CN218955833U - 一种量程自切换式流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种量程自切换式流量计，包括流量测试模组A、流量测试模组B和切换模块；其中流量测试模组A由管道A、节流板A、MEMS差压传感器组成，流量测试模组B由管道B、节流板B、MEMS差压传感器组成，切换模块包括电机、阀门、控制电路，控制电路根据流量实时切换阀门选择对应管道实现流体流量测试。在同时满足流量测量范围和压损指标要求的基础上，通过实时监测流体流量，自动切换流量测量模组通道，实现流体流量的精确测量。与现有的各种类型流量计相比，在相同测量精度等级要求下，量程自切换式流量计既满足压损要求，又拓宽了流量计的工作量程范围，使其应用领域得到扩展。

Description

一种量程自切换式流量计

技术领域：

本实用新型属于流量测量和微电子传感器技术领域，涉及一种量程自切换式流量计。

背景技术：

流量测量是工业过程测量中的一个重要参数，涉及广泛的应用领域，流量、温度和压力被公认为热工计量的三大重要参数，随着工业及经济的发展，流量计量技术及产品日新月异。特别是传感器技术的发展，使流量计仪表的多参数测量成为可能，根据不同的原理和信号参量，流量计可分成多种类型，主要有：浮子流量计、容积式流量计、电磁流量计、超声波流量计、热式质量流量计和差压式流量计等。其中浮子流量计通过浮子的高度来测量流体流量，该类型流量计结构简单，制作简易，但其对流体介质的单一性要求限制了应用；容积式流量计是一种测量积累流量的仪表，具有测量精度高、应用广的优点，但此类流量计体积较大，且通常用于测量较洁净的单相流体；电磁流量计依据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计，具有压损小、量程大、精度高的特点，但其受应用环境影响较大，不适用于高温环境和电导率低的流体介质；超声波流量计通过检测流体流动对超声脉冲的作用测量流体流量，同样具有低压损的特点，但其对管道衬里及流体介质的高要求限制了该类流量计的广泛应用，因此目前主要应用于大口径管道的流量测量；热式流量计是一种新型的质量流量计，通过流场对温度场的变化实现流量的测量，但其内部含有热源，因此存在功耗大的缺点；差压式流量计主要是在其内部增加了节流装置，将流体流量信号转换为差压信号，与其他类型流量计相比，传统的差压式流量计精度较低，主要应用于工业级中、大口径的流量测试。

整体而言，为了适应多种用途，现有的各种流量计具备了多样性，随着新技术、新器件、新材料的开发应用，市场对流量仪表的测量精度、测量范围以及适用范围要求越来越高。而差压式流量计因具有结构简单、成本低、稳定性好等优势被广泛应用。多孔平衡流量计在传统差压式流量计的基础上改善了精度、压损等指标的不足，但该类型流量计在小流量测试方法仍存在精度低的缺点。因此无法满足全量程范围内流量的测试，从而使其应用领域一再受限。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种量程自切换式流量计，该流量计在低压损范围内，根据流体流量自动切换流体流经管道，具有压损小、量程宽、成本低的特点。

本实用新型的另一个目的是提供所述量程自切换式流量计设计及测试方法。

本实用新型的技术解决方案：一种量程自切换式流量计，包括流量测试模组A、流量测试模组B和切换模块；其中流量测试模组A由管道A、节流板A、MEMS差压传感器组成，流量测试模组B由管道B、节流板B、MEMS差压传感器组成，MEMS差压传感器分别放置于节流板A和节流板B的轴心位置，用于感应节流板前后的压力差，并将压力差信号转换为流量信号，节流板A和节流板B上分别分布多个函数孔，多个函数孔分布在以MEMS差压传感器为中心的外圆周上，函数孔数量根据应用环境要求，数量应大于或等于2个，既实现压力差的产生，又避免了压损过大带来的影响；切换模块包括电机、阀门、控制电路，控制电路根据流量实时切换阀门选择对应管道实现流体流量测试。所述管道A和管道B彼此独立，所述管道A和管道B的尺寸根据量程范围适时配置；所述节流板A位于管道A内部；节流板B位于管道B内部。

