專利名稱：一種自校正的熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種流量測量裝置，具體地是ー種自校正的熱式與旋進(jìn)旋渦組合氣體流量測量裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，熱式流量計(jì)是利用熱擴(kuò)散原理設(shè)計(jì)而成的流量檢測儀表，一般用來測量氣體質(zhì)量流量。熱式氣體流量計(jì)分為浸入型、熱分布型和邊界層型。以浸入型為例來說明熱式流量計(jì)的工作原理。在管道中設(shè)置帶有I個加熱元件的流速探頭和I個溫度探頭，流體流過加熱元件時(shí)帶走熱量。忽略輻射和導(dǎo)熱作用，電子加熱元件的電熱功率等于單位
時(shí)間內(nèi)流體對流換熱所帶走的熱量，即
p2-=M(T11-T)(I)
R式中，萬為作用在加熱元件上的加熱電壓，ガ為加熱元件的電阻，h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，U為流速，^為傳熱面積、Tu為速度探頭的溫度，Γ是溫度探頭測得的流體溫度。根據(jù)傳熱學(xué)理論，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速和密度有關(guān)M = a0 +a^m'f(2)式中，み、和η是經(jīng)驗(yàn)確定的常數(shù)，P是流體密度。根據(jù)(I)、(2)可得到流速
「つ-11/Μ
「ハハ…I E2SR aQ.n.u = — -- -2-(3)
Pレι(乃- .Γ) ι」保持溫差(5-r)或電功率が/恒定，測量電功率52/i 或(5-Γ)，可得到流
速。根據(jù)保持溫差(Ta -T )或電功率52/ 恒定，熱式流量計(jì)分為等溫型和等功率型，其中
等溫型對流速變化反應(yīng)比較快。測得流速后，根據(jù)速度面積法可獲得流量。與渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、差壓式流量計(jì)和容積式流量計(jì)等相比，熱式氣體流量計(jì)具有壓損小，精度高，測量范國大，無可動部件以及能夠測量極低流速等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且用于測量質(zhì)量流量時(shí)，無需溫度、壓カ修正。另ー方面，熱式流量計(jì)也有ー些缺點(diǎn)，如熱傳感頭長期加熱老化和臟污會產(chǎn)生熱漂移，影響測量精度；熱式流量計(jì)是速度式流量計(jì)，對前后直管段要求較長，一般為前10后5。旋進(jìn)旋渦流量計(jì)是依據(jù)旋渦進(jìn)動現(xiàn)象為機(jī)理而制成的流量計(jì)。所謂的旋渦進(jìn)動現(xiàn)象是指受到周圍約束的旋流在通過截面擴(kuò)大的管道時(shí)，旋流的旋轉(zhuǎn)中心軸會作進(jìn)動。如圖I所示，經(jīng)過起旋器后，流體形成旋渦流，其中心為“渦核”，外圍是環(huán)流。旋渦流由起旋器形成后，經(jīng)過一段形似文丘里管的收縮段和喉部后加速，經(jīng)喉部獲得一段短暫的穩(wěn)定，進(jìn)入擴(kuò)張段急劇減速，壓カ上升，此時(shí)旋渦中心區(qū)的壓カ比周圍壓カ低，于是產(chǎn)生局部回流，渦核偏離中心軸，在擴(kuò)張段內(nèi)圍繞流量計(jì)的軸線作類似螺旋狀的進(jìn)動。旋渦進(jìn)動頻率/與流量< v成正比，即
/=—(4)式中，Kv為旋進(jìn)旋渦流量計(jì)儀表系數(shù)，只與儀表結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而與流體的物理性質(zhì)和成分無關(guān)。旋進(jìn)旋渦流量計(jì)與渦街流量計(jì)、射流流量計(jì)屬同類型的振動式流量計(jì)。旋進(jìn)旋渦流量計(jì)適應(yīng)性廣，上、下游直管段要求低，對介質(zhì)要求不高，穩(wěn)定性好，無可動部件，便于維護(hù)，因而在氣體、液體、蒸汽特別是腐蝕性以及較臟的流體計(jì)量中有很大優(yōu)勢。從大量的使用企業(yè)反饋的信息看來，在使用旋進(jìn)旋渦流量計(jì)中主要的問題有截止頻率的設(shè)置具有隨·意性；對噪聲或振動等干擾信號較為敏感；壓カ損失較大，是渦街流量計(jì)壓損的4飛倍；小流量信號微弱，使用中受到限制。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的主要問題是結(jié)合熱式與旋進(jìn)旋渦流量計(jì)各自優(yōu)點(diǎn)，克服各自不足。