CN217032612U - 一种小流量气体体积流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种小流量气体体积流量测量装置，包括壳体、第一管路、第二管路、第三管路、气阻组和传感器模块，第一管路设置于壳体内部，第一管路两端口分别设置在壳体外表面，第二管路一端连接第一管路管壁，另一端连接壳体外表面，第三管路一端连接第一管路上与第一管路和第二管路连接轴向位置不同的管壁，另一端设置在壳体外表面，气阻组设置于第一管路、第二管路和第三管路内部，传感器设置于壳体内部连接第二管路和第三管路。本装置可以测量微升/分钟及以下流量的气体体积流量；测量有腐蚀性气体的体积流量；在高压力下测量微升/分钟及以下流量气体体积值。

Description

一种小流量气体体积流量测量装置

技术领域

本实用新型涉及气体体积流量测量装置领域，具体涉及一种小流量气体体积流量测量装置。

背景技术

医药中间体的合成反应中,经常会用到给某物质分子添加氢键的合成反应,目前我们国内常用的加氢反应是采用反应釜的方式，该方式不但效率低下，而且有很大的人员和设备安全隐患，而采用基于微反应器的全自动加氢仪进行加氢反应，则不但消除了安全隐患，而且提高了效率，目前全自动加氢仪中微反应器的气体体积流量测量装置精度对反应结果存在较大影响，目前缺乏适配于全自动加氢仪中对小流量气体检测的装置；

此外，在催化剂评价系统中，为了能判断催化剂的效用，对物质反应前后的精确测量是评价的基础，在此情况下会有类似氧气、二氧化碳、氢气、氨气等各种气体参与评价催化剂，此时精确测量气体的使用量，对评价催化剂提高重要数据支撑。

已有的气体测量装置采用热式原理，如果在流量很小的情况下，热噪声会淹没有用信号，特别是当体积流量在微升/分钟级别时，无法实现测量；其次，也是基于原理的原因，测量元件需要和测量介质接触无法做表面保护，所以无法测量具有一定腐蚀性的气体。

现有专利CN206002156U公开了一种差压式电子流量计，属于流量计领域，包括主体、前盖板、气阻管、差压传感器和电气模块；主体设置有第一腔体和第二腔体；前盖板密封设置于第一腔体和第二腔体的端口处，并设置有进气口和出气口；主体设置有第一孔道和第二孔道；第一孔道和第二孔道的一端分别与第一腔体和第二腔体连通，第一孔道和第二孔道的另一端通过气阻管连接；差压传感器与电气模块连接，且差压传感器进气口和出气口分别与第一孔道和第二孔道连通。该差压式电子流量计通过设置于主体上的流通路径以及差压传感器和电气模块，不仅使得流体在流经第一腔体和第二腔体后，流速变的平稳，提高了流量测量的精确度，而且其还具有结构小巧、简单，成本低廉等优点。

但其存在气阻管路无法承受高压；差压传感器如果能满足动态范围的要求，则无法满足高精度分辨率的要求，即无法精确测量小流量；没有测量出口压力，因为气体受压力影响，其体积变化巨大，出口压力未知的情况下，无法精确测量真实流量；所测气体的问题没有进行测量，根据气体方程可知，气体受热后，体积变化巨大；基于以上几个特点，此专利中提到的流量计无法精确提供小体积气体流量数据。

现需一种小流量气体体积流量测量装置可以解决以上问题。

发明内容

本实用新型是为了解决现有技术中当压力比较高时，用单一的压力采集单元无法在保证动态范围的情况下满足测量精度的问题，提供了一种小流量气体体积流量测量装置，采用不同大小的管路气阻，把较高的压力值转换成可以用较低动态范围压力检测装置来测量实现了用小量程高分辨率压力传感器得出高压力下的高分辨率测量。

