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射流流量計的制作方法

文檔序號:5878943閱讀:271來源:國知局
專利名稱:射流流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種射流流量計,應(yīng)用于測量流體的流量,特別是一種具有較寬的動態(tài)測量范圍的射流流量計。
背景技術(shù)
目前流量計的應(yīng)用范圍非常廣泛,例如在日常生活中每個家庭都會使用到的瓦斯表、醫(yī)院所使用的呼吸器中的氣體流量控制、汽車用的空氣調(diào)節(jié)器、實驗室或是工廠中氣瓶的流量計等。然而,針對不同領(lǐng)域的應(yīng)用,會有不同需求的流量計量范圍。
目前研發(fā)出來的流量計主要是應(yīng)用于瓦斯表中,以下針對不同型式的流量計結(jié)構(gòu)及其測量原理作一簡介(1)美國專利第4,244,230號所提出來的射流震蕩流量計,請參考圖1所示,首先,在流體的入口10處形成一個高深寬比的流道,此流道的截面形狀既窄又深,以使流經(jīng)其中的流體形成一個面的流體噴出來。當(dāng)流體噴出來的時候,在出口20漸縮到漸寬的地方,由于主噴流撞擊阻擋體30的凹槽31會造成流體不穩(wěn)定的現(xiàn)象,而產(chǎn)生流體震蕩的效應(yīng),會造成流體偏擺的現(xiàn)象,在流體由出口20噴出的第一瞬間,流體可能會往左擺,或是往右擺,此現(xiàn)象即為孔達(dá)效應(yīng)。而在凹槽31的左右兩側(cè)設(shè)置有兩個流體震蕩傳感器40,由于流體震蕩傳感器40感測到的流體震蕩頻率,與流體的體積流率呈線性關(guān)系,因此,可由流體震蕩頻率推算得出流體的質(zhì)量流率。當(dāng)流阻越大時,流體震蕩效果越好,而流體震蕩傳感器40感測的效果也越佳,所以此專利在流體出口20的前端設(shè)置有阻擋體30,以增加流體的不穩(wěn)定性。本發(fā)明的缺點是必須以流阻來換取顯著的震蕩效應(yīng),而且必須要有足夠的壓損(pressure lose)才會造成流體震蕩的效果。
(2)由美國專利第5,396,809號所揭露的流量計,請參考圖2所示,其設(shè)計原理與前述專利相同,但其與前述專利最大的不同點在于此專利在震蕩室凹槽31的正中間再加入一個流體震蕩傳感器40,其主要的作用在于提高流體震蕩的感測分辨率,尤其是在流體流量較小、震蕩不甚明顯的時候,即可有效的改善并提高流量計的精確性。
(3)而在美國專利第5,363,704號所揭露的流量計,請參考「圖3」所示,此專利的主要目的在于改善美國專利第5,396,809號所揭露的流量計的缺點因為當(dāng)流體的流速變快時,雖然流體震蕩的效果變好,但是在凹槽31內(nèi)卻會產(chǎn)生紊亂的渦流(vortex),此渦流會使凹槽31內(nèi)的流體變得更加混亂,連帶影響流體震蕩傳感器40所測量的訊雜比,使訊雜比變得不明顯。所以此專利為改善這個缺點,便在凹槽31的兩側(cè)各挖一個旁通道(Bypass)32,使凹槽31內(nèi)所產(chǎn)生的渦流可由旁通道32流出,降低凹槽31內(nèi)流體的亂流,以提高流體產(chǎn)生震蕩時的訊雜比。
(4)根據(jù)美國專利第5,157,974號所揭露的小型化微電腦瓦斯表,請參考圖4所示,其核心技術(shù)即為射流流量計,將射流流量計應(yīng)用于瓦斯表中的最大好處在于瓦斯基本上并不甚干凈,且容易囤積雜質(zhì)于流量計結(jié)構(gòu)中,而射流流量計可以利用流體的震蕩借以清洗瓦斯表內(nèi)部,使流量計的測量能更加的準(zhǔn)確。此射流流量計是將流體震蕩傳感器40放置于流道50的出口處,當(dāng)流體通過此流道50時,由于流道50突然擴(kuò)張所產(chǎn)生的流體不穩(wěn)定現(xiàn)象,因而產(chǎn)生流體的擺動震蕩,經(jīng)由流體震蕩傳感器40所測量到的訊號,計算流體的瞬時流速,即可換算成流體的流量。此項專利的發(fā)明相對于前述的專利而言,主要是為了避免當(dāng)流體震蕩的現(xiàn)象發(fā)生時,所產(chǎn)生的紊流會造成訊雜比的降低。但是,此項專利的發(fā)明卻也造成了另一個缺點震蕩訊號的減弱,所以,此專利所提出來的想法,并不能有效且明顯地提高訊雜比。