為此，本實(shí)用新型的目的在于提供ー種自校正的熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置，包括殼體，起旋器，熱式速度傳感器，轉(zhuǎn)換和顯示單元，消旋器，在所述殼體的擴(kuò)張段上安裝有壓カ傳感器。所述的自校正的熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置，所述熱式速度傳感器布置在所述殼體的擴(kuò)張段上。所述的自校正的熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置，所述熱式速度傳感器具有ー個速度探頭和ー個溫度探頭。所述的自校正的熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置，還包括信號處理模塊。所述的自校正的熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置，所述信號處理模塊包括熱式流量計(jì)模塊和旋進(jìn)旋渦流量計(jì)模塊。本實(shí)用新型的目的基于如下構(gòu)思實(shí)現(xiàn)I)對于傳統(tǒng)的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)結(jié)構(gòu)，采用高頻響熱式傳感器來檢測流動速度信號。所獲得信號分別采用熱式流量計(jì)原理和旋進(jìn)旋渦流量計(jì)原理進(jìn)行處理分析，并各自得到流量數(shù)據(jù)。對于安裝于旋進(jìn)旋渦流量計(jì)中的熱式傳感器，其檢測到的是具有直流量動態(tài)信號，該信號平均值可用于熱式流量計(jì)處理分析得到流量，而脈動值可用于旋進(jìn)旋渦流量計(jì)獲得脈沖頻率進(jìn)而得到流量。2)將流量范圍分為小流量、中等流量和大流量三段，由熱式流量信號作為依據(jù)劃分流量段。在整個流量范圍內(nèi)，流量輸出采用熱式流量計(jì)數(shù)據(jù)；在中等流量范圍內(nèi)，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)數(shù)據(jù)用來與熱式流量計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，當(dāng)二者數(shù)值之差超過規(guī)定時(shí)，對熱式流量計(jì)儀表系數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定，即校正。這種做法主要是利用旋進(jìn)旋渦流量計(jì)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，來隨時(shí)修正熱式傳感器由于各種原因?qū)е碌钠?，保證在使用期間測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。另夕卜，由于熱式傳感器頻響不高，在大流量時(shí)由于進(jìn)動頻率太高可能造成旋進(jìn)旋渦流量計(jì)不能正常工作，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)只工作在中等流量范圍可降低傳感器頻響參數(shù)要求。[0024]3)流速測量模塊采用等溫型工作模式，即保持溫差-Τ)恒定，檢測電功率
E2Ir數(shù)值，得到瞬時(shí)流速。旋進(jìn)旋渦流量計(jì)工作頻率一般為ΙΟΗζ-ΙΟΟΟΗζ，而熱式傳感器不
易做到很高頻響，綜合考慮，熱式流速傳感器及其工作電路的頻響速度不低于300Hz。300Hz的頻響對于熱式傳感器不難做到，而選擇100Hz-300Hz為本方法中的工作頻率范圍，能夠保證旋進(jìn)旋渦流量測量部分工作在較佳狀態(tài)，輸出數(shù)據(jù)可靠。本實(shí)用新型具有的有益效果是I)保持了熱式和旋進(jìn)旋渦兩種流量計(jì)各自優(yōu)點(diǎn)，克服了各自缺點(diǎn)。基于本方法的流量計(jì)范圍度與一般熱式氣體流量計(jì)接近，可達(dá)1:100以上；該組合式流量測量方法對于上下游直管段要求與常規(guī)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)類似，一般前3后I即可。2)該組合式流量測量熱式流速傳感器，對噪聲或振動等干擾信號不敏感，儀表抗 干擾能力強(qiáng)；同時(shí)由于本旋進(jìn)旋渦流量計(jì)只工作在中等流量，截止頻率可設(shè)在合理數(shù)值，克服了傳統(tǒng)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)在設(shè)置截止頻率方面的困難，消除了傳統(tǒng)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)小流量“漏計(jì)”和外界微弱振動或雜散信號引起的“多計(jì)”問題。3)該組合式流量測量裝置具有自校正功能，S卩，在中等流量時(shí)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，在此范圍內(nèi)隨時(shí)以旋進(jìn)旋渦流量計(jì)數(shù)據(jù)對熱式流量計(jì)進(jìn)行校正，可以降低熱式氣體流量計(jì)由于探頭臟污引起信號漂移而造成的測量誤差，延長流量計(jì)的有效工作期限。4)由于本裝置中旋進(jìn)旋渦流量計(jì)模塊只工作在部分流量范圍，起旋器起旋效果要求降低，可設(shè)計(jì)較低壓損起旋器，降低整個流量計(jì)的壓カ損失。

