专利名称：Dl管道流量传感装置的制作方法
技术领域：
本实用新型，涉及一种管道流量传感装置，它不但能对管道流体的流量进行自动监测传感，而且还能作为管道上必不可少的一种标准管件，无流体流量测量附加能量损失， 其接口与通用标准化信号传感器和通用标准化数字流量仪表连接，即可实现对管道中流体流量信号的自动传感检测输出和流量数字显示，具有结构简单免维护和可降低工程造价等特点。2.
背景技术：
根据资料收集研究和检索，目前，已公知的管道流量测量传感方式基本可分为以下几类，以下分类论述。第一类，普通旋翼式或螺翼式水表等流速型流量测量装置，如附图11和附图12所示。图11所示的是我们千家万户日常使用的普通水表，内部是一个由塑料齿轮组成的机械计数机构；图12所示装置，实际上是对图11所示装置测量功能的放大，主要用于较大口径管道流量的测量，它是在大口径管道的中轴线位置上重合轴线安装一个螺旋浆传感机构，工作时螺旋浆传感机构先受管道中流体的作用，将流体的流速转换为螺旋浆传感机构的转速，再通过蜗轮蜗杆机构将螺旋浆传感机构的转速传递到管外，然后，在管外再利用图11所示装置测量流量。第二类，涡轮或涡街式等流速型流量测量装置，分别如附图10和附图6所示，其测量原理和上述附图12所示装置的测量原理是基本相同的。附图10所示的是涡轮流量计，其实在管道的中轴线位置上重合轴线安装的也是一个螺旋浆传感机构，一次仪表主要是计数功能；附图6所示的涡街流量计，其实是在管道的中轴线位置上重合轴线安装的还是一个螺旋浆传感机构，只不过在这里是将此螺旋浆传感机构安装在一个薄壁小管中罢了，薄壁小管主要起稳定水流的作用，一次仪表仍是计数功能。以上两类流速型流量测量传感装置，其测量原理对流体的流线均勻稳定度要求高，通常要求装置安装位置前后要有一定长度(3 5倍管径)的直管段，以保持流体的流线均勻稳定，还要有活接头或伸缩器管件配用，否则，检修更换拆卸不便。因为其有旋转机构，所以，它们的结构都有一定的复杂性，又因主要部件长期处于旋转状态，易磨损，定期校正、维修工作量大，而且，流体中的杂物易缠绕转轮造成较大的测量误差，另一个最主要缺点，是测量附加管道能量损失高，浪费能源，一般只适用于管网用流末端允许消能时的计量。第三类，是V锥流量传感装置，如图8所示。图8是V锥流量传感装置该装置是在大口径管道的中轴线位置上重合轴线安装一个V锥传感机构，V锥的锥面作为迎流面，感受流体的流速在锥面改变时压力的变化，并将此变化信号传到管外，由一次仪表测量，以此来达到测量管道中流体流量的目的；此类装置，其测量原理对流体的流线均勻稳定度要求也较高，通常也要求装置安装位置前后要有一定长度(3 5倍管径)的直管段，以保持流体的流线均勻稳定，还要有活接头或伸缩器管件配用，否则检修更换拆卸不便，此类与前面的两类相比，只是有无旋转机构的差异，所以，它们的最主要缺点都是流量测量附加管道能量损失高，浪费能源。第四类，是孔板式差压流量传感装置，如附图13所示。附图13是一种法兰夹板式管道内装孔板式差压流量传感装置，管道中流体经过孔板中间的小孔时，因流体自身的特性，其流速会自动增大，压力会自动降低，本装置就是利用这个特点，通过测量小孔中的压力和孔板外管内压力的压力差值，然后，再通过数学模型和电子数字化或机械式一次仪表来测量管道流量，在此数学模型中，需要对测量获得的差压值进行开平方运算；此类装置安装位置前后也要求有一定长度(3 5倍管径)的直管段，以保持流体的流线均勻稳定，还要有活接头或伸缩器管件配用，否则检修更换拆卸不便。