CN108088511B - 一种薄壁圆筒形离心式气体流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体流量计，利用差压方法测量气体的体积流量，流量计包括：进气口、前气道、前取压点、薄壁园筒形离心式腔体（以下简称：腔体）、后气道、后取压点和出气口等。利用园筒形腔体形成离心力使气体与薄壁腔体表面进行充分碰撞，减少气体分子动能，导致流过腔体的气体压力减少，通过差压传感器测量出气体流经腔体前后压力的变化，并可通过温度传感器进行补偿，从而计算出气体的体积流量。本发明气体流量计可以实现差压传感器的测量值与气体流量呈线性对应关系。该流量计重复性好，精度高，耐用性强，适用于各种气体的测量，具有很好的实用性。

Description

一种薄壁圆筒形离心式气体流量计

技术领域

本发明涉及一种气体流量计,可以应用于工业仪表测量和医疗器械等领域，例如可以在医用呼吸机和麻醉机中，对各种气体的流量进行高精度的测量。

背景技术

目前市场上广泛采用一种传统的板孔式气体流量计，利用压差传感器测量气道中节流元件两端气态压力差的方法来对气体的质量和流量进行测量，这种板孔式气体质量流量计存在以下主要缺点：

（1）气体流量的量程比较低；

（2）气体流量的线性度差；

（3）在使用过程中，不易进行校准；

因此传统的板孔式差压法气体流量计，适用于气体流量较大，且精度要求不高的测量场合。

目前，在医疗领域使用的呼吸机和麻醉机上所配置的气体流量计，多采用热丝加热原理制成的传感器（以下简称：热丝式气体流量传感器），对病人所呼吸的氧气、空气和混合气体进行测量。但是热丝式气体流量传感器具有以下两个主要缺点：

（1）热丝式气体流量传感器的测量精度会受到气体所含水分的影响；

（2）热丝经一定时间的使用后会产生消耗，尤其当被测量气体含水量较高时，含水量越高，热丝消耗的就越快，使用寿命会大大缩短。

发明内容

本发明是一种采用差压法测量气体流量的装置，结构简单，实时响应快，测量精度高，克服了传统的板孔式差压法气体流量计量程比低、非线性不易校准等缺点，同时也克服了热丝式气体流量传感器容易受气体含水的影响，使用寿命短的缺点。本发明可以实现差压传感器的测量值与气体流量呈线性对应关系的技术要求，可应用于工业气体流量的检测和各种气体分析仪，也可以在呼吸机和麻醉机中用于对各种气体流量进行测量。

本发明是一种薄壁园筒形离心式气体流量计（以下可简称：流量计）。该流量计的结构与传统的差压板孔式流量计略有相似之处，即都是通过差压传感器测量气道中截流元件两端的压力差来测量气体的体积流量，耐用性好。但是板孔式气体流量计的存在主要如下缺点：量程比低，一般只有（3～4:1），线性度差，流量值与差压传感器的测量值呈现为指数对应关系，不便于校准，重复测量精度低。以上这些极大地制约了差压板孔式流量计对于流量变化的适应能力。本发明的流量计从原理上对截流元件进行了改变，由于实现了差压传感器的测量值与气体流量呈现线性对应关系的技术要求，可将量程比提高到（10～15:1），线性度好，校准简单，并采用温度补偿，重复测量精度高。同时，本发明相比热丝式气体流量传感器，克服了由于受气体含水的影响以及热丝损耗导致存在使用寿命的问题。本发明的截流元件是纯机械结构，经久耐用、实用性好。

本发明的薄壁园筒形流量计包括：前气道3、前端取压点4、后气道17、后端取压点15、薄壁园筒形离心式腔体1、差压传感器9、温度传感器16等。

本发明装置气体流动方式如下：（见图1、图3）截流元件是位于装置中心位置的薄壁园筒形离心式腔体1（以下可简称：腔体），该腔体设计成圆柱形筒状，气体从进气口2流入，经前气道3进入腔体。进入腔体后，气体首先经过前纵向导流槽（见图6、图7）被均匀的展开，沿着薄壁圆筒形轨迹表面流动，经后导流槽将气体进行汇聚，再进入后气道17，最后由出气口18流出。

本发明装置的截流元件和差压传感器的具体测量方法如下：薄壁园筒形离心式腔体1（见图3）是由圆柱体18与气道本体5之间形成的缝隙形成的，腔体呈现薄圆筒形，前端取压点4处的压力是通过前端取压口7和前端取压管10接通到差压传感器9的一端；后端取压点14处的压力是通过后端取压口13和后端取压管11接通到差压传感器9的另一端；圆柱体18的两端分别由上密封盖12、上密封圈6和下密封盖20、下密封圈19加紧固定。一般在呼吸机流量测量应用中，要求形成的薄壁厚度仅仅在0.3至0.6毫米左右，在其他需要测量较大气体流量的场合，可以适当增加腔体体积和薄壁的厚度。

