CN116576927B - 一种挡板自切换式流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种挡板自切换式流量计，包括切换挡板、分流管、流量模组Ⅰ和流量模组Ⅱ；切换挡板由活动件、固定件、轴承组成，活动件与固定件通过轴承连接，分流管是口径相同的三通管，切换挡板内置于分流管其中一个口径内，分流管与主管路、流量模组Ⅰ和流量模组Ⅱ相连接；流量模组Ⅰ流量模组Ⅱ与由管道、节流件、MEMS压力传感器和信号接口构成。MEMS压力传感器分别置于节流件的中心位置，感应管道内的压力变化，并将压力差信号转换为流量信号；两个节流件上分布孔径大小不同的通孔，防止压损过大，提升MEMS压力传感器的分辨力。与现有的流量计相比，具有压损小、功耗低、精度高和体积小的优势。

Description

一种挡板自切换式流量计

技术领域：

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种挡板自切换式流量计。

背景技术：

随着中国逐步进入后工业化时代，工业上对流量计的需求也与日俱增，国外知名的流量计厂家由于其大范围的市场占有量，价格居高不下，同时受核心技术的限制，因此对国产流量计提出迫切需求。

流量计按结构原理可分为：容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计和电磁流量计等。流量计因特性不同应用于不同领域，其中差压式流量计由于结构简单、成本低、性能可靠、抗振动能力强的特点被广泛应用于高温、高压、低静压、低流速、低密度流体流量的测量。差压式流量计由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成，根据检测件形式不同，差压式流量计还可分为孔板流量计、文丘里流量计、匀速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器及流量显示仪表。

随着科技的进步，各种新技术不断发展，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，而多孔平衡流量计具有多个函数孔，流体经过圆盘上的函数孔后，被平衡整流，涡流被最小化，形成近似理想流体。相比传统差压式流量计，多孔节流器造成的压损较小，且压力恢复速度快，大大缩短了对直管段的要求。尤其对于特殊材料的管道，不仅极大的降低了制作成本，而且可以便捷的测量双向流。多孔节流器的设计提高了差压式流量计的流量监测范围和精度，但仍未解决一些领域全量程流量监测的瓶颈问题。如燃气或水表行业，要求监测流量的同时，对压损也有限制要求，这将导致差压式流量计无法同时兼顾小量程和大量程的流量测量。

发明内容：

本发明的目的是提供一种挡板自切换式流量计，该流量计在压损要求范围内，管道内部挡板根据流体流量自动开合选择流通管路，实现流量的全量程监测，具有成本低、精度高、压损小和量程宽的特点。

本发明的技术解决方案：一种挡板自切换式流量计，包括切换挡板、分流管、流量模组Ⅰ和流量模组Ⅱ；其中分流管是口径相同的三通管，分流管分别与主管路、流量模组Ⅰ和流量模组Ⅱ相连接；切换挡板由活动件、固定件、轴承组成，活动件与固定件通过轴承连接，切换挡板内置于分流管其中一个口径内；流量模组Ⅰ由管道Ⅰ、节流件Ⅰ、MEMS压力传感器和信号接口构成，流量模组Ⅱ由管道Ⅱ、节流件Ⅱ、MEMS压力传感器和信号接口构成。

MEMS压力传感器分别置于节流件Ⅰ和节流件Ⅱ的中心位置，感应管道内的压力变化，并将压力差信号转换为流量信号；节流件Ⅰ上分布小孔径通孔，节流件Ⅱ上分布有大孔径的通孔，通孔的设置一是防止压损过大，二是使节流件前后产生压力差，提升MEMS压力传感器的分辨力。

上述切换挡板，根据流体流量大小自动调节开合状态。

上述节流件Ⅰ上分布的小孔径通孔，数量和孔径大小按照等效直径比<0.1的要求进行设计，确保小流量情况下节流件Ⅰ前后的压力差满足MEMS压力传感器的最小压力分辨率。

上述节流件Ⅱ上分布的大孔径通孔，数量和孔径大小按照等效直径比>0.3的要求进行设计，确保大流量流经管道时，管道内压损不超出限定要求。

本发明的另一个目的是提供所述挡板结构设计方法，具体如下：

(1)确定流量分界点，将流量分界点Q_f转换为流速v_f；

(2)挡板受重力作用处于关闭状态，当流体流速v≥v_f时，挡板受流体冲击力作用，从闭合转变为打开；

(3)要使挡板完全打开，即所受冲击力最大，此时流体受挡板的作用力也最大，根据流体动量定理，采用微元法：设流体柱质量为Δm，以速度v向挡板方向运动，流体柱碰到挡板后其速度与初速度方向相反，即：

-FΔt＝ΔmΔv (1)

流体柱体积V_体＝SvΔt，质量Δm＝ρSvΔt，由动量定理有：

-FΔt＝-ρSvΔt·2v (2)

由公式(2)可推导出：

F＝2ρSv² (3)