它最主要缺点是流量测量附加管道能量损失特高，而且在所有已有流量测量传感方式中，这种孔板的流体能量损失最大，严重浪费能源，很不适宜在大口径大流量管道上应用， 应用范围很有限，在当今提倡节能低碳的时代，应淘汰此类计量装置。使用该装置，就相当于在管道上装上了一个开得很小的闸门，截住了管道的正常流通；除此内装孔板外，也有一种体积大结构较复杂的环型孔板流量传感装置，其测量原理和内装孔板大致相同，也是要求在直管段安装，但流量测量附加管道能量损失较小。第五类，是管式或插入式电磁流量传感装置，基本原理如附图5所示。附图5是电磁流量传感装置，本装置在管外有一通电线圈，在管内形成电磁场，它是利用管中流过的导电流体穿过磁场磁力线时会引起管外磁场线圈感应电动势变化的原理来测量流量的，也有相应的计算数学模型公式，流速与感应电动势成函数关系；管式电磁流量传感装置的测量区管段及形成此管段测量磁场的线圈骨架必须用非导磁材料制成，管外线圈尺寸大，所以，它的造价高，但是，有无测量附加管道能量损失的优点。由于管式电磁流量传感装置的管外线圈很大，造价高，所以，后来又开发了如附图 7所示的是插入式电磁流量传感装置，原理与管式相同，只不过是把线圈做在了一个棒上， 然后再将此棒插入要测量流量的管中，这种方式虽成本有所降低，但是，由于磁场分布均勻度不如管式，所以测量精度也不如管式。但是，不论是是管式或插入式电磁流量计，线圈绕制都较复杂，维护技术有一定难度。另一方面，在应用流量计的泵房等现场，往往都有电机和高低压线路等电磁场干扰在这样的环境中测量误差也较大，而且影响无规律，有很大的不确定性。第六类，是超声波流量传感装置，如附图9所示。附图9是超声波流量传感装置其一次仪表带有两个电极，应用时两个电极分别卡在管道外壁的某一直径位置上，一个电极为超声波发射极，另一个电极为超声波接收极，事先要测量出管径、管道壁厚和管道材质等参数输入仪表的数学模型中供仪表自动计算用， 该设备还配有一个测厚仪专用于测量管道壁厚，此类流量测量装置有移动和固定式两种， 无测量附加管道能量损失，移动式使用也较方便。但是，该装置的最主要缺点是技术结构复杂、造价太高，在使用方面，其超声波发生和接收装置及其信号电子放大电路等抗电源干扰能力差，尤其是安装在现场使用市交流电源的固定式设备，极易受电源干扰，测量误差较大的情况尤为严重。上述第五类电磁流量传感装置和第六类超声波流量传感装置的流量传感机构都有一个共同点，即在安装位置前后，都要求有一定长度(3 5倍管径)的直管段，以保持流体的流线均勻稳定，管式电磁流量传感装置也要有活接头或伸缩器管件配用，否则检修更换拆卸不便；另一方面，初级感应输出信号十分微弱，尤其是超声波流量计更弱，往往只是在微伏级，对放大电路及工作电源要求很高，非常容易受到来自电源的干扰，影响设备工作的稳定性和计量准确性，校验和维护费用很高。在以上对已有技术背景的说明中，参考的主要文献资料如下。(1)《节能与环保》杂志2010年2期，开封开德流量仪表有限公司的流量计产品资料。(2)《水泵及水泵站》中国建筑出版社，湖南大学姜乃昌编。(3)《孔板流量计》上海自动化仪表厂产品资料。(4)《超声波流量计》辽宁本溪无线电设备厂产品资料。
3.