本实用新型提供了一种小流量气体体积流量测量装置，包括壳体、第一管路、第二管路、第三管路、气阻组和传感器模块，第一管路设置于壳体内部，第一管路两端口分别设置在壳体外表面，第二管路一端连接第一管路管壁，另一端连接壳体外表面，第三管路一端连接第一管路上与第一管路和第二管路连接轴向位置不同的管壁，另一端设置在壳体外表面，气阻组设置于第一管路、第二管路和第三管路内部，传感器设置于壳体内部连接第二管路和第三管路。

本实用新型所述的一种小流量气体体积流量测量装置，作为一种优选方式，气阻组包括第一气阻、第二气阻、第三气阻、第四气阻和第五气阻，第一气阻设置于第二管路与第一管路接口、第三管路与第一管路接口之间的第一管路内部，第二气阻设置于第二管路内与第一管路连接的一端，第三气阻设置于第三管路内与第一管路连接的一端，第四气阻设置于第二管路出口端，第五气阻设置于第三管路出口端。

本实用新型所述的一种小流量气体体积流量测量装置，作为一种优选方式，传感器模块包括第一压力采集单元、第二压力采集单元、第一压力连通管和第二压力连通管，第一压力连通管一端连通第二管路设置第二气阻和第四气阻之间的位置，第二压力连通管一端连通第三管路设置第三气阻和第五气阻之间的位置，第一压力采集单元设置于第一压力连通管另一端，第二压力采集单元设置于第二压力连通管另一端。

本实用新型所述的一种小流量气体体积流量测量装置，作为一种优选方式，第一管路包括第一管路入口段、第一管路出口段和第一管路连接段，第一管路入口段和第一管路出口段分别设置于第一管路连接段两端，第一管路入口段和第二管路出口段均为内螺纹孔，第一管路入口段中径与第二管路入口端中径相同，第一管路连接段直径小于第一管路入口段中径。

本实用新型所述的一种小流量气体体积流量测量装置，作为一种优选方式，第一气阻设置于第一管路连接段内。

本实用新型所述的一种小流量气体体积流量测量装置，作为一种优选方式，第二管路包括第二管路出口段和第二管路连接段，第二管路连接段两端分别连接第一管路和第二管路出口段，第二管路出口段为内螺纹孔，第二管路连接段直径小于第二管路入口段中径。

本实用新型所述的一种小流量气体体积流量测量装置，作为一种优选方式，第二气阻、第四气阻设置于第二管路连接段内部。

本实用新型所述的一种小流量气体体积流量测量装置，作为一种优选方式，第三管路包括第三管路出口段和第三管路连接段，第三管路连接段两端分别连接第一管路和第三管路出口段，第三管路出口段为为内螺纹孔，第三管路连接段直径小于第三管路入口段中径。

本实用新型所述的一种小流量气体体积流量测量装置，作为一种优选方式，第三气阻、第五气阻设置于第三管路连接段内部。

本实用新型所述的一种小流量气体体积流量测量装置，作为一种优选方式，传感器模块还包括第三压力传感器和温度传感器，温度传感器设置于第一管路、第二管路和第三管路内，第三压力传感器设置于壳体外表面。

本装置通过流体力学泊肃叶定律，采用不同大小的气阻，把较高的压力值转换成可以用较低动态范围压力检测装置来测量，从而大大提高了测量精度，实现了高压小气流动体积流量测量，在高压力时本装置不同于采用热势场原理的直接测量，也不同于直接压力测量的方式，具体优势为：