本实用新型一种量程自切换式流量计设计及测试方法，具体步骤如下：

步骤一：确定压损和流量测量范围指标要求

量程自切换式流量计依据差压与流量的对应函数关系，通过两种不同规格尺寸流量测量模组的自动切换，实现全量程范围内流体流量的实时检测。两种流量测量模组所对应的流量检测范围不同，因此相应的管道、节流板及其函数孔分布的结构参数也存在差异。首先根据应用需求，确认管道压损和流量测量范围。

步骤二：计算管道、节流板及函数孔结构参数

综合考虑压损、流量范围指标要求，将流量范围分成Q₁、Q₂，Q₁对应小量程流量范围，Q₂对应大量程流量范围，总流量Q＝{Q₁、Q₂}

式(1)为流体流量与压力差对应函数关系：

β＝d/D    (2)

其中，Q为体积流量，C为流出系数，ε为可膨胀系数，d为节流板函数孔孔径，D为管道直径，β为等效直径比，Δp为压力差，ρ为流体密度。

已知流量Q₁和压损，结合式(1)和(2)计算管道A管径D₁、节流板函数孔结构参数，包括函数孔数量n₁、孔径d₁；

已知流量Q₂和压损，结合式(1)和(2)计算管道B管径D₂、节流板函数孔结构参数，包括函数孔数量n₂、孔径d₂；

函数孔分布在节流板相同或不同圆周上，可根据具体应用需求进行调整。

步骤三：仿真分析流体流量与两种管道压力差对应关系

采用Solidworks建模，然后使用Ansys软件Fluent模块仿真分析，流体流经两种不同流量测量模组时，所对应管道内节流板A、节流板B前后压力差，根据压力差曲线判断是否满足MEMS差压传感器分辨力。若不满足，调整管径D₁或D₂、函数孔径d₁或d₂，直至满足指标要求即可。

步骤四：量程自切换式流量计测试验证

根据步骤一～步骤三完成流量测量模组A和流量测量模组B的设计，之后将二者与切换模块连接，流量测量模组A、流量测量模组B和切换模块组成闭环测试系统。当流体流量Q≤Q₁时，切换控制程序发出指令通过电机控制阀门使主管道与管道A相通，管道内流体流经流量测量模组A，当流体流量Q₁＜Q≤Q₂时，切换控制程序发出指令通过电机控制阀门使主管道与管道B相通，管道内流体流经流量测量模组B，采用此闭环测试系统，即可实现全量程范围内流体流量的精确测量。

步骤五：方法性能评估

受试验环境因素的影响，实际测试结果与理论仿真分析结果可能存有差异，结合实测数据，综合考虑环境因素，修正理论模型，优化流量测量模组A和流量测量模组B内部结构参数，在满足测试要求的基础上提高流量计的测试精度。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

本实用新型的量程自切换式流量计，在同时满足流量测量范围和压损指标要求的基础上，通过实时监测流体流量，自动切换流量测量模组通道，实现流体流量的精确测量。与现有的各种类型流量计相比，在相同测量精度等级要求下，量程自切换式流量计既满足压损要求，又拓宽了流量计的工作量程范围，使其应用领域得到扩展。

附图说明

图1(a)为本实用新型量程自切换式流量计的结构俯视图；

图1(b)为本实用新型量程自切换式流量计的A-A剖面图；

图2为本实用新型量程自切换式流量计切换模块的结构示意图。

图中：

1-流量测试模组A，2-流量测试模组B，3-切换模块，4-管道A，5-节流板A，6-MEMS差压传感器，7-管道B，8-节流板B，9-函数孔A，10-函数孔B，11-电机，12-阀门，13-控制电路。

具体实施方式

图1所示为一种量程自切换式流量计结构示意图。包括流量测试模组A-1、流量测试模组B-2和切换模块3；其中流量测试模组A-1由管道A-4、节流板A-5、MEMS差压传感器6组成，流量测试模组B-2由管道B-7、节流板B-8、MEMS差压传感器6组成，MEMS差压传感器6分别放置于节流板A-5和节流板B-8的轴心位置，用于感应节流板A-5和节流板B-8前后的压力差，并将压力差信号转换为流量信号，节流板A-5上分布多个函数孔A-9，节流板B-8上分布多个函数孔B-10，既实现压力差的产生，又避免了压损过大带来的影响；切换模块3包括电机11、阀门12、控制电路13，控制电路13根据流量实时切换阀门12选择对应管道实现流体流量测试。