实用新型内容由以上对已有流量测量传感装置的技术原理及特性分析可知，在已有的管道流量测量传感技术方法中，同时具备具有结构简单基本免维护、对安装位置前后直管段无特殊要求，通流顺畅、无测量附加管道能量损失、节能效率高，初级传感输出信号强及可节省管件、降低工程造价等特点的的管道流量传感测量装置真是为数不多。本着节约能源、物尽其用、结构简单、工作可靠又能经久耐用的原则，为了达到弥补和克服已有的管道流量测量传感技术方法中缺陷和不足的目的，设计了本实用新型的技术方案。本实用新型的目的，是提供一种新型管道流量传感装置，通过对流过管道弯管段流体动量冲力的感受传感，不仅能达到测量管道流体流量的目的，而且具有结构简单免维护、通流顺畅、无测量流量附加管道能量损失节能效率高和节省管件可降低工程造价等特点ο本实用新型的目的是这样实现的。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是用一同径顺流三通管作壳体， 在其分叉直管段出口设法兰盖板，在同径顺流三通管直管段内轴向，设置一个分两段用不锈钢螺栓连为一体的圆柱形流量传感曲面导流空心通透体，其圆平面端带有一个定位导向轴，在盖板上安装传感器接头的偏心孔内，通过丝扣连接安装一个分两段加工成的推力传递轴套，然后，在法兰盖板上此孔内套住连接好的推力传递轴套，用丝扣连接上传感器接头，再将圆柱形流量传感曲面导流体定位导向轴与安装在盖板上的推力传递轴套用螺栓相连接，并在推力传递轴套的连接螺栓顶部加一只压缩弹簧，这样，当有流体通过弯管时，进入弯管内流体的动量就会自动对圆柱形流量传感曲面导流体产生一个轴向推力，此推力可压缩上述弹簧，使推力传递轴套一端顶紧标准差压传感器正压端，从而，差压传感器便可感受流体动量产生的压力，以此来达到监测流体流量之目的。本实用新型的有益效果是充分有效地利用了流体在管道转弯段改变流向时的轴向力做功，来感受传感测量通过流体的流量，很方便地将管道流体流量转变为方便用通用标准差压传感器接口连接测量的机械压力，进一步，再通过差压传感器将此机械压力转换为待测的通用标准模拟电压信号，此标准模拟电压信号进入标准化数字流量积算仪表后，就能将管道流量转变为流量信息数据。该装置可依据国际管道管件规格标准，使本实用新型实施例产品的生产、安装和调试、使用标准化、产品系列化，因为其具有标准弯头管件的安装结构，再加上本装置自身具备的测量原理特性，使其在安装位置前后，无需设置直管段和活接头或伸缩器的要求，测量仍然准确，拆卸更是方便，在感受传感测量通过流体流量的过程中，无转动磨损部件，无测量附加管道能量损失，结构简单、基本免维护、制造费用也低，在工程建设中选用本装置，可节省管件降低工程造价，也能为日后的长期运行使用节能、节约运用成本。
4.
图1是本实施例在管道内有流量通过，流体处于流动状态时的剖面构造图。图2是本实施例在管道内无流量通过，流体处于静止状态时的剖面构造图。图2和图1中，1.同径顺流三通管作壳体，2.圆柱形流量传感曲面导流体，3.进口法兰，4.出口法兰，5.推力传递轴套，6.传感器接头，7.差压传感器，8.差压传感器背压连接管，9.法兰盖板，10.压缩弹簧，11.连接螺栓，12.流量传感阀曲面导流体定位导向轴， 13.可远传差压流量信号线，14.压力平衡回流孔。图3是本实用新型的外形示图，也作为摘要附图。