(5)而在日本專利第JP4-262209號所揭露的流量計,請參考圖5所示,其結(jié)構(gòu)設(shè)計大致與美國專利第5,157,974號所揭露的小型化微電腦瓦斯表相同,其主要的構(gòu)想是將流體震蕩傳感器40設(shè)置于震蕩室入口60a、60b的位置,其主要的目的在于增加感測流體震蕩的頻率。但此專利的缺點是只要上游流場的壓力發(fā)生變動,可能就會造成訊號的誤判而造成流場計量的不準(zhǔn)確。
(6)在日本專利第JP2001-208575號所揭露的流量計,其結(jié)構(gòu)的立體圖請參考圖6所示,此專利的基本原理依然是利用流體不穩(wěn)定的現(xiàn)象,來推算流體的質(zhì)量流率。此漸縮段70先造成流體的加速,再經(jīng)由高深寬比的流道造成所謂的近似二維流場,以產(chǎn)生流體不穩(wěn)定的現(xiàn)象,并造成流體周期性的震蕩,而達(dá)到流體計量的功能。但此項專利與前述日本專利第JP4-262209號所揭露的流量計有相同的缺點此流量計易受到上游流場壓力的影響,而造成感測震蕩的誤差。
在上述這些流量計中,其測量范圍都相當(dāng)有限,無法測量到一個較大的流量范圍。而且,當(dāng)須測量微流量流場時,所使用的管徑也必須跟著減小,如此一來,會造成很大的壓力損失。
而且,目前一般家用流量計所需測量的范圍為0.3公升/小時~3000公升/小時,其動態(tài)測量范圍(dynamic range)達(dá)到10000∶1,然而目前所研發(fā)出的流量計,并無任何單一的流量計可測量到如此大的范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點而提供一種射流流量計,該流量計結(jié)合測量微流量的微管道及多線型微流量感測組件,與測量中高流量的流體震蕩器,具有較大的動態(tài)測量范圍。
本發(fā)明的目的可通過如下措施來實現(xiàn)一種射流流量計,裝設(shè)于一流場,用以測量該流場內(nèi)的流體的流量,該流量計包括有一緩沖室,其包括有一第一入口、一第一出口以及鄰近該第一入口的一擋體,該流體由該第一入口進(jìn)入該緩沖室,并受到該擋體的阻擋而平順地進(jìn)出該緩沖室;一微流道,其一端連接于該緩沖室的該第一出口,而使該流體加速流過,且該微流道中設(shè)置有一多線型微流量感測組件;以及一流體震蕩室,其包括有一第二入口與第二出口,該第二入口與該微流道的另一端相連接,而該第二出口連通于該流場,且該流體震蕩室內(nèi)對稱設(shè)置有兩個障礙物,而將該流體震蕩室區(qū)隔形成兩個反饋流旁通道,該流體經(jīng)由二該反饋流旁通道分別由鄰近該第二出口處沿著二該障礙物外緣而回到該第二入口;其中一該障礙物設(shè)置有一單線型流體震蕩感測元件,當(dāng)該流體流入該反饋型流體震蕩室時,由于孔達(dá)效應(yīng)的作用,會使該流體形成一噴流且左右震蕩,藉由流經(jīng)各該反饋流旁通道的流體使該噴流穩(wěn)定震蕩,由該單線型流體震蕩感測組件所測量的該噴流的震蕩頻率即可推算該流體的流量,而該流體經(jīng)由該第二出口流出該射流流量計;且該多線型微流量感測組件系用以測量微流量的流體,當(dāng)其無法測量該流體的流量時,即由該流體震蕩室所測量的該噴流的震蕩頻率推算該流體的流量。
所述流體震蕩室內(nèi)的另一該障礙物也設(shè)置有該單線型流體震蕩感測組件,通過兩個單線型流體震蕩感測組件測量的該噴流的震蕩頻率可推算該流體的流量。
該第一出口為漸縮管的型式。
該第二出口為漸縮管的型式。
該多線型微流量感測組件包括有多個微流量感測組件。
該流體流經(jīng)該微流道中第一個接觸的該微流量感測組件為一加熱組件,而其余的該微流量感測組件為溫度感測組件。
該加熱組件由多晶硅材質(zhì)組成。
該溫度感測組件由多晶硅材質(zhì)組成。
