專利名稱：質(zhì)量流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過測量流體壓力差及漩渦頻率進(jìn)行質(zhì)量流量測定的直接式質(zhì)量流量計。
目前應(yīng)用較廣泛的質(zhì)量流量計大多數(shù)是科里奧利質(zhì)量流量計，它是根據(jù)科里奧利原理設(shè)計的，常見的形式為U型管式。這種流量計測量液體質(zhì)量流量可以得到滿意的效果，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，受到測量管徑的限制，不適于較大管徑流體的流量測量，壓損較大，特別是它不適于氣體，特別是低壓氣體的質(zhì)量流量的測定，使其應(yīng)用范圍受到限制。另一種用于測量氣體質(zhì)量流量的量熱式氣體質(zhì)量流量計，需要在介質(zhì)比熱恒定(即氣體組分固定)的情況下，才能準(zhǔn)確測得其質(zhì)量，因此變組分氣體質(zhì)量流量的測定是流體流量測量技術(shù)中需要解決的一個難題。
日本昭62-140025公開的一種質(zhì)量流量計，不同于上述兩種流量計原理，它利用漩渦發(fā)生體產(chǎn)生漩渦的周波數(shù)及流體經(jīng)過發(fā)生體前后的壓力損失來測定質(zhì)量流量。圖5是該發(fā)明的原理圖。
如圖5所示在管路16中設(shè)置一漩渦發(fā)生體22，由管壁上的第一導(dǎo)壓管17和第二導(dǎo)壓管20測量漩渦發(fā)生體前的壓力與漩渦發(fā)生體所產(chǎn)生漩渦中心的負(fù)壓之間的壓差△P1，它與密度及流速之間存在如下關(guān)系△P1∝Cp 1/2 ρV2<1>
式中 Cp-壓損系數(shù)v-流體速度
ρ-流體密度又從漩渦發(fā)生體后面管壁引出第三導(dǎo)壓管21與第二導(dǎo)壓管之間測出壓差△P2，壓差△P2的變化率與漩渦發(fā)生體所產(chǎn)生的漩渦頻率f成正比關(guān)系f∝St (v)/(d)式中S-斯特勞哈爾數(shù)d-漩渦發(fā)生體迎流面寬度V-流體流速f-漩渦頻率顯然△P1/f ∝ ρv(ρv即質(zhì)量流量)該流量計從原理上區(qū)別于前二種質(zhì)量流量計，但是由于在技術(shù)方案上僅單一地利用了漩渦發(fā)生體進(jìn)行間接測量，因此實際應(yīng)用中會存在如下問題a.利用壓差△P2的變化來表示漩渦頻率f1受的干擾因素較多，特別是小流量及氣體流量時，要通過△P2測頻率f十分困難。
b.由于直接從漩渦發(fā)生體上取壓差信號有困難，所以該發(fā)明從管壁取壓，這種方法輸出壓差小，且受漩渦的強弱及穩(wěn)定性影響較大，壓差信號有脈動。影響測量的準(zhǔn)確性。所以該流量計要直接測得準(zhǔn)確的質(zhì)量流量，特別是變組分氣體的質(zhì)量流量仍需進(jìn)一部改進(jìn)。
本發(fā)明的目的是要提供一種利用質(zhì)量流量計本身既可直接測得穩(wěn)定而較大的壓力差信號，又可產(chǎn)生穩(wěn)定、強有力的漩渦并測其頻率，進(jìn)而得到各種流體(包括變組分流體)的質(zhì)量流量的直接式質(zhì)量流量計。


圖1是本流量計的結(jié)構(gòu)原理示意圖;
圖2是本流量計中復(fù)合信號發(fā)生體A-A截面剖面圖;
圖3是本流量計轉(zhuǎn)換電路原理圖;
圖4是本流量計的復(fù)合信號發(fā)生體的導(dǎo)壓孔中裝有壓電陶瓷敏感元件時的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖6A，圖6B是本流量計進(jìn)行液體實驗運行結(jié)果曲線圖;
圖7A，圖7B是本流量計進(jìn)行空氣試驗運行結(jié)果曲線圖;
本發(fā)明的原理及要點是在流量計的導(dǎo)管中設(shè)置一復(fù)合信號發(fā)生體，它既能產(chǎn)生一個較大的壓差信號△P，又能產(chǎn)生穩(wěn)定而強烈的漩渦流，壓差信號由壓差傳感器傳出，漩渦頻率f由與發(fā)生體相分離的頻率檢測器接收、傳出。根據(jù)伯努力方程推導(dǎo)而知，該復(fù)合信號發(fā)生體產(chǎn)生的壓差(或測得的動壓)△P與體積流量Q之間存在關(guān)系
