CN215261903U - 一种多维层流流体流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种多维层流流体流量测量装置及流体流量检测方法，所述测量装置包括两个或两个以上串联的层流流量元件，每个层流流量元件两端的流体管路上具有经多通接头连通的分支管路：第一类分支管路：每个层流流量元件的每一端均与第一多通阀独立对应的阀口和第二多通阀独立对应的阀口连通；第二类分支管路：每个层流流量元件两端分别与第三多通阀独立的阀口连通，第三多通阀与至少一个压力传感器连通；流体管路连接至少一个温度传感器。本实用新型通过多通阀的切换以及分支管路的设计，可获得多个数据样本，通过数据处理，剔除明显超出许用误差范围的数值，显著提高了检测的准确性。

Description

一种多维层流流体流量测量装置

技术领域

本实用新型属于流量计量仪器领域，具体涉及一种多维层流流体流量测量装置和流体流量检测方法。

背景技术

层流流量计是由层流流量传感器和差压计组成的差压式流量计，是通过测量传感器两端的差压来测量流量的仪表，可用于测量微小流量和高粘度流体的流量。广泛应用于汽车电子、半导体技术、能源与环保等领域。

传统的层流气体流量计使用单个层流流量元件(LFE)和一个压力传感器。由于层流元件中的微小流体通道易被流体中的杂质堵塞，并且受压力传感器线性等影响，传统的层流气体流量计测量结果准确性不易保证。

中国专利CN 209372153 U公开了一种压力位差式层流流量测量装置。测量管路由两条管径相同并联支路组成，每条支路上串联长度不同的两个层流元件，两条支路上的层流元件两两相同安装位置交叉对称，构成除了长短层流元件相对位置不同，其它完全相同的两条支路。在每条支路上两个层流元件之间的取压腔室中间位置开取压孔，测量两个取压腔室之间的差压。该测量装置通过构造两个流阻特性相同的并联支路，能够抵消不可压缩气体在层流元件中毛细管进口、出口压损、毛细管内入口段流动损失、取压腔室内的流动阻力损失以及抵消可压缩气体流动在层流元件毛细管进口动能损失和入口段粘性摩擦阻力损失。然而对于层流元出现灰尘沉积等污染情况，导致两个元件存在差异时，测量会不准确。

发明内容

本实用新型针对现有技术不足提供了一种多维层流流体流量测量装置及流体流量检测方法，通过多通阀的切换以及分支管路的设计，实现一次测量获得每个层流流量元件以及不同串联组合测得的多个数据样本，通过数据处理，剔除明显超出许用误差范围的数值，将最终的样本集合中所有在许用误差范围内的流量名义值取均值，得到流量测量值。

本实用新型具体技术方案如下：

一种多维层流流体流量测量装置，包括流体进管、第一多通阀、两个或两个以上串联的层流流量元件、第二多通阀、第三多通阀、压力传感器、温度传感器和流体出管，

所述流体进管、第一多通阀、层流流量元件、第二多通阀和流体出管通过流体管路顺次连接，

每个层流流量元件两端的流体管路上具有经多通接头连通的分支管路：

第一类分支管路：每个层流流量元件的每一端均与第一多通阀独立对应的阀口和第二多通阀独立对应的阀口连通；

第二类分支管路：每个层流流量元件两端分别与第三多通阀独立的阀口连通，第三多通阀与至少一个压力传感器连通；

流体管路设有至少一个温度传感器。优选的，每个多通接头连通处设有一个温度传感器。

优选的，本实用新型所述流量测量装置还具有流量计算模块，可对压力传感器测得的压力值，以及温度传感器测得的温度值进行处理、分析、运算，得到流量测量值。

本实用新型所述的测量装置，使用至少2个压力传感器，获得平行的检测压力值，相对于仅使用一个压力传感器，可避免压力传感器功能异常或者该测量点误差较大对测量值的影响，提高检测结果的准确性。优选压力传感器为2-3个。

本实用新型所述的测量装置，使用两个或两个以上的层流流量元件串联组合，采用分支管路1的设计，目的是为了获得多个不同的层流流量元件检测样本(例如，使用3个层流流量元件A、B、C时，可得到A、B、C、A-B、B-C、A-B-C共6 种方式的检测数据)，并对样本进行分析和处理，可避免因任何一个层流流量元件内部结构变化、灰尘或者任何一个层流流量元件因该测量点误差较大而对测量值的影响，提高检测结果的准确性。

