CN1975346A - 外筒内靶杆流量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测水流量的外筒内靶杆流量传感器。旨在解决水浸应变片造成整个流量计失效的问题，提高流量传感器的使用寿命，使其便于保养与维护和提高性能降低成本。其技术方案是将力感流量外筒(13)与压力外筒(8)固定在水流管道(1)上，应变片(4)贴在力感流量外筒(13)的上端，传力内靶杆(12)固定在力感流量外筒(13)的上端；应变片(9)分两层贴在压力外筒(8)上，将置有温度传感器(10)的传感器室(11)固定在压力外筒(8)的上端。所述的力感流量外筒(13)与压力外筒(8)是两个成为力感受元件的薄壁圆筒。应变片(4、9)各接成全桥形式。本发明适用于流体管路，特别是水管路与无腐蚀的流体管路。

Description

外筒内靶杆流量传感器

技术领域

本发明涉及一种计算流体流量的传感器，更具体的说，它是涉及一种主要应用在水流管道上的外筒内靶杆流量传感器。

背景技术

(1)靶式流量传感器

参阅图1，在水流管道的中央，迎水流方向有一个圆形靶片，固定在内靶杆上。内靶杆以悬臂梁方式通过密封兼靶杆固定装置夹固在流量外筒上端。

在内靶杆上适当位置贴有箔式应变片。当流水冲击靶片时，内靶杆受力弯曲，弯曲应变的大小与流水冲击力成正比，据此测出水的流量。

这是一个最简单的方法。但在实际应用中遇到的难题是如何把应变片与水流隔绝，人们想了许多措施：例如，在应变片上外套波纹管、外敷防水树脂层、外套软管内充硅胶等等。这些措施或因使用寿命过短，或因对灵敏度和线性的影响超过规范，或因零点随压力和温度而移动等原因，皆以失败告终。这些，给流量计用户，流量计生产者，和传感器供应商造成了很大损失，也影响了国家水资源管理进步的速度。

(2)涡轮流量传感器

在流水的冲击下，涡轮旋转。水的流速越高，涡轮旋转的越快。其每个叶片上装有小磁钢，当其经过固定的霍尔元件时，就产生一个电脉冲。单位时间内脉冲数越多，流速越高。

两道难题束缚了它的应用。其一是柔性杂质缠住涡轮，其二是磁性颗粒弥住涡轮与霍尔元件之间的间隙而使涡轮流量传感器不能正常工作。

(3)超声波流量计

基于频率差法的超声波流量计理论上具有较高的精度。但从使用角度看，必须进行众多参数的预备测量和补偿，才有可能实现。补偿越多，精度越高，其价格随之陡峭上扬。使用前的辅助作业也更繁琐。不然，其精度低且不稳定。能耗也高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的水浸应变片造成绝缘失效而使传感器可靠性和使用寿命降低、安装，调试，使用和维护的工作量大、因水的压力和温度产生的流量零点移动、有压无流时的跑字现象和价位高缺点，提供一种效果更好的便于保养的价格低廉的外筒内靶杆流量传感器

参阅图2，为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现。将力感流量外筒与压力外筒按水流方向依次固定在待测流量的水流管道上，应变片贴在力感流量外筒的上端，固定有靶片的传力内靶杆固定在流量外筒的上端；应变片分两层贴在压力外筒上，将置有温度传感器的传感器室固定在压力外筒的上端。

技术方案中所述的力感流量外筒与压力外筒是两个由不锈弹簧钢加工成为力感受元件的薄壁圆筒，壁厚为0.3毫米-0.55毫米；所述的传力内靶杆变形在100个微应变(με)以内，直径在8毫米至30毫米之间；所述的应变片左右各两片对称地贴在力感流量外筒的上端，四片应变片接成全桥形式，同侧的两片应变片放在相对桥臂上；所述的应变片分两层贴在压力外筒上是指：在压力外筒中部对称两侧沿周向各贴一片作为压力测量用的应变片，在压力外筒顶部对称两侧沿周向各贴一片作为温度补偿用的应变片，四片应变片也接成全桥形式，测压力的两片应变片放在相对桥臂上，温度补偿的两片应变片放在另一对相对桥臂上；所述的温度传感器是置于传感器室内腔的底部。

本发明的有益效果是：

1.本发明彻底解决水浸应变片造成传感器，进而整个流量计失效的问题，消除了靶式流量计推广应用的难点。

2.用户档案的有关记录和测算都表明，波纹管焊封的靶式流量传感器的平均使用寿命只有一年时间。在失效更换期间，给流量计用户和生产者都带来不小的麻烦，损失和负担。外筒内靶杆流量传感器完全没有上述的薄弱环节，其使用寿命将不再是问题，仅此，每年就可以为一台流量计节约3000元的开支。

