CN102735292A - 一种差压式流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差压式流量测量装置，包括文丘里管、压差传感器、压力传感器、温度传感器、引压管路、集成变换器以及屏蔽电缆，文丘里管为一次机加成型，包括主体管路、安装法兰、六方凸台、平面凸台、密封接嘴等，压差传感器与压力传感器均通过引压管路与文丘里管的密封接嘴连接，差压传感器和垫块通过螺纹直接安装在文丘里管上，有效缩短了差压引压管路长度，温度传感器直接安装在密封接嘴上，差压传感器、压力传感器和温度传感器通过屏蔽电缆与集成变换器连接，由集成变换器进行温度补偿和融合处理输出模拟或数字信号，本发明测量装置具有测量精度高，抗冲击过载能力强，环境适应性好，测量范围宽，可靠性高等优点。

Description

一种差压式流量测量装置

技术领域

本发明涉及一种差压式流量测量装置，属于流量测量领域。

背景技术

流量传感器在航天遥测领域中具有重要应用。航天事业的高速发展与型号任务的不断更新，对流量传感器的环境适应性和抗冲击过载能力提出了更为迫切、严苛的设计要求。例如，对于使用氢氧发动机的运载火箭和新一代飞行器，其氧增压输送管道中的氧气流量测量至关重要，而目前工业领域中普遍采用的各种流量计均难以满足这种力学环境恶劣，温度变化显著的高速氧气流量测量要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种差压式流量测量装置，该装置具有测量范围宽、环境适应性好、抗大冲击和高过载的能力强，可靠性高、易维护等优点，可以应用于恶劣环境下具有高可靠性要求的各种气体质量流量测量领域。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种差压式流量测量装置，包括文丘里管、差压传感器、压力传感器、温度传感器、第一引压管路、第二引压管路、第三引压管路、垫块、第一卡箍、第二卡箍，集成变换器和屏蔽电缆，其中文丘里管为一次机加成型，包括主管路、两个安装法兰、平面凸台，三个六方凸台，四个密封接嘴和两个卡箍限位槽，主管路通过两端的两个安装法兰分别与上游被测管路和下游被测管路密封连接，平面凸台上安装垫块，差压传感器则安装在垫块上，第一密封接嘴通过第一引压管路与差压传感器的正向密封接嘴连接，第二密封接嘴通过第二引压管路与差压传感器的负向密封接嘴连接，第四密封接嘴通过第三引压管路与压力传感器的密封接嘴连接，第三密封接嘴用于安装温度传感器；两个卡箍限位槽分别对第一卡箍和第二卡箍进行限位，进一步提高文丘里管的抗冲击能力；差压传感器、压力传感器和温度传感器通过屏蔽电缆与集成变换器连接，由集成变换器进行统一数据融合处理。

在上述差压式流量测量装置中，差压传感器的底部通过螺钉安装在垫块的安装台面上，且差压传感器的正向压力接嘴和负向压力接嘴的根部焊缝处分别位于垫块两侧的两个半圆形卡槽中，两个半圆形卡箍分别通过螺钉紧固在两个半圆形卡槽上。

在上述差压式流量测量装置中，垫块通过四个螺钉和四个平垫片紧固安装在文丘里管的平面凸台上，平面凸台上刻有两个圆角矩形凹槽分别与垫块底部对应的两个圆角矩形块形成过渡配合，从而对垫块进行限位，提升抗冲击能力。

在上述差压式流量测量装置中，主管路包括上游直管段，收缩段，喉部直管段，发散段和下游直管段，其中上游直管段和下游直管段的内径D与上、下游被测管路的内径一致。

在上述差压式流量测量装置中，文丘里管上的六方凸台位于上游直管段上，六方凸台位于喉部直管段上，六方凸台位于下游直管段上。

在上述差压式流量测量装置中，引压管路与文丘里管上的密封接嘴之间，引压管路与差压传感器的正向压力接嘴和负向压力接嘴之间，引压管路与压力传感器的压力接嘴之间以及密封接嘴与温度传感器之间均采用标准的24°内锥配合双球头的密封结构，通过外套螺母进行紧固密封。

