CN219104080U - 一种具有组分补偿功能的热式气体流量计及其系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种具有组分补偿功能的热式气体流量计及其系统，包括：测量探杆，以及依次并排设于测量探杆上的第一传感器、第二传感器和气动活塞；所述第一传感器设于测量探杆的端部，在第二传感器与第一传感器之间的测量探杆侧壁上设有第一通孔；所述第二传感器嵌于测量探杆内，在所在位置处设置有第一气腔和第二气腔，第一气腔的一侧通过第二通孔与气动活塞连通，第一气腔的另一侧设置第二传感器，第二传感器的另一侧通过第二气腔连通至第一通孔处。通过气腔和气动活塞实现第二传感器内的流场流速恒定，从而实现更精准的补偿，提高测量精度。

Description

一种具有组分补偿功能的热式气体流量计及其系统

技术领域

本实用新型涉及气体流量计技术领域，特别是涉及一种具有组分补偿功能的热式气体流量计及其系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

当被测介质气体组分发生变化，这种变化会影响其动力粘度、密度、导热系数等物性参数，导致热式气体流量测量仪表输出信号偏离，进而造成较大的测量误差。由于热式气体流量计的基本方程中包含热导率λ、动力粘度η和气体密度ρ这三个与气体组分有关的物性参数；当气体组分变化时这三个参数都会改变，那么就会导致热式气体流量计的测量出现误差。

当已知气体组分时，可通过具体气体的物性参数和标定气体的物性参数进行转换计算，得到测量气体相对于标定气体的转化系数，从而不需要重新进行“配气”标定。但是当气体组分未知时，由于其具体物性参数无法具体得到，而现有的热式气体流量计在结构设计上也无法准确确定补偿系数，从而就无法进行测量气体和标定气体间补偿系数的计算，那么也就无法进行准确的测量。

目前虽然有涉及一种受环境温度变化影响小、温度补偿合理、响应迅速、准确度高的大量程的空气热式流量计，采用两个测速探头和一个测温探头，使测量结果不受流体温度的影响，从而使温度补偿更加合理；

但是，上述方案只针对温度补偿，并未考虑到气体组分未知时的补偿问题；而且对于补偿端的传感器，可以通过保持流速的恒定，确定无法具体标定的参数，从而得到更为精准的补偿系数，同时还需要考虑针对不同的流速等级均可适用的问题；而现有的热式气体流量监测设备未考虑上述问题，导致现有的热式气体流量监测设备测量精度低，测量结果易受紊流干扰。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种具有组分补偿功能的热式气体流量计及其系统，通过气腔和气动活塞实现第二传感器内的流场流速恒定，从而实现更精准的补偿，提高测量精度。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

第一方面，本实用新型提供一种具有组分补偿功能的热式气体流量计，包括：测量探杆，以及依次并排设于测量探杆上的第一传感器、第二传感器和气动活塞；

所述第一传感器设于测量探杆的端部，在第二传感器与第一传感器之间的测量探杆侧壁上设有第一通孔；

所述第二传感器嵌于测量探杆内，在所在位置处设置有第一气腔和第二气腔，第一气腔的一侧通过第二通孔与气动活塞连通，第一气腔的另一侧设置第二传感器，第二传感器的另一侧通过第二气腔连通至第一通孔处。

作为可选择的实施方式，所述第一传感器设于测量探杆插入被测管道的一端，在第一传感器所在位置处开孔，开孔方向平行于被测介质的流向。

作为可选择的实施方式，所述第一传感器和第二传感器均为热式探头。

作为可选择的实施方式，所述第一通孔用于实现第二传感器与被测介质间的连通；其中，所述第二传感器通过孔径与第二气腔连通，第二气腔与第一通孔连通，从而实现第二传感器与被测介质间的连通。

