CN1527029A - 射流流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射流流量计，其包括有三个主要的部分：缓冲室、微流道及流体震荡室；缓冲室是使由流场进入射流流量计中的流体平顺地进入微流道中；此微流道内设置有多线型微流量感测组件，用以感测微流量的流场；最后，流体由微流道进入流体震荡室中，当流场的雷诺数到达过渡流的状态，流体便会产生不稳定的现象，利用测量流体震荡的频率，即可推算中高流量的流场；本发明的射流流量计结合微流量及中高流量流场的测量，以扩大流量计的动态测量范围。

Description

射流流量计

技术领域

本发明涉及一种射流流量计，应用于测量流体的流量，特别是一种具有较宽的动态测量范围的射流流量计。

背景技术

目前流量计的应用范围非常广泛，例如：在日常生活中每个家庭都会使用到的瓦斯表、医院所使用的呼吸器中的气体流量控制、汽车用的空气调节器、实验室或是工厂中气瓶的流量计等。然而，针对不同领域的应用，会有不同需求的流量计量范围。

目前研发出来的流量计主要是应用于瓦斯表中，以下针对不同型式的流量计结构及其测量原理作一简介：

(1)美国专利第4,244,230号所提出来的射流震荡流量计，请参考图1所示，首先，在流体的入口10处形成一个高深宽比的流道，此流道的截面形状既窄又深，以使流经其中的流体形成一个面的流体喷出来。当流体喷出来的时候，在出口20渐缩到渐宽的地方，由于主喷流撞击阻挡体30的凹槽31会造成流体不稳定的现象，而产生流体震荡的效应，会造成流体偏摆的现象，在流体由出口20喷出的第一瞬间，流体可能会往左摆，或是往右摆，此现象即为孔达效应。而在凹槽31的左右两侧设置有两个流体震荡传感器40，由于流体震荡传感器40感测到的流体震荡频率，与流体的体积流率呈线性关系，因此，可由流体震荡频率推算得出流体的质量流率。当流阻越大时，流体震荡效果越好，而流体震荡传感器40感测的效果也越佳，所以此专利在流体出口20的前端设置有阻挡体30，以增加流体的不稳定性。本发明的缺点是必须以流阻来换取显著的震荡效应，而且必须要有足够的压损(pressure lose)才会造成流体震荡的效果。

(2)由美国专利第5,396,809号所揭露的流量计，请参考图2所示，其设计原理与前述专利相同，但其与前述专利最大的不同点在于：此专利在震荡室凹槽31的正中间再加入一个流体震荡传感器40，其主要的作用在于提高流体震荡的感测分辨率，尤其是在流体流量较小、震荡不甚明显的时候，即可有效的改善并提高流量计的精确性。

(3)而在美国专利第5,363,704号所揭露的流量计，请参考「图3」所示，此专利的主要目的在于改善美国专利第5,396,809号所揭露的流量计的缺点：因为当流体的流速变快时，虽然流体震荡的效果变好，但是在凹槽31内却会产生紊乱的涡流(vortex)，此涡流会使凹槽31内的流体变得更加混乱，连带影响流体震荡传感器40所测量的讯杂比，使讯杂比变得不明显。所以此专利为改善这个缺点，便在凹槽31的两侧各挖一个旁通道(Bypass)32，使凹槽31内所产生的涡流可由旁通道32流出，降低凹槽31内流体的乱流，以提高流体产生震荡时的讯杂比。

(4)根据美国专利第5,157,974号所揭露的小型化微电脑瓦斯表，请参考图4所示，其核心技术即为射流流量计，将射流流量计应用于瓦斯表中的最大好处在于：瓦斯基本上并不甚干净，且容易囤积杂质于流量计结构中，而射流流量计可以利用流体的震荡借以清洗瓦斯表内部，使流量计的测量能更加的准确。此射流流量计是将流体震荡传感器40放置于流道50的出口处，当流体通过此流道50时，由于流道50突然扩张所产生的流体不稳定现象，因而产生流体的摆动震荡，经由流体震荡传感器40所测量到的讯号，计算流体的瞬时流速，即可换算成流体的流量。此项专利的发明相对于前述的专利而言，主要是为了避免当流体震荡的现象发生时，所产生的紊流会造成讯杂比的降低。但是，此项专利的发明却也造成了另一个缺点：震荡讯号的减弱，所以，此专利所提出来的想法，并不能有效且明显地提高讯杂比。