本发明的原理如下：本发明是利用腔体增加了气体分子与金属壁之间的接触面积，在离心力的作用下，会使气体分子与金属壁进行充分碰撞，导致气体分子的动能减少，宏观上表现为气体压力下降，气体流量的增加与气体压力下降大小成正比，通过测量腔体前后的压力差的大小数值，就可以计算出相应的气体体积流量。通过实验得出，只要能保证足够的腔体接触面积，差压传感器的测量值与气体的流量值之间就能呈现出线性对应关系。理论上可通过两个测量点导出该线性方程。根据被测量气体的种类不同，可通过已标定的气体分析仪对该装置进行气体体积流量和压差对应关系的标定。

本发明所述的薄壁园筒形离心式腔体1，在圆柱体19主轴的两端是密封的。该密封可以保证围绕圆柱体两侧的薄壁腔体之间是相互独立的流动空间。

本发明可以通过在前气道3或后气道17设置有温度传感器16，通过测量气体的温度，对气体流量进行温度补偿。

本发明适用于空气、氧气等任何种类的气体，包括腐蚀性气体。可以应用于工业仪表测量和医用呼吸机或麻醉机用于空气、氧气或其他气体流量的测量以及空气和氧气等混合后气体的测量。

本发明的主要特点：1）测量精度高。测量精度可达到1％；2）线性对应关系，只要保证被测量的气体在腔体内与金属壁有充分地碰撞面积，测量出的差压值与对应的气体流量严格成正比关系，校准方便；3）低成本。由于该装置主体加工工艺简单，容易保证一致性。相比热丝式气体流量传感器成本低很多；4）耐水性能好。发明装置的一个明显的特点，是纯机械结构，因此具有很好的耐水性，使用寿命长。又相比于热丝式气体流量传感器，尤其是在经过压缩气体减压后含有的水分不易于去除的情况下，会造成热丝式气体流量传感器的损坏，即便是干燥条件下，热丝式气体流量传感器也是有一定的使用寿命，因此该发明克服了热丝式气体流量传感器使用寿命短的缺点。

附图说明：

图1是根据本发明一个实施例的流量计的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的流量计的结构示意图的俯视图；

图3是根据本发明一个实施例的流量计的结构示意图的Ｂ-Ｂ向剖视图；

图4是根据本发明一个实施例的流量计的结构示意图的左视图；

图5是根据本发明一个实施例的流量计的气道本体中腔体部分的安装图；

图6是根据本发明一个实施例的流量计中圆柱体的示意图；

图 7是根据本发明一个实施例的流量计中圆柱体示意图的C-C向剖视图；

图 8是根据本发明一个实施例的流量计中气体流过离心式腔体时的示意图；

图 9是根据本发明一个实施例的流量计用于测量流量计100的气路图；

图 10是根据本发明一个实施例的流量计经过实验得出的气体流量与差压值对应关系曲线。

附图标记说明：

1、薄壁园筒形离心式腔体；2、进气口；3、前气道；４、前端取压点；５、气道本体；６、上密封圈；7、前端取压出口；8、线路板；9、差压传感器；10、前端取压管；11、固定螺丝； 12、后端取压管； 13、上密封盖板；

14、后端取压出口；15、后端取压点；16、温度传感器； 17、后气道；

18、出气口； 19、圆柱体； 20、下密封圈；21、下密封盖板；22、压缩气体入口；23、减压阀；24、手动气体流量调节器；25、流量计１００；26、气体分析仪；27、检测气体出口。

具体实施方式：

下面详细描述本发明的实施例，所述实例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似的功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1至图8描述依据本发明实施例的流量计100。

在本发明的一个实施例中，其中气道本体5、圆柱体19、上密封盖板13、下密封盖板21等可以为金属加工制成，也可以使用非金属加工制成。在其它应用时以上零件也可以根据需要用塑料加工或注塑成型。

在本发明的一个实施例中，主要安装方法如下：如图1和5所示，由于大多数的零件都是基于安装在气道本体5 上的。其中圆柱体19是***气道本体5的中心孔内，两者之间为滑动配合。将上密封圈6、上密封盖板13和下密封圈20、下密封盖板21分别放置在上下两侧，并用固定螺丝11拧紧固定，这样在气道本体5的中心孔和圆柱体19之间就形成了一个很薄的圆柱筒形状的腔体，该腔体称为薄壁园筒形离心式腔体1。该流量计可测量气体的范围大小与园筒形腔体的纵向高度和腔体的展开面积相关。换句话说就是：圆柱体的直径越大，纵向越长，则允许测量气体的流量就越大。

