一种复合涡街流量计

技术领域

本发明涉及流体测量技术领域，具体而言，涉及一种复合涡街流量计。

背景技术

涡街流量计具有检测精度高、结构简单、无可动机械零件、可靠性高、维护量小等特点，广泛应用于工业过程液体和气体的流量测量。目前的涡街流量计量程较小在雷诺数低于涡街发生时的无法测量，从而限制了测量的动态范围；标准涡街发生体的尺寸也导致涡街流量计具有较大的压力损耗。此外，涡街流量计为纯体积计量，无法测量流体的质量流量，特别是流体的密度。由此，在目前实际的应用中，如蒸汽计量中存在较大的偏差。

发明内容

本发明的目的包括提供一种复合涡街流量计，以解决现有涡街流量计的测量动态范围较小、压力损失较大、无法测量流体的质量流量，特别是流体的密度的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供一种复合涡街流量计，包括流量计主体单元、控制单元和显示单元，所述流量计主体单元包括管体、涡街发生体和检测组件，所述涡街发生体安装于所述管体内，所述涡街发生体设有检测通道，所述检测组件安装于所述管体，且所述检测组件的检测热飞行时间和量热传感元件位于所述检测通道内，其中，所述检测热飞行时间和量热传感元件由硅基体的检测面上依次间隔排布的第一温度传感器、微热源传感器、第二温度传感器及环境温度传感器组成；

所述热飞行时间和量热传感元件沉积于所述硅基体的隔热腔上方的薄膜上；

所述热飞行时间和量热传感元件及所述显示单元均与所述控制单元连接。

可选地，所述检测通道呈直线型或文丘里流道，且所述检测通道的长度方向与水平面呈角度设置。

可选地，所述检测通道的第一端口高于所述检测通道的第二端口，沿所述管体内流体的流动方向，所述检测通道自第一端口至第二端口向流体的下游方向倾斜。

可选地，所述检测通道的长度方向与所述流体的流动方向的角度为60°～120°。

可选地，所述涡街发生体为梯形，且所述涡街发生体的高度为所述管体管内径的0.18～0.22倍。

可选地，所述检测热飞行时间和量热传感元件设于所述检测通道的侧壁。

可选地，所述复合涡街流量计能够测量的动态范围为100:1～300:1。

可选地，所述管体的流体入口端设有流场直流器和流场整流器。

可选地，所述复合涡街流量计还包括表头和连接组件，所述连接组件连接于所述管体与所述表头之间，所述表头内设有安装腔，所述控制单元容置于所述安装腔内；所述显示单元包括显示器，所述显示器安装于所述安装腔的端口。

可选地，所述检测组件与所述控制单元之间通过信号连接件连接，且所述信号连接件由高温绝热材料制成。

可选地，所述连接组件包括隔热套，所述隔热套连接于所述管体与所述表头之间，且将所述信号连接件及所述检测组件伸出所述管体的部分罩设于其内。

本发明提供的复合涡街流量计，当复合涡街流量计的管体连接于具有流体流动的相当管径的管路中，流体流经涡街发生体，检测通道的两端存在压力差，当流体的雷诺数较大，流体流经涡街发生体产生涡街时，该涡流在压力差作用下流经检测通道。由于流体为脉动流，脉动流流经检测热飞行时间和量热传感元件的过程中，检测热飞行时间和量热传感元件的第一温度传感器和第二温度传感能够检测到脉动流带来传感元件上的温度场的时间和幅度的最大和最小值，并将相应的信号传递至控制单元，控制单元相应计算出单位时间内脉动的个数或涡街数，并通过在制造时与标准器的流量值的对比，与管体内流体的体积流量直接关联，从而得到流体的第一组体积流量。与此同时，脉动流流经检测热飞行时间和量热传感元件的过程中，通过测量热量在固定距离的传感器间的传递时间，获得第二组体积流量；微热源传感器通过对检测通道内流体热传导的幅度变化量，与流经管体的流体的质量流量相关联，从而得到流体的质量流量，控制单元对两组体积流量的数值进行比较，并通过质量流量的数值，以及环境温度传感器测得的环境温度的数值，实现对流体压力的计算。由于所述检测热飞行时间和量热传感元件具有优良的隔热结构，其快速的响应时间同时可测量两个涡流或脉动流间的流体静态特性。此时微热源传感器本身可测量热导的数值，而此时温度传感器接收到的微热源传感器上的调制波的信号则是对流体的扩散系数的直接测量，通过热导和热容的数值，则可测到该流体的密度。

