專利名稱：一種自校正的熱式-旋進旋渦組合式氣體流量測量裝置的制作方法
技術領域：
本實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旋渦組合氣體流量測量裝置。
背景技術：
現有技術中，熱式流量計是利用熱擴散原理設計而成的流量檢測儀表，一般用來測量氣體質量流量。熱式氣體流量計分為浸入型、熱分布型和邊界層型。以浸入型為例來說明熱式流量計的工作原理。在管道中設置帶有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帶走熱量。忽略輻射和導熱作用，電子加熱元件的電熱功率等于單位
時間內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為表面傳熱系數，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。根據傳熱學理論，表面傳熱系數與流速和密度有關M = a0 +a^m'f(2)式中，み、和η是經驗確定的常數，P是流體密度。根據(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。根據保持溫差(Ta -T )或電功率52/ 恒定，熱式流量計分為等溫型和等功率型，其中
等溫型對流速變化反應比較快。測得流速后，根據速度面積法可獲得流量。與渦輪流量計、渦街流量計、差壓式流量計和容積式流量計等相比，熱式氣體流量計具有壓損小，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點，而且用于測量質量流量時，無需溫度、壓カ修正。另ー方面，熱式流量計也有ー些缺點，如熱傳感頭長期加熱老化和臟污會產生熱漂移，影響測量精度；熱式流量計是速度式流量計，對前后直管段要求較長，一般為前10后5。旋進旋渦流量計是依據旋渦進動現象為機理而制成的流量計。所謂的旋渦進動現象是指受到周圍約束的旋流在通過截面擴大的管道時，旋流的旋轉中心軸會作進動。如圖I所示，經過起旋器后，流體形成旋渦流，其中心為“渦核”，外圍是環流。旋渦流由起旋器形成后，經過一段形似文丘里管的收縮段和喉部后加速，經喉部獲得一段短暫的穩定，進入擴張段急劇減速，壓カ上升，此時旋渦中心區的壓カ比周圍壓カ低，于是產生局部回流，渦核偏離中心軸，在擴張段內圍繞流量計的軸線作類似螺旋狀的進動。旋渦進動頻率/與流量< v成正比，即
/=—(4)式中，Kv為旋進旋渦流量計儀表系數，只與儀表結構參數有關，而與流體的物理性質和成分無關。旋進旋渦流量計與渦街流量計、射流流量計屬同類型的振動式流量計。旋進旋渦流量計適應性廣，上、下游直管段要求低，對介質要求不高，穩定性好，無可動部件，便于維護，因而在氣體、液體、蒸汽特別是腐蝕性以及較臟的流體計量中有很大優勢。從大量的使用企業反饋的信息看來，在使用旋進旋渦流量計中主要的問題有截止頻率的設置具有隨·意性；對噪聲或振動等干擾信號較為敏感；壓カ損失較大，是渦街流量計壓損的4飛倍；小流量信號微弱，使用中受到限制。

實用新型內容本實用新型要解決的主要問題是結合熱式與旋進旋渦流量計各自優點，克服各自不足。為此，本實用新型的目的在于提供ー種自校正的熱式-旋進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，轉換和顯示單元，消旋器，在所述殼體的擴張段上安裝有壓カ傳感器。所述的自校正的熱式-旋進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張段上。所述的自校正的熱式-旋進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模塊和旋進旋渦流量計模塊。本實用新型的目的基于如下構思實現I)對于傳統的旋進旋渦流量計結構，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原理和旋進旋渦流量計原理進行處理分析，并各自得到流量數據。對于安裝于旋進旋渦流量計中的熱式傳感器，其檢測到的是具有直流量動態信號，該信號平均值可用于熱式流量計處理分析得到流量，而脈動值可用于旋進旋渦流量計獲得脈沖頻率進而得到流量。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劃分流量段。在整個流量范圍內，流量輸出采用熱式流量計數據；在中等流量范圍內，旋進旋渦流量計數據用來與熱式流量計數據進行比對，當二者數值之差超過規定時，對熱式流量計儀表系數進行重新設定，即校正。這種做法主要是利用旋進旋渦流量計穩定性好的特點，來隨時修正熱式傳感器由于各種原因導致的漂移，保證在使用期間測量數據的準確性。另夕卜，由于熱式傳感器頻響不高，在大流量時由于進動頻率太高可能造成旋進旋渦流量計不能正常工作，旋進旋渦流量計只工作在中等流量范圍可降低傳感器頻響參數要求。[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數值，得到瞬時流速。旋進旋渦流量計工作頻率一般為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，能夠保證旋進旋渦流量測量部分工作在較佳狀態，輸出數據可靠。本實用新型具有的有益效果是I)保持了熱式和旋進旋渦兩種流量計各自優點，克服了各自缺點。基于本方法的流量計范圍度與一般熱式氣體流量計接近，可達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旋進旋渦流量計類似，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；同時由于本旋進旋渦流量計只工作在中等流量，截止頻率可設在合理數值，克服了傳統旋進旋渦流量計在設置截止頻率方面的困難，消除了傳統旋進旋渦流量計小流量“漏計”和外界微弱振動或雜散信號引起的“多計”問題。3)該組合式流量測量裝置具有自校正功能，S卩，在中等流量時旋進旋渦流量計測量數據準確，在此范圍內隨時以旋進旋渦流量計數據對熱式流量計進行校正，可以降低熱式氣體流量計由于探頭臟污引起信號漂移而造成的測量誤差，延長流量計的有效工作期限。4)由于本裝置中旋進旋渦流量計模塊只工作在部分流量范圍，起旋器起旋效果要求降低，可設計較低壓損起旋器，降低整個流量計的壓カ損失。

