CN101881640A - 涡街质量流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡街质量流量计，包括：测量管、设置在测量管内部的漩涡发生体及流量检测元件。测量管由依次相连的入口段、收缩段、喉部、扩张段和出口段组成，入口段和出口段是直径相同的直圆管，收缩段和扩张段为锥度相同的圆锥管，喉部为内径小于入口段内径的直圆管；漩涡发生体及流量检测元件均设置在测量管的喉部。本发明的收缩段的作用是调整流场和提高流速，扩张段的作用是把被收缩段收缩了的管径恢复到原来管径。收缩段和扩张段都能提高测量管的压力损失。通过将漩涡发生体及流量检测元件均设置在测量管的喉部，由于流体经过收缩段的加速作用，所以在喉部测量流量，可有效降低流量计的下限流量值，提高流量计的量程范围。

Description

涡街质量流量计

技术领域

本发明涉及涡街质量流量计技术领域，更具体地说，特别涉及一种宽量程的涡街质量流量计。

背景技术

涡街流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸汽等多种介质。其特点是压力损失小，量程范围大，精度高。无可动机械零件，因此可靠性高，维护量小。仪表参数能长期稳定。有模拟标准信号也有数字脉冲信号输出，容易与计算机等数字***配套使用，是一种比较先进、理想的流量计。涡街流量计通过在流体中设置三角柱旋涡发生体，则从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的其频率正比于流速的两列旋涡，通过测量漩涡的频率获得体积流量值。

目前的涡街流量计测量质量流量时均采用直圆管作流量计的测量管，在旋涡发生体前后取差压信号，由于仅靠旋涡发生体产生差压信号，导致其差压值较低，在测量小流量时则差压值更低，所以流量计的下限流量不能太小，流量计的量程范围不够宽。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种涡街质量流量计，以解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种涡街质量流量计，包括：测量管、设置在所述测量管内部的漩涡发生体及流量检测元件、差压传感器和流量转换器，设置于所述测量管上且分别位于所述漩涡发生体上、下游的上游取压口和下游取压口，上游取压口和下游取压口通过取压管和所述差压传感器相连，所述测量管由依次相连的入口段、收缩段、喉部、扩张段和出口段组成，入口段和出口段是直径相同的直圆管，收缩段和扩张段为锥度相同的圆锥管，喉部为内径小于入口段内径的直圆管；

所述漩涡发生体及流量检测元件均设置在所述测量管的喉部。

优选的，上述涡街质量流量计中，所述上游取压口和下游取压口分别设置在所述测量管的入口段和出口段。

优选的，上述涡街质量流量计中，所述上游取压口设置在所述测量管的入口段轴向长度的二分之一处；

所述下游取压口设置在所述测量管的出口段轴向长度的二分之一处。

优选的，上述涡街质量流量计中，还包括安装在所述扩张段上的整流架。

优选的，上述涡街质量流量计中，所述整流架为十字形或井字形的导流结构。

优选的，上述涡街质量流量计中，所述整流架在待测流体流动方向上的长度为0.5-0.8倍的入口段的内孔直径。

优选的，上述涡街质量流量计中，所述入口段的内径与所述喉部的内径的比值大于1且不大于2.6。

优选的，上述涡街质量流量计中，该涡街质量流量计为一体式结构。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的涡街质量流量计通过将测量管设计为五部分组成，即入口段和出口段是直径相同的直圆管，收缩段和扩张段为锥度相同的圆锥管，喉部为内径小于入口段内径的直圆管。收缩段的作用是调整流场和提高流速，扩张段的作用是把被收缩段收缩了的管径恢复到原来管径。收缩段和扩张段都能提高测量管的压力损失。通过将漩涡发生体及流量检测元件均设置在测量管的喉部，由于流体经过收缩段的加速作用，所以在喉部测量流量，可有效降低流量计的下限流量值，提高流量计的量程范围。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的测量管的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的涡街质量流量计的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的流量计的电气原理框图；

图4为本发明实施例提供的整流架的结构示意图；

图5为图4的侧视图。

具体实施方式

本发明公开了一种涡街质量流量计，以降低流量计的下限流量值，提高流量计的量程范围。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图2，图1为本发明实施例提供的测量管的结构示意图，图2为本发明实施例提供的涡街质量流量计的结构示意图。

其中，1为入口段，2为收缩段，3为喉部，4为扩张段，5为出口段，6为漩涡发生体，7为流量检测元件，8为整流架，9为法兰盘，10为上游取压口，11为下游取压口，12为上游取压管，13为下游取压管，14为差压传感器，15为流量转换器。

本发明提供的涡街质量流量计，包括：测量管、设置在所述测量管内部的漩涡发生体6及流量检测元件7、差压传感器14和流量转换器15，设置于所述测量管上且分别位于所述漩涡发生体6上、下游的上游取压口10和下游取压口11，上游取压口10和下游取压口11分别通过上游取压管12和下游取压管12与所述差压传感器14相连。其中，测量管由依次相连的入口段1、收缩段2、喉部3、扩张段4和出口段5组成，入口段1和出口段5是直径相同的直圆管，它们的内径均与流量计的公称通径D相同。收缩段2和扩张段4为锥度相同的圆锥管。喉部3是一段内径为D₁的直圆管，分别与收缩段2的出口和扩张段4的入口连接，构成对称形结构，将漩涡发生体6及流量检测元件7均设置在测量管的喉部3。收缩段2是把直径从D缩小到D₁的圆锥管，扩张段4是把直径从D₁扩大到D的圆锥管。