在流体的雷诺数较小的情形下，管体内无涡街产生。但本发明所述流道的设计，检测通道两侧的流体仍存在压力差，从而相应流速的流体仍能流经检测通道，相应依次流经检测热飞行时间和量热传感元件上的第一温度传感器、微热源传感器、第二温度传感器及环境温度传感器。检测热飞行时间和量热传感元件所测量的流体所产生的温度场变化信号传递至控制单元，控制单元内存储有经过标准器校验后的温度差与质量流量相关的对应关系，从而获取对应的质量流量，而对不同温度传感器间温度场变化的时间函数的测量数据与已知传感器间的精准距离可获得流体的体积流量。从而这一方式可同时测得待检测流体的体积流量和质量流量。

上述测得的体积流量、质量流量、密度、涡街频率、压力和累计流量等数值均可以通过显示单元显示，用户可以根据显示单元的显示内容直观地获得上述信息。

本申请的复合涡街流量计能够对流经流量计主体单元的涡街流体以及未产生涡街状态的流体进行体积流量以及质量流量的检测，从而达到超低流量测量和扩展测量动态范围的目的。所测得的质量流量和流体的密度、温度及由此计算的流体压力进一步扩展了传统涡街流量的测量能力。对于特别是蒸汽等变密度的流体，可极大地提高流量计的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的复合涡街流量计的第一示意图；

图2为本发明提供的复合涡街流量计的第二示意图

图3为图2中复合涡街流量计的爆炸图；

图4为本发明提供的复合涡街流量计中检测热飞行时间和量热传感元件的示意图；

图5为本发明提供的复合涡街流量计中涡街发生体的示意图。

附图标记说明：

10-流量计主体单元；100-管体；110-流场直流器；120-流场整流器；200-涡街发生体；210-检测通道；211-第一端口；212-第二端口；300-检测组件；310-检测热飞行时间和量热传感元件；311-硅基体；312-薄膜；313-第一温度传感器；314-微热源传感器；315-第二温度传感器；316-环境温度传感器；317-连线；318-焊盘；400-连接组件；410-隔热套；420-螺钉；500-表头；510-安装腔；520-前盖；530-前密封圈；540-后密封圈；550-后盖；560-堵头；600-显示器；700-控制单元；800-工业界面电路板；900-信号连接件。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供一种复合涡街流量计，包括流量计主体单元10、控制单元700和显示单元，如图1-图3所示，流量计主体单元10包括管体100、涡街发生体200和检测组件300，涡街发生体200安装于管体100内，涡街发生体200设有检测通道210，检测组件300安装于管体100，且检测组件300的检测热飞行时间和量热传感元件310位于检测通道210内；其中，如图4所示，检测热飞行时间及量热传感元件310包括硅基体311，硅基体311的检测面设有依次间隔排布的第一温度传感器313、微热源传感器314、第二温度传感器315和环境温度传感器316；第一温度传感器313、第二温度传感器315、微热源传感器314、环境温度传感器316及显示单元均与控制单元700连接。

本实施例提供的复合涡街流量计，包括用于对流体相关物理特性参数进行检测的检测组件300、用于将检测到的物理特性参数转换为目标参数的控制单元700和用于将检测到的物理特性参数以及转换后的目标参数进行显示的显示单元，其中，检测组件300包括用于供待检测流体流过的管体100、涡街发生体200以及用于对涡街发生体200中检测通道210内流体进行检测的检测热飞行时间和量热传感元件310，且检测热飞行时间和量热传感元件310采用MEMS热飞行时间及量热传感元件。