作为可选择的实施方式，所述第二传感器与气动活塞连通。

作为可选择的实施方式，所述气动活塞包括气动活塞进气孔和气动活塞出气孔，气流从气动活塞进气孔进入，从气动活塞出气孔排出。

作为可选择的实施方式，所述气动活塞进气孔的开孔方向平行于被测介质的流向。

作为可选择的实施方式，气流通过气动活塞时，第一气腔内形成负压，此时，根据虹吸原理，第一通孔内被测介质通过第二气腔进入第二传感器，由此使流过第二传感器的流速恒定。

作为可选择的实施方式，所述测量探杆远离第一传感器的一端设有固定法兰，所述固定法兰用于将测量探杆固定在被测管道上。

第二方面，本实用新型提供一种具有组分补偿功能的热式气体流量测量系统，包括：第一方面所述的热式气体流量计和变送器组件，所述热式气体流量计和变送器组件采用分体式连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型提出一种具有组分补偿功能的热式气体流量计及其系统，通过气腔和气动活塞实现第二传感器内的流场流速恒定，其中，通过第二气腔和第一通孔的连通，实现第二传感器与被测介质间的连通；通过第一气腔和第二通孔的连通，实现第二传感器与气动活塞间的连通，气流从气动活塞进气孔进入，从气动活塞出气孔排出，此时第一气腔内形成负压，根据虹吸原理，被测介质从第一通孔通过第二气腔进入第二传感器，由此保证了不同气体流速下气腔内的气压恒定，从而由于气体恒定，使得流过第二传感器的流速恒定，从而实现通过第二传感器的测量数据得到更精准的补偿系数，实现更精准的补偿，提高测量精度。

本实用新型提出一种具有组分补偿功能的热式气体流量计及其系统，通过气动活塞的弹簧弹性系数可以控制第一气腔内的压力，进而控制流过第二传感器的介质流速，实现多流速等级下不同场景应用。

本实用新型提出一种具有组分补偿功能的热式气体流量测量系统，变送器组件和热式气体流量计采用分体式设计，将变送器组件安装在远离辐照的区域，既能够方便工作人员维修，也能避免电子电路元件的老化，以便延长使用寿命，提高设备的可观测性、可维护性。

本实用新型附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型实施例1提供的热式气体流量计整体结构示意图；

图2为图1中的A部放大图；

图3为本实用新型实施例1提供的第二传感器安装立体图；

图4为本实用新型实施例1提供的第二传感器安装截面图；

图5为本实用新型实施例2提供的热式气体流量测量系统整体结构示意图；

其中，1、第一传感器，2、第二传感器，3、测量探杆，4、固定法兰，5、接线盒，6、分体线缆，7、变送器组件，8、气动活塞，9、第一通孔，10、第二通孔，11、第一气腔，12、第二气腔，13、气动活塞进气孔，14、气动活塞出气孔，15、孔径。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本实施例提供了一种具有组分补偿功能的热式气体流量计，如图1-图4所示，包括：测量探杆3，以及依次并排设于测量探杆3上的第一传感器1、第二传感器2和气动活塞8；

所述第一传感器1设于测量探杆3的端部，在第二传感器2与第一传感器1之间的测量探杆侧壁上设有第一通孔9；

所述第二传感器2嵌于测量探杆3内，在所在位置处设置有第一气腔11和第二气腔12，第一气腔11的一侧通过第二通孔10与气动活塞8连通，第一气腔11的另一侧设置第二传感器2，第二传感器2的另一侧通过第二气腔12连通至第一通孔9处。

在本实施例中，所述第一传感器1为流量测量用传感器，第二传感器2为组分补偿用传感器；其中，第一传感器1到被测管壁的距离可根据管径大小自适应设计，以提高流量测量的精度，在此不做赘述。

在本实施例中，所述第一传感器1和第二传感器2均为热式探头，令第一传感器1为第一热式探头，第二传感器2为第二热式探头，每个热式探头均包括两个电阻式温度传感器(简称RTD)。