該單線型流體震蕩感測組件由多晶硅材質(zhì)組成。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有下列優(yōu)點(1)不同于一般的瓦斯流量計,本發(fā)明的射流流量計的內(nèi)部沒有任何可動組件,因此,不會因為長久的使用而造成測量的誤差,且所產(chǎn)生的壓損較小。
(2)針對測量中高流量的流體震蕩室的部份,本發(fā)明的射流流量計對于不同種類液體的流量測量,只需將測量的結(jié)果乘上一個校正因子,即液體的密度,便可得到其流量,不需像一般的浮子流量計還需依照不同的液體更換不同的浮子,可方便使用者的操作,且大大地提升測量的準(zhǔn)確性。除此之外,當(dāng)流體在流體震蕩室中產(chǎn)生震蕩時,也可清除流量計內(nèi)的臟東西,以維持測量時的準(zhǔn)確性。
(3)由于此射流流量計在微流量測量時,是利用多線型的流量感測組件并配合飛行時間(Time of flight)原理進(jìn)行測量,所以能精確地測量到流體瞬時的速度。
(4)本發(fā)明的微管道中設(shè)置的多線型微流量感測組件,與流體震蕩室中所使用的單線型流體震蕩感測組件,都是利用多晶硅材質(zhì)制作,所以其具有低耗電量、高靈敏度的特性,且易于和互補(bǔ)式金氧半導(dǎo)體(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor;CMOS)電路相整合。
(5)一般所見的流量計通常都會造成流體極大的壓力損失,然而本發(fā)明的射流流量計其體積輕巧、成本低廉,可直接串連于管路中且不會造成管路的壓阻。
(6)本發(fā)明的射流流量計應(yīng)用于瓦斯表中,可以消除公知的膜式氣量計中,因其機(jī)械或可動件模塊的磨擦阻力或空隙所造成的內(nèi)部泄漏的問題。


圖1為公知的射流震蕩流量計的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為公知的流量計的結(jié)構(gòu)示意圖;圖3為公知的流量計的結(jié)構(gòu)示意圖;圖4為公知的小型化微電腦瓦斯表的結(jié)構(gòu)示意圖;圖5為公知的流量計的結(jié)構(gòu)示意圖;圖6為公知的流量計的結(jié)構(gòu)示意圖;圖7為本發(fā)明的射流流量計的俯視圖;及圖8為本發(fā)明的微管道的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的射流流量計,裝設(shè)于流場中,以測量流場內(nèi)的流體流量,其俯視圖請參考圖7所示,其包括有三個主要的部份緩沖室80、微流道90,以及流體震蕩室100。此緩沖室80的主要功能是將流進(jìn)此射流流量計的流場穩(wěn)定,使其平順地流進(jìn)射流流量計中,而不要直接沖入微流道90中,以免影響測量結(jié)果。
而在微流道90的部份,主要是借由一些設(shè)置于微流道90中的感測組件91,測量微流量的流體;當(dāng)微流道90中的感測組件91已無法感測到流體的流速時,便通過與其相連接的流體震蕩室100來測量中高流量的流體。所以,此射流流量計不僅可測量微流量的流場,還可測量中高流量的流場,其涵蓋的動態(tài)測量范圍較公知的流量計廣。
在緩沖室80中,其包括有第一入口81、第一出口82,及一個設(shè)置于鄰近第一入口81處的擋體83,流體由第一入口81進(jìn)入緩沖室80中,并借由擋體83的設(shè)置可使流體平順地進(jìn)入緩沖室80,而不會直接沖到微流道90中。
微流道90連接于緩沖室80的第一出口81,而使流體流入其中,而第一出口81連接到微流道90的地方是以漸縮管的形式,使流體自動加速流過微流道90。此微流道90中設(shè)置有多線型微流量感測組件91,通過測量流體的飛行時間(Time of flight)的方式,可測量微流量的流體。
請參考圖8所示,此多線型微流量感測組件91由數(shù)個感測組件所組成,當(dāng)流體流入微流道90時,其第一個接觸到的感測組件是一個加熱組件(Heater)91a,而其下游設(shè)置有與加熱組件91a不同距離的溫度感測組件91b,當(dāng)流體的流速改變時,可以在不同位置的溫度感測組件91b感測到其速度。