在上述差压式流量测量装置中，第一引压管路和第二引压管路的长度为50-100mm，且第一引压管路和第二引压管路的长度保持一致。

在上述差压式流量测量装置中，第一引压管路、第二引压管路和第三引压管路直接通过被测气体介质进行引压，无需采用液体引压。

在上述差压式流量测量装置中，文丘里管、差压传感器、压力传感器、温度传感器与引压管路均采用不锈钢材料。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明对测量装置进行了创新性的结构设计，将差压传感器通过垫块安装在文丘里管上，有效的缩短了差压传感器引压管路的长度，并保证了正负两个方向引压管路的对称性，既可以保证测量精度，又可以直接使用被测气体介质作为引压介质，无需用特殊液体作为引压介质，增加了该测量装置的环境适应性和抗冲击能力；

(2)本发明测量装置中差压传感器安装所用的垫块上设计有多种特殊的限位结构，对差压传感器提供三个方向的限位功能，同时对差压传感器两侧引压嘴根部的焊缝接口提供额外的紧固措施，有效的提升了测量装置的抗冲击能力；

(3)本发明测量装置中文丘里管包括主管路，安装法兰，平面凸台，六方凸台，密封接嘴，卡箍限位槽等采用强度较高的金属材料，整体一次机加成型，有效的减少了焊缝数量，保证了装置的气密性，有效提高了可靠性；

(4)本发明测量装置中差压传感器和压力传感器分别通过引压管路与文丘里管上的密封接嘴连接，温度传感器直接安装在密封接嘴上，密封方式均采用标准的金属硬密封结构，既保证了密封性能，又便于安装维护；

(5)本发明测量装置中差压传感器、压力传感器和温度传感器均通过屏蔽电缆与安装在现场环境相对较好位置的集成变换器连接，由集成变换器进行统一数据融合和补偿处理，各传感器单机不含处理电路，从而提高了测量装置的环境适应性；

(6)本发明测量装置中的文丘里管上加工有两个对称凹槽对两个卡箍进行限位，进一步提高文丘里管的抗冲击能力；

(7)本发明通过大量试验给出了差压传感器的第一引压管与第二引压管的最佳长度范围为50-100mm，更优选70mm，且两个引压管的长度保持一致，若引压管长度过长，压力的响应会因空腔效应减慢，若引压管长度过短，则导致差压传感器的敏感元件缺少必要的温度缓冲，从而直接暴露于高、低温气体之中，进而导致差压传感器内的敏感元件发生不可逆变化而影响测量精度，即引压管长度的确定需兼顾敏感元件的响应速度与安全特性；

(8)试验表明本发明流量系数的不确定度小于1％，达到高精度的测量标准；此外，本发明可以耐受4000g的冲击环境和150℃的高温环境。

附图说明

图1为本发明差压流量测量装置结构示意图；

图2为本发明差压流量测量装置文丘里管内部结构示意图；

图3为本发明差压流量测量装置差压传感器安装示意图；

图4为本发明差容式流量测量装置的流量系数在随雷诺数的变化曲线；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

差压式流量测量装置是根据文丘里效应设计的一种依据压差来衡量流量大小的节流式测量装置，由文丘里管的主体管路的管径收缩造成管道的局部流通截面缩小，使流速提高，动能增加，静压降低，从而在上游密封接嘴处与喉部密封接嘴处之间产生较大的压力差Δp，文丘里差压式流量测量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础的，其质量流量计算公式如下：

$q_m=\mathrm{C\ϵ}\×\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{2\sqrt{2}}\frac{{\mathrm{\β}}^2}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\sqrt{\mathrm{\ρ}}\·\sqrt{\mathrm{\Δp}}$