圖I是旋進(jìn)旋渦流量計(jì)旋渦進(jìn)動示意圖；圖2是基于熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量裝置的意圖；圖3是熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置號處理原理框圖；圖4是熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置動校正曲線示意圖；圖5是熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置計(jì)算和自動校正流程框圖。圖中各部件標(biāo)號1-殼體；2_起旋器；3_熱式速度傳感器；4_轉(zhuǎn)換和顯示單元；5_壓カ傳感器；6-消旋器。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的一種熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置，如圖2所示，該熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置包括殼體1，起旋器2，熱式速度傳感器3，轉(zhuǎn)換和顯示單元4，壓カ傳感器5和消旋器6。壓カ傳感器5安裝在所述殼體I的擴(kuò)張段上。熱式速度傳感器3布置在所述殼體I的擴(kuò)張段上。流體經(jīng)過起旋器2后，形成旋渦流，其中心為“渦核”，外圍是環(huán)流。旋渦流經(jīng)過ー段殼體I的收縮段進(jìn)行加速，在殼體I的喉部獲得短暫的穩(wěn)定，進(jìn)入殼體I的擴(kuò)張段流速降低，壓カ上升，渦核偏離中心軸，在擴(kuò)張段內(nèi)圍繞流量計(jì)的軸線作螺旋狀的進(jìn)動，這種旋渦進(jìn)動流動使得擴(kuò)張段附近流場速度和壓カ產(chǎn)生脈動，采用具有高頻響的熱式速度傳感器3來檢測動態(tài)速度信號，該信號中包含了直流量，也包含了脈動量，直流量與脈動頻率都包含了流量信息。為了進(jìn)行流量壓カ修正，安裝了壓カ傳感器5。熱式速度傳感器3和壓カ傳感器5的信號送入轉(zhuǎn)換和顯示單元4進(jìn)行處理分析，獲得流量。流體在流出流量計(jì)之前經(jīng)消旋器6整流，消旋器6同時(shí)有減小下游流動對流量計(jì)工作影響的作用。熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置中信號處理模塊如圖3所示。熱式速度傳感器3上含有兩個探頭，一個是速度探頭，一個是溫度探頭，溫度探頭用來感知流體溫度
T，速度測量采用等溫型模式，即保持速度探頭的溫度/;與Γ之差( ；-Γ )恒定，檢測電功率52/i 數(shù)值，其中萬為作用在速度探頭的加熱元件上的加熱電壓，ガ為加熱元件的電阻。將
が/i 、熱式流速傳感器測量的流體溫度信號和壓カ傳感器測得的壓カ信號都轉(zhuǎn)換為電壓
信號，經(jīng)放大濾波、模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換后送入微處理器。其中速度信號同時(shí)送入熱式流量計(jì)模 塊和旋進(jìn)旋渦流量計(jì)模塊，流體溫度信號和壓カ信號送入旋進(jìn)旋渦流量計(jì)模塊用于溫度、壓カ修正，熱式流量計(jì)測量的是質(zhì)量流量，因此不需要溫度、壓カ修正。熱式流量計(jì)模塊和旋進(jìn)旋渦流量計(jì)模塊處理，分別得到的速度信號平均值和旋渦進(jìn)動頻率信號，送入流量計(jì)算單元計(jì)算流量。設(shè)置兩個流量分界線，Q1和Q2，根據(jù)這兩個流量分界線將流量范圍分為小流量、中等流量和大流量三段，如圖4所示。在整個流量范圍內(nèi)，流量輸出采用熱式流量計(jì)數(shù)據(jù)；而在中等流量范圍內(nèi)，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)數(shù)據(jù)與熱式流量計(jì)數(shù)據(jù)送入儀表系數(shù)校正單元進(jìn)行比對，當(dāng)二者數(shù)值相差超過規(guī)定吋，以旋進(jìn)旋渦流量計(jì)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)對熱式流量計(jì)儀表系數(shù)進(jìn)行修正和重新設(shè)定。