热势场原理的测量装置在气体流量很小时，会有很大的噪声，从而无法为小流量气体提供高精度数据；

直接压力测量原理的测量装置，因为压力比较高，从而传感器必须有较大的动态范围，较大的动态范围，必将会失去小数值的精度，从而也无法提供精确的小流量测量。

本实用新型有益效果如下：

(1)可以测量微升/分钟及以下流量的气体体积流量；

(2)测量有腐蚀性气体的体积流量；

(3)在高压力下测量微升/分钟及以下流量气体体积值。

附图说明

图1为一种小流量气体体积流量测量装置示意图；

图2为一种小流量气体体积流量测量装置气阻组示意图；

图3为一种小流量气体体积流量测量装置俯视角传感器模块示意图；

图4为一种小流量气体体积流量测量装置第一管路示意图；

图5为一种小流量气体体积流量测量装置第二管路示意图；

图6为一种小流量气体体积流量测量装置第三管路示意图。

附图标记：

1、壳体；2、第一管路；21、第一管路入口段；22、第一管路出口段；23、第一管路连接段；3、第二管路；31、第二管路出口段； 32、第二管路连接段；4、第三管路；41、第三管路出口段；42、第三管路连接段；5、气阻组；51、第一气阻；52、第二气阻；53、第三气阻；54、第四气阻；55、第五气阻；6、传感器模块；61、第一压力采集单元；62、第二压力采集单元；63、第一压力连通管；64、第二压力连通管；65、第三压力传感器；66、温度传感器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1所示，一种小流量气体体积流量测量装置，包括壳体1、第一管路2、第二管路3、第三管路4、气阻组5和传感器模块6，第一管路2设置于壳体1内部，第一管路2两端口分别设置在壳体1外表面，第二管路3一端连接第一管路2管壁，另一端连接壳体1外表面，第三管路4一端连接第一管路2上与第一管路2和第二管路3连接轴向位置不同的管壁，另一端设置在壳体1外表面，气阻组5设置于第一管路2、第二管路3和第三管路4内部，传感器设置于壳体1 内部连接第二管路3和第三管路4。

如图2所示，气阻组5包括第一气阻51、第二气阻52、第三气阻53、第四气阻54和第五气阻55，第一气阻51设置于第二管路3 与第一管路2接口、第三管路4与第一管路2接口之间的第一管路2 内部，第二气阻52设置于第二管路3内与第一管路2连接的一端，第三气阻53设置于第三管路4内与第一管路2连接的一端，第四气阻54设置于第二管路3出口端，第五气阻55设置于第三管路4出口端。

如图3所示，传感器模块6包括第一压力采集单元61、第二压力采集单元62、第一压力连通管63、第二压力连通管64、第三压力传感器65和温度传感器66，第一压力连通管63一端连通第二管路3 设置第二气阻52和第四气阻54之间的位置，第二压力连通管64一端连通第三管路4设置第三气阻53和第五气阻55之间的位置，第一压力采集单元61设置于第一压力连通管63另一端，第二压力采集单元62设置于第二压力连通管64另一端。温度传感器66设置于第一管路2、第二管路3和第三管路4内，第三压力传感器65设置于壳体1外表面。

如图4所示，第一管路2包括第一管路入口段21、第一管路出口段22和第一管路连接段23，第一管路入口段21和第一管路出口段22分别设置于第一管路连接段23两端，第一管路入口段21和第二管路出口段31均为内螺纹孔，第一管路入口段21中径与第二管路 3入口端中径相同，第一管路连接段23直径小于第一管路入口段21 中径。第一气阻51设置于第一管路连接段23内。

如图5所示，第二管路3包括第二管路出口段31和第二管路连接段32，第二管路连接段32两端分别连接第一管路2和第二管路出口段31，第二管路出口段31为为内螺纹孔，第二管路连接段32直径小于第二管路3入口段中径。第二气阻52、第四气阻54设置于第二管路连接段32内部。

如图6所示，第三管路4包括第三管路出口段41和第三管路连接段42，第三管路连接段42两端分别连接第一管路2和第三管路出口段41，第三管路出口段41为内螺纹孔，第三管路连接段42直径小于第三管路4入口段中径。第三气阻53、第五气阻55设置于第三管路连接段42内部。

流量计原理基于流体力学泊肃叶方程，气体无泄漏或泄漏量已知的情况下，流经本发明装置的第一气阻后给后面其他设备提供某流量气体，则只需要测得泊肃叶方程中各个参数，即可得到气体体积流量；