式中，q_m表示单位时间内流过管道的流体质量，C表示流出系数，ε为被测介质的可膨胀性系数，Cε通常被称为流量系数，D表示管道内径，β为节流直径比，即喉部内径d与管道内径D之比，ρ为介质密度。

本实施例的具体测量工况如下：测量介质为氧气，介质温度范围为-70℃～+150℃，流量测量范围为0.2～2kg/s，介质压力为0.1MPa～2MPa。

如图1所示为本发明差压流量测量装置结构示意图，由图可知测量装置包括文丘里管1、差压传感器2、压力传感器3、温度传感器4、第一引压管路5、第二引压管路6、第三引压管路7、垫块8、第一卡箍9、第二卡箍10、集成变换器11和屏蔽电缆12。文丘里管1采用强度高的金属材料，一次机加成型，差压传感器2采用高精度硅压阻式差压敏感元件，压力传感器3采用高精度绝压传感器。第一引压管路5、第二引压管路6和第三引压管路7直接通过被测气体介质氧气进行引压，无需采用液体引压。

如图2所示为本发明文丘里管的结构示意图，由图可知文丘里管1包括主管路13，安装法兰14、15，平面凸台16，六方凸台17、18、19，密封接嘴20、21、22、23，卡箍限位槽24，25。主管路13包括上游直管段26，收缩段27，喉部直管段28，发散段29，下游直管段30。上游直管段26和下游直管段30的内径D与被测管路的内径一致，收缩段27的收缩角θ依据丘里管设计规范GB/T 2624.4进行设计其范围在(21±1)°之间，发散段29的发散角α依据丘里管设计规范GB/T 2624.4进行设计其范围在(7～15)°之间，喉部直管段28的内径d，缩径比β等内部尺寸参数依据文丘里管设计规范GB/T2624.4进行设计，其中缩径比β需小于0.75，本实施例中，

α＝21°，θ＝7°，β＝0.7407。

安装法兰14、15的两个端面分别刻有密封槽31和32，文丘里管1通过安装法兰14、15分别与上游被测管路和下游被测管路通过螺栓进行紧固密封连接，密封槽31、32的具体尺寸与选用的橡胶密封圈尺寸匹配，螺栓的公称直径和个数根据实际工况中的安装强度要求而定，本实施例中每个安装法兰选用12个M8螺栓。

本实施例中文丘里管1上设计有三个六方凸台17，18和19。六方凸台17位于文丘里管1的上游直管段26上，六方凸台18位于喉部直管段28上，六方凸台19位于下游直管段30上。文丘里管1上的密封接嘴20、21分别位于六方凸台17和18方向相同的两个台面上，密封接嘴20通过第一引压管路5与差压传感器2的正向密封接嘴40连接，密封接嘴21通过第二引压管路6与差压传感器2的负向密封接嘴41连接，密封接嘴23通过第三引压管路7与压力传感器3的密封接嘴63连接，位于六方凸台17上，所处台面不同于密封接嘴20的所处台面，本实施例中位于密封接嘴20的所处台面的相对台面。密封接嘴22位于六方凸台19上与密封接嘴20、21所处台面方向相同的台面，用于安装温度传感器4。因为气流经过文丘里管道后的温度变化很小，具体实施时，温度传感器4的安装位置既可以安装在上游，也可以安装在下游，本实施例中，安装在下游直管段30的密封接嘴22上。

如图3所示为本发明差压式流量测量装置差压传感器的安装示意图，平面凸台16用于安装垫块8和差压传感器2，其安装台面上设计有4个M5螺孔。垫块8通过四个M5螺钉42、43、44、45和四个平垫片46、47、48、49紧固安装在文丘里管1的平面凸台16上。平面凸台16上刻有两个圆角矩形凹槽38、39与垫块8底部对应的圆角矩形块50、51形成过渡配合，从而对垫块8进行限位，提升抗冲击能力。