式中K'-流量系數(shù)Q-根據(jù)壓差測得的體積流量A-管道橫截面積Po-流體總壓力Ps-流體靜壓力Po-Ps-壓力差(或動壓)△Pρ-流體密度另一方面，根據(jù)“卡曼渦街”原理，該復(fù)合信號發(fā)生體產(chǎn)生的漩渦頻率f由頻率檢測元件測定，它與流體的流速V存在如下關(guān)系，f＝St (v)/(d) (2)
f-漩渦頻率(HZ)式中St-斯特勞哈爾數(shù)d-復(fù)合信號發(fā)生體的迎流面寬度V-流體流速當(dāng)?shù)弥l率f后，有V＝ (d)/(St) f (3)進(jìn)而得體積流量Q與頻率f間的關(guān)系式Q＝ 1/(st) ·d·A·f (4)式中 Q-根據(jù)漩渦頻率測得的體積流量A-管道的橫截面積顯然，測得壓差△P及頻率f后即可得出ρQ2及Q，如下式由(1)式得ρQ2＝(K'A)2△P (5)由(4)式得Q＝ 1/(st) ·d·A·f (6)將代表ρQ2及Q的信號引出到專門電路處理，經(jīng)除法器相除即(5)式除以(6)式則得質(zhì)量流量N的表達(dá)式M= (ρQ2)/(Q) =ρQ=K· (△P)/(f)式中K-本復(fù)合信號發(fā)生體的流量系數(shù)(由實驗測定)N＝ρQ-質(zhì)量流量本發(fā)明基于上述原理，可以直接測得準(zhǔn)確的質(zhì)量流量，體積流量及流體密度等參數(shù)。
主要技術(shù)措施是a，在流量計導(dǎo)管上游安裝一復(fù)合信號發(fā)生體，該發(fā)生體為一棱柱體部件(三角柱，菱形柱、矩形柱或六棱柱等)，在發(fā)生體中心軸線兩側(cè)，平行于軸線有兩個軸向?qū)汗?，總壓?dǎo)壓管和靜壓導(dǎo)壓管，在發(fā)生體迎流和背流周面上，沿柱體徑向開有總壓導(dǎo)壓孔和靜壓導(dǎo)壓孔，分別與總壓導(dǎo)壓管和靜壓導(dǎo)壓管相通或信號相通，在兩導(dǎo)壓管中有導(dǎo)壓細(xì)管或引出導(dǎo)線，與一壓差傳感器連接。由導(dǎo)壓管或?qū)嚎滋帨y出的壓差信號，由壓差傳感器處理后，輸出與瞬時體積流量的平方成正比的電流輸出信號Ip。上述的導(dǎo)壓孔與兩導(dǎo)壓管相通是將發(fā)生體周面上的導(dǎo)壓孔(總壓導(dǎo)壓孔和靜壓導(dǎo)壓孔)開成通孔，使流體經(jīng)各導(dǎo)壓孔與兩導(dǎo)壓管直接相通。上述的導(dǎo)壓孔與兩導(dǎo)壓管的信號相通，是當(dāng)被測流體為臟污介質(zhì)時，利用壓電陶瓷堵住各導(dǎo)壓孔，用導(dǎo)線引出壓差的電信號。
由于該復(fù)合信號發(fā)生體有鈍角截面形狀(非流線形)，并有確定的分離點，使流體流經(jīng)該發(fā)生體時，產(chǎn)生穩(wěn)定而均勻的漩渦。
b.在復(fù)合信號發(fā)生體下游一定距離的流量計導(dǎo)管上，通過一封閉座套固定安裝一與發(fā)生體相分離的頻率檢測器，該檢測器由應(yīng)變片或壓電晶體等檢測元件構(gòu)成，通過前置放大器與二次表相接，前置放大器將放大的脈沖信號準(zhǔn)確地傳遞出去，由二次表處理后輸出流量數(shù)字顯示及瞬時流量電流信號Iv。
c.壓差傳感器與頻率檢測器同時與一電路相接，該電路先設(shè)置兩個電流、電壓轉(zhuǎn)換器，將壓差瞬時流量電流信號Ip和旋渦瞬時流量電流Iv轉(zhuǎn)換成電壓Vp和Vv，并將轉(zhuǎn)換器的輸出作為一除法器的輸入，使電壓Vp與Vv相除得到與密度ρ和流量Q的積(即ρQ)相關(guān)的電壓Vo，Vo一方面經(jīng)電壓-電流轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成與質(zhì)量流量成正比的電流Io(4-20NA)另一方面，在Vo輸出端接電壓一頻率轉(zhuǎn)換器測出一頻率信號F(即與流體質(zhì)量流量成比的頻率信號)。