挡板完全打开时，挡板自身重力G＝F，挡板重力G＝m₁g，m₁为挡板质量，

m₁＝ρ₁V₁，ρ₁和V₁分别为挡板密度和体积，式(3)转换为：

ρ₁V₁g＝2ρSv² (4)

(4)根据式(5)可估算出挡板结构尺寸，综合考虑测试环境，亦可获得挡板相关材料参数。

本发明的另一个目的是提供所述挡板自切换式流量计测试方法，具体流程包括：

(1)气体流经分流管内，当流体流量Q<Q_f或流速v<v_f时，挡板一直处于闭合状态，气体从分流管另一端流入流量模组Ⅰ中，即小流量流经分布有小孔径的节流件Ⅰ，流量模组Ⅰ实时检测节流件Ⅰ前后压力差变化，并将压力差转换为流量信号传输至信号接口；

(2)流体流量Q≥Q_f或流速v≥v_f时，挡板可能处于未完全打开和完全打开两种状态，若处于完全打开状态，则流体主要流经流量模组Ⅱ，即通过分布有大孔径的节流件Ⅱ，流量信号由流量模组Ⅱ实时测量；

(3)流体流量Q≥Q_f或流速v≥v_f时，挡板若处于未完全打开状态，则流体将同时流经流量模组Ⅰ和流量模组Ⅱ，此时流量信号Q∝f(Q_Ⅰ，Q_Ⅱ)，不同流量情况下对应的流量模组所占权重系数存在差异，需根据实际测试环境进行修正。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明的一种挡板自切换式流量计，设置了两种不同流量范围的检测模组，内置挡板通过流量大小自动调节其开合状态，实现小流量流经小孔径、大流量流经大孔径的流通模式。采用此方法制备的流量计在满足压损要求的基础上，既提高了流量计的测量范围，也提升了了小流量监测的分辨率，同时切换挡板的自主开合也规避了传统电磁阀控制的方式，减小流量计整机的功耗和体积。与现有的流量计相比，具有压损小、功耗低、精度高和体积小的优势。

附图说明

图1(a)为本发明一种挡板自切换式流量计结构俯视图，

图1(b)为本发明一种挡板自切换式流量计结构剖面图。

图2为本发明一种挡板自切换式流量计挡板结构示意图。

图3为本发明一种挡板自切换式流量计测试流程图。

图中：

1-切换挡板，2-分流管，3-流量模组Ⅰ，4-流量模组Ⅱ，5-活动件，6-固定件，7-轴承，8-分流管道Ⅰ，9-节流件Ⅰ，10-MEMS压力传感器，11-信号接口，12-分流管道Ⅱ，13-节流件Ⅱ。

具体实施方式

图1所示为一种挡板自切换式流量计结构示意图。包括切换挡板1、分流管2、流量模组Ⅰ3和流量模组Ⅱ4；其中切换挡板1由活动件5、固定件6、轴承7组成，活动件5与固定件6通过轴承7连接，分流管2是口径相同的三通管，切换挡板1内置于分流管2其中一个口径内，分流管2分别与流量模组Ⅰ3和流量模组Ⅱ4相连接；流量模组Ⅰ3由管道Ⅰ8、节流件Ⅰ9、MEMS压力传感器10和信号接口11构成，流量模组Ⅱ4由管道Ⅱ12、节流件Ⅱ13、MEMS压力传感器10和信号接口11压力变化，并将压力差信号转换为流量信号；节流件Ⅰ9上分布小孔径通孔，节流件Ⅱ13上分布有大孔径的通孔，通孔的设置一是防止压损过大，二是使节流件前后产生压力差，提升MEMS压力传感器的分辨力。

上述切换挡板1，根据流体流量大小自动调节开合状态。

节流件Ⅰ上分布有直径为0.75mm的4个小通孔，等效直径比<0.1，节流件Ⅰ前后压力差2Pa<Δp<250Pa，可检测0～5L/min的流量；节流件Ⅱ上分布有直径为3.9mm的8个大通孔，等效直径比>0.3，节流件Ⅱ前后压力差1Pa<Δp<250Pa，可检测5～100L/min的流量。同时满足MEMS压力传感器分辨率、流量宽量程和低压损的设计要求。

图2所示为一种挡板自切换式流量计挡板结构示意图。根据不同流量大小，挡板处于三种状态：关闭、未完全打开和打开。

本发明的一种挡板自切换式流量计，挡板结构设计方法如下：

(1)确定流量分界点，将流量分界点Q_f转换为流速v_f；

(2)挡板受重力作用处于关闭状态，当流体流速v≥v_f时，挡板受流体冲击力作用，从闭合转变为打开；

(3)要使挡板完全打开，即所受冲击力最大，此时流体受挡板的作用力也最大，根据流体动量定理，采用微元法：设流体柱质量为Δm，以速度v向挡板方向运动，流体柱碰到挡板后其速度与初速度方向相反，即：