使用时，将复合涡街流量计的管体100连接于相当管径的流体管路中，流体流经涡街发生体200，检测通道210的两端的压力差将迫使流体流经检测通道。当流体的雷诺数较大时，管体100内将产生涡街，在压力差作用下流经检测通道210的流体为脉动流，脉动流流经检测热飞行时间和量热传感元件310的过程中，检测热飞行时间和量热传感元件310上的第一温度传感器313和第二温度传感器315能够检测到脉动流带来传感元件上的温度场的时间和幅度的最大和最小值，并将相应的信号传递至控制单元700，控制单元700相应计算出单位时间内脉动的个数或涡街数，并通过在制造时与标准器的流量值对比，与管体100内流体的体积流量直接关联，从而得到流体的第一组体积流量。与此同时，脉动流流经检测热飞行时间和量热传感元件310的过程中，通过测量热量在固定距离的第一温度传感器313及微热源传感器314或微热源传感器314及第二温度传感器315间的传递时间，获得第二组体积流量；微热源传感器314通过对检测通道内流体热传导的幅度变化量，与流经管体100的流体的质量流量相关联，从而得到流体的质量流量，控制单元700对两组体积流量的数值进行比较，并通过质量流量的数值，以及环境温度传感器测得的环境温度的数值，实现对流体压力的计算。由于所述检测热飞行时间和量热传感元件310具有优良的隔热结构，其快速的响应时间同时可测量两个涡流或脉动流间的流体静态特性。此时微热源传感器本身可测量热导的数值，而此时温度传感器接收到的微热源传感器上的调制波的信号则是对流体的扩散系数的直接测量，通过热导和热容的数值，则可测到该流体的密度。

在流体的雷诺数较小的情形下，管体100内无涡街产生。但本发明所述流道设计，检测通道210两侧的流体仍存在压力差，从而相应流速的流体仍能流经检测通道210，相应依次流经检测热飞行时间和量热传感元件310上的第一温度传感器313、微热源传感器、第二温度传感器314及环境温度传感器316。检测热飞行时间和量热传感元件310所测量的流体所产生的温度场变化信号传递至控制单元700，控制单元700内存储有经过标准器校验后的温度差与质量流量相关的对应关系，从而获取对应的质量流量，而对不同温度传感器间温度场变化的时间函数的测量数据与已知传感器间的精准距离可获得流体的体积流量。从而这一方式可同时测得待检测流体的体积流量和质量流量。

上述测得的体积流量、质量流量、密度、涡街频率、压力和累计流量等数值均可以通过显示单元显示，用户可以根据显示单元的显示内容直观地获得上述信息。

本申请的复合涡街流量计能够对流经流量计主体单元的涡街流体以及未产生涡街状态的流体进行体积流量以及质量流量的检测，从而达到超低流量测量和扩展测量动态范围的目的。所测得的质量流量和流体的密度、温度及由此计算的流体压力进一步扩展了传统涡街流量的测量能力。对于特别是蒸汽等变密度的流体，可极大地提高流量计的测量精度。较佳地，硅基体311可以采用具有隔热结构的硅、玻璃、陶瓷等材质，以有效消除热式传感技术在涡街测量技术中应用的可靠性问题；具体地，本申请的复合涡街流量计适用的流体并不局限于气体、液体和蒸汽，同时也适用于多相介质的流体。

具体地，本申请的复合涡街流量计能够测量的动态范围为100:1～300:1，优选的，动态范围扩展至150:1。

可选地，本实施例中，如图4所示，检测热飞行时间和量热传感元件310检测面上的第一温度传感器313、微热源传感器314及第二温度传感器315均置于薄膜312上，薄膜312下为隔热腔。薄膜312能够减少硅基体311温度对第一温度传感器313、微热源传感器314及第二温度传感器315检测流体温度的附加热传导影响，进而提高第一温度传感器313、微热源传感器314及第二温度传感器315对流体温度检测的精确性及动态响应时间，相应提高复合涡街流量计对流体流量检测的准确性。