此外，分支管路1的设计还可以实现反向检测。即以流体出管作为流体进管，使流体反向进入各个层流流量元件，最终从原流体进管流出。采用正向工作模式和反向工作模式，获得更多的检测样本数值。

并且，正向工作模式和反向工作模式的切换，将进入层流流量元件的灰尘吹扫出去，有利于保持层流流量元件的层流管洁净畅通。

优选的，本实用新型所述检测装置的层流流量元件为3-5个。

本实用新型所述的各层流流量元件可以相同也可以不同，优选每个层流流量元件的层流管管径和/或层流管长度不同，但是一次测量中至少有两个层流流量元件的量程涵盖被测流量值。

本实用新型所述的测量装置，在流体进管和/或流体出管上可设有截止阀和/或过滤元件。

本实用新型所述的检测装置在使用时，通过切换第一多通阀、第二多通阀和第三多通阀的阀门，每次检测一个层流流量元件或一种层流流量元件串联组合的前端或后端的压力值，并获得差压。每个检测时刻，第一多通阀与流体进管连接的阀口仅与其余阀口中的一个连通，第二多通阀与流体出管连接的阀口仅与其余阀口中的一个连通，第三多通阀与压力传感器连接的阀口仅与其余阀口中的一个连通。

本实用新型所述的流体可以为气体或者液体。

本实用新型另一目的在于提供一种精确测量流体流量的方法，使用本实用新型所述的多维层流流体流量测量装置，先确认装置内部无不可接受的泄露，然后分别正向和反向测定每个层流流量元件两端及多个串联的层流流量元件组两端的压力和温度数据，计算压差，采用泊松公式计算得到名义流量值的样本集合，对样本集合中的名义流量值进行数据处理：

(1)计算所有测定的名义流量值的平均值，若每个流量名义值和平均值之差均在其许用误差范围内，则取这些流量名义值的平均值为流量测量值；

(2)若样本集合中一个或多个流量名义值与平均值相比超出许用误差范围，则剔除超出许用误差范围最大的数值，计算其余的流量名义值新的平均值，继续比较流量名义值是否在其许用误差范围内，若每个流量名义值和新的平均值之差均在其许用误差范围内时，则取其余流量名义值的平均值为流量测量值；

(3)若其余流量名义值中一个或多个超出许用误差范围，则重复步骤(2)直至最终的样本集合中所有流量名义值均在许用误差范围内，取这些流量名义值的平均值为流量测量值；

(4)若重复步骤(2)至最终剩余三个数值，且其中有一个或多个数值超出许用误差范围，则判断本组测量数据不可用，应检查设备状态是否正常或重新检测。

在进行测量前，先对装置的密闭性进行侦测，确保无不可接受的泄露。

步骤一：打开流体进管截止阀，关闭流体出管截止阀，流体进入装置，待压力稳定后，关闭流体进管截止阀。将第一多通阀与流体进管连接的阀口和第一多通阀与第一位的层流流量元件前端连通的阀口接通，将第二多通阀与流体出管连接的阀口和第二多通阀与最后一位的层流流量元件后端连通的阀口接通，将第三多通阀与压力传感器连接的阀口依次与其余阀口接通，测量装置内压力。经设定的压力测量时间后，若测得的压力值均未出现不可接受的下降，则进行步骤二；若压力出现不可接受的下降，则装置有泄露，应排除泄露点；

步骤二：打开流体进管截止阀，关闭流体出管截止阀，流体进入装置，待压力稳定后，关闭流体进管截止阀。将第一多通阀与流体进管连接的阀口与其余阀口分别连通，并将第二多通阀与流体出管连接的阀口与其余阀口分别连通，对每种组合模式下的压力进行检测，每次均经设定的压力测量时间后，若测得的压力值均未出现不可接受的下降，则装置可用；若压力出现不可接受的下降，则装置有泄露，应排除泄露点。

本实用新型优点：

1.本实用新型使用多个串联层流流量元件，通过多通阀的切换以及分支管路的设计，实现一次测量获得每个层流流量元件以及不同串联组合测得的多个数据样本，通过数据处理，剔除明显超出许用误差范围的数值，将最终的样本集合中所有在许用误差范围内的流量名义值取均值，得到流量测量值。

