出与流体流量相关的模拟信号。

由于复位弹簧可使测量板的自由端靠近测量流道的顶壁表面，使测量流道有效截面最小，而此时的复位弹簧作用力亦最小，故很小的流体流量就可推动测量板偏转，使检测低端的死区得到有效压缩，从而使量程的下限大幅扩展。

另一方面，由于大流量时，测量板产生较大偏转，测量流道开度增大，阻力变小，测量板偏转量对流体的响应灵敏度逐渐下降，再加上复位弹簧作用力的逐渐增大，故测量板不易偏转到机械止点，即受测量管的底壁限制。这就使检测量程高端的饱和点上移，从而使检测范围的上限得到有效扩展。

在斜板流量传感器中，测量板偏转量与流体流量的响应曲线呈对数关系；而磁敏器件的输出信号与测量板偏转量之间呈指数关系。故上述两种非线性关系可在很大程度上互相抵消，从而拟合成直线，使斜板流量传感器的总体线性较好。

本发明具有以下技术效果：

1、斜板流量传感器直接把响应流体流量变化的测量板偏转量，通过磁场耦合转换为流量模拟信号，结构简单，环节少。

2、斜板流量传感器的测量板在流体流量变化时，自动改变测量流道截面，这不仅扩大了检测量程，还提高了小流量检测灵敏度和分辨力，降低了大流量检测阻力。

3、斜板流量传感器的测量管和测量板加工容易，成本低廉，工作时几乎无磨损，使用寿命长。

4、当流量超过斜板流量传感器的额定值数倍时，测量板顺流贴靠在测量流道底壁上，不会受力损坏。

附图说明：

图1是本发明的一种基本结构剖视图。

图2是本发明的一种倒置结构剖视图。

图3是未画出外壳的测量管上有泄流减压缺口的一种结构图。

图4是未画出外壳的测量管下游端装有阻流增压板的一种结构图。

图5是本发明测量管与外壳连为一整体的一种结构图。

图6是图1中测量管的主视图。

图7是图6的A-A剖视图。

图8是图1中的一种长方形测量板主视图。

图9是图1中的一种等腰梯形测量板主视图。

图10是图3中的一种长方形测量板主视图。

图11是一种圆头测量板主视图。

图12是具有正方形测量流道的一种测量管端面图。

图13是具有等腰梯形测量流道的一种测量管端面图。

图14是图3中局部具有圆弧顶壁的测量管左视图。

图15是使输出特性曲线后半部上拉的一种阻流增压板主视图。

图16是使输出特性曲线前半部上拉的一种阻流增压板主视图。

图17是使输出特性曲线两端都上拉的一种阻流增压板主视图。

图18是使整个输出特性曲线变陡的一种阻流增压板主视图。

图19是本发明的一种电路图。

在图1至图18中，各部名称如下：

1-外壳                   2-测量管               3-测量流道

4-测量板                 5-铰链轴               6-弹簧座

7-复位弹簧               8-磁铁                 9-磁敏器件

10-磁铁通道              11-弹簧通孔            12-弹簧调节螺丝

13-阻流增压板            14-元件槽              15-电路板

16-热敏元件              17-泄流减压缺口        18-圆弧形顶壁

19-挡渣条                20-弹簧座              21-节流孔

22-定位槽                23-密闭空腔            24-外壳与测量管连体结构

具体实施方式：

以下结合附图给出的实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：

参见图1～图14。

本斜板流量传感器包括外壳1。在外壳1内装有固定的测量管2，测量管2中空为测量流道3。测量流道3内配有测量板4，测量板4的上游端在斜板流量传感器内的上游端底部处，用铰链轴5在测量管2的底壁上或侧壁上或外壳1上活动连接。在测量板4与测量管2或外壳1之间装有复位弹簧7。复位弹簧7可以是测量板4腹侧的压簧或背侧的拉簧，也可以是测量板4活动连接处的扭簧等结构形式，其中以压簧形式最好，故以下实例均以压簧形式加以描述。测量板4在复位弹簧7和流体作用下，可绕铰链轴5偏转，斜向关闭或开启测量流道3。测量板4上装有磁铁8，磁铁8可选用合金材料铝铁钴制成，但选用稀土永磁材料，如钐钴、钕铁硼、稀土钴等，则性能更好。在磁铁8对应的测量管2或外壳1上，固定有磁敏器件9，磁敏器件9处在磁铁8的有效磁场中。磁敏器件9虽有多种选择，但选用霍尔线性集成电路或霍尔元件较好，这可很方便地直接输出模拟信号。在需要数字信号的场合，增加一级A/D转换即可。