装置中的第二气阻2和第四气阻5，是为测量第一气阻1的入口压力而设计的，即在气体压力比较高的情况下，第二气阻2为气阻值较大的气阻，与第二气阻2串联的第四气阻4为气阻值较小的气阻，通过泊肃叶方程可知，在气体流量相同的条件下，第二气阻2会产生较大的气压降，从而在第四气阻4前可以通过低量程压力检测装置测量第四气阻4流过某流量气体产生的气压降，这样可以实现更高的测量精度，因为此时对压力检测装置的动态范围要求很低(动态范围和分辨率是传感器两个互斥的指标)，第四气阻4的出口和大气联通，这样通过测量外界大气压和第四气阻4中气体的温度，加上已知的气阻的长度和内径等，通过泊肃叶方程可以得到通过第四气阻的流量 F4，而流量F4也是第二气阻的流量，通过已知的第二管路的长度、内径和温度测量单元测得的第二气阻内气体的温度，通过泊肃叶方程可以得到第一气阻入口的压力；

由如上推理，可以通过第五气阻5和第二压力采集单元62得到流过第三气阻3、第五气阻5的体积流量F5，由F5和第三气阻3可以得到第一气阻1的出口压力，再由温度采集单元测得的第一气阻1 内的气体温度，通过泊肃叶方程即可得到流经第一气阻的气体体积流量F1；

因为第三气阻的体积流量F5已知，则实际流量F＝F1–F5，至此我们得到了流出本发明装置的气体体积流量。

本装置使用方法具体为：气体经过入口流入本装置，经过第二管路气阻和第四管路气阻时会在第一压力采集单元上进行压力采集，根据设计我们已知此时流经第四管路气阻的内径和长度分别为r4，L4，经第一压力采集单元采集的压力为p1，温度采集单元采集到的第四管路气阻的气体温度为t4，当前环境的大气压为p0，则流经第四管路气阻的流量F4可以由流体力学方程得出：

F4＝[K*r4^4*(p1^2–p0^2)]/(t4*L4*Y)

其中Y为气体的粘度参数。

因为第二管路气阻和第四管路气阻是串联关系，所以第二管路气阻的气体流量F2和第四管路气阻的流量相对即

F4＝F2

根据设计我们第二管路气阻的内径r2,长度L2为已知，其出口压力被第一压力采集单元获取，其管路气阻内气体的温度t2被温度采集单元采集，则有流体力学方程可以得出第二管路气阻的入口压力 p10为：

p10＝sqrt((F2*Y*L2)/(K*r2^2)+p1)

同理，我们已知第三管路气阻的内径r3,长度L3，以及由温度采集单元测得到第三管路气阻气体的温度t3，其出口压力为p2；第五管路气阻内径为r5，长度L5，其内部气体温度为t5，出口压力为p0，入口压力为p2，其流量F5为：

F5＝[K*r5^4*(p2^2–p0^2)]/(t5*L5*Y)

因为第三管路气阻的流量和第五管路气阻的流量相等所以

F3＝F5

所以第三管路气阻的入口压力p20为：

p20＝sqrt((F3*Y*L3)/(K*r3^2)+p2)

对第一管路气阻，其长度为L1，内径为r1，其入口和出口压力分别为p10和p20，流过第一管路气阻气体的温度由温度采集单元测得为t1，则第一管路气阻的气体体积流量F1为:

F1＝[K*r1^4*(p20^2–p10^2)]/(t1*L1*Y)

流出装置的气体体积流量F0为:

F0＝F1–F3。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种小流量气体体积流量测量装置，其特征在于：包括壳体(1)、第一管路(2)、第二管路(3)、第三管路(4)、气阻组(5)和传感器模块(6)，所述第一管路(2)设置于所述壳体(1)内部，所述第一管路(2)两端口分别设置在所述壳体(1)外表面，所述第二管路(3)一端连接所述第一管路(2)管壁，另一端连接所述壳体(1)外表面，所述第三管路(4)一端连接所述第一管路(2)上与所述第一管路(2)和所述第二管路(3)连接轴向位置不同的管壁，另一端设置在所述壳体(1)外表面，所述气阻组(5)设置于所述第一管路(2)、所述第二管路(3)和所述第三管路(4)内部，所述传感器设置于所述壳体(1)内部连接所述第二管路(3)和所述第三管路(4)。