作为可选择的一种实施方式，所述电阻式温度传感器采用铠装的铂电阻，为常规设备，不做赘述。

作为可选择的一种实施方式，所述测量探杆3为不锈钢金属探杆。

作为可选择的一种实施方式，所述第一传感器1和第二传感器2均固定嵌入测量探杆内；

更进一步地，所述第一传感器1设于测量探杆3插入被测管道的一端，在第一传感器1所在位置处开孔，开孔方向平行于被测介质流向，如图1所示；

第一传感器1所包括的两个RTD，一个用于测量介质温度，一个用于测量介质流速，其测量原理如下：

工作时，负责温度测量的热敏元件不间断地测量介质温度T1，负责流速测量的热敏元件加热到高于介质的温度T2，温度差ΔT＝T2-T1，T2>T1；

当有流体流过时，由于气体分子碰撞发热热敏元件并带走热量，使T2下降，若要使ΔT保持不变，就要提高发热热敏元件的供电电流；气体流动速度越快，带走的热量越多，气体流速和增加的热量存在固定的函数关系：

式中，Q为热量、ΔT为温差，ρ为密度，υ为流速，λ为热导率、η为动力粘度，B、C、m为设计和校准参数：B为常数，与自然对流、辐射、传感器和结构间的导热相关，C为常数，m与雷诺数有关；

由此，可以将上述函数关系转换为流量信号的线性输出(流量＝流速*管道内径横截面积)。

在本实施例中，所述第二传感器2嵌入测量探杆3内，可设于测量探杆3的中部，实际位置根据设计需要进行选择即可，且在第二传感器所在位置处封闭不开孔，通过气腔和气动活塞实现第二传感器内的流场流速恒定。

在本实施例中，如图3-图4所示，在第一传感器1与第二传感器2之间的测量探杆侧壁上开设第一通孔9；所述第一通孔9实现第二传感器2与被测介质间的连通；

在第二传感器2所在测量探杆3内的位置处通过挖空处理设置第一气腔11和第二气腔12，第一气腔11和第二气腔12分别设置在第二传感器2的两侧；

其中，第二传感器2通过孔径15与第二气腔12连通，第二气腔12与第一通孔9连通，从而通过第二气腔12和第一通孔9的连通，实现第二传感器2与被测介质间的连通；

第一气腔11的一侧开设第二通孔10，第二通孔10连接气动活塞8，从而通过第一气腔11和第二通孔10的连通，实现第二传感器2与气动活塞8间的连通。

在本实施例中，为保证流场恒定，采用气动活塞和气腔控制第二传感器内的气流流速；具体地：

气动活塞进气孔13面向被测介质，开孔方向平行于被测介质，孔径如图2所示，当气流增大时，气动活塞所受气压增大，从而使得气动活塞通过压缩弹簧向内移动，此时开孔孔径向内收缩，减小气流通过截面积；当气流减小时，气动活塞所受气压逐渐减小，从而使得气动活塞被弹簧向外推出，增大气流通过截面积；

气流从气动活塞进气孔13进入，从气动活塞出气孔14排出；

气动活塞8通过第二通孔10与第一气腔11连通，当有气流通过气动活塞8时，第一气腔11内会形成负压；

此时，通过第一通孔9与第二气腔10的连通，继而第一通孔9与第二气腔12连通了第二传感器2，第一气腔11和第二气腔12也通过第二传感器2内的孔径15连通；

第一气腔11内形成负压后，根据虹吸原理，第一通孔9处会进入气流，被测介质从第一通孔9通过第二气腔12进入第二传感器2，由此保证了不同气体流速下，在气腔内形成的气压恒定，从而由于气体恒定，使得流过第二传感器的流速恒定。

在本实施例中，同时通过气腔和气动活塞实现第二传感器内的流场流速恒定，在给定恒定的流速下，根据热式气体流量计的测量原理基本公式，可以得到其他不可控且不易标定得到的参数，如密度、热导率、动力粘度等，同时这也是构建第二传感器内恒定流速的原因，因为流速是比较容易控制的；最后便可得到精准的补偿系数，具体补偿原理下述有详细介绍。