图4是本实用新型装置的传感器连接件及二次仪表示图；图5是已有的电磁流量传感装置示图；图6是已有的涡街流量计传感装置示图；图7是已有的插入式电磁流量传感装置；图8是已有的V锥流量传感装置；图9是已有的超声波流量传感装置其一次仪表带有两个电极；图10是已有的是涡轮流量计传感装置；图11是已有的普通测流量的水表；图12是已有的涡轮传感大管径测流量水表；图13是一种已有的法兰夹板式管道内装孔板式差压流量传感装置；图14是本实用新型装置轴线与水平成正锐角，流体下进上出安装时数学模型的计算简图；图15是本实用新型装置轴线与水平成正90度角，流体下进上出安装时数学模型的计算简图；图16是本实用新型装置轴线与水平成负锐角，流体上进下出安装时数学模型的计算简图；图17是本实用新型装置轴线水平安装时数学模型的计算简图；图18是本实用新型实施例在泵房现场应用时的示意图。
5.具体实施方式
在工程实际应用中，虽然在不同场合根据需要，管道有不同的拐弯角度，但以90 度的弯头管件应用最广，所以，本实用新型首选以90度拐弯管道为实施例的应用对象，实现上述本技术方案。[0051]
以下结合附图2和附图3对本实用新型实施例做进一步说明。本装置实施应用时，安装在管网中需要设置90度管道弯头管件的位置上，即可代替管道上的一个标准90度弯头管件。本装置壳体是一个同径顺流三通管，其形状结构，只要一看附图3、附图2和附图1，即可想明白它是一个什么样外观形状的东西。具有90度管道转弯角度功能的同径顺流三通管，实质上是由一个90度标准弯头管和一个与其基本等长的同直径直管段组合而成的管道配件，此同径顺流三通管的三个端面，均为同规格口径标准尺寸法兰盘，本实施例只不过是在其分叉端直管口法兰盘上加上了盖板而已，其90度弯管部分的基本尺寸为通用标准弯头管尺寸，以方便本装置在实施应用时与管网管道连接，也就是说，本实施例装置应用时的实际安装结构长度，为一个标准弯头管件的安装结构长度，本装置可完全代替完成一个标准弯头管件的功能。附图2和附图1，均表达了本实施例装置的详细结构、各部件的相对位置和相互连接关系。本装置主要由一同径顺流三通管、带法兰的盖板、顺流三通管直管内轴向带定位导向轴的圆柱形流量传感曲面导流体、推力传递轴套和传感器接头连接组装而成，本装置内的圆柱形流量传感曲面导流体，是一个由比重在0. 9 1. 0之间无污染洁净环保工程塑料制成的、分上下两段用不锈钢螺栓连为一体的空心通透体，它在装置中顶住安装在盖板上的推力传递轴套，这样，从进口流入本装置内流体的动量，对圆柱形流量传感曲面导流体产生的轴向推力，就能由推力传递轴套传递到传感器接头处，在此，用通用标准差压传感器对其测量，传感进入弯管内流体动量在圆柱形流量传感曲面导流体轴向的冲力大小，并以此来传感测量管道中流体流量的大小。由于采用了上述方案，因此，制成的本装置就具有结构简单基本免维护、通流顺畅、流量测量附加的管道能量损失小节能和节省管件可降低工程造价等特点，
以下结合附图2和附图1，对本实用新型作进一步说明。图2和图1所示的本实用新型装置在工作时，推力传递轴套直接接触标准差压传感器正压端，差压传感器背压端通过金属软管与盖板上的压力平衡回流孔连通，这样就可以平衡差压传感器两端的水压。在现场实际应用时，差压传感器输出信号与标准数字流量积算仪表连接，这样，差压传感器输出信号所测量的数据，就正好是进入弯管内流体的动量产生的轴向冲力，测出了此冲力的大小，然后，通过用流体动量方程式建立的数学模型公式，再通过标准数字流量积算仪表，即可由仪表自动检测计算出管道流量。在图2和图1所示的本实用新型装置中，圆柱形流量传感曲面导流体，因其是用比重在0. 9 1. 