CN1774616A - 包括有改良流动几何结构的用于气体计量设备的差压装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差压装置(4)和一种气体计量设备(1)，以借助于一个气体计量表(2)来精确测量气体消耗量(6a)。一个已知的气体计量表(2)设置在一个旁通管(3)内，它包括一个位于所述气体管道(5)内的差压装置(4)，用于测量在所述气体管道(5)内的体积流率(dV/dt，6a)。根据本发明，所述差压装置(4)包括流量管(40)，从所述差压装置(4)的中心轴线(A)开始，随着径向位置(R₁＜R₂＜R₃＝的增大，该流量管的直径(D₁＞D₂＞D₃＞D₄)减少。实施例包括所述流量管(40)的入口(41)以及/或者出口(42)，该入口和出口都设置有一个特定的埋头孔角(α)，并且所述流量管(40)等间距、同心地设置在所述差压装置(4)的截面区域(Q)上。其中，本发明的优势在于：增大在低体积流率(dV/dt，6a)时的差压(4)，减小在高体积流率(dV/dt，6a)时的差压(4)，并且基本上，在处于所述旁通管(3)内的体积流率(6b)和所述气体管道(5)内的体积流率(dV/dt，6a)之间的整个测量范围内，线性度得以改善。

Description

包括有改良流动几何结构的用于气体计量设备的差压装置

技术领域

【1】本发明涉及借助于流量传感器，尤其是借助于热式流量传感器而测量气体消耗量的领域。本发明源于一种根据独立权利要求前序部分的差压装置和一种用于测量气体消耗量的气体计量装置。

背景技术

【2】在WO 01/96819 A1中揭示了一种气体计量表，校定后作为一个能量测量仪器。校定是基于传感器的信号值，该信号值根据校定气体的流率而确定并且以传感器校定曲线的形式而存储在所述气体计量表中。传感器校定曲线或相应的传感器信号值乘以用于基准气体混合物的信号转换系数和热量值系数，从而，获得的乘积以能量单位的形式给出了气体消耗量。在能量的校定中，通过进一步的校正系数，至少可以近似地估计所消耗的气体混合物的实际热量值。至于实际热量值，可以使用经过一段给定时间后所测得及平均后的热量值。

【3】在美国专利No.5,750,892中揭示了一种用于流量测量的设备，其在旁通管上具有一个流量传感器，在该设备中，一个长的层流构件设置在主流道中并且具有很多流量管，并且与所述旁通管的连接位于流动构件的直线跨距内。因此，经过所述流动构件或所述旁通管，压降与体积流率之间基本上保持线性，这是因为由于在所述旁通管的入口和流出区域处的湍流分量以及非恒定的流动截面所导致的非线性分量减小到最小。

发明内容

【4】本发明的目的是提供一种用于气体计量设备的差压装置，以及提供具有一个差压装置的气体计量设备，所述差压装置和气体计量设备的特征在于其测量范围得到了改善。根据本发明，该目的通过独立权利要求的特征部分实现。

【5】在第一方面，本发明涉及一种用于气体计量设备的差压装置，所述气体计量设备包括一个位于气体管道的旁通管内、用于测量通过气体管道的气体消耗量的气体计量表，所述差压装置设计成安装在气体管道内并且设置有具有标准直径的多个流量管，流量管设置在所述差压装置上的不同径向位置处，设置在较靠近一个接近中心的径向位置处的压力装置上的该等流量管具有较大直径，而那些设置在较靠近一个接近周边的径向位置处的差压装置上的流量管具有较小直径。由于在所述差压装置的周边处直径减小，对于在这个区域内从所述气体管道分岔出的旁通管而言，获得了一个有利的压力增加，以及由此获得在旁通管中对于气体管道内的低流率的测量效果的改善。这种差压装置保证了对于小体积流量的提高了的测量灵敏度，以及测量范围的增加，并且因此尤其适于层流设备。

【6】在一个实施例中，从所述差压装置的中心轴线开始，所述流量管的直径随着径向位置的增加而单一地减小。因此实现了一个特别有利层流测量范围的线性化及此测量范围的扩大。

【7】在另一实施例中，所述流量管的入口以及/或者出口具有埋头孔角，特别地，该角度介于30°-90°之间，优选地介于45°-75°之间，尤其优选地介于55°-65°之间。这使得在高流率时的差压减小，这样在高流率时湍流的比例降低。

