CN213515797U - 一种带自修正的压电式涡街流量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带自修正的压电式涡街流量传感器，包括主体，安装于涡街通道的压力探头和压电检测机构，以及设置于主体内的信号处理电路板；主体由合成树脂材料制成；在主体上设置有管状贯穿结构的涡街通道；压电检测机构包括涡旋发生器和陶瓷压电探头；压力探头、涡旋发生器和陶瓷压电探头沿涡街通道依次排列设置；信号处理电路板分别与陶瓷压电探头和压力探头电信号连接。本实用新型适用于安装空间狭小，气体流速度及压力变化大，介质变化明显，震动源多的使用场景，具有小型化、低功耗、自修正的有点，安全性能好。

Description

一种带自修正的压电式涡街流量传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器领域，特别涉及一种带自修正的压电式涡街流量传感器。

背景技术

目前主流的气体传感器按原理分主要有：热式流量传感器、涡街流量传感器、罗茨流量传感器、超声波流量传感器/电磁流量传感器等，但传统流量计由于原理及运行条件要求对复杂工况下的气体测试都有不少局限，以下为当前主流原理流量传感器在加油站负责工况测试量时存在的不足。

罗茨流量传感器的监测原理是通过罗茨轮旋转计算气体体积，属于容积式流量计，存在结构复杂，体积大；运行过程压损较大运行有振动、现场安装条件要求高等问题；特别是，由于罗茨轮紧密接触，因此杂质易堵塞，需单独安装，过滤装置维护量大，一旦叶轮卡死会造成管路堵塞，导致罗茨轮与介质直接接触易被腐蚀。

热式流量传感器的监测原理是通过热散失计算气体质量，精度相对其他传感器较低，一般误差为3％左右；并且适用范围窄，一般用于测量干燥的非***性的气体以及单一介质气体，对混合介质/介质变化的测量环境误差较大；同时，由于通过加热的方式测量会影响介质特性(温度)；易受环境温度变化影响，需通过复杂的算法及外部仪表进行修正。

超声波流量传感器的监测原理是采用时差式测量原理进行流速测量，是一种速度式流量计，温度测量范围不高，抗干扰能力差，易受气泡、结垢、泵及其它声源混入的超声杂音干扰，且对直管段要求严格，否则离散性差，测量精度下降；可靠性、重复性不高，使用寿命短(一般精度只能保证一年)，同时流体密度进行变化时不能保证质量流量的准确度。

涡街流量传感器是采用卡门涡旋原理的速度式流量计，如管道流速不均，易造成测量误差；并且易受震动影响，外来振动会使涡街流量计产生测量误差；同时，对直管段要求高。

因此，需求对现有的气体传感器进行改进，特别是针对涡街流量传感器进行改进，以克服现有气体传感器的缺陷，获得一种综合性优异的气体传感器。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种带自修正的压电式涡街流量传感器，采用小通径管路及合成树脂材料主体结构设计，通过压力探头进行自修正，解决了现有的涡街流量传感器存在如管道流速不均，易造成测量误差；并且易受震动影响，外来振动会使涡街流量计产生测量误差，以及对直管段要求高的问题。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：一种带自修正的压电式涡街流量传感器，包括

主体；所述主体由合成树脂材料制成；在所述主体上设置有管状贯穿结构的涡街通道；所述涡街通道的管径小于12mm；

安装于所述涡街通道的压力探头和压电检测机构；所述压电检测机构包括涡旋发生器和陶瓷压电探头；所述压力探头、涡旋发生器和陶瓷压电探头沿所述涡街通道依次排列设置；所述压力探头对所述涡街通道内未经所述涡旋发生器的气压进行监测；所述陶瓷压电探头对所述涡街通道内经所述涡旋发生器后产生的卡门涡旋的实时气体压力进行监测；

以及设置于所述主体内的信号处理电路板；所述信号处理电路板分别与所述陶瓷压电探头和压力探头电信号连接。

作为本实用新型的一种优选方案，所述涡街通道的管径为8MM。

作为本实用新型的一种优选方案，所述涡街通道的长度不低于40MM。

作为本实用新型的一种优选方案，所述涡街通道的两端设置有形状相同的喇叭形开口。

作为本实用新型的一种优选方案，所述涡旋发生器位于距所述压力探头所在端的开口处的距离为1/4所述涡街通道长度的位置。

作为本实用新型的一种优选方案，所述压力探头与所述涡旋发生器之间的间距不小于所述涡街通道直径的长度。

作为本实用新型的一种优选方案，所述信号处理电路板包括信号处理 MCU和内部运算处理芯片。

作为本实用新型的一种优选方案，在所述主体上设置有元器件容置腔；所述信号处理电路板安装在所述元器件容置腔内；所述主体和密封上盖配合，对所述元器件容置腔进行密封。

本实用新型具有如下有益效果：本实用新型具有小型化、低功耗、自修正的特点，在安装空间狭小，气体流速度及压力变化大，介质变化明显，震动源多的使用场景尤其具有优势，如加油站油气回收油气体积测量，本实用新型采用了小通径涡街通道及合成树脂材料主体设计，具有体积小、重量轻、耐腐蚀性强及不受气体压力及温度影响的特性，同时也不会改变被测气体的温度压力等特性；并且本实用新型采用超低功耗设计，单个传感器每小时的综合功耗不大于0.2W，适用于防爆安全要求等级可达Exia IIC等级，完全适用于加油站油气、天然气等高风险气体的测量，安全性能好。本实用新型利用压力探头对所测气体进行实时压力修正补偿配合传统的压电式涡街流量传感器，既保留了传统涡街流量的优点，同时又基于特定的补偿修正算法，改善了传统涡街流量传感器受震动及气体压力变化影响测量精度的影响，尤其适用于类似加油站油气回收气液比检测等复杂工况的应用，实际测量在震动小于0.3G的工况气体流速10-70L/min测量精度可达2％，完全满足国家标准相关要求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的原理示意图。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1.主体 2.密封上盖 3.信号处理电路板