這種做法主要是利用旋進(jìn)旋渦流量計(jì)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，來隨時(shí)修正熱式傳感器長期由于各種原因?qū)е碌牧泓c(diǎn)漂移，保證在使用期間測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。流量計(jì)算和熱式流量儀表系數(shù)自動校正流程框圖如圖5所示。熱式流量數(shù)據(jù)Qs和旋進(jìn)旋渦流量數(shù)據(jù)Qag送入流量計(jì)算單元后，依據(jù)Qs判斷處于哪ー個流量范圍，如果處于中等流量范圍，則需進(jìn)行熱式流量測量計(jì)的校正工作，比較Qs和Q
的差值與設(shè)定最大偏差4 ,如果偏差超過^，對熱式流量計(jì)儀表系數(shù)進(jìn)行修正和重新設(shè)
定。最后將合格的流量計(jì)算值送入顯示單元和數(shù)據(jù)存儲単元進(jìn)行顯示和存儲。同時(shí)，為了數(shù)據(jù)輸出方便，儀表通信設(shè)計(jì)有通信接ロ、遠(yuǎn)傳驅(qū)動器、V/I變換器等。需說明的是關(guān)于熱式流速傳感器的頻響特性。傳統(tǒng)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)工作頻率一般為ΙΟΗζ-ΙΟΟΟΗζ。由于熱惰性的問題，傳感器必須非常細(xì)小才能獲得高頻響，而非常細(xì)小的傳感器往往容易損壞，綜合考慮，選擇100Hz-300Hz為本旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的工作頻率范圍，3 O O H z的頻響對于熱式傳感器不難做到，而且在這個頻率范圍內(nèi)，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)工作可靠，測量準(zhǔn)確度高。以上所述及圖中所示的僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型的原理的前提下，還可以作出若干變型和改進(jìn)，這些也應(yīng)視為屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.ー種自校正的熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置，包括 殼體(1)，起旋器(2)，熱式速度傳感器(3)，轉(zhuǎn)換和顯示單元(4)，消旋器(6)，其特征在于在所述殼體(I)的擴(kuò)張段上安裝有壓カ傳感器(5)。
2.如權(quán)利要求I所述的自校正的熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置，其特征在于所述熱式速度傳感器(3 )布置在所述殼體(I)的擴(kuò)張段上。
3.如權(quán)利要求I所述的自校正的熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置，其特征在于所述熱式速度傳感器(3 )具有ー個速度探頭和ー個溫度探頭。
4.如權(quán)利要求I所述的自校正的熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置，其特征在于還包括信號處理模塊，所述信號處理模塊包括熱式流量計(jì)模塊和旋進(jìn)旋渦流量計(jì)模塊。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種自校正的熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置，包括殼體1，起旋器2，熱式速度傳感器3，轉(zhuǎn)換和顯示單元4，消旋器6，在所述殼體1的擴(kuò)張段上安裝有壓力傳感器5。本實(shí)用新型采用的自校正的熱式-旋進(jìn)旋渦組合式氣體流量測量裝置兼有熱式和旋進(jìn)旋渦兩種流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，測量范圍度大，并具有自校正功能。
文檔編號G01F7/00GK202631024SQ20122022340
公開日2012年12月26日 申請日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18日
發(fā)明者張洪軍, 趙周琳, 趙偉國 申請人:中國計(jì)量學(xué)院