【8】通过根据权利要求4和5的实施例，在所述主管道内的层流区域、从而在主管道内的体积流量和旁通管内的体积流量之间的线性化、以及线性测量的范围进一步得到了扩大。

【9】在另一方面，本发明涉及一种特别是在私人、公开或工业领域内用于测量气体消耗量的气体计量设备，其包括：一种气体计量表，其设置在一个气体管道的旁通管上；以及一个差压装置，其设置在所述气体管道内并设置有多个具有标准直径的流量管，所述流量管设置在所述差压装置上不同的径向位置处，并且该等径向位置较靠近旁通管的入口的流量管具有一个较小的直径，而该等径向位置远离所述旁通管的入口的流量管具有一个较大的直径。由于该气体计量设备，即使旁通管的分岔处——即入口管和出口管——任意设置在所述主气体管道的截面上，也能实现上述优点。

【10】本发明的进一步的实施例、优点和应用可通过从属权利要求以及下列叙述和附图而获得。

附图说明

【11】图1是所述气体计量表的几何结构的剖面示意图；

【12】图2是已知的不同差压构件的相对压力特性曲线的比较；

【13】图3a、3b是根据本发明的管束差压构件的正视图和截面图；以及

【14】图4是一个根据本发明的管束差压构件和一个传统的管束差压构件的相对差压值的测量曲线。

【15】在附图中，相同的部件具有相同的标号。

具体实施方式

【16】图1示出了一个气体计量设备1，其包括一个设置在一个测量通道或旁通管3内的气体计量表2，以及一个设置在主管道5内的差压装置4。通常，所述气体计量表2具有一个热式流量传感器(未示)，用于确定流过的气体的体积——在标准状况下的体积或者能量值。这里旁通管3示例性地并且优选地设置于所述气体管道5的一个侧壁5a上，而且，在内侧壁5a上，在分岔区域处具有一个入口3a和一个出口3b。这里，所述旁通管3基本上平行于所述气体管道5而延伸。在此未示出的旁通管3的其它设备、分支和形状也是可以的。在所述气体管道5内流动有一个主气流6a，从该主气流中分流出少量旁路气流6b。分流比率，即体积流率6b与6a的比率，大致由所述差压装置4决定。

【17】图2示出了在已知的不同差压装置4下——即在一个薄壁蜂窝式结构4a、一个管束4b或一个文氏计量表4c下——相对压降ΔP_rel的比较，该相对压降是体积流量或体积流率dV/dt的函数。所述蜂窝式结构4a的压力增加与主体积流量6a之间的关系相当接近线性。其不利之处在于所获得的最大差压过小，以致于不能在所述旁通管3中产生足够的流量6b。通常，文氏计量表4c的层流区域过小，因此线性压力增加过小，以及所述体积流率6b与6a的线性分流比率过小。所述管束差压装置4b具有多个流量管40，该流量管通常是圆形的并沿所述主管道5延伸且彼此平行地设置。传统的管束差压装置4b也存在上述缺点。从图2中清楚地看出其线性明显地优于文氏计量表4c，但是在小的体积流量6a时，压降ΔP_rel过小。

【18】图3a、3b示出了根据本发明的管束差压装置4b的一个实施例。流量管40设置在所述差压装置4的不同径向位置R₁、R₂、R₃处，或一般而言设置在R₁，…，R_n处，此时n为一个整数下标，并且所述流量管具有一个标准直径D₁，…，D₄或一般而言为D₁，…，D_m，此时m为一个整数下标，特别地，其具有直径为D₁，…，D₄或一般而言为D₁，…，D_m的圆形截面。优选地，m在2和6之间或者3和5之间或者m＝4。

【19】根据本发明，该等设置在所述差压装置4上较靠近接近中心的径向位置R₁处的流量管40具有较大的直径D₁、D₂，而那些设置在所述差压装置4上较靠近接近周边的径向位置R₃处的流量管40具有较小的直径D₃、D₄。从所述差压装置4或相应地从气体管道5的中心轴线A开始，优选地，随着径向坐标的增加——R₁＜R₂＜R₃或者一般而言地R₁＜…＜R_n，所述流量管40的直径连续减小——D₁＞D₂＞D₃＞D₄或者一般而言D₁＞…＞D_m。通常地说，如果所述旁通管的分岔3a、3b——即入口3a和出口3b——位于主管道5中的任意径向位置R处，那么根据本发明，径向位置R₁，…，R_n靠近所述旁通管3入口3a的该等流量管40具有较小的直径D₁，…，D_m，而径向位置R₁，…，R_n远离所述旁通管3入口3a的该等流量管40具有较大的直径D₁，…，D_m。