2.本实用新型使用两个或两个以上的层流流量元件即其串联组合，可避免因任何一个层流流量元件内部结构变化、灰尘或者任何一个层流流量元件因该测量点误差较大而对测量值的影响，提高检测结果的准确性。

3.本实用新型所述的测量装置，使用至少2个压力传感器，获得平行的检测压力值，相对于仅使用一个压力传感器，可避免压力传感器功能异常或者该测量点误差较大对测量值的影响，提高检测结果的准确性。

4.本实用新型所述检测装置还能实现反向检测。不仅获得更多的检测样本数值，而且，正向工作模式和反向工作模式的切换可吹扫层流元件，避免层流元件堵塞，有利于保持层流流量元件的层流管洁净畅通。

5.基于本实用新型多维层流流体流量测量装置衍生的测量流体流量的方法通过对多个流量名义值进行数据处理，将误差均化，并剔除超出许用误差范围的粗大误差，确保流量测量值的精确性。

6.本实用新型所述的检测装置具有泄露侦测功能，确保不因泄露而影响流量测量准确性。

附图说明

图1为本实用新型所述多维层流流体流量测量装置示意图。

图2为具有3个层流流量元件和2个压力传感器的多维层流流体流量测量装置示意图。

具体实施方式

以下通过实施例说明本实用新型的具体步骤，但不受实施例限制。

在本实用新型中所使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。

下面结合具体实例并参照数据进一步详细描述本实用新型。应理解，这些实施例只是为了举例说明本实用新型，而非以任何方式限制本实用新型的范围。

在以下实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例1

如图1所示，一种多维层流流体流量测量装置，包括流体进管1、第一多通阀2、两个或两个以上串联的层流流量元件3、第二多通阀4、第三多通阀5、压力传感器6、温度传感器7和流体出管8，

所述流体进管1、第一多通阀2、层流流量元件3、第二多通阀4和流体出管 8通过流体管路顺次连接，

每个层流流量元件3两端的流体管路上具有经多通接头连通的分支管路：

第一类分支管路：每个层流流量元件3的每一端均与第一多通阀2独立对应的阀口和第二多通阀4独立对应的阀口连通；

第二类分支管路：每个层流流量元件3两端分别与第三多通阀5独立的阀口连通，第三多通阀5与至少两个压力传感器6连通；

流体管路设有至少一个温度传感器7。优选的，每个多通接头连通处设有一个温度传感器7。

优选的，本实用新型所述流量测量装置还具有流量计算模块9，该计算模块通过导线与压力传感器和温度传感器连接。

本实用新型所述的测量装置，可使用多个压力传感器。优选压力传感器不少于2个。一个具体的示例中，可以为2-3个。

优选的，本实用新型所述检测装置的层流流量元件不少于2个。一个具体的示例中，可以为3-5个。

本实用新型所述的各层流流量元件可以相同也可以不同，优选每个层流流量元件的层流管管径和/或层流管长度不同，但是一次测量中至少有两个层流流量元件的量程涵盖被测流量值。

本实用新型所述的测量装置，在流体进管1和/或流体出管8上可设有截止阀10和/或过滤元件11。

进一步的，以使用3个层流流量元件，2个压力传感器为例，具体说明本实用新型所述检测装置。

如图2所示，一种多维层流气体流量测量装置，由过滤元件F1、第一多通阀V1、第二多通阀V2、第三多通阀V3、截止阀V4、截止阀V5、层流流量元件LFE1、LFE2和LFE3、温度传感器T1、T2、T3和T4、压力传感器P1和P2、多通接头1-5、流量计算模块FC和气体管路组成。

第一多通阀V1有V1.0、V1.1、V1.2、V1.3和V1.4五个接口，同一时刻 V1.1、V1.2、V1.3和V1.4四个接口中有且只有一个接口与V1.0接口连通。

第二多通阀V2有V2.0、V2.1、V2.2、V2.3和V2.4五个接口，同一时刻 V2.1、V2.2、V2.3和V2.4四个接口中有且只有一个接口与V2.0接口连通。