可以理解的，本实施例通过气动活塞、两个气腔以及第二传感器与气动活塞和两个气腔的连通的结构设计，创建恒压的气腔，使流速恒定，从而实现组分补偿功能。

可以理解的，通过气动活塞的弹簧弹性系数可以控制第一气腔内的压力，进而控制流过第二传感器的介质流速，实现多流速等级下不同场景应用。

可以理解的，气动活塞采用常规设备即可，只要能实现上述相同的功能即可，只对主要组件进行解释，对其具体结构不做限定与赘述，可根据现场需要自适应选择。

在本实施例中，所述测量探杆3远离第一传感器1的一端设有固定法兰4，所述固定法兰4用于将测量探杆3固定在被测管道上，测量探杆3设有第一传感器1的一端深入到被测管道中，另一端通过固定法兰4固定在被测管道上。

实施例2

本实施例提供一种具有组分补偿功能的热式气体流量测量系统，如图5所示，包括：呈分体式连接的热式气体流量计和变送器组件7；所述热式气体流量计采用实施例1所述的热式气体流量计。

在本实施例中，所述热式气体流量计和变送器组件7之间设有接线盒5，所述接线盒5与第一传感器和第二传感器电性连接，所述接线盒5与变送器组件7电性连接，从而使得第一传感器和第二传感器采集到的数据能够传输至变送器组件中。

在本实施例中，所述变送器组件为壁挂式，采用壁挂式安装到远离辐照区域并方便观测和检修的位置，且由于变送器组件与热式气体流量计采用分体式连接方式，同样也能够将变送器组件安装在远离辐照的区域，既能够方便工作人员维修，也能避免电子电路元件的老化，以便延长其使用寿命。

在本实施例中，所述变送器组件7与接线盒5之间通过分体线缆6电信号连接；

作为可选择的一种实施方式，所述分体线缆6采用低烟无卤阻燃信号电缆，可选择低烟无卤阻燃8芯分体线缆。

在本实施例中，所述变送器组件的结构组成为现有技术，下面给出一种实施方式，但不做具体限定，对于具体细节也不作进一步赘述，采用常规手段即可。

所述变送器组件可包括机箱，以及设于机箱内的电路板卡、电源模块和液晶显示模块等部分；

其中，所述电路板卡包括传感器驱动与信号处理模块、数据处理模块、电流输出模块；

传感器驱动与信号处理模块包括滤波放大子模块、A/D转换子模块；传感器驱动与信号处理模块分别与第一传感器、第二传感器和数据处理模块电连接，用于将采集到的信号进行预处理，并将处理后的信号传输给数据处理模块；

数据处理模块用于获取流量信号并进行转换和紊流补偿处理，计算管道气体流量值，将管道气体流量值传输至电流输出模块；

电流输出模块包括D/A转换模块、压/流转换模块，将流量对应的数字信号转换成模拟电压信号，再经过压/流转换模块转换为电流信号进行输出；用于实时输出与气体流量对应的电流信号；

液晶显示模块用于显示经过换算后所测得的实时流量流速值和相关参数的设置；

电源模块用于为整个系统的各个模块供电，包括抗电磁干扰子模块；抗电磁干扰子模块用于电源线路的抗电磁干扰，由气体放电管(GDT)、压敏电阻(VAR)、瞬态抑制二极管(TVS)、高速开关二极管和电感器组成。