测量管2内的测量流道3的横截面，根据需要可为正方形或长方形或等腰梯形或局部呈圆弧形或其组合形结构。测量流道3沿流向为等截面或变截面结构。在测量管2的底壁上，除了上述铰链轴5外，有与铰链轴5靠近且平行的挡渣条19；和\或有让测量板4上的磁铁8靠近磁敏器件9的磁铁通道10；和\或有与复位弹簧7对应的弹簧通孔11，或弹簧座20，或弹簧调节螺丝12(见图3)，或在复位弹簧7对应的外壳1上，有弹簧座或弹簧调节螺丝12(见图2)。

测量板4在测量流道3内，是感受流体流量变化的直接受体，同时也是将位移信号进行非接触传递的磁铁8的运动截体。测量板4的形状和尺寸须与测量流道3配合，其基本形状为长方形，或等腰梯形，或圆头形，或其组合形的板状结构。在测量板4上，除了铰链轴5和磁铁8外，还有安装复位弹簧7的弹簧座6或弹簧调节螺丝。

磁铁8在测量板4上的位置，可根据与磁敏器件9之间的合理距离来确定。一般地，在小口径测量流道中，磁铁8与磁敏器件9的距离不会太大，且行程较小，故磁铁8应靠近测量板4的自由端安装。在大口径测量流道中，为避免磁铁8距磁敏器件9太远，故磁铁8应靠近测量板4的铰链轴5安装。

当流体在测量流道3中推动测量板4发生偏转时，磁敏器件9即检测磁场变化，输出与流体流量相关的电信号。对模拟电压信号而言，利用图19的基本电路，即可完成对信号电压的放大，以及零位和量程的调整。在图19中，HL是霍尔线性集成电路，IC是运算放大器，W1和W2分别调节斜板流量传感器的零位和量程。

实施例2：

参见图2～图4，图15～图18。

以上对本发明的基本结构和应用实例进行了描述。但要求是多样化的。更进一步，为了得到特定的输出特性曲线，或在大范围内得到非常好的线性特性，人们仍在不断地探索。尽管已对多台未进行输出特性修正或补偿的本斜板流量传感器样品进行了实测，其精度和线性度均已达到实用水平，可满足大多数应用场合的要求。但我们仍可在此基础上增加专门的特性修正或补偿措施，来满足一些领域对输出特性曲线的更高的特殊要求。

若在某流量值下，测量板4有一原始的偏转量，则传感器有一原始的输出电压值。此处的“原始”意指未修正前的数值。若此时输出电压偏高，则可根据测量板4自由端在测量流道3中停留的位置，在测量管2下游处的两侧壁上，加工出泄流减压通道或缺口17(见图3)，即可增大泄流截面，减小流体对测量板4的作用力，从而减小偏转量，降低输出电压值。在不同的位置上泄流减压，即可对原始的输出特性曲线上的不同部位进行下拉，以达修正或补偿之目的。

相反地，若此时输出电压偏低，则在测量管2下游端面处，靠近测量板4的自由端，安装一阻流增压板13，则增大流体对测量板4的作用力，增加偏转量，提高输出电压值。在不同的位置上阻流增压，即可对原始的输出特性曲线上的不同部位进行上拉，以达修正或补偿之目的。

这样，从零流量开始到最大流量逐点调校，便可得到特定的特性曲线或线性度非常好的直线。在实际操作中，一般不必同时采用泄流减压和阻流增压两种措施，如配合电路增益的调整，选择其中一种便可得到满意的效果。

一般地，这种特性曲线的微调可经实验统计和分析后预制成型，如制成图15～图18所示的各种阻流增压板13。阻流增压板13的中间有节流孔21，节流孔21的有效流通截面小于测量流道3的有效流通截面，如图中涂黑部分。小得越多，阻流增压作用越明显。阻流增压板13紧靠测量管2的下游端面安装。阻流增压板13的上游端面与测量管2的下游端面配合，其配合端面的局部或全部作成圆弧曲面，使其靠近测量板4的自由端，以提高对输出特性曲线局部修正的针对性。

阻流增压板13上有定位槽口22，以防该板错位。在图15～图18中。正方形为测量管2的测量流道3的形状，多边形或曲面形是阻流增压板13的节流孔21的形状。以上4图对输出特性曲线的示意效果分别是：图15使曲线后半部上拉；图16使曲线前半部上拉；图17使曲线首尾均上拉；图18使整个特性曲线变陡，即提高整体灵敏度。

实施例3：

当本斜板流量传感器倒置安装时，如图2所示，即测量板4的活动连接处在测量流道3的上方。由于测量板4、复位弹簧7和磁铁8的重力，将造成检测低端的死区。为解决死区问题，可在测量板4内作成若干密闭空腔23，或在测量板4与测量管2或外壳1之间装设平衡弹簧，使测量板4在流体介质中呈悬浮或准悬浮状态，达到消除低端死区的目的。鉴于上述，此测量板4应选用密度较小的塑料，如密度为1.04～1.05的ABS塑料制作。另外，测量板4依靠密封空腔23悬浮的倒置式斜板流量传感器不适宜作气体流量检测。