下面結(jié)合實際施例對本發(fā)明詳細(xì)公開實施例1，如圖1、圖2所示，在本流量計的導(dǎo)管1中，通過底座5固定安裝一復(fù)合信號發(fā)生體2，該發(fā)生體為菱形柱狀部件(或為三角柱、六棱柱、矩形柱)。菱形柱棱線處倒成加工面，在棱柱體中心軸線兩側(cè)，平行中心軸線有兩個導(dǎo)壓管，總壓導(dǎo)壓管3和靜壓導(dǎo)壓管4，在發(fā)生體迎流周面11上，沿徑向開有兩個或數(shù)個總壓導(dǎo)壓孔10(其數(shù)目為2的倍數(shù))與總壓導(dǎo)壓管相通，在發(fā)生體背流周面12上沿徑向開兩個靜壓導(dǎo)壓孔10(其數(shù)目也可為一個或多個)與發(fā)生體靜壓導(dǎo)壓管相通，流體經(jīng)各導(dǎo)壓孔與兩導(dǎo)壓管直接相通，兩導(dǎo)壓管中裝有導(dǎo)壓細(xì)管9同與一壓差傳感器13相連接，導(dǎo)壓細(xì)管將△P，傳至壓差傳感器，經(jīng)處理后輸出與瞬時體積流量的平方及流體密度成正比的電流輸出信號Ip，與此同時，由于該復(fù)合信號發(fā)生體具有鈍的截面形狀(非流線形)并有確定的分離點，使流體流經(jīng)發(fā)生體時產(chǎn)生穩(wěn)定而均勻的漩渦流。在菱形柱復(fù)合信號發(fā)生體后一適當(dāng)位置的流量計導(dǎo)管下游，通過座套15安裝一頻率檢測器，利用該檢測器上的應(yīng)變片(或壓電晶體)6檢測到漩渦的頻率f后，經(jīng)前置放大器7，將測得的脈沖頻率信號準(zhǔn)確地傳送到放大器8，然后由二次表14接收處理后輸出累計流量數(shù)字顯示和瞬時流量電流輸出Iv，檢測器距復(fù)合信號發(fā)生體的距離以其恰能感受到復(fù)合信號發(fā)生體所產(chǎn)生的漩渦頻率信號為宜。壓差傳感器與頻率檢測器同接一信號處理電路，該電路設(shè)置如圖3所示，壓差瞬時電流Ip，和漩渦瞬時電流Iv分別通過電流-電壓轉(zhuǎn)換器(I/v轉(zhuǎn)換器)輸出電壓Vp和Vv，并在轉(zhuǎn)換器后設(shè)置一除法電路，將前面轉(zhuǎn)換器的輸出作為除法器的輸入使Vp與Vv相除得到與密度(ρ)和流量(Q)的積(ρQ)相關(guān)的電壓Vo，Vo經(jīng)電壓一電流轉(zhuǎn)換器(V/I)轉(zhuǎn)換成與質(zhì)量流量成正比的電流Io，同時在Vo輸出端接一電壓-頻率轉(zhuǎn)換器(V/f)可測出漩渦頻率f，即代表流體質(zhì)量流量的頻率信號。
以上所述的復(fù)合信號發(fā)生體產(chǎn)生的壓差信號△P可以由壓電陶瓷敏感元件檢測傳出。具體實施方法是實施例2如圖4所示當(dāng)被測介質(zhì)為臟污流體時，為防止導(dǎo)流孔的堵塞，將實施例1中所述的復(fù)合信號發(fā)生體的各導(dǎo)壓孔10中，填充壓電陶瓷敏感元件18，使流體不進(jìn)入總壓導(dǎo)管和靜壓導(dǎo)管中，將導(dǎo)壓孔與兩導(dǎo)壓管成為信號相通。在壓電陶瓷敏感元件上，引出導(dǎo)線19，使壓電陶瓷敏感元件上感應(yīng)到的壓差信號直接送入轉(zhuǎn)換器。從而得到代表壓差的信號電流Ip。
本發(fā)明的效果本質(zhì)量流量計采用復(fù)合信號發(fā)生體與頻率檢測器的分離組合方式，配以專門電路處理，從而直接得到質(zhì)量流量，體積流量或密度等參數(shù)。它不受流體組分、密度、溫度、壓力等因素的影響，有效地解決了液體、氣體(包括變組分氣液體)的質(zhì)量流量的測量難題，得到理想的質(zhì)量流量線性輸出，壓損小，能耗少，測量準(zhǔn)確，穩(wěn)定性好。
實驗結(jié)果1本流量計在Φ50管徑的水流量校驗裝置上得到了如圖6A所示的ρQ與電流Io關(guān)系曲線(Io與
成正比)，及如圖6B所示的體積流量Q與頻率Iv的關(guān)系曲線，從圖可見本流量計的測數(shù)據(jù)具人較好的線性輸出。