3.外筒内靶杆流量传感器更便于保养和维护。

4.外筒内靶杆流量传感器在提高了精度的同时，保持了靶式流量计低价位的传统优势。为了说明这个问题，特给出下面的《性价对比表》。

                                 性价对比表

注：本表以分值的高低表示优劣：10分最高，1分最低。

附图说明

图1是水浸靶式流量传感器结构原理示意图；

图2是外筒内靶杆流量传感器结构原理示意图；

图中：1.水流管道，2.靶片，3.内靶杆，4.应变片，5.流量外筒，6.密封兼靶杆固定装置，7.密封兼传感器室固定装置，8.压力外筒，9.应变片，10.温度传感器，11.传感器室，12.传力内靶杆，13.力感流量外筒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述：

参阅图2，水流管道1是待测水流量的管道，将加工好的材质采用不锈弹簧钢的薄壁力感流量外筒13和薄壁压力外筒8用螺栓固定在水流管道1(常用插入式或夹装式将流量传感器安装在待测水流量的管道上)。力感流量外筒13和压力外筒8是力感受元件，壁厚为0.3毫米-0.55毫米，通过它将水的压力信号、筒壁的线性应变信号传递给应变片9和应变片4，力感流量外筒13的功能和现有技术中的流量外筒5有实质的不同，流量外筒5不起力感受元件的作用。在力感流量外筒13的上部对称地贴有四片应变片4，左右各两片。左边两片受拉，右边两片受压。四片应变片接成全桥形式，同侧的应变片4放在相对桥臂上，从而形成全叠加输出，增大了传感器的灵敏度。由于有压流水完全被阻隔在力感流量外筒13内侧，因而彻底排除了水浸应变片的可能性。在下端固定有靶片2的与在上端装有密封垫的传力内靶杆12用密封兼靶杆固定装置6以螺纹连接的形式夹固在力感流量外筒13的上端。传力内靶杆12和现有技术中的内靶杆3虽然形状类似，但从结构与功能上有着本质的不同，现有技术中要求内靶杆3有一定的刚度，要产生一定的变形，希望产生800个微应变；而本发明要求传力内靶杆12不产生变形，要完全的把水对靶片2的作用力通过传力内靶杆12传递到力感流量外筒13上，对传力内靶杆12的刚度要求高，希望变形在100个微应变以内，直径在8毫米至30毫米之间，因此，在设计传力内靶杆12时无论在结构尺寸还是在选材上，都与考虑内靶杆3不同。

在压力外筒8中部对称两侧沿周向各贴一片应变片9，作为压力测量用；在其顶部对称两侧沿周向各贴一片应变片9，作为温度补偿用。四片应变片9也接成全桥形式，测压力的两片放在相对桥臂上，作为温度补偿用的两片放在另一对相对桥臂上。在传感器室11的底部，加装一只温度传感器10，用于测量水流的温度。装有温度传感器10的并在法兰盘上装有密封垫的传感器室11用密封兼传感器室固定装置7以螺纹连接的形式夹固在压力外筒8的上端。

实施例：一台以外筒内靶杆流量传感器为核心的靶式流量计，安装于试验基地的待测水流量的水流管道1上。管径为150毫米(指内径)，靶片2直径为41毫米，传力内靶杆12长350毫米。力感流量外筒13和压力外筒8外径都是25毫米，壁厚都是0.4毫米。力感流量外筒13长120毫米，压力外筒8长80毫米。双筒皆用不锈弹簧钢制成，经热处理，确保其具有良好的弹性。选用汉中生产的箔式应变片，其名义阻值1000欧姆，标称灵敏度1.8。温度传感器是AD590。

靶片2额定载荷49.05N，过载能力最高可达100％。供桥电压为DC5V。

与压力和温度相关的标定结果如下：

	流量外筒	压力外筒	注
				灵敏度(MV/V)	0.0021	0.0892	额定载荷1Mpa
拟合曲线	直线	直线	压力温度补偿
				起始零点(MV)	0.0011	0.0014	无压无流

与流量相关的标定结果如下：

	流量外筒	压力外筒	注
				灵敏度(MV/V)	1.453	0.0000	额定流量
拟合曲线	直线	直线
				起始零点(MV)	0.0011	0.0014	无压无流

A/D是F060单片机自有的AIN1，16位，参考电压2.44V。设计的额定输出数码为32768，从而保证了100％的过载能力。A/D之前用了AD620，其放大倍数选用168。