实施例4：

本斜板流量传感器由机械结构和电子元件构成。电子元件和电路板15位于元件槽14或元件盒内(见图2)。

本斜板流量传感器由于机械结构非常简单，部件很少，受力很小，工作时几乎无磨损，故突发故障的机率较小。但电子元件偶发故障不易预测和防范。为提高本发明的可靠性，减少停机检修次数，本发明在同一台斜板流量传感器中，除安装一套磁铁8和磁敏器件9以及相关电路的基本配置外，还可增装数套磁铁8和磁敏器件9以及相关电路，以提供多套备份来大幅提高可靠性。在电子元件发生故障时，只需换接一个插头或接线板，投入备份电路即可。由于霍尔线性集成电路等磁敏器件9和相关电路的体积均很小，且廉价，磁铁8又可共用，故增加备份很方便。在图4和图5的结构中，就安装了两套或四套霍尔元件9。

实施例5：

参见图2。在外壳1内或外壳1上安装热敏元件16，以检测流体温度。

实施例6：

参见图2。在外壳1上有与外壳1连为一体的元件槽14或装在外壳1上的元件盒或元件盖，其内装有电子元件和电路板15。从电路板15上引出可与外部电路连接的导线和接插件。

实施例7：

参见图5。本斜板流量传感器可把斜板流量传感器的外壳1与外壳1内的测量管2作成连体结构24。

实施例8：

本斜板流量传感器的测量管2和测量板4用塑料制成；外壳1全部或仅在磁场通道的局部用非铁磁材料，如塑料、黄铜、铝合金或无磁性的不锈钢制成。外壳1局部采用非铁磁材料的示例见图5。

Claims (10)

1.一种斜板流量传感器，包括外壳；其特征在于外壳内装有固定的测量管，测量管中空为测量流道；测量流道内配有测量板，测量板的上游端与传感器内的上游端底部活动连接；在测量板与测量管或外壳之间装有复位弹簧；测量板在复位弹簧和流体作用下，可绕活动连接处偏转，斜向关闭或开启测量流道；测量板上装有磁铁，在磁铁对应的测量管或外壳上，固定有磁敏器件，磁敏器件处在磁铁的有效磁场中。

2.根据权利要求1所述的斜板流量传感器，其特征在于测量管的测量流道的横截面为正方形或长方形或等腰梯形或局部呈圆弧形或其组合形结构；测量流道沿流向为等截面或变截面结构；在测量管的底壁上，有与铰链轴靠近且平行的挡渣条，和\或有让测量板上的磁铁靠近磁敏器件的磁铁通道，和\或有与复位弹簧对应的弹簧通孔或弹簧座或弹簧调节螺丝。

3.根据权利要求1所述的斜板流量传感器，其特征在于测量管下游处的两侧壁上，有泄流减压通道或缺口；和/或在测量管下游端面处，靠近测量板的自由端，安装阻流增压板；阻流增压板中间有节流孔，节流孔的有效流通截面小于测量流道的有效流通截面；阻流增压板的上游端面与测量管的下游端面配合，其配合端面的局部或全部为圆弧曲面。

4.根据权利要求1所述的斜板流量传感器，其特征在于测量板为长方形或等腰梯形或圆头形或其组合形的板状结构；测量板上有复位弹簧的弹簧座或弹簧调节螺丝；测量板的上游端在传感器内的上游端底部处，用铰链轴在测量管的底壁上或侧壁上或外壳上活动连接。

5.根据权利要求1所述的斜板流量传感器，其特征在于测量板内有密闭空腔；或在测量板与测量管或外壳之间装有平衡弹簧。

6.根据权利要求1所述的斜板流量传感器，其特征在于在复位弹簧对应的外壳上，有弹簧座或弹簧调节螺丝；和/或在外壳内或外壳上装有热敏元件。

7.根据权利要求1所述的斜板流量传感器，其特征在于外壳上有与外壳连为一体的元件槽或安装在外壳上的元件盒或元件盖，其内装有电子元件和电路板。

8.根据权利要求1所述的斜板流量传感器，其特征在于磁敏器件为霍尔线性集成电路或霍尔元件；在同一台斜板流量传感器中，装有一套或数套磁铁和磁敏器件，其中磁铁可共用。

9.根据权利要求1所述的斜板流量传感器，其特征在于斜板流量传感器的外壳与外壳内的测量管连为一体。

10.根据权利要求1所述的斜板流量传感器，其特征在于测量管和测量板用塑料制成；外壳全部或仅在磁场通道的局部用非铁磁材料制成。

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