【20】图4示出了D₁＝D₂＝D₃＝D₄的传统管束差压装置的压差曲线(8b)与根据本发明的D₁≥D₂＞D₃≥D₄的管束差压装置的差压曲线(8a)之间的相对比较。可以认识到，根据本发明，通过孔直径D₁，…，D₄的变化，即靠近中心处的入流口D₁、D₂的增大以及/或者在周边处并远离中心的入流口D₃、D₄的减小，对于小体积流量6a相对差压ΔP_rel增大，因此在整个测量范围内大致线性化。此本发明的有利效果的原因在于：在现有层流6a的状态下，与靠近差压装置4或气体管道5的中心Z的孔径D₁、D₂相比，靠近旁通管3的孔的孔径D₃、D₄对总压降ΔP影响更大。在试验中，所述差压装置4的最大总压降ΔP＝P₁-P₂可达2毫巴。总体上，获得了大区域的层流，且所述体积流量6b与6a的分流比率的线性度相当高，而没有对测量上限形成限制。

【21】优选地，根据图3，所述流量管40的入口41以及/或者出口42具有介于30°-90°之间的埋头孔角α，α优选地位于45°-75°之间，尤其优选地位于55°-65°之间。这使得在高流率dV/dt时差压减小，并且因此在高体积流量6a时有助于在测量范围内的线性化。换句话说，埋头孔使得在高流率dV/dt处(过渡区)发生的局部湍流得到了抑制。因为湍流分量的原因，差压ΔP通过所述的差压装置4相对于流速或体积流率dV/dt或6a成平方比例地增加，所以，在高体积流率6a时差压Δp或ΔP_rel减小。通过埋头孔41以及/或者42还可实现的是：在高流率时，具有高雷诺数的湍流分量减少。

【22】优选地，为了进一步改善体积流量6a的层流性，选择所述差压装置4的总长度L与总直径D₀的比率，使该比例大于1，优选地大于1.3，尤其优选地大于1.5。因此，增强了在每个流量管40中的层流式管摩擦，而湍流的相对比例得以抑制。总长度与总直径的比例系数L/D₀越大，通过气体管道的体积流速6a与差压装置4所产生的差压ΔP＝P₁-P₂之间的相互关系越线性化，而该差压与通过旁通管3以及气体计量表2或其热式流量传感器的体积流量6b成比例。优选地，所述流量管40具有一个圆形截面，并且标准直径D₁，…，D_m为流量管40的入口41所给出的直径D₁，…，D_m。同时，优选地，所述流量管40沿所述差压装置4的整个长度L方向上的流动截面恒定。

【23】在图3a和图3b的实施例中，在差压装置4的截面区域Q上的同心圆7上，等间距地设置所述流量管40。所述差压装置4的截面区域Q的开口率可以在0.3～0.8的范围内，优选地在0.3～0.6的范围内，尤其在0.4～0.5的范围内。

【24】在另一方面，本发明涉及一种用于测量气体消耗量的气体计量装置1，尤其用于测量家用气体的消耗，所述气体计量装置包括在旁通管3中的一个气体计量表2以及在所述气体管道5内的上述差压装置4。在此，所述旁通管3的直线跨距L’应选择为大于或等于所述差压装置4的总长度L，并且所述差压装置4应设置在气体管道5内，介于旁通管3的入口3a和出口3b之间。适当的，所述差压装置4相对于所述旁通管开口3a、3b居中设置。这样可以确保由所述差压装置4限定的差压ΔP＝P₁-P₂存在于整个旁通管3中。由于根据本发明的所述差压装置4的设计，即在旁通管3的入口和出口41的附近流量管40的直径D₁，…，D_m减小，流型这样地改变：通过所述差压装置4或所述气体管道5的截面Q，在小体积流率6a时超比例放大的差压ΔP存在于整个旁通管3中并且驱动旁通管的体积流6b。

【25】在一个优选的实施例中，所述气体计量表2具有一个热式流量传感器，特别地是一种CMOS风速计，该热式流量传感器带有设置在上游以及/或者下游的一个电热丝和至少一个温度传感器。特别地，所述气体计量表2可以具有用于在标准状况下以体积单位——例如升/每分钟(l/min)——以及/或者能量单位——例如千瓦/小时(kW/h)——对气体消耗量进行校准的装置。这在WO 01/96819中进行了详细描述，该文献在此通过参考整个公开内容而将其引入本说明中。

附图标记列表

1            气体计量装置

2            具有热式流量传感器的气体计量表、CMOS感应芯片气体计

             量表

3            旁通管

3a           旁通管的入口

3b           旁通管的出口

4            差压装置

40           流量管，小管道

41           入口

42           出口

4a           蜂窝式结构

4b           管束

4c           文氏计量表

5            流量管、管道、主管道

5a           主管道中的侧壁

6a           主管道中的体积流量

6b           旁通管中的体积流量

7            同心圆

8a，8b       相对差压曲线

α                       埋头孔角

A            中心轴线

D₀         总直径

D₁，…，D₄管道直径

L            差压装置的长度

L’                      旁通管的直线跨距

P₁，P₂    差压装置前后方的压力

ΔP_rel      相对差压

Q            截面区域

r            半径

R₁，…，R₄径向位置

U            周边位置

dV/dt        体积流量

Z            差压装置的中心，径向位置的中心

Claims (10)