本实施例中，差压传感器2的底部通过四个M5螺钉52、53、54、55安装在垫块8的安装台面上。差压传感器2的正向压力接嘴40和负向压力接嘴41的根部焊缝处位于垫块8两侧的半圆形卡槽57、58中，两个半圆形卡箍59、60通过四个M2.5螺钉61、62、63、64紧固在卡槽57、58上，该设计可以在冲击过程中对压力接嘴焊缝处提供保护，提高抗冲击能力。

为进一步提高文丘里管1的抗冲击能力，本实施例采用两个卡箍9、10进行紧固，文丘里管1上加工有两个对称凹槽24、25，分别对卡箍9、10进行限位，如图1所示。

差压传感器2、压力传感器3和温度传感器4通过屏蔽电缆12与安装在现场环境相对较好位置的集成变换器11连接，由集成变换器11统一进行温度补偿和融合处理输出模拟或数字信号，各传感器单机不含处理电路，以提高测量装置的环境适应性。

本实施例中，引压管路5、6、7与文丘里管1上的密封接嘴20、21、22之间，引压管路5、6与差压传感器的正向和负向压力接嘴40和41之间，引压管路7与压力传感器3的压力接嘴63之间，以及密封接嘴23与温度传感器4之间均采用标准的24°内锥配合双球头的密封结构，通过M14外套螺母进行紧固密封。本发明的硬密封结构可以根据实际情况选用其它标准密封结构。

在工业应用中，引压管路中通常填充液体来传导压力，而在许多振动冲击力学环境恶劣的军用工况中，基于安全性角度考虑，不允许采用液体来传导压力。本发明中，压力和差压的引压管均采用气体直接传导。通常被测介质的静压变化较为缓慢，所以压力传感器3的引压管路7可以稍长一点，从而可以将压力传感器3安装在温度和力学环境较好的位置。测量介质的差压信号变化明显快于压力信号的变化，所以差压传感器2的引压管路5和6应尽量短，而且两个引压管路的长度必须尽量保持一致，以降低管腔效应对流量测量精度的影响。另一方面，对一些被测介质温度急剧变化的工况，引压管路5和6的长度不能太短，若长度过短，则导致差压传感器的敏感元件缺少必要的温度缓冲，从而直接暴露于高、低温气体之中，进而导致差压传感器内的敏感元件发生不可逆变化而影响测量精度。若长度过长，压力的响应会因空腔效应减慢。即引压管长度的确定需兼顾敏感元件的响应速度与安全特性。本实施例中两个引压管路5和6的长度相同，均为50-100mm之间，最佳长度为70mm，差压传感器2采用硅压阻式压差敏感元件。

本实施例中，考虑氧气环境下的材料安全性问题，文丘里管1、差压传感器2，压力传感器3，温度传感器4，引压管路5、6、7等与氧气流直接接触的零部件均采用不锈钢材料。

如图4所示为本实施例中差压式流量测量装置在介质压力和温度不同的各种工况下流量系数随雷诺数的变化情况，图中可以看出流量系数的不确定度小于1％，测量精度较高。经过试验，本实施例中流量测量装置可以耐受4000g的冲击环境和150℃的高温环境。