第三多通阀V3有V3.0、V3.1、V3.2、V3.3和V3.4五个接口，同一时刻 V3.1、V3.2、V3.3和V3.4四个接口中有且只有一个接口与V3.0接口连通。

多通接头①与T1、LFE1、V1.1、V2.1和V3.1接通；多通接头④与T4、 LFE3、V1.4、V2.4和V3.4接通；多通接头②与LFE1、LFE2、T2、V1.2、V2.2 和V2.2接通；多通接头③与LFE2、LFE3、T3、V1.3、V2.2和V2.3接通；多通接头⑤与P1、P2和V3.0接通。

具体使用方法为

(1)定义P_m,n,k为在模式m下编号为n的压力传感器在k处测得的值，其中，m为1到12的整数；n为1或2，分别指P1和P2；k为1、2、3或4，分别指图中1、2、3或4。定义ΔP_m.n.k-1.k＝P_m.n.k-1-P_m.n.k

(2)名义流量按泊松公式计算而得：

NQ_m.n.k-1.k＝ΔP_m.n.k-1.k×J_k-1/η (式1)

其中，

NQ_m.n.k-1.k＝体积流量名义值，在模式m下，由压力传感器n测得的流过 LFE_(k-1)的流量

J_k-1＝几何常数，由层流元件LFE_(k-1)内限流件的液压半径及长度等确定。

η＝流体的绝对粘度，与温度有关。

(3)流量计算模块FC采集P1和P2测量的压力值，按前述定义计算ΔP_m.n.k-1.k；采集T1、T2、T3、T4的温度测量值；并按前述泊松公式，根据测量模式计算出对应的层流流量元件所测得的名义流量值，对测得的名义流量值进行数据处理，获得流量测量值。

(4)正向工作时，有6种工作模式。模式1为：气体从V1.0流入，经V1.1、①、LFE1、2和V2.2后，从V2.0流出。可测得共二个差压数据：ΔP_1.1.3.4；ΔP_1.2.3.4；模式2为：气体从V1.0流入，经V1.1、①、LFE1、②、LFE2、③和V2.3后，从V2.0流出。可测得共四个差压数据：ΔP_2.1.1.2；ΔP_2.1.2.3；ΔP_2.2.1.2；ΔP_2.2.2.3；模式3为：气体从V1.0流入，经V1.1、①、LFE1、②、LFE2、③、LFE3、④和V2.4后，从V2.0流出。可测得共六个差压数据：ΔP_3.1.1.2；ΔP_3.1.2.3；ΔP_3.1.3.4；ΔP_3.2.1.2；ΔP_3.2.2.3；ΔP_3.2.3.4；模式4为：气体从V1.0流入，经V1.2、②、LFE2、③和V2.3后，从V2.0流出。可测得共二个差压数据：ΔP_4.1.2.3；ΔP_4.2.2.3；模式5 为：气体从V1.0流入，经V1.2、②、LFE2、③、LFE3、④和V2.4后，从V2.0 流出。可测得共四个差压数据：ΔP_5.1.2.3；ΔP_5.1.3.4；ΔP_5.2.2.3；ΔP_5.2.3.4；模式6为：气体从V1.0流入，经V1.3、③、LFE3、④和V2.4后，从V2.0流出。可测得共二个差压数据：ΔP_6.1.3.4；ΔP_6.2.3.4。

(5)反向工作时，也有6种工作模式。模式7为：气体从V1.0流入，经 V1.4、④、LFE3、③和V2.3后，从V2.0流出。可测得共二个差压数据：ΔP_7.1.4.3；ΔP_1.2.4.3；模式8为：气体从V1.0流入，经V1.4、④、LFE3、③、LFE2、②和 V2.2后，从V2.0流出。可测得共四个差压数据：ΔP_8.1.4.3；ΔP_8.1.3.2；ΔP_8.2.4.3；ΔP _8.2.3.2；模式9为：气体从V1.0流入，经V1.4、④、LFE3、③、LFE2、②、LFE1、①和V2.1后，从V2.0流出。可测得共六个差压数据：ΔP_9.1.4.3；ΔP_9.1.3.2；ΔP_9.1.2.1；ΔP_9.2.4.3；ΔP_9.2.3.2；ΔP_9.2.2.1；模式10为：气体从V1.0流入，经V1.3、③、LFE2、②和V2.2后，从V2.0流出。可测得共二个差压数据：ΔP_10.1.3.2；ΔP_10.2.3.2；模式 11为：气体从V1.0流入，经V1.3、③、LFE2、②、LFE1、①和V2.1后，从 V2.0流出。可测得共四个差压数据：ΔP_11.1.3.2；ΔP_11.1.2.1；ΔP_11.2.3.2；ΔP_11.2.2.1；模式12为：气体从V1.0流入，经V1.2、②、LFE1、①和V2.1后，从V2.0流出。可测得共二个差压数据：ΔP_12.1.2.1；ΔP_12.2.2.1；