0之间的小密度无污染洁净环保工程塑料材料制成的，所以，其在被测流量的流体中浮力必须略大于或等于其重力，另一方面，弯管内可移动的圆柱形流量传感曲面导流体部件，在装配过程中一定要通过配重调试，使其在弯管内工作时的浮力与重力相互平衡抵消，而不影响测量结果，因此，本实用新型装置在使用中可任意方向或角度安装，均不会影响测量准确性，但是，任意角度安装时，一定要测量出流量传感曲面导流体轴线方向与重力垂直线之间的安装夹角的角度值，并将此数据输入流量积算仪表的数学模型公式中， 否则，就会产生测量误差，这是因为，测量流量时，一定要考虑流体的重力对流体动量冲力的影响。在图2和图1所示的本实用新型装置中，圆柱形流量传感曲面导流体，首先，就其形体和工作特点而言，在进入弯管内流体的作用下，它在轴向只做少量移动，对此，只要对比一下图2和图1的不同，便可了解清楚；其次，圆柱形流量传感曲面导流体的曲面迎流面， 在其移动的轴向投影是一个正圆。本实用新型装置工作时，圆柱形流量传感曲面导流体的曲面迎流面，必须是构成标准弯头管件外侧管内壁的一部分，此时，弯管内过流通道空间， 是一个极为接近标准无内障碍弯头管件的内部过流空间，所以，本实用新型装置工作时，不但起到了普通标准弯头的作用，而且与已有的流量传感装置相比，通流无障碍，无测量流量附加管道能量损失，节能效率高，这也是本实施例装置与前述的几种已有流量测量传感装置相比，之所以具有明显节能效果的关键所在。图2和图1所示的本实用新型装置，因为是通过感受流体的动量来测量流量的，所以称之为“DL型管道流量传感装置”在此，DL为“动量” 二字汉语拼音的缩写，如果将本装置进一步开发成配套的流量计产品，则可以命名为“DL-XXX型流量计”，在此，XXX为本实用新型装置实施应用时的管道口径规格，例如“DL-200型流量计”，即表示该流量计的安装管道通径为DN200。图4是本实施例在现场实地应用时选用的通用标准配件示图。在图4中，1.通用标准差压传感器；2.带活接头通用标准金属软管；3.通用标准化数字流量积算仪表。本实施例在实际应用中选用的数字流量积算仪表、差压传感器及背压连接管配件等这三个部件，均为已有技术成品，这三个部件均可在五金机电市场上购置，不属于本实用新型的申请专利保护范围。通用标准差压传感器的成品，有压力差从Pa到KPa及MPa等不同测量范围和精度等级的系列产品，在实际应用时，可根据测量流量的大小和精度要求选用。通用标准差压传感器的输出信号为0 5V或4 20mA的国际标准模拟信号，可直接连接有标准模拟信号输入接口的通用标准化数字流量积算仪表。通用标准化数字流量积算仪表，内置有微电脑芯片和固化的数学模型计算程序及参数输入方法，现场使用及数据通过网络远传都很方便灵活。传感器及背压连接管配件，是在一般水暖五金商店就可买到的家用热水器、淋浴头等一类连接用的IM15不锈钢金属软管，其抗腐蚀、柔软性、承压和耐用性等均可满足使用要求。图18是本实用新型实施例在泵房现场应用时的示意图。6.测量原理与数学模型以下以简明介绍本实用新型装置的流量测量原理及流量计算数学模型。在工程实际应用中，在不同的管网设备系统场合，根据需要，管道有不同的拐弯角度及管径变化，下面先讨论一个一般情况，如附图14所示的弯管。设管道的管轴中心线位于xOz铅垂平面上，管道的转弯角度为α，两端过流断面面积分别为A1和A2,断面平均流速分别为V1与V2，通过管道的流量为Q，转弯管道中流体重力为G，现分析弯管内的流体对管壁的作用力，这就是有关后面分析时，我们将要提到的本实用新型实施例中要用差压传感器测量的轴向推力。由于在本实施例中，选定的是等径弯管，所以，在此可设，A1 =A2 = AjV1 = V2 = V, 又因为，本实施例中的圆柱形流量传感曲面导流体轴向移动时是完全浸泡在流体中，其处在一个等压的流体环境中，所以，可不考虑管内流体压力对其影响；另一方面，由于本方案的设计，使其浮力与重力相平衡，所以，就可以不考虑浮力与重力对圆柱形流量传感曲面导流体轴向移动时的受力影响，根据以上条件，按附图14所示的一般情况，根据流体力学应用动量方程，便可推导出进入弯管内流体对圆柱形流量传感曲面导流体轴向移动时轴向推理大小的计算公式。