本实施例中，如图4所示，检测热飞行时间和量热传感元件310的环境温度传感器316安装于所述检测面，且位于热传导较佳的硅基体311上且远离微热源传感器314。环境温度传感器316能够对检测通道210内的流体环境温度进行检测。管体100内产生涡街的两个脉动流之间或检测通道210两端的压力差不足以在其内形成流动流体时，流体处于相对静止状态，第一温度传感器313或第二温度传感器315所测得经微热源传感器314的热飞行时间的调制信号与流体的热扩散系数关联，控制单元700接收相关信号并得到流体的热扩散系数；微热源传感器314本身的热耗散与流体的热导率相关联，控制单元700接收相关信号并得到流体的热导率；第一温度传感器313或第二温度传感器315测得的单位时间温升与流体的比热容关联，控制单元700接收相关信号并得到流体的比热容，由此可以计算出流体的密度值。具体地，在蒸汽可以是饱和或非饱和介质形式的蒸汽计量中，即使流体压力没有变化，蒸汽的介质相同，但密度在使用过程中往往会发生较大的变化；相较现有技术中，由于无法模拟真实的使用状况，复合涡街流量计的校准无法得以确认，而以水流作为替代，从而造成贸易计量偏差和纠纷；本申请的复合涡街流量计能够在线测量包括密度在内的多个流体物理参数，可以将检测的蒸汽密度与质量流量及体积流量确定的流体压力对应的流体标准密度值相对应，从而获得流体物性变化状态及其标准的体积流量参数，进而有效解决了蒸汽测量中密度变化的技术关键，保障蒸汽计量的完整性和公平性。

此外，第一温度传感器313和第二温度传感器315采用热敏材料制成，受环境温度影响，第一温度传感器313和第二温度传感器315测得的流体温度可以根据环境温度传感器316测得的环境温度进行校准，以剔除环境温度对第一温度传感器313和第二温度传感器315阻值因检测温度的影响，使其获得更为准确的流体实际温度。另外，第一温度传感器313、微热源传感器314、第二温度传感器315和环境温度传感器316共同集合为单个检测热飞行时间和量热传感元件310，则单个检测热飞行时间和量热传感元件310在热飞行时间及量热测量模式下可实现对流体体积流量、质量流量、流体密度、流体温度、压力以及流体的热物性参数等，结构简单、功能性强。具体地，上述各传感器的信号均可以通过相应的连线317与各焊盘318连接。

具体地，本实施例中，如图5所示，检测通道210可以呈直线型或文丘里形状，且检测通道210的长度方向与水平面呈角度设置。图5中的箭头表示流体的流动方向，检测通道210于管体100的径向截面延伸，且检测通道210非水平设置，则检测通道210的两端端口位于不同高度，能够增加检测通道210两侧的压力差，即使在雷诺数低于涡街发生频率，流体中无脉动流，但由于检测通道210两侧存在较大的压力差，仍然会有连续流体流过检测通道210，检测热飞行时间和量热传感元件310相应对连续流体进行测量，以获得流体的体积流量和质量流量，从而增强检测热飞行时间和量热传感元件310对低雷诺数流体的检测敏感性，使其达到更大的动态测量范围。

具体地，本实施例中，如图5所示，检测通道210的第一端口211高于检测通道210的第二端口212，沿管体100内流体的流动方向，检测通道210自第一端口211至第二端口212向流体的下游方向倾斜。流体中的颗粒物受重力影响大都处于流道下部区域，检测通道210的第一端口211位于上方且靠近涡街发生体200的前端，检测通道210的第二端口212位于下方且靠近涡街发生体200的后端，从而有效减少流体中杂质侵入检测通道210对检测热飞行时间和量热传感元件310造成的污损，相应地，复合涡街流量计具备了抗污染的能力。当然，本申请的检测热飞行时间和量热传感元件310采用MEMS热飞行时间及量热传感制成，当流体中杂质的热传导性能较差时，检测热飞行时间和量热传感元件310的热调制信号受杂质污染的影响较小，仍能够保持其测量功能。较佳地，复合涡街流量计的控制单元700可以连接有警报单元，当流体中的杂质对检测热飞行时间和量热传感元件310造成的污染，对其检测准确度影响较大时，控制单元700可以根据检测热飞行时间和量热传感元件310传递的污染信号控制开启警报单元，警报单元向外发出警报，以梯形用户对复合涡街流量计进行维护。

具体地，检测通道210的长度方向与流体的流动方向的角度可以为60°～120°。

可选地，本实施例中，检测热飞行时间和量热传感元件310可以设于检测通道210的侧壁。检测热飞行时间和量热传感元件310对流体测量时受环境振动的影响较小，从而提高检测热飞行时间和量热传感元件310对流体各物理参数的检测精确度，相应进一步提高复合涡街流量计的检测准确性。