(5)而在日本专利第JP4-262209号所揭露的流量计，请参考图5所示，其结构设计大致与美国专利第5,157,974号所揭露的小型化微电脑瓦斯表相同，其主要的构想是将流体震荡传感器40设置于震荡室入口60a、60b的位置，其主要的目的在于增加感测流体震荡的频率。但此专利的缺点是：只要上游流场的压力发生变动，可能就会造成讯号的误判而造成流场计量的不准确。

(6)在日本专利第JP2001-208575号所揭露的流量计，其结构的立体图请参考图6所示，此专利的基本原理依然是利用流体不稳定的现象，来推算流体的质量流率。此渐缩段70先造成流体的加速，再经由高深宽比的流道造成所谓的近似二维流场，以产生流体不稳定的现象，并造成流体周期性的震荡，而达到流体计量的功能。但此项专利与前述日本专利第JP4-262209号所揭露的流量计有相同的缺点：此流量计易受到上游流场压力的影响，而造成感测震荡的误差。

在上述这些流量计中，其测量范围都相当有限，无法测量到一个较大的流量范围。而且，当须测量微流量流场时，所使用的管径也必须跟着减小，如此一来，会造成很大的压力损失。

而且，目前一般家用流量计所需测量的范围为0.3公升/小时～3000公升/小时，其动态测量范围(dynamic range)达到10000∶1，然而目前所研发出的流量计，并无任何单一的流量计可测量到如此大的范围。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点而提供一种射流流量计，该流量计结合测量微流量的微管道及多线型微流量感测组件，与测量中高流量的流体震荡器，具有较大的动态测量范围。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种射流流量计，装设于一流场，用以测量该流场内的流体的流量，该流量计包括有：

一缓冲室，其包括有一第一入口、一第一出口以及邻近该第一入口的一挡体，该流体由该第一入口进入该缓冲室，并受到该挡体的阻挡而平顺地进出该缓冲室；

一微流道，其一端连接于该缓冲室的该第一出口，而使该流体加速流过，且该微流道中设置有一多线型微流量感测组件；以及

一流体震荡室，其包括有一第二入口与第二出口，该第二入口与该微流道的另一端相连接，而该第二出口连通于该流场，且该流体震荡室内对称设置有两个障碍物，而将该流体震荡室区隔形成两个反馈流旁通道，该流体经由二该反馈流旁通道分别由邻近该第二出口处沿着二该障碍物外缘而回到该第二入口；

其中一该障碍物设置有一单线型流体震荡感测元件，当该流体流入该反馈型流体震荡室时，由于孔达效应的作用，会使该流体形成一喷流且左右震荡，藉由流经各该反馈流旁通道的流体使该喷流稳定震荡，由该单线型流体震荡感测组件所测量的该喷流的震荡频率即可推算该流体的流量，而该流体经由该第二出口流出该射流流量计；且该多线型微流量感测组件系用以测量微流量的流体，当其无法测量该流体的流量时，即由该流体震荡室所测量的该喷流的震荡频率推算该流体的流量。

所述流体震荡室内的另一该障碍物也设置有该单线型流体震荡感测组件，通过两个单线型流体震荡感测组件测量的该喷流的震荡频率可推算该流体的流量。

该第一出口为渐缩管的型式。

该第二出口为渐缩管的型式。

该多线型微流量感测组件包括有多个微流量感测组件。

该流体流经该微流道中第一个接触的该微流量感测组件为一加热组件，而其余的该微流量感测组件为温度感测组件。

该加热组件由多晶硅材质组成。

该温度感测组件由多晶硅材质组成。

该单线型流体震荡感测组件由多晶硅材质组成。

本发明相比现有技术具有下列优点：

(1)不同于一般的瓦斯流量计，本发明的射流流量计的内部没有任何可动组件，因此，不会因为长久的使用而造成测量的误差，且所产生的压损较小。

(2)针对测量中高流量的流体震荡室的部份，本发明的射流流量计对于不同种类液体的流量测量，只需将测量的结果乘上一个校正因子，即液体的密度，便可得到其流量，不需像一般的浮子流量计还需依照不同的液体更换不同的浮子，可方便使用者的操作，且大大地提升测量的准确性。除此之外，当流体在流体震荡室中产生震荡时，也可清除流量计内的脏东西，以维持测量时的准确性。