圖I是旋進旋渦流量計旋渦進動示意圖；圖2是基于熱式-旋進旋渦組合式氣體流量裝置的意圖；圖3是熱式-旋進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-旋進旋渦組合式氣體流量測量裝置計算和自動校正流程框圖。圖中各部件標號1-殼體；2_起旋器；3_熱式速度傳感器；4_轉換和顯示單元；5_壓カ傳感器；6-消旋器。
具體實施方式
本實用新型的一種熱式-旋進旋渦組合式氣體流量測量裝置，如圖2所示，該熱式-旋進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的擴張段上。熱式速度傳感器3布置在所述殼體I的擴張段上。流體經過起旋器2后，形成旋渦流，其中心為“渦核”，外圍是環流。旋渦流經過ー段殼體I的收縮段進行加速，在殼體I的喉部獲得短暫的穩定，進入殼體I的擴張段流速降低，壓カ上升，渦核偏離中心軸，在擴張段內圍繞流量計的軸線作螺旋狀的進動，這種旋渦進動流動使得擴張段附近流場速度和壓カ產生脈動，采用具有高頻響的熱式速度傳感器3來檢測動態速度信號，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的信號送入轉換和顯示單元4進行處理分析，獲得流量。流體在流出流量計之前經消旋器6整流，消旋器6同時有減小下游流動對流量計工作影響的作用。熱式-旋進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換為電壓
信號，經放大濾波、模數(A/D)轉換后送入微處理器。其中速度信號同時送入熱式流量計模 塊和旋進旋渦流量計模塊，流體溫度信號和壓カ信號送入旋進旋渦流量計模塊用于溫度、壓カ修正，熱式流量計測量的是質量流量，因此不需要溫度、壓カ修正。熱式流量計模塊和旋進旋渦流量計模塊處理，分別得到的速度信號平均值和旋渦進動頻率信號，送入流量計算單元計算流量。設置兩個流量分界線，Q1和Q2，根據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，流量輸出采用熱式流量計數據；而在中等流量范圍內，旋進旋渦流量計數據與熱式流量計數據送入儀表系數校正單元進行比對，當二者數值相差超過規定吋，以旋進旋渦流量計數據為基準對熱式流量計儀表系數進行修正和重新設定。這種做法主要是利用旋進旋渦流量計穩定性好的特點，來隨時修正熱式傳感器長期由于各種原因導致的零點漂移，保證在使用期間測量數據的準確性。流量計算和熱式流量儀表系數自動校正流程框圖如圖5所示。熱式流量數據Qs和旋進旋渦流量數據Qag送入流量計算單元后，依據Qs判斷處于哪ー個流量范圍，如果處于中等流量范圍，則需進行熱式流量測量計的校正工作，比較Qs和Q
的差值與設定最大偏差4 ,如果偏差超過^，對熱式流量計儀表系數進行修正和重新設
定。最后將合格的流量計算值送入顯示單元和數據存儲単元進行顯示和存儲。同時，為了數據輸出方便，儀表通信設計有通信接ロ、遠傳驅動器、V/I變換器等。需說明的是關于熱式流速傳感器的頻響特性。傳統旋進旋渦流量計工作頻率一般為ΙΟΗζ-ΙΟΟΟΗζ。由于熱惰性的問題，傳感器必須非常細小才能獲得高頻響，而非常細小的傳感器往往容易損壞，綜合考慮，選擇100Hz-300Hz為本旋進旋渦流量計的工作頻率范圍，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，旋進旋渦流量計工作可靠，測量準確度高。以上所述及圖中所示的僅是本實用新型的優選實施方式。應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型的原理的前提下，還可以作出若干變型和改進，這些也應視為屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1.ー種自校正的熱式-旋進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)，轉換和顯示單元(4)，消旋器(6)，其特征在于在所述殼體(I)的擴張段上安裝有壓カ傳感器(5)。
2.如權利要求I所述的自校正的熱式-旋進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)的擴張段上。
3.如權利要求I所述的自校正的熱式-旋進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.如權利要求I所述的自校正的熱式-旋進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模塊和旋進旋渦流量計模塊。
專利摘要本實用新型公開了一種自校正的熱式-旋進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，轉換和顯示單元4，消旋器6，在所述殼體1的擴張段上安裝有壓力傳感器5。本實用新型采用的自校正的熱式-旋進旋渦組合式氣體流量測量裝置兼有熱式和旋進旋渦兩種流量計的優點，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 優先權日2012年5月18日
發明者張洪軍, 趙周琳, 趙偉國 申請人:中國計量學院