在本发明的一个实施例中，流量计100还包括进气口2和出气口18，如图1所示。进气口2和出气口18可以采用标准的气动快速接头，也可以用自制的其他方式的连接接头，要求所连接的进出气管的内径尺寸与前气道3和后气道17的内径大小基本相当，避免由于内径突变对气体流动产生严重的湍流或喷射现象。

在本发明的一个实施例中，流量计100还包括前气道3、后气道17，如图1所示。前气道3、后气道17正对着圆柱体中心的垂直方向，并保持在同一条直线上，内壁尽量保持光滑，气道的直径大小可依据测量范围来定，但是相对过小直径会增加气道的阻力，而相对过大的直径，气道也会降低测量的灵敏度。

在本发明的一个实施例中，流量计100还包括前端取压点4、前气道3、后端取压点15、后气道17，如图1所示。前端取压点4将前气道3与前端取压出口7连通，后端取压点15将后气道17与后端取压出口14连通，再分别通过前端取压管10和后端取压管12连接到差压传感器9的两个输入端口。前端取压点4和后端取压点15与圆柱体19等距，其大小应约等于气道管的直径。

在本发明的一个实施例中，流量计100还包括一个温度传感器16，用于对流量进行温度补偿，如图1和图3所示。温度传感器16位于后气道17处，也可以位于前气道3处。温度传感器16有两种安装位置的方式：第一，温度传感器16的腔体不与气道连通，但是应该置于距气道较近的位置，基本可以测量出气道内气体的温度。此种方式的缺点是，当气体温度快速发生变化时，温度传感器16的温度会存在一定的滞后，优点是安装和更换温度传感器16比较简单。第二，温度传感器16的腔体与气道连通，温度传感器16暴露在气道中间，但是需要将温度传感器16的***部分与气道用密封胶进行密封。此种方式的缺点是，当上述密封一旦不好会导致漏气，安装和更换温度传感器16比较麻烦。优点是温度传感器16对气体温度的变化反应快，延迟短。

在本发明的一个实施例中，流量计100还包括一个圆柱体19，如图6、图7所示。圆柱体19两侧有纵向导气槽，该导气槽作用是将气体进行分流或汇聚。

在本发明的一个实施例中，需要注意的方面有：当流量计100组装完成后，将焊接好差压传感器9的电路板用螺丝固定在上密封盖板13的上方，尽量使得差压传感器9位于圆柱体19中心轴线上方的延长位置，这样就可以保证前取压管10和后取压管12的长度等长。

在本发明的一个实施例中，需要对流量计100进行试验标定，即在验证实际气体流经流量计100时，观察气体流量值与差压传感器9测量出的数值是否呈现线性的对应关系。具体方法如下：首先按图9所示连接气路。该实验所用气体可以由高压气瓶或气体压缩机产生，气源先经减压阀进行减压，通过手动流量调节器设定流量，流量计100作为被测量元件，气体分析仪用于测量气体流量，由差压传感器9测量流量计100两个取压口的差压值。这里选用的差压传感器要求是线性的，也就是说测量的差压值与输出电压值是呈现线性对应关系的。通过采集若干个测量点，并将结果描绘出流量与电压曲线，从而找出对应关系。

实验开始时，先调节手动流量调节器，将流量设定为1L/min，观察气体分析仪的流量显示值，再读出该流量下差压传感器9的输出电压值。重复上述过程，可分别将流量设定为2、3、4 ... 15 … 20 …等数值，读出对应的差压传感器9的输出电压值。图10是本发明的一个实施例中，根据测量的对应值绘制的气体流量与差压传感器输出的电压值的曲线图。可以看出实验曲线近似于一条直线，由此证明通过本发明流量计100测量出的气体的流量值与差压传感器输出电压值是呈现线性对应关系。

曲线1和曲线2分别是流量计100在32℃和15℃条件下测量出的曲线，通过实验曲线可以得出以下两点结论：第一是气体流量与差压传感器输出的电压值呈现出很好的线性对应关系；第二是气体在不同的温度下，曲线会进行上下平移，但是不影响上述的线性对应关系。需要说明的是，如果实验得出的数据线性关系不是很好，可能是以下几个方面的原因：腔体间隙太小，气体阻力较大，会造成流量范围减小；反之腔体间隙过大，气体与腔体壁不能充分的碰撞，气体动能减少的就小，尤其在较大的流量时更加明显。以上两种情况都会影响测量数据的线性度。