(3)由于此射流流量计在微流量测量时，是利用多线型的流量感测组件并配合飞行时间(Time of flight)原理进行测量，所以能精确地测量到流体瞬时的速度。

(4)本发明的微管道中设置的多线型微流量感测组件，与流体震荡室中所使用的单线型流体震荡感测组件，都是利用多晶硅材质制作，所以其具有低耗电量、高灵敏度的特性，且易于和互补式金氧半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor；CMOS)电路相整合。

(5)一般所见的流量计通常都会造成流体极大的压力损失，然而本发明的射流流量计其体积轻巧、成本低廉，可直接串连于管路中且不会造成管路的压阻。

(6)本发明的射流流量计应用于瓦斯表中，可以消除公知的膜式气量计中，因其机械或可动件模块的磨擦阻力或空隙所造成的内部泄漏的问题。

附图说明

图1为公知的射流震荡流量计的结构示意图；

图2为公知的流量计的结构示意图；

图3为公知的流量计的结构示意图；

图4为公知的小型化微电脑瓦斯表的结构示意图；

图5为公知的流量计的结构示意图；

图6为公知的流量计的结构示意图；

图7为本发明的射流流量计的俯视图；及

图8为本发明的微管道的示意图。

具体实施方式

本发明的射流流量计，装设于流场中，以测量流场内的流体流量，其俯视图请参考图7所示，其包括有三个主要的部份：缓冲室80、微流道90，以及流体震荡室100。此缓冲室80的主要功能是将流进此射流流量计的流场稳定，使其平顺地流进射流流量计中，而不要直接冲入微流道90中，以免影响测量结果。

而在微流道90的部份，主要是借由一些设置于微流道90中的感测组件91，测量微流量的流体；当微流道90中的感测组件91已无法感测到流体的流速时，便通过与其相连接的流体震荡室100来测量中高流量的流体。所以，此射流流量计不仅可测量微流量的流场，还可测量中高流量的流场，其涵盖的动态测量范围较公知的流量计广。

在缓冲室80中，其包括有第一入口81、第一出口82，及一个设置于邻近第一入口81处的挡体83，流体由第一入口81进入缓冲室80中，并借由挡体83的设置可使流体平顺地进入缓冲室80，而不会直接冲到微流道90中。

微流道90连接于缓冲室80的第一出口81，而使流体流入其中，而第一出口81连接到微流道90的地方是以渐缩管的形式，使流体自动加速流过微流道90。此微流道90中设置有多线型微流量感测组件91，通过测量流体的飞行时间(Time of flight)的方式，可测量微流量的流体。

请参考图8所示，此多线型微流量感测组件91由数个感测组件所组成，当流体流入微流道90时，其第一个接触到的感测组件是一个加热组件(Heater)91a，而其下游设置有与加热组件91a不同距离的温度感测组件91b，当流体的流速改变时，可以在不同位置的温度感测组件91b感测到其速度。

其测量流体的流量的原理为：将此加热组件91a瞬时加热一段时间，而在加热组件91a上所产生的热波会随着流体的移动而往下游移动，而在微流道90下游的温度感测组件91b便会感测到此热波。由于在设置此温度感测组件91b时，我们便知道每个温度感测组件91b与加热组件91a间的距离大小，且也知道加热组件91a加热与温度感测组件91b感测到热波中间的时间差，如此一来，便可计算流体的流速，进而推算出流体的流量。

流体震荡室100中包括有第二入口101、第二出口102，及二个相对称的障碍物103。此第二入口101与微流道90的另一端相连接，以使流体流入流体震荡室100中，而第二出口102则是与流场相连通。

而设置此障碍物103的目的，是将此流体震荡室100区隔成二个反馈流旁通道104，流体经由这二个反馈流旁通道104分别由邻近第二出口102处沿着此障碍物103的外缘而回到第二入口101；而在其中一个障碍物103上，或是可以在二个障碍物103上，设置有单线型流体震荡感测组件103a，此单线型流体震荡感测组件103a为压力传感器。

当流体由微流道90进入流体震荡室100时，若此时流场的雷诺数到达过渡流的状态，即流体的流量到达中高流量，流体便会产生不稳定的现象，此即为孔达效应。此效应会使得由第二入口101流入的喷流左右震荡，而借由流经两反馈流旁通道104的流体，可激发此喷流稳定且持续地左右震荡。