具体地，本实施例中，如图5所示，涡街发生体200可以为梯形，且涡街发生体200的前端尺寸为管体100管内径的0.18～0.22倍。涡街发生体200的形状及尺寸直接决定流体中产生涡街的稳定性，现有的涡街流量计中，为了在管体100内获取较为稳定的涡街，一般将梯形的涡街发生体200的前段尺寸设计为管体100内径的0.281倍，而本申请的复合涡街流量计能够对无涡街产生状态的流体的体积流量以及质量流量进行检测，因此对涡街发生体200的尺寸要求较小，设定涡街发生体200的前段尺寸为管体100管内径的0.18～0.22倍，在实现复合涡街流量计对大动态范围流量检测的基础上，涡街发生体200的体积得以缩小，从而减少涡街发生体200对管体100内部流体造成的压力损失。具体地，本申请的复合涡街流量计的满量程压力损失为现有常规涡街流量计的3/4至1/2，优选为1/2。

此外，涡街发生体200采用梯形时，涡街发生体200尺寸较大的一面作为前端面，前端面横向尺寸大于尾端，颗粒物流经涡街发生体200的过程中，会受到涡街发生体200前端面的阻挡而难以到达检测通道210的入口，从而进一步提高涡街流量计的抗污染性能，相应进一步确保检测热飞行时间和量热传感元件310对流体各物理参数的检测准确度。

可选地，本实施例中，如图1-图3所示，复合涡街流量计还可以包括表头500和连接组件400，连接组件400连接于管体100与表头500之间，表头500内设有安装腔510，控制单元700容置于安装腔510内；显示单元包括显示器600，显示器600安装于安装腔510的端口。这里是复合涡街流量计的一种具体形式，其中，表头500能够容置控制单元700和显示器600，已对其进行位置固定并起到保护作用，从而提高控制单元700和显示器600的使用稳定性；此外，连接组件400将管体100和表头500连接为一个整体，使其构成一个完整且独立的流量计量装置，涡街流量计的运输、收纳及使用均较为便捷。较佳地，表头500或连接组件400内可以安装有电池，电池与检测组件300、控制组件和显示器600连接为其供电，涡街流量计使用时，能够保证数据安全，且不再受外部电源位置限制，使用便捷性更高。具体地，管体100可以采用金属或工程塑料制成，管体100的端部可以通过法兰或螺纹段，以用于与管路连接；连接组件400可以通过螺钉420实现与管体100及表头500的连接。

具体地，本实施例中，如图3所示，表头500内还可以安装有工业界面电路板800，工业界面电路板800与控制单元700及显示单元均电连接。工业界面电路板800包含各类有线或无线常规界面或客户指定界面，以提高涡街流量计的功能性。较佳地，表头500的前端可以封盖有带视窗的前盖520，且前盖520与表头500的前端之间设有前密封圈530，显示器600可以通过视窗显示；表头500的后端可以封盖有后盖550，且后盖550与表头500的后端之间设有后密封圈540，则前盖520、前密封圈530、后盖550和后密封圈540能够共同将安装腔510封堵为近似密封的腔室，以减少环境因素对安装腔510内的控制元件、显示元件等造成的损坏。具体地，当工业界面电路板800采用有线形式时，可以通过堵头560对其输出线进行密封封堵。

具体地，本实施例中，如图3所示，检测组件300与控制单元700之间可以通过信号连接件900连接，且信号连接件900由高温绝热材料制成。当涡街流量计对用于高温蒸汽的计量时，信号连接件900在实现检测组件300与控制单元700电连接的基础上，能够阻断热传导对控制单元700工作条件的影响，从而确保控制单元700的正常运行，相应确保涡街流量计的正常使用。具体地，信号连接件900可以选用高温陶瓷制成。

本实施例中，如图2和图3所示，连接组件400可以包括隔热套410，隔热套410连接于管体100与表头500之间，且将信号连接件900及检测组件300伸出管体100的部分罩设于其内。隔热套410罩设于信号连接件900及检测组件300外部，涡街流量计高温测量时，能够隔热作用，从而确保控制单元700的正常运行。当然，在一些实施例中，当涡街流量计仅用于对常温或低温流体的测量时，如图1所示，连接组件400也可以不设置隔热套410。

可选地，本实施例中，如图3所示，可以在管体100的流体入口端设置流场直流器110和流场整流器120。流场直流器110和流场整流器120的设置，能够提供被检测流体的稳定流场，以提高流体在管体100内流动的稳定性，相应提高涡街流量计对流体的测量稳定性及准确性。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。