在本发明的一个实施例中，曲线的获得方法：由于对应曲线是直线，理论上可以通过两个点的测量求出曲线方程，实际应用中，尽量分别选择测量范围两端附近的测量点，注意也不要太接近两端，尤其是小流量的起始端，避免产生较大的误差。例如，如果要求气体流量范围在0至30 L/min的区间，第一测量点可选择在2L/min至4L/min之间，第二测量点可选择在25L/min至30L/min之间。

在本发明的一个实施例中，温度补偿的方法：通过图10可以看出被测气体温度对曲线是有影响的，但是仅仅是将曲线上下平移，并没有改变曲线原有的线性关系。因此温度补偿可以通过在原有曲线上加减需要的温度补偿值即可。该温度补偿值可以通过实验获得，具体方法如下：假设已经求出了某种气体在25℃下气体质量流量与差压传感器输出电压对应关系的方程为：

Y=aX+b (公式1)

在公式1中，X为气体流量，单位是L/min（升/分钟），Y为差压传感器输出的电压值，单位是V(伏特)，a、b均是系数。由于温度不影响曲线的斜率，仅仅是当温度上升时原曲线上移，当温度下降时原曲线下移。因此公式1中系数a不变，系数b有变化。通过实验可以测量出系数b变化的大小。通过测量几个等间距温度点发现：在5℃至50℃常用温度范围内，系数b也是均匀变化的，这样就大大简化了温度补偿的标定，我们只需要在要测量的温度范围内选择一个高温（T1）和一个低温（T2）的测量点，分别求出T1和T2对应公式1中的系数b1和b2，再求出每增加1℃时系数b的补偿增加量Δb，公式2：

Δb=（b1- b2）/（T1- T 2） (公式2)

Y=aX+b+Δb×N (公式3)

在公式2中，Δb是补偿增加量，单位是（/℃）。

在公式3中，N是当前实际温度减去25℃，单位是（℃）。

以上完整描述了本发明的一个实施例的结构、原理、特点、实施方式及计算方法。

当然，本发明并不限于此，对于其他可基于薄壁园筒形离心式腔体作为减压元件，并依靠差压传感器测量腔体前后气道的压力差的气体流量测量装置，无论薄壁园筒形离心式腔体数量多少，也无论气道的位置方向是否与腔体垂直，均落入本发明的保护范围内。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实例”、“一些实例”、“示意性实施例”、“具体实例”或“一些实例”等的描述意指结合该实施例或实例描述的具体特征、结构、材料或者特点。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例，也适用于任何一个或多个实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种薄壁圆筒形离心式气体流量计，利用差压传感器（9）对气体流量进行测量，所述流量计具有气道本体（5）、圆柱体（19）、上密封盖板（13）、上密封圈（6）、下密封圈（20）、下密封盖板（21）、前气道（3）、前端取压点（4）、前端取压出口（7）、前端取压管（10）、后气道（17）、后端取压点（15），后端取压出口（14）、后端取压管（12）、差压传感器（9），气体是从前气道（3）向后气道（17）的方向流动，前端取压点（4）设置在前气道（3）上，后端取压点（15）设置在后气道（17）上，其特征在于，在所述的前气道（3）和后气道（17）气体的流动方向上，前端取压点（4）和后端取压点（15）之间具有薄壁圆筒形离心式腔体（1），薄壁圆筒形离心式腔体（1）是由圆柱体（19）与气道本体（5）之间的缝隙形成，圆柱体（19）***气道本体（5）的中心孔内，两者之间为滑动配合，圆柱体（19）主轴的两端密封，圆柱体（19）表面两侧设置纵向导流槽，气体经前纵向导流槽被均匀展开并沿着薄壁圆筒形离心式轨迹表面流动；前端取压点（4）处的压力是通过前端取压出口（7）和前端取压管（10）接通到差压传感器（9）的一端；后端取压点（15）处的压力是通过后端取压出口（14）和后端取压管（12）接通到差压传感器（9）的另一端；圆柱体（19）的两端分别由上密封盖板（13）、上密封圈（6）和下密封盖板（21）、下密封圈（20）加紧固定，差压传感器（9）的电路板用螺丝固定在上密封盖板（13）的上方，使得差压传感器（9）位于圆柱体（19）中心轴线上方延长位置，与前端取压管（10）和后端取压管（12）的长度等长。

2.根据权利要求1所述的流量计，其中，所述前气道（3）或后气道（17）上设置有温度传感器（16），对气体流量进行温度补偿。

3.根据权利要求1所述的流量计，其中，所述差压传感器（9）的测量值与气体流量值呈线性对应关系。

4.根据权利要求1所述的流量计，其中，所述气体适用于空气、氧气或腐蚀性气体。

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