實驗結(jié)果2，本流量計用空氣做被測介質(zhì)，在Φ50的管道上利用鐘罩式氣體流量校驗裝置做試驗，得到如圖7B所示的氣體的ρQ2與壓差之間的關(guān)系曲線，及如圖7A所示的體積流量與頻率之間的關(guān)系曲線，也得到了滿意的效果。
權(quán)利要求
1.一種直接式質(zhì)量流量計，包括信號發(fā)生體，頻率檢測器，壓差傳感器及相應(yīng)的專門電路，其特征在于A、在流量計導(dǎo)管上游安裝一復(fù)合信號發(fā)生體，該發(fā)生體為一棱柱體部件，在棱柱體中心軸線兩側(cè)，平行于軸線有兩個軸向?qū)汗芗纯倝簩?dǎo)壓管和靜壓導(dǎo)壓管，在發(fā)生體迎流和背流周面上沿徑向分別開有總壓導(dǎo)孔和靜壓導(dǎo)壓孔，與總壓導(dǎo)壓管和靜壓導(dǎo)壓管相通，在導(dǎo)壓管中均有導(dǎo)壓細(xì)管或引出導(dǎo)線，與裝在發(fā)生體上端的壓差傳感器連接。B、在復(fù)合信號發(fā)生體后一定距離處，裝有一與發(fā)生體相分離的頻率檢測器，并通過一封閉座套固定在流量計導(dǎo)管上，檢測器通過前置放大器與二次表相接。C、壓差傳感器與頻率檢測器輸出端與一信號處理電路連接，壓差電流和頻率電流首先分別通過兩個電流-電壓轉(zhuǎn)換器，將上述的兩轉(zhuǎn)換器的輸出為一除塵器的輸入，在除法器的信號輸出端同時接-電壓-電流轉(zhuǎn)換器和-電壓-頻率轉(zhuǎn)換器，將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號和頻率信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)量流量計，其特征在于所述的復(fù)合信號發(fā)生體棱柱體外為三角形柱或六棱柱或菱形柱或矩形柱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)量流量計，其特征在于，所述的總壓導(dǎo)壓孔數(shù)目為2的倍數(shù)，靜壓導(dǎo)孔數(shù)目為1個或多個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)量流量計，其特征在于，所述的總壓導(dǎo)壓孔和靜壓導(dǎo)壓孔與兩導(dǎo)壓管相通，是將導(dǎo)壓孔開成通孔，流體與導(dǎo)壓管直接相通，在總壓導(dǎo)壓管和靜壓導(dǎo)壓管中裝入導(dǎo)壓細(xì)管，并與壓差傳感器相接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)量流量計，其特征在于，所述的總壓導(dǎo)壓孔和靜壓導(dǎo)壓孔與兩導(dǎo)壓管之間信號相通，是將導(dǎo)壓孔中填充壓電陶瓷敏感元件，在該元件上接有導(dǎo)線，與信號處理電路相接。輸出與壓差成正比的電信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)量流量計，其特征在于，所述的檢測器由應(yīng)變片或壓電晶體或其它檢測元件構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直接式質(zhì)量流量計，包括復(fù)合信號發(fā)生體，檢測元件及專門電路。復(fù)合信號發(fā)生體能產(chǎn)生壓差信號，同時又可產(chǎn)生強有力的穩(wěn)定漩渦，其頻率經(jīng)一與發(fā)生體相分離的檢測元件接收并傳出。壓差信號與頻率信號經(jīng)專門電路處理得到質(zhì)量流量，體積流量，密度等輸出信號。本流量計不受流體溫度、壓力、組分、密度等因素的影響，能有效地測量液體、氣體(包括變組分液、氣體)的質(zhì)量流量，穩(wěn)定性好，壓損小，能耗小，測量準(zhǔn)確，制造安裝方便。
文檔編號G01F1/78GK1053493SQ9110079
公開日1991年7月31日 申請日期1991年2月11日 優(yōu)先權(quán)日1991年2月11日
發(fā)明者孫延祚, 莫德舉, 何江川 申請人:北京化工學(xué)院