可以理解的，上述各个模块的功能均不作为本实施例的重点，采用现有技术实现即可。

可以理解的，上述热式气体流量测量系统所实现的实时组分补偿原理如下：

根据热式气体流量计的测量原理，对第二传感器的热式探头进行系数标定；

在空气中以标准流速工作时的基本方程：

空气标定时：

不同组分测量时：

在不同气体组分测试时，温差ΔT只和硬件电路相关，因此温差ΔT基本不会发生变化，B、C、m三个系数基本不随气体组分变化，这三个系数可在标定时计算得到具体数值。

由上述两式可得到不同组分测试时，相对于标定气体的组分补偿系数λ_k；该过程得益于气动活塞、两个气腔以及第二传感器与气动活塞和两个气腔的连通的结构设计，通过恒压的气腔，给定恒定的流速，从而实现组分补偿功能；

组分补偿系数λ_k为：

组分补偿系数λ_k的物理意义在于，它表征了相同ΔT下，不同组分介质的热散失量相对于标定气体(空气)的热散失量比例。

第一传感器的热式探头根据第二传感器的热式探头提供的组分补偿系数λ_k，计算补偿后的热消散量Q′_C：

根据补偿后的热消散量Q′_C，进而通过热式流量计的工作原理得出补偿后的介质流速，从而提高检测精度，实现动态组分补偿。

需要说明的是，本实用新型所提供的热式气体流量测量系统是一种构造方案，就其中所涉及的各设备单体而言，其实现各自应实现功能的具体结构在现有技术中已经存在，其之间进行工作处理时所涉及的协议、软件或程序也在现有技术中已经存在，本领域技术人员已充分知晓，本实用新型并不是对各个设备的单体做任何改进，因此并不涉及软件的内容，而是依靠各部件有机的集成、整合成一个整体，即提供了一种构造方案。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种具有组分补偿功能的热式气体流量计，其特征在于，包括：测量探杆，以及依次并排设于测量探杆上的第一传感器、第二传感器和气动活塞；

所述第一传感器设于测量探杆的端部，在第二传感器与第一传感器之间的测量探杆侧壁上设有第一通孔；

所述第二传感器嵌于测量探杆内，在所在位置处设置有第一气腔和第二气腔，第一气腔的一侧通过第二通孔与气动活塞连通，第一气腔的另一侧设置第二传感器，第二传感器的另一侧通过第二气腔连通至第一通孔处。

2.如权利要求1所述的一种具有组分补偿功能的热式气体流量计，其特征在于，所述第一传感器设于测量探杆插入被测管道的一端，在第一传感器所在位置处开孔，开孔方向平行于被测介质的流向。

3.如权利要求1所述的一种具有组分补偿功能的热式气体流量计，其特征在于，所述第一传感器和第二传感器均为热式探头。

4.如权利要求1所述的一种具有组分补偿功能的热式气体流量计，其特征在于，所述第一通孔用于实现第二传感器与被测介质间的连通；其中，所述第二传感器通过孔径与第二气腔连通，第二气腔与第一通孔连通，从而实现第二传感器与被测介质间的连通。

5.如权利要求1所述的一种具有组分补偿功能的热式气体流量计，其特征在于，所述第二传感器与气动活塞连通。

6.如权利要求1所述的一种具有组分补偿功能的热式气体流量计，其特征在于，所述气动活塞包括气动活塞进气孔和气动活塞出气孔，气流从气动活塞进气孔进入，从气动活塞出气孔排出。

7.如权利要求6所述的一种具有组分补偿功能的热式气体流量计，其特征在于，所述气动活塞进气孔的开孔方向平行于被测介质的流向。

8.如权利要求6所述的一种具有组分补偿功能的热式气体流量计，其特征在于，气流通过气动活塞时，第一气腔内形成负压，此时，根据虹吸原理，第一通孔内被测介质通过第二气腔进入第二传感器，由此使流过第二传感器的流速恒定。

9.如权利要求1所述的一种具有组分补偿功能的热式气体流量计，其特征在于，所述测量探杆远离第一传感器的一端设有固定法兰，所述固定法兰用于将测量探杆固定在被测管道上。

10.一种具有组分补偿功能的热式气体流量测量系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的热式气体流量计和变送器组件，所述热式气体流量计和变送器组件采用分体式连接。

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