2.根据权利要求1所述的一种小流量气体体积流量测量装置，其特征在于：所述气阻组(5)包括第一气阻(51)、第二气阻(52)、第三气阻(53)、第四气阻(54)和第五气阻(55)，所述第一气阻(51)设置于所述第二管路(3)与所述第一管路(2)接口、第三管路(4)与第一管路(2)接口之间的所述第一管路(2)内部，所述第二气阻(52)设置于所述第二管路(3)内与所述第一管路(2)连接的一端，所述第三气阻(53)设置于所述第三管路(4)内与所述第一管路(2)连接的一端，所述第四气阻(54)设置于所述第二管路(3)出口端，所述第五气阻(55)设置于所述第三管路(4)出口端。

3.根据权利要求2所述的一种小流量气体体积流量测量装置，其特征在于：所述传感器模块(6)包括第一压力采集单元(61)、第二压力采集单元(62)、第一压力连通管(63)和第二压力连通管(64)，所述第一压力连通管(63)一端连通所述第二管路(3)设置所述第二气阻(52)和所述第四气阻(54)之间的位置，所述第二压力连通管(64)一端连通所述第三管路(4)设置所述第三气阻(53)和所述第五气阻(55)之间的位置，所述第一压力采集单元(61)设置于所述第一压力连通管(63)另一端，所述第二压力采集单元(62)设置于所述第二压力连通管(64)另一端；

所述第二管路(3)包括第二管路出口段(31)和第二管路连接段(32)，所述第二管路连接段(32)两端分别连接所述第一管路(2)和所述第二管路出口段(31)，所述第二管路出口段(31)为内螺纹孔，所述第二管路连接段(32)直径小于所述第二管路(3)入口段中径。

4.根据权利要求3所述的一种小流量气体体积流量测量装置，其特征在于：所述第一管路(2)包括第一管路入口段(21)、第一管路出口段(22)和第一管路连接段(23)，所述第一管路入口段(21)和所述第一管路出口段(22)分别设置于所述第一管路连接段(23)两端，所述第一管路入口段(21)和所述第二管路出口段(31)均为内螺纹孔，所述第一管路入口段(21)中径与所述第二管路(3)入口端中径相同，所述第一管路连接段(23)直径小于所述第一管路入口段(21)中径。

5.根据权利要求4所述的一种小流量气体体积流量测量装置，其特征在于：所述第一气阻(51)设置于所述第一管路连接段(23)内。

6.根据权利要求4所述的一种小流量气体体积流量测量装置，其特征在于：所述第二气阻(52)、所述第四气阻(54)设置于所述第二管路连接段(32)内部。

7.根据权利要求4所述的一种小流量气体体积流量测量装置，其特征在于：所述第三管路(4)包括第三管路出口段(41)和第三管路连接段(42)，所述第三管路连接段(42)两端分别连接所述第一管路(2)和所述第三管路出口段(41)，所述第三管路出口段(41)为内螺纹孔，所述第三管路连接段(42)直径小于所述第三管路(4)入口段中径。

8.根据权利要求7所述的一种小流量气体体积流量测量装置，其特征在于：所述第三气阻(53)、所述第五气阻(55)设置于所述第三管路连接段(42)内部。

9.根据权利要求3所述的一种小流量气体体积流量测量装置，其特征在于：所述传感器模块(6)还包括第三压力传感器(65)和温度传感器(66)，所述温度传感器(66)设置于所述第一管路(2)、第二管路(3)和第三管路(4)内，所述第三压力传感器(65)设置于所述壳体(1)外表面。

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