其測量流體的流量的原理為將此加熱組件91a瞬時加熱一段時間,而在加熱組件91a上所產(chǎn)生的熱波會隨著流體的移動而往下游移動,而在微流道90下游的溫度感測組件91b便會感測到此熱波。由于在設(shè)置此溫度感測組件91b時,我們便知道每個溫度感測組件91b與加熱組件91a間的距離大小,且也知道加熱組件91a加熱與溫度感測組件91b感測到熱波中間的時間差,如此一來,便可計算流體的流速,進(jìn)而推算出流體的流量。
流體震蕩室100中包括有第二入口101、第二出口102,及二個相對稱的障礙物103。此第二入口101與微流道90的另一端相連接,以使流體流入流體震蕩室100中,而第二出口102則是與流場相連通。
而設(shè)置此障礙物103的目的,是將此流體震蕩室100區(qū)隔成二個反饋流旁通道104,流體經(jīng)由這二個反饋流旁通道104分別由鄰近第二出口102處沿著此障礙物103的外緣而回到第二入口101;而在其中一個障礙物103上,或是可以在二個障礙物103上,設(shè)置有單線型流體震蕩感測組件103a,此單線型流體震蕩感測組件103a為壓力傳感器。
當(dāng)流體由微流道90進(jìn)入流體震蕩室100時,若此時流場的雷諾數(shù)到達(dá)過渡流的狀態(tài),即流體的流量到達(dá)中高流量,流體便會產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象,此即為孔達(dá)效應(yīng)。此效應(yīng)會使得由第二入口101流入的噴流左右震蕩,而借由流經(jīng)兩反饋流旁通道104的流體,可激發(fā)此噴流穩(wěn)定且持續(xù)地左右震蕩。
當(dāng)此噴流往右震蕩或是往左震蕩時,設(shè)置于障礙物103上的單線型流體震蕩感測組件103a會明顯地感測到有流體流過來,因為如果沒有流體擺動過來,流體的流量會很小。由于此單線型流體震蕩感測組件103a是一個壓力傳感器,因此,它對于有沒有流體經(jīng)過可以很敏感地感測出來,如此一來,便可有效提高訊雜比,而提高流量計的精準(zhǔn)度。且本發(fā)明在流體震蕩室100的第二出口102處,設(shè)計成漸縮管的結(jié)構(gòu),使其可以在較小的流量時便能開始發(fā)生震蕩現(xiàn)象。
依照目前的技術(shù),我們已知流場中由孔達(dá)效應(yīng)所產(chǎn)生的流體震蕩的頻率和流體的體積流率呈線性關(guān)系,因此,可以由單線型流體震蕩感測組件103a所測量到噴流的震蕩頻率,推算此流體的體積流率,再將此體積流率乘上流體的密度即可得到流體的質(zhì)量流率。
當(dāng)流體的流量較小時,由于此時流場的雷諾數(shù)還未到達(dá)過渡流的狀態(tài),因此流體震蕩室100不會發(fā)生流體震蕩的現(xiàn)象,此時流體的流量計量是以微流道90中的多線型微流量感測組件91進(jìn)行測量。當(dāng)流場中的流量到達(dá)中高流量時,即其雷諾數(shù)到達(dá)過渡流(Transition flow)的狀態(tài),以空氣為例,當(dāng)流速大于0.1公升/分鐘時,此時流體震蕩室100中的流體便開始產(chǎn)生震蕩的現(xiàn)象,而其測量則改為以流體震蕩室100所造成的周期震蕩頻率,計算當(dāng)時的瞬時體積流率,再經(jīng)由流量計算邏輯程序換算成瞬時流量。
因此,本發(fā)明的射流流量計的動態(tài)測量范圍較大,可涵蓋大中小流量的流場測量,且其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單,體積相當(dāng)于現(xiàn)在所使用的浮子流量計的大小,因此,可直接串接于流場管路中。
除此之外,在流量感測組件的部分,其材料是使用多晶硅取代傳統(tǒng)的白金,使制作出來的加熱組件、溫度傳感器具有低耗電量、高靈敏度及易于和互補(bǔ)式金氧半導(dǎo)體電路相整合的特性。