本实用新型一种量程自切换式流量计设计及测试方法，具体步骤如下：

步骤一：确定压损和流量测量范围指标要求

量程自切换式流量计依据差压与流量的对应函数关系，通过两种不同规格尺寸流量测量模组的自动切换，实现全量程范围内流体流量的实时检测。两种流量测量模组所对应的流量检测范围不同，因此相应的管道、节流板及其函数孔分布的结构参数也存在差异。首先根据应用需求，确认管道压损和流量测量范围。

步骤二：计算管道、节流板及函数孔结构参数

综合考虑压损、流量范围指标要求，将流量范围分成Q₁、Q₂，Q₁对应小量程流量范围，Q₂对应大量程流量范围，总流量Q＝{Q₁、Q₂}

式(1)为流体流量与压力差对应函数关系：

β＝d/D    (2)

其中，Q为体积流量，C为流出系数，ε为可膨胀系数，d为节流板函数孔孔径，D为管道直径，β为等效直径比，Δp为压力差，ρ为流体密度。

已知流量Q₁和压损，结合式(1)和(2)计算管道A管径D₁、节流板函数孔结构参数，包括函数孔数量n₁、孔径d₁；

已知流量Q₂和压损，结合式(1)和(2)计算管道B管径D₂、节流板函数孔结构参数，包括函数孔数量n₂、孔径d₂；

函数孔分布在节流板相同或不同圆周上，可根据具体应用需求进行调整。

步骤三：仿真分析流体流量与两种管道压力差对应关系

采用Solidworks建模，然后使用Ansys软件Fluent模块仿真分析，流体流经两种不同流量测量模组时，所对应管道内节流板A、节流板B前后压力差，根据压力差曲线判断是否满足MEMS差压传感器分辨力。若不满足，调整管径D₁或D₂、函数孔径d₁或d₂，直至满足指标要求即可。

步骤四：量程自切换式流量计测试验证

根据步骤一～步骤三完成流量测量模组A和流量测量模组B的设计，之后将二者与切换模块连接，流量测量模组A、流量测量模组B和切换模块组成闭环测试系统。当流体流量Q≤Q₁时，切换控制程序发出指令通过电机控制阀门使主管道与管道A相通，管道内流体流经流量测量模组A，当流体流量Q₁＜Q≤Q₂时，切换控制程序发出指令通过电机控制阀门使主管道与管道B相通，管道内流体流经流量测量模组B，采用此闭环测试系统，即可实现全量程范围内流体流量的精确测量。

步骤五：方法性能评估

受试验环境因素的影响，实际测试结果与理论仿真分析结果可能存有差异，结合实测数据，综合考虑环境因素，修正理论模型，优化流量测量模组A和流量测量模组B内部结构参数，在满足测试要求的基础上提高流量计的测试精度。

Claims (5)

1.一种量程自切换式流量计，其特征在于，包括流量测试模组A、流量测试模组B和切换模块；其中所述流量测试模组A由管道A、节流板A、MEMS差压传感器组成，所述流量测试模组B由管道B、节流板B、MEMS差压传感器组成；所述节流板A和节流板B上分别分布多个函数孔；所述切换模块包括电机、阀门、控制电路，所述控制电路根据流量实时切换阀门选择对应管道实现流体流量测试。

2.根据权利要求1所述的一种量程自切换式流量计，其特征在于，所述管道A和管道B彼此独立，所述管道A和管道B的尺寸根据量程范围适时配置。

3.根据权利要求1所述的一种量程自切换式流量计，其特征在于，所述节流板A位于管道A内部；节流板B位于管道B内部。

4.根据权利要求1所述的一种量程自切换式流量计，其特征在于，所述MEMS差压传感器分别放置于节流板A和节流板B的轴心位置。

5.根据权利要求1所述的一种量程自切换式流量计，其特征在于，所述函数孔分布在以MEMS差压传感器为中心的外圆周上，函数孔数量根据应用环境要求，数量应大于或等于2个。

Images