尽管已经详细说明和描述了本发明的优选实施例，但在不脱离本发明的精神或所附的权利要求范围的情况下，可以做出各种修改，这对本领域的工程技术人员是很显然的。例如，正对不同的测量范围或测量管径，改变文丘里管的结构尺寸等。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种差压式流量测量装置，其特征在于：包括文丘里管(1)、差压传感器(2)、压力传感器(3)、温度传感器(4)、第一引压管路(5)、第二引压管路(6)、第三引压管路(7)、垫块(8)、第一卡箍(9)、第二卡箍(10)，集成变换器(11)和屏蔽电缆(12)，其中文丘里管(1)为一次机加成型，包括主管路(13)、两个安装法兰(14、15)、平面凸台(16)，三个六方凸台(17、18、19)，四个密封接嘴(20、21、22、23)和两个卡箍限位槽(24、25)，主管路(13)通过两端的两个安装法兰(14、15)分别与上游被测管路和下游被测管路密封连接，平面凸台(16)上安装垫块(8)，差压传感器(2)则安装在垫块(8)上，第一密封接嘴(20)通过第一引压管路(5)与差压传感器(2)的正向密封接嘴(40)连接，第二密封接嘴(21)通过第二引压管路(6)与差压传感器(2)的负向密封接嘴(41)连接，第四密封接嘴(23)通过第三引压管路(7)与压力传感器(3)的密封接嘴(63)连接，第三密封接嘴(22)用于安装温度传感器(4)；两个卡箍限位槽(24、25)分别对第一卡箍(9)和第二卡箍(10)进行限位，进一步提高文丘里管(1)的抗冲击能力；差压传感器(2)、压力传感器(3)和温度传感器(4)通过屏蔽电缆(12)与集成变换器(11)连接，由集成变换器(11)进行统一数据融合处理。

2.根据权利要求1所述的一种差压式流量测量装置，其特征在于：所述差压传感器(2)的底部通过螺钉安装在垫块(8)的安装台面上，且差压传感器(2)的正向压力接嘴(40)和负向压力接嘴(41)的根部焊缝处分别位于垫块(8)两侧的两个半圆形卡槽(57、58)中，两个半圆形卡箍(59、60)分别通过螺钉紧固在两个半圆形卡槽(57、58)上。

3.根据权利要求1所述的一种差压式流量测量装置，其特征在于：所述垫块(8)通过四个螺钉(42、43、44、45)和四个平垫片(46、47、48、49)紧固安装在文丘里管(1)的平面凸台(16)上，平面凸台(16)上刻有两个圆角矩形凹槽(38、39)分别与垫块(8)底部对应的两个圆角矩形块(50、51)形成过渡配合，从而对垫块(8)进行限位，提升抗冲击能力。

4.根据权利要求1所述的一种差压式流量测量装置，其特征在于：所述主管路(13)包括上游直管段(26)，收缩段(27)，喉部直管段(28)，发散段(29)和下游直管段(30)，其中上游直管段(26)和下游直管段(30)的内径D与上、下游被测管路的内径一致。

5.根据权利要求4所述的一种差压式流量测量装置，其特征在于：所述文丘里管(1)上的六方凸台(17)位于上游直管段(26)上，六方凸台(18)位于喉部直管段(28)上，六方凸台(19)位于下游直管段(30)上。

6.根据权利要求1所述的一种差压式流量测量装置，其特征在于：所述引压管路(5、6、7)与文丘里管(1)上的密封接嘴(20、21、22)之间，引压管路(5、6)与差压传感器(2)的正向压力接嘴(40)和负向压力接嘴(41)之间，引压管路(7)与压力传感器(3)的压力接嘴(63)之间以及密封接嘴(23)与温度传感器(4)之间均采用标准的24°内锥配合双球头的密封结构，通过外套螺母进行紧固密封。

7.根据权利要求1所述的一种差压式流量测量装置，其特征在于：所述第一引压管路(5)和第二引压管路(6)的长度为50-100mm，且第一引压管路(5)和第二引压管路(6)的长度保持一致。

8.根据权利要求1所述的一种差压式流量测量装置，其特征在于：所述第一引压管路(5)、第二引压管路(6)和第三引压管路(7)直接通过被测气体介质进行引压，无需采用液体引压。

9.根据权利要求1所述的一种差压式流量测量装置，其特征在于：所述文丘里管(1)、差压传感器(2)、压力传感器(3)、温度传感器(4)与引压管路(5、6、7)均采用不锈钢材料。

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