本發(fā)明的射流流量計其應(yīng)用范圍很廣泛,例如瓦斯表氣量計、呼吸器、車用氣體控制器、質(zhì)流量控制器等,皆可使用它來測量流場中流體的瞬時流量。
權(quán)利要求
1.一種射流流量計,裝設(shè)于一流場,用以測量該流場內(nèi)的流體的流量,該流量計包括有一緩沖室,其包括有一第一入口、一第一出口以及鄰近該第一入口的一擋體,該流體由該第一入口進(jìn)入該緩沖室,并受到該擋體的阻擋而平順地進(jìn)出該緩沖室;一微流道,其一端連接于該緩沖室的該第一出口,而使該流體加速流過,且該微流道中設(shè)置有一多線型微流量感測組件;以及一流體震蕩室,其包括有一第二入口與第二出口,該第二入口與該微流道的另一端相連接,而該第二出口連通于該流場,且該流體震蕩室內(nèi)對稱設(shè)置有兩個障礙物,而將該流體震蕩室區(qū)隔形成兩個反饋流旁通道,該流體經(jīng)由兩該反饋流旁通道分別由鄰近該第二出口處沿著二該障礙物外緣而回到該第二入口;其中一該障礙物設(shè)置有一單線型流體震蕩感測元件,當(dāng)該流體流入該反饋型流體震蕩室時,由于孔達(dá)效應(yīng)的作用,會使該流體形成一噴流且左右震蕩,借由流經(jīng)各該反饋流旁通道的流體使該噴流穩(wěn)定震蕩,由該單線型流體震蕩感測組件所測量的該噴流的震蕩頻率即可推算該流體的流量,而該流體經(jīng)由該第二出口流出該射流流量計;且該多線型微流量感測組件用以測量微流量的流體,當(dāng)其無法測量該流體的流量時,即由該流體震蕩室所測量的該噴流的震蕩頻率推算該流體的流量。
2.如權(quán)利要求1所述的射流流量計,其特征在于,所述流體震蕩室內(nèi)的另一該障礙物也設(shè)置有該單線型流體震蕩感測組件,通過兩個單線型流體震蕩感測組件測量的該噴流的震蕩頻率可推算該流體的流量。
3.如權(quán)利要求1所述的射流流量計,其特征在于,該第一出口為漸縮管的形式。
4.如權(quán)利要求1所述的射流流量計,其特征在于,該第二出口為漸縮管的形式。
5.如權(quán)利要求1所述的射流流量計,其特征在于,該多線型微流量感測組件包括有多個微流量感測組件。
6.如權(quán)利要求5所述的射流流量計,其特征在于,該流體流經(jīng)該微流道中第一個接觸的該微流量感測組件為一加熱組件,而其余的該微流量感測組件為溫度感測組件。
7.如權(quán)利要求6所述的射流流量計,其特征在于,該加熱組件由多晶硅材質(zhì)組成。
8.如權(quán)利要求6所述的射流流量計,其特征在于,該溫度感測組件由多晶硅材質(zhì)組成。
9.如權(quán)利要求1所述的射流流量計,其特征在于,該單線型流體震蕩感測組件由多晶硅材質(zhì)組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種射流流量計,其包括有三個主要的部分緩沖室、微流道及流體震蕩室;緩沖室是使由流場進(jìn)入射流流量計中的流體平順地進(jìn)入微流道中;此微流道內(nèi)設(shè)置有多線型微流量感測組件,用以感測微流量的流場;最后,流體由微流道進(jìn)入流體震蕩室中,當(dāng)流場的雷諾數(shù)到達(dá)過渡流的狀態(tài),流體便會產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象,利用測量流體震蕩的頻率,即可推算中高流量的流場;本發(fā)明的射流流量計結(jié)合微流量及中高流量流場的測量,以擴(kuò)大流量計的動態(tài)測量范圍。
文檔編號G01F1/32GK1527029SQ0311990
公開日2004年9月8日 申請日期2003年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月3日
發(fā)明者陳相甫, 郭仕奇 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院
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