现设此推理大小为P1，与其大小相等方向相反的反作用力为FrzjPFrz = -P1对附图14 所示的情况，Frz = ( β P Q2/A) _G COS ( α )，α <90°对附图15 所示的情况，Frz = (β P Q2/A)_G C0S(0° )，α = 0°对附图16 所示的情况，Frz = (β pQ2/A)_G C0S(a)，90° < a < 180°对附图17 所示的情况，Frz = (β pQ2/A)_G COS(90° ) = β P Q2/A，a = 90°以上公式经推导，可得出流量Q的计算公式，由于差压传感器正压端和背压端的压力相等，即P = P2，所以差压传感器测得的差压，即SP1,P1的大小就等于Frz，所以，对附图17所示的情况，就有如下计公式P1 = β P Q2/AQ = (AP/ β P )1/2这就是附图18实施例应用情况时的流量测量计算数学模型公式。在以上公式中P为流体的密度，单位Kg/m3，流量Q单位m3/S，管径单位m，管截面积m2，流体重力单位KN，Frz和P1的单位ΚΝ，β为流体动量修正系数，在传感装置流量标定时通过实测确定。7.结论综上所述，利用本实用新型装置开发流量计产品测量管道流量，是对已有技术的有益补充和完善。
权利要求1.DL型管道流量传感装置，由同径顺流三通管壳体、法兰盖板、顺流三通管直管内轴向带定位导向轴的圆柱形流量传感曲面导流体、推力传递轴套、压缩弹簧及传感器接头连接组装而成，其特征是圆柱形流量传感曲面导流体定位导向轴与安装在盖板上的推力传递轴套螺栓连接，有流体通过弯管时，进入弯管内流体的动量对圆柱形流量传感曲面导流体产生轴向推力，将弹簧压缩，使推力传递轴套一端顶紧标准差压传感器接头处感受测量。
2.根据权利要求1所述的DL型管道流量传感装置，其特征是有流体通过弯管时，推力传递轴套一端直接接触标准差压传感器正压端，差压传感器背压端通过金属软管与盖板上的压力平衡回流孔连通，以平衡差压传感器两端的压力，差压传感器输出信号与标准化数字流量积算仪表连接。
3.根据权利要求1所述的DL型管道流 量传感装置，其特征是圆柱形流量传感曲面导流体，是用比重在0. 9 1. O之间无污染洁净环保工程塑料制成的、分上下两段用不锈钢螺栓连为一体的空心通透体，在被测量流量的流体中其浮力必须略大于或等于其重力。
4.根据权利要求1所述的DL型管道流量传感装置，其特征是圆柱形流量传感曲面导流体有一个圆环曲面迎流面，该装置工作时，在进入弯管内流体的作用下，圆柱形流量传感曲面导流体只通过压缩弹簧做少量定位轴向移动，圆环曲面迎流面在其移动的轴向投影是一个正圆，而且，此曲面迎流面是标准弯头管件外侧管内壁的一部分，该装置弯管内的过流通道空间，是一个极为接近标准无内障碍弯头管件的内部过流空间。
专利摘要DL型管道流量传感装置，它不但能对管道流体的流量进行自动监测传感，而且还能作为管道上必不可少的一种标准管件，无流体流量测量附加能量损失，其接口与通用标准化信号传感器和通用标准化数字流量仪表连接，即可实现对管道中流体流量信号的自动传感检测输出和流量数字显示，具有结构简单免维护和可降低工程造价等特点。
文档编号G01F1/34GK202066532SQ20102059289
公开日2011年12月7日 申请日期2010年10月21日 优先权日2010年10月21日
发明者史宏周, 史策 申请人:史宏周, 史策