(6)将前述测得的压差数据，代入公式(1)计算获得NQ_m.n共计40个值。所计算获得的40个流量名义值，是从采用不同的层流流量元件、不同的压力传感器、在不同的层流流量元件进气压力状态下，多维度测量获得的。理论上这40个流量名义值应相等。但受层流流量元件几何常数变化、差压传感器在不同测量点的测量准确性、管路泄露等因素影响，实际上这40个值可能不完全相等。通过对40个值进行数据处理，确保流量测量精确性。

(7)以40个流量名义值的平均值为参考，若这40个流量名义值均在其许用误差范围内时，则取这40个流量名义值的平均值为流量测量值。

(8)以40个流量名义值的平均值为参考，若这40个流量名义值中有一个或多个数值超出许用误差范围时，则剔除超出许用误差范围最大的数值，将其余的39个流量名义值计算平均值，若这些流量名义值均在其许用误差范围内时，则取这些流量名义值的平均值为流量测量值；若其余的39个流量名义值中有一个或多个数值超出许用误差范围时，则剔除超出许用误差范围最大的数值，将其余的38个流量名义值计算平均值，若这38个流量名义值均在其许用误差范围内时，则取这38个流量名义值的平均值为流量测量值；以此类推，直至剩余的三个数值中有一个或多个数值超出许用误差范围时，则本组测量数据不可用，应检查设备状态是否正常。

在进行测量前，可先对装置的密闭性进行侦测，确定是否有泄露。

泄露侦测步骤一：打开V4，关闭V5，气体进入装置，带压力稳定后，关闭 V4。将V1.0与V1.1连通，并将V2.0与V2.4连通，V3.0与V3.1、V3.2、V3.3、 V3.4分别连通，此时，P1和P2同步测量装置内压力。经设定的压力测量时间后，若测得的压力值均未出现不可接受的下降，则进行步骤二；若压力出现不可接受的下降，则装置有泄露，应排除泄露点；

泄露侦测步骤二：打开V4，关闭V5，气体进入装置，带压力稳定后，关闭V4。将V1.0与V1.1、V1.2、V1.3、V1.4分别连通，并将V2.0与V2.1、V2.2、 V2.3和V2.4分别连通，共进行14次压力检测，每次均经设定的压力测量时间后，若测得的压力值均未出现不可接受的下降，则装置可用；若压力出现不可接受的下降，则装置有泄露，应排除泄露点；

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种多维层流流体流量测量装置，其特征在于包括流体进管、第一多通阀、两个或两个以上串联的层流流量元件、第二多通阀、第三多通阀、压力传感器、温度传感器和流体出管，

所述流体进管、第一多通阀、层流流量元件、第二多通阀和流体出管通过流体管路顺次连接，

每个层流流量元件两端的流体管路上具有经多通接头连通的分支管路：

第一类分支管路：每个层流流量元件的每一端均与第一多通阀独立对应的阀口和第二多通阀独立对应的阀口连通；

第二类分支管路：每个层流流量元件两端分别与第三多通阀独立的阀口连通，第三多通阀与至少2个压力传感器连通；

流体管路设有至少一个温度传感器。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于每个多通接头连通处设有一个温度传感器。

3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述流量测量装置还具有流量计算模块，该计算模块通过导线与压力传感器和温度传感器连接。

4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述压力传感器不少于2个，所述层流流量元件不少于2个。

5.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述每个层流流量元件的层流管管径和/或层流管长度不同，但是一次测量中至少有两个层流流量元件的量程涵盖被测流量值。

6.如权利要求1-5任一项所述的测量装置，其特征在于在流体进管和/或流体出管上设有截止阀和/或过滤元件。

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