收缩段2的作用是调整流场和提高流速。扩张段4的作用是把被收缩段收缩了的管径D₁恢复到原来管径D。收缩段2和扩张段4都能提高测量管的压力损失。本发明通过将漩涡发生体6及流量检测元件7均设置在测量管的喉部3，由于流体经过收缩段的加速作用，使流经喉部的流体流速比流量计口处的流速提高了(D/D₁)²倍。所以在喉部测量流量，可有效降低流量计的下限流量值，提高流量计的量程范围。

上游取压口10和下游取压口11分别设置在所述测量管的入口段1和出口段5。优选的，将上游取压口10设置在所述测量管的入口段1轴向长度的二分之一处；将下游取压口11设置在所述测量管的出口段5轴向长度的二分之一处。通过差压传感器14把差压信号转换成电信号，送往流量转换器15的另一输入端，进行信号处理和运算。

本发明的测量过程：流体以流速U从入口段1进入收缩段2，由于收缩段2的提速作用，流体流经收缩段2时，流速从U提高到U₁，且U₁为U的(D/D₁)²倍。流体以较高的流速U₁从收缩段2进入喉部3。在喉部3设置了旋涡发生体6和流量检测元件7。随着流体的流动，旋涡发生体6产生卡曼涡街，涡街信号被流量检测元件7检测，并输送到流量转换器15进行处理。流体流经测量管时，由于收缩段2、喉部3、扩张段4的节流作用，造成流体的压力损失。

在测量管的入口段1和出口段5的中间位置处，设置了上游取压口10和下游取压口11，通过上游取压管12和下游取压管13，取出流经测量管的前端与后端的压力差，即压力损失ΔP，送到差压传感器14。经差压传感器14，测出差压信号，送到流量转换器15的另一输入端进行处理。

两路信号经过转换器15的转换处理与运算，获得质量流量。流量计的电气原理框图如图3所示。

本发明在差压测量环节，为了取得稳定的差压，在下游取压口11前方，扩张段4的后部安装了整流架8，对从喉部流出的含有旋涡的流体进行整流，调整流场，消除旋涡的扰动，减小下游取压口11处的压力波动，提高差压的稳定度。该整流架8为十字形或井字形的导流结构。如图4、图5所示，根据流量计的通径不同，整流架可选用0.5毫米到1.5毫米厚的不锈钢板制造。整流架8在待测流体的流动方向上的长度为(0.5-0.8)D(D为流量计的公称通径，即入口段1的内径)。

本发明通过改变收缩比D/D₁或收缩段2的圆锥角的方法来改变、调节流量计的量程范围。收缩比可根据流量计的公称通径D，被测流体的最小流量值选择确定。通常收缩比的取值范围为：1＜D/D₁≤2.6。

本发明采用一体化结构，将流量计的测量管，旋涡发生体6，流量检测元件7，差压传感器14，流量转换器15设计成一体，具有一体化智能化等特点。

本发明应用了涡街流量计的流量特性和阻力特性，通过测量旋涡信号频率和流量计的压力损失，实现质量流量的测量。这种流量计具有量程范围宽，无可动部件、可靠性高、安装方便，适用介质类型多等特性。它可以测量流体的质量流量，也可测量流体的体积流量。流量计可广泛用于冶金、电力、化工、石油、天然气、轻工等行业中的气体、液体、蒸汽等的流量测量。

流量计的流量特性

流量计的测量管的轴向剖面图如图1所示。流量计测量管由入口段1，收缩段2，喉部3，扩张段4，出口段5组成。入口段1和出口段5是直径为D的直圆管；喉部是直径为D₁的直圆管；收缩段是把直径从D缩小到D₁的圆锥管；扩张段是把直径从D₁扩大到D的圆锥管。

当流体流经测量管喉部3时，安装在喉部3的旋涡发生体6产生卡曼涡街，旋涡信号被安装在喉部的流量检测元件7检测。旋涡频率f为：

$f=\mathrm{Sr}\frac{U_1}{\mathrm{md}}---\left(1\right)$

根据流体连续性原理，测量管入口段1的流速U与喉部3的流速U₁的关系为：

$U_1={\left(\frac{D}{D_1}\right)}^{2}U---\left(2\right)$

所以： $f=\mathrm{Sr}\frac{U}{\mathrm{md}}{\left(\frac{D}{D_1}\right)}^2---\left(3\right)$