当此喷流往右震荡或是往左震荡时，设置于障碍物103上的单线型流体震荡感测组件103a会明显地感测到有流体流过来，因为如果没有流体摆动过来，流体的流量会很小。由于此单线型流体震荡感测组件103a是一个压力传感器，因此，它对于有没有流体经过可以很敏感地感测出来，如此一来，便可有效提高讯杂比，而提高流量计的精准度。且本发明在流体震荡室100的第二出口102处，设计成渐缩管的结构，使其可以在较小的流量时便能开始发生震荡现象。

依照目前的技术，我们已知：流场中由孔达效应所产生的流体震荡的频率和流体的体积流率呈线性关系，因此，可以由单线型流体震荡感测组件103a所测量到喷流的震荡频率，推算此流体的体积流率，再将此体积流率乘上流体的密度即可得到流体的质量流率。

当流体的流量较小时，由于此时流场的雷诺数还未到达过渡流的状态，因此流体震荡室100不会发生流体震荡的现象，此时流体的流量计量是以微流道90中的多线型微流量感测组件91进行测量。当流场中的流量到达中高流量时，即其雷诺数到达过渡流(Transition flow)的状态，以空气为例，当流速大于0.1公升/分钟时，此时流体震荡室100中的流体便开始产生震荡的现象，而其测量则改为以流体震荡室100所造成的周期震荡频率，计算当时的瞬时体积流率，再经由流量计算逻辑程序换算成瞬时流量。

因此，本发明的射流流量计的动态测量范围较大，可涵盖大中小流量的流场测量，且其机械结构简单，体积相当于现在所使用的浮子流量计的大小，因此，可直接串接于流场管路中。

除此之外，在流量感测组件的部分，其材料是使用多晶硅取代传统的白金，使制作出来的加热组件、温度传感器具有低耗电量、高灵敏度及易于和互补式金氧半导体电路相整合的特性。

本发明的射流流量计其应用范围很广泛，例如：瓦斯表气量计、呼吸器、车用气体控制器、质流量控制器等，皆可使用它来测量流场中流体的瞬时流量。

Claims (9)

1、一种射流流量计，装设于一流场，用以测量该流场内的流体的流量，该流量计包括有：

一缓冲室，其包括有一第一入口、一第一出口以及邻近该第一入口的一挡体，该流体由该第一入口进入该缓冲室，并受到该挡体的阻挡而平顺地进出该缓冲室；

一微流道，其一端连接于该缓冲室的该第一出口，而使该流体加速流过，且该微流道中设置有一多线型微流量感测组件；以及

一流体震荡室，其包括有一第二入口与第二出口，该第二入口与该微流道的另一端相连接，而该第二出口连通于该流场，且该流体震荡室内对称设置有两个障碍物，而将该流体震荡室区隔形成两个反馈流旁通道，该流体经由两该反馈流旁通道分别由邻近该第二出口处沿着二该障碍物外缘而回到该第二入口；

其中一该障碍物设置有一单线型流体震荡感测元件，当该流体流入该反馈型流体震荡室时，由于孔达效应的作用，会使该流体形成一喷流且左右震荡，借由流经各该反馈流旁通道的流体使该喷流稳定震荡，由该单线型流体震荡感测组件所测量的该喷流的震荡频率即可推算该流体的流量，而该流体经由该第二出口流出该射流流量计；且该多线型微流量感测组件用以测量微流量的流体，当其无法测量该流体的流量时，即由该流体震荡室所测量的该喷流的震荡频率推算该流体的流量。

2、如权利要求1所述的射流流量计，其特征在于，所述流体震荡室内的另一该障碍物也设置有该单线型流体震荡感测组件，通过两个单线型流体震荡感测组件测量的该喷流的震荡频率可推算该流体的流量。

3、如权利要求1所述的射流流量计，其特征在于，该第一出口为渐缩管的形式。

4、如权利要求1所述的射流流量计，其特征在于，该第二出口为渐缩管的形式。

5、如权利要求1所述的射流流量计，其特征在于，该多线型微流量感测组件包括有多个微流量感测组件。

6、如权利要求5所述的射流流量计，其特征在于，该流体流经该微流道中第一个接触的该微流量感测组件为一加热组件，而其余的该微流量感测组件为温度感测组件。

7、如权利要求6所述的射流流量计，其特征在于，该加热组件由多晶硅材质组成。

8、如权利要求6所述的射流流量计，其特征在于，该温度感测组件由多晶硅材质组成。

9、如权利要求1所述的射流流量计，其特征在于，该单线型流体震荡感测组件由多晶硅材质组成。

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