1、一种用于气体计量设备(1)的差压装置(4)，所述气体计量设备包括一个位于一个气体管道(5)的旁通管(3)内的气体计量表(2)，用于测量通过所述气体管道(5)的气体消耗量，所述差压装置(4)设计成安装在所述气体管道(5)内并具有多个流量管(40)，所述流量管(40)具有标准直径(D₁，…，D₄)，所述流量管(40)设置在所述差压装置(4)上不同的径向位置(R₁、R₂、R₃)处，其特征在于：

a)设置在所述差压装置(4)上与一个接近中心的径向位置(R1)处较靠近的流量管(40)具有较大的直径(D1、D2)，并且

b)设置在所述差压装置(4)上与一个接近周边的径向位置(R₃)处较靠近的流量管(40)具有较大的直径(D₃、D₄)。

2、如权利要求1所述的差压装置(4)，其特征在于：从所述差压装置(4)的中心轴线(A)开始，随着径向位置(R₁、R₂、R₃)增大，所述流量管(40)的直径(D₁＞D₂＞D₃＞D₄)单调地减小。

3、如上述权利要求中任一项所述的差压装置(4)，其特征在于：

a)所述流量管(40)的入口(41)以及/或者出口(42)具有埋头孔角(α)，并且

b)特别地，该埋头孔角(α)介于30°-90°之间，优选地介于45°-75°之间，尤其优选地介于55°-65°之间。

4、如上述权利要求中任一项所述的差压装置(4)，其特征在于：

a)选择所述差压装置(4)的总长度(L)与总直径(D₀)的比率使之大于1，优选地大于1.3，尤其优选地大于1.5，并且/或者

b)所述流量管(40)具有一个圆形截面，并且标准直径(D₁，…，D₄)是流量管(40)的入口(41)的直径(D₁，…，D₄)，以及/或者

c)所述流量管(40)在所述差压装置(4)的整个长度(L)上具有一个恒定流动截面。

5、如上述权利要求中任一项所述的差压装置(4)，其特征在于：

a)所述流量管(40)等间距设置在差压装置(4)的截面区域(Q)上的同心圆(7)上，以及/或者

b)所述差压装置(4)的截面区域(Q)的开口率位于0.3～0.8之间，优选地位于0.3～0.6之间，特别是位于0.4～0.5之间。

6、一种测量气体消耗量的气体计量设备(1)，特别用于私人、公共或工业领域内，其包括：一个气体计量表(2)，其设置在一个气体管道(5)的旁通管(3)上；以及一个差压装置(4)，其设置在所述气体管道(5)中并具有多个流量管(40)，所述流量管(40)具有标准直径(D1，…，D₄)，所述流量管(40)设置在所述差压装置(4)上不同的径向位置(R₁、R₂、R₃)处，其特征在于：

a)径向位置(R₁、R₂、R₃)靠近所述旁通管(3)入口(3a)的流量管(40)具有较小的直径(D₁，…，D₄)，并且

b)径向位置(R₁、R₂、R₃)远离所述旁通管(3)入口(3a)的流量管(40)具有较大的直径(D₁，…，D₄)。

7、如权利要求6所述的气体计量设备(1)，其特征在于：

a)所述旁通管(3)的一个入口(3a)和一个出口(3b)设置在所述主导管(5)的侧壁(5a)上，以及/或者

b)所述旁通管(3)的直线跨距(L’)应选择为大于或等于所述差压装置(4)的总长度(L)，并且所述差压装置(4)应设置在所述的所述气体管道(5)中，介于所述旁通管(3)的入口(3a)和出口(3b)之间的。

8、如权利要求7a所述的气体计量设备(1)，其特征在于：从所述差压装置(4)的中心轴线(A)开始，随径向位置(R₁、R₂、R₃)的增大，该流量管(40)的直径(D₁＞D₂＞D₃＞D₄)单调地减小。

9、如权利要求6至8中任一项所述的气体计量设备(1)，其特征在于：所述差压装置(4)如权利要求3至5中任一项所述。

10、如权利要求6至9中任一项所述的气体计量设备(1)，其特征在于：

a)所述气体计量表(2)具有一个热式流量传感器，特别地，具有一个CMOS风速计，该热式流量传感器带有设置在上游以及/或者下游的一个电热丝和至少一个温度传感器，并且/或者

b)所述气体计量表(2)具有在标准状况下以体积单位例如升/每分钟(l/min)以及/或者以能量单位例如千瓦/小时(kW/h)对气体消耗量进行校定的装置。

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