以上两式中：

f-旋涡频率，Hz；

Sr-斯特劳哈尔数；

d-旋涡发生体特性宽度，m；

m-发生体两侧的流通面积与喉部圆面积之比；

U₁-喉部平均流速，m/s；

U-流量计入口段与出口段的平均流速，m/s；

D₁-喉部直径，m；

D-入口段与出口段直径(流量计公称通径)，m。

流量计的阻力特性

流体流经测量管时，由于测量管的收缩段2、扩张段4以及旋涡发生体6的节流作用，引起流体的压力损失为ΔP，ΔP由三部分组成：

ΔP＝ΔP₁+ΔP₂+ΔP₃         (4)

式中：ΔP₁-收缩段2的压力损失，Pa；

ΔP₂-喉部3的压力损失，Pa；

ΔP₃-扩张段4的压力损失，Pa。

各段压力损失分别为：

${\mathrm{\ΔP}}_1=\frac{1}{2}{C}_{D1}{\mathrm{\ρU}}_1^2=\frac{1}{2}{C}_{D1}\mathrm{\ρ}{\left(\frac{D}{D_1}\right)}^4{U}^2---(5-1)$

${\mathrm{\ΔP}}_2=\frac{1}{2}{C}_{D2}{\mathrm{\ρU}}_1^2=\frac{1}{2}{C}_{D2}\mathrm{\ρ}{\left(\frac{D}{D_1}\right)}^4{U}^2---(5-2)$

${\mathrm{\ΔP}}_3=\frac{1}{2}{C}_{D3}{\mathrm{\ρU}}^2---(5-3)$

式中：C_D1-收缩段阻力系数；

C_D2-喉部阻力系数；

C_D3-扩张段阻力系数。

流量计总压力损失ΔP为：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{1}{2}[C_{D1}{\left(\frac{D}{D_1}\right)}^4+C_{D2}{\left(\frac{D}{D_1}\right)}^4+C_{D3}]{\mathrm{\ρU}}^2=\frac{1}{2}{C}_D{\mathrm{\ρU}}^2---\left(6\right)$

从(6)式中可知，流量计的总阻力系数C_D为：

$C_D=C_{D1}{\left(\frac{D}{D_1}\right)}^4+C_{D2}{\left(\frac{D}{D_1}\right)}^4+C_{D3}.---\left(7\right)$

质量流量

以(6)式除以(3)式，经整理后可以得到：

$\mathrm{\ρU}=\frac{2\mathrm{Sr}}{C_D\mathrm{md}}{\left(\frac{D}{D_1}\right)}^2\frac{\mathrm{\ΔP}}{f}---\left(8\right)$

质量流量q_m为：

$q_m=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2\mathrm{\ρU}=\frac{\mathrm{\π}{D}^2\mathrm{Sr}}{{2C}_D\mathrm{md}}{\left(\frac{D}{D_1}\right)}^2\frac{\mathrm{\ΔP}}{f}=K_m\frac{\mathrm{\ΔP}}{f}---\left(9\right)$

令(9)式K_m为质量流量系数，则：

$K_m=\frac{{\mathrm{\πD}}^2\mathrm{Sr}}{{2C}_D\mathrm{md}}{\left(\frac{D}{D_1}\right)}^2---\left(10\right)$

在(9)和(10)式中：

q_m-质量流量，kg/s；

K_m-质量流量系数。

从(9)式中可以看出质量流量q_m与压力损失ΔP成正比，与旋涡频率f成反比。由于式中的其它量都是已知的确定量，因此只要测出压力损失ΔP和旋涡频率f，就可以实现质量流量的测量。

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。

Claims (8)

1.一种涡街质量流量计，包括：测量管、设置在所述测量管内部的漩涡发生体及流量检测元件、差压传感器和流量转换器，设置于所述测量管上且分别位于所述漩涡发生体上、下游的上游取压口和下游取压口，上游取压口和下游取压口通过取压管和所述差压传感器相连，其特征在于，所述测量管由依次相连的入口段、收缩段、喉部、扩张段和出口段组成，入口段和出口段是直径相同的直圆管，收缩段和扩张段为锥度相同的圆锥管，喉部为内径小于入口段内径的直圆管；

所述漩涡发生体及流量检测元件均设置在所述测量管的喉部。

2.根据权利要求1所述的涡街质量流量计，其特征在于，所述上游取压口和下游取压口分别设置在所述测量管的入口段和出口段。

3.根据权利要求2所述的涡街质量流量计，其特征在于，所述上游取压口设置在所述测量管的入口段轴向长度的二分之一处；

所述下游取压口设置在所述测量管的出口段轴向长度的二分之一处。

4.根据权利要求1所述的涡街质量流量计，其特征在于，还包括安装在所述扩张段上的整流架。

5.根据权利要求4所述的涡街质量流量计，其特征在于，所述整流架为十字形或井字形的导流结构。

6.根据权利要求4或5所述的涡街质量流量计，其特征在于，所述整流架在流体流动方向上的长度为0.5-0.8倍的入口段的内孔直径。

7.根据权利要求1所述的涡街质量流量计，其特征在于，所述入口段的内径与所述喉部的内径的比值大于1且不大于2.6。

8.根据权利要求1所述的涡街质量流量计，其特征在于，该涡街质量流量计为一体式结构。

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