该流量计从试测开始到现在，已经16个月。既无浸水迹象，也未跑字。停水检查两次，一切正常。

安装试测前台架试验检测精度优于0.6％。在试测中三次用同一超声波流量计比对，示值相差平均为4.1％。

外筒内靶杆流量传感器标定及使用方法：

在外筒内靶杆流量传感器使用过程中，由于制造外筒内靶杆流量传感器主要零部件的材料均匀性，贴片工艺和加工制造等存在有缺陷，不论流量有无，在水压力和异于标定条件温度的作用下，力感流量外筒13的电桥都有输出，这一输出与流量输出相叠加。由此产生如下两个问题。其一是零流量时有输出，而且这一输出还与压力的大小和温度的高低相关。在没有压力值和温度值参照的情况下，无法从总的输出中有根据地扣除，从而显示出有某一流量值存在，此即所谓的有压无流的跑字现象。其二是有流量时，流量示值中叠加有压力和温度造成的成份，从而降低了传感器的精度。利用压力外筒8可以准确地测出压力的数值，利用温度传感器10可以准确地测出温度的数值。

双外筒(力感流量外筒13与压力外筒8)标定

为了从流量示值中精确地扣除由于压力和温度影响的流量成份，须对双筒进行相关标定。这里认定，函数是线性的，适用叠加原理。通常，水流管道1内的压力范围为0.0——2.0Mpa；水流的温度范围为0——50摄氏度。在此区间，设定3个标定点，同时对双筒进行标定，建立互相关连的拟合函数。

变量设置如下：

X1——温度；

X2——压力，Mpa；

X3——水对靶片2的冲力，N；

Y1——A/D的温度的采样值，0——65535；

Y2——A/D的压力的采样值，0——65535；

Y3——A/D的靶片2受力的采样值，0——65535。

Y21——Y2中仅由温度因素生成的分采样值；

Y22——Y2中仅由压力因素生成的分采样值；

Y31——Y3中仅由温度因素生成的分采样值；

Y32——Y3中仅由压力因素生成的分采样值；

Y33——Y3中仅由流量因素生成的分采样值；

常数设置如下：

Aij——线性的比例，标定过程中确定；

Bij——线性的截距，标定过程中确定；

C——计算后的综合常数。

标定方程有三组六个，它们是：

Y1＝A11×X1+B11

Y2＝Y21+Y22＝(A21×X1+B21)+(A22×X2+B22)

Y 3＝Y31+Y32+Y33＝(A31×X1+B31)+(A32×X2+B32)+(A33×X3+B33)最后，可得到如下的简单拟合函数关系：

X3＝(Y3-C)/A33

式中：C＝A31×(Y1-B11)/A11+A32×(Y2-A21×(Y1-B11)/A11-B21-B22)+B31+B32+B33

流量修正

使用外筒内靶杆流量传感器时，力感流量外筒13测出的是综合流量，其中包括由于压力因素和温度因素影响的流量叠加成份。压力外筒8测出压力，温度传感器10测出温度，利用标定过程提供的拟合函数，换算出因此叠加的具体数值。最后，从综合流量中减掉这个数值，就得到了真实的流量。当然，这个过程都是由以外筒内靶杆流量传感器为核心的靶式流量计自动进行的。

本发明所述的外筒内靶杆流量传感器，不仅适用于水流管道，也适用其它流体管道，特别是无腐蚀的流体管道。因此，将本发明应用到其它流体管道，特别是无腐蚀的流体管道上，进行流体流量的检测都在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种外筒内靶杆流量传感器，包括内靶杆，流量外筒，靶片，应变片和密封兼内靶杆固定装置，其特征在于，力感流量外筒(13)与压力外筒(8)按水流方向依次固定在水流管道(1)上，应变片(4)贴在力感流量外筒(13)的上端，固定有靶片(2)的传力内靶杆(12)固定在力感流量外筒(13)的上端；应变片(9)分两层贴在压力外筒(8)上，将置有温度传感器(10)的传感器室(11)固定在压力外筒(8)的上端。

2.按照权利要求1所述的外筒内靶杆流量传感器，其特征在于，所述的力感流量外筒(13)与压力外筒(8)是两个由不锈弹簧钢加工成为力感受元件的薄壁圆筒，壁厚为0.3毫米-0.55毫米。

3.按照权利要求1所述的外筒内靶杆流量传感器，其特征在于，所述的传力内靶杆(12)变形在100个微应变以内，直径在8毫米至30毫米之间。

4.按照权利要求1所述的外筒内靶杆流量传感器，其特征在于，所述的应变片(4)左右各两片对称地贴在力感流量外筒(13)的上端，四片应变片(4)接成全桥形式，同侧的两片应变片(4)放在相对桥臂上。

5.按照权利要求1所述的外筒内靶杆流量传感器，其特征在于，所述的应变片(9)分两层贴在压力外筒(8)上是指：在压力外筒(8)中部对称两侧沿周向各贴一片作为压力测量用的应变片(9)，在压力外筒(8)顶部对称两侧沿周向各贴一片作为温度补偿用的应变片(9)，四片应变片(9)也接成全桥形式，测压力的两片应变片(9)放在相对桥臂上，温度补偿的两片应变片(9)放在另一对相对桥臂上。

6.按照权利要求1所述的外筒内靶杆流量传感器，其特征在于，所述的温度传感器(10)是置于传感器室(11)内腔的底部。