-FΔt＝ΔmΔv (1)

流体柱体积V_体＝SvΔt，质量Δm＝ρSvΔt，由动量定理有：

-FΔt＝-ρSvΔt·2v (2)

由公式(2)可推导出：

F＝2ρSv² (3)

挡板完全打开时，挡板自身重力G＝F，挡板重力G＝m₁g，m₁为挡板质量，

m₁＝ρ₁V₁，ρ₁和V₁分别为挡板密度和体积，式(3)转换为：

ρ₁V₁g＝2ρSv² (4)

(4)根据式(5)可估算出挡板结构尺寸，综合考虑测试环境，亦可获得挡板相关材料参数。

图3所示为一种挡板自切换式流量计测试流程图，具体流程包括：

(1)挡板自切换式流量计安装于测试环境中，与外接主管道相连接，气源从主管道流入分流管内；

(2)当流体流量Q<Q_f或流速v<v_f时，挡板一直处于闭合状态，气体从分流管另一端流入流量模组Ⅰ中，即小流量流经分布有小孔径的节流件Ⅰ，流量模组Ⅰ实时检测节流件Ⅰ前后压力差变化，并将压力差转换为流量信号传输至信号接口；

(3)流体流量Q≥Q_f或流速v≥v_f时，挡板可能处于未完全打开和完全打开两种状态，若处于完全打开状态，则流体主要流经流量模组Ⅱ，即通过分布有大孔径的节流件Ⅱ，流量信号由流量模组Ⅱ实时测量；

(4)流体流量Q≥Q_f或流速v≥v_f时，挡板若处于未完全打开状态，则流体将同时流经流量模组Ⅰ和流量模组Ⅱ，此时流量信号Q∝f(Q_Ⅰ，Q_Ⅱ)，不同流量情况下对应的流量模组所占权重系数存在差异，需根据实际测试环境进行修正。

Claims (5)

1.一种挡板自切换式流量计，其特征在于，包括切换挡板、分流管、流量模组I和流量模组II；其中，所述分流管是口径相同的三通管，分流管分别与主管路、流量模组I和流量模组II相连接；所述切换挡板内置于分流管其中一个口径内，由活动件、固定件、轴承组成；所述活动件与固定件通过轴承连接；

所述流量模组I由管道I、节流件I、MEMS压力传感器和信号接口构成，所述流量模组II由管道II、节流件II、MEMS压力传感器和信号接口构成；所述节流件I和节流件II的中心位置分别放置MEMS压力传感器，感应管道内的压力变化；所述节流件I上分布小孔径通孔，所述节流件II上分布有大孔径通孔。

2.根据权利要求1所述的挡板自切换式流量计，其特征在于，所述的节流件I上分布的小孔径通孔，数量和孔径大小按照等效直径比＜0.1的要求进行设计。

3.根据权利要求1所述的挡板自切换式流量计，其特征在于，所述的节流件II上分布的大孔径通孔，数量和孔径大小按照等效直径比＞0.3的要求进行设计。

4.根据权利要求1所述的挡板自切换式流量计，其特征在于，所述切换挡板的设计方法，具体如下：

(1)确定流量分界点，将流量分界点Q_f转换为流速v_f；

(2)挡板受重力作用处于关闭状态，当流体流速v≥v_f时，挡板受流体冲击力作用，从闭合转变为打开；

(3)要使挡板完全打开，即所受冲击力最大，此时流体受挡板的作用力也最大，根据流体动量定理，采用微元法：设流体柱质量为Δm，以速度v向挡板方向运动，流体柱碰到挡板后其速度与初速度方向相反，即：

-FΔt＝ΔmΔv (1)

流体柱体积V_体＝SvΔt，质量Δm＝ρSvΔt，由动量定理有：

-FΔt＝-ρSvΔt·2v (2)

由公式(2)可推导出：

F＝2ρSv² (3)

挡板完全打开时，挡板自身重力G＝F，挡板重力G＝m₁g，m₁为挡板质量，m₁＝ρ₁V₁，ρ₁和V₁分别为挡板密度和体积，式(3)转换为：

ρ₁V₁g＝2ρSv² (4)

(4)根据式(5)可估算出挡板结构尺寸，综合考虑测试环境，亦可获得挡板相关材料参数。

5.一种采用权利要求4所述的挡板自切换式流量计进行流量测试的方法，其特征在于，当流体流量Q＜Q_f或流速v＜v_f时，挡板一直处于闭合状态，流量信号通过流量模组I获取；当流体流量Q≥Q_f或流速v≥v_f时，挡板处于完全打开状态，流量信号通过流量模组II获取；当流体流量Q≥Q_f或流速v≥v_f时，挡板处于未完全打开状态，此时流量信号Q∝f(Q_I，Q_II)，不同流量情况下对应的流量模组所占权重系数存在差异，需根据实际测试环境进行修正。