4.陶瓷压电探头 5.压力探头。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

结合图1和图2，本实用新型为一种带自修正的压电式涡街流量传感器，包括主体1，安装于涡街通道的压力探头5和压电检测机构，以及设置于主体1内的信号处理电路板3。主体1由合成树脂材料制成；在主体1 上设置有管状贯穿结构的涡街通道；优选的，涡街通道的两端设置有形状相同的喇叭形开口。涡街通道的管径小于12mm；压电检测机构包括涡旋发生器和陶瓷压电探头4；压力探头5、涡旋发生器和陶瓷压电探头4沿涡街通道依次排列设置；压力探头5对涡街通道内未经涡旋发生器的气压进行监测；陶瓷压电探头4对涡街通道内经涡旋发生器后产生的卡门涡旋的实时气体压力进行监测；信号处理电路板3分别与陶瓷压电探头4和压力探头5电信号连接。具体的，信号处理电路板3包括信号处理MCU和内部运算处理芯片。在主体1上设置有元器件容置腔；信号处理电路板3安装在元器件容置腔内；主体1和密封上盖2配合，对元器件容置腔进行密封。

为了提高本实用新型的抗干扰性能，提高传感器监测的精度，涡街通道的管径为8MM。涡街通道的长度不低于40MM。涡旋发生器位于距压力探头5所在端的开口处的距离为1/4涡街通道长度的位置。优选的，压力探头5与涡旋发生器之间的间距不小于涡街通道直径的长度。

结合图2，压力探头5对未经过涡街发生器的气流气压进行实时监测，并转化为电信号传输给信号处理MCU；而气流经过涡街发生器，陶瓷压电探头4进行监测，然后经过信号调整整形电路后将电信号传输给信号处理 MCU；信号处理MCU对两电信号进行处理，传输给内部运算处理芯片，进行算法运算，最后转化为标准输出信号。

本实用新型的原理：涡街信号：基于压电(应力)式传感器的小型轻量传感器。当气流通过垂直于气流方向的扰流柱(也称涡旋发生器)后形成两侧交替地产生两列有规则的旋涡——卡门涡旋，卡门涡流交替变换的速率与流速成正比，当卡门涡旋经过传感器探针后会引起探针的震动，传感器探针通过震动频率的变化感知卡门涡旋的变换频率并转换成电信号，电信号经过整形放大最终以标准电信号(脉冲)形式输出至安装于传感器内部的信号处理电路板3。

本实用新型对压力数据采集用于油气气体流量补偿的算法。通过安装与涡旋发生器前端的压力探头5实时采集气体压力数据，结合压力体积克拉伯龙关系。

PV＝(m/M)RT。

P为气体的压强,单位为帕。

V为气体的体积。

m为气体的质量(与介质密度相关)。

M为气体的摩尔质量，(m/M)为摩尔数。

R为气体普适恒量，R＝8.31J/mol。

T为气体的温度，单位为开尔文。

其中m/M≈常量(可参照油气浓度中间值约20％vol)

气体温度T对气体体积的影响，由于温度与气体(油气)的相关制约，温度越低油气浓度越低，温度越高油气浓度越高，温度对体积V的影响与精度要求的2％相比可以忽略。

因此通过类似V＝(m/M)RT/P公式及一定的修正算法即可通过压力值计算出实际气体在常压的转换体积。

结合以上实施例，可以看出本实用新型具有优点：本实用新型具有小型化、低功耗、自修正的特点，在安装空间狭小，气体流速度及压力变化大，介质变化明显，震动源多的使用场景尤其具有优势，如加油站油气回收油气体积测量，本实用新型采用了小通径涡街通道及合成树脂材料主体 1设计，具有体积小、重量轻、耐腐蚀性强及不受气体压力及温度影响的特性，同时也不会改变被测气体的温度压力等特性；并且本实用新型采用超低功耗设计，单个传感器每小时的综合功耗不大于0.2W，适用于防爆安全要求等级可达ExiaIIC等级，完全适用于加油站油气、天然气等高风险气体的测量，安全性能好。本实用新型利用压力探头5对所测气体进行实时压力修正补偿配合传统的压电式涡街流量传感器，既保留了传统涡街流量的优点，同时又基于特定的补偿修正算法，改善了传统涡街流量传感器受震动及气体压力变化影响测量精度的影响，尤其适用于类似加油站油气回收气液比检测等复杂工况的应用，实际测量在震动小于0.3G的工况气体流速10-70L/min测量精度可达2％，完全满足国家标准相关要求。

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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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)

1.一种带自修正的压电式涡街流量传感器，其特征在于，包括

主体；所述主体由合成树脂材料制成；在所述主体上设置有管状贯穿结构的涡街通道；所述涡街通道的管径小于12mm；

安装于所述涡街通道的压力探头和压电检测机构；所述压电检测机构包括涡旋发生器和陶瓷压电探头；所述压力探头、涡旋发生器和陶瓷压电探头沿所述涡街通道依次排列设置；所述压力探头对所述涡街通道内未经所述涡旋发生器的气压进行监测；所述陶瓷压电探头对所述涡街通道内经所述涡旋发生器后产生的卡门涡旋的实时气体压力进行监测；

以及设置于所述主体内的信号处理电路板；所述信号处理电路板分别与所述陶瓷压电探头和压力探头电信号连接。

2.根据权利要求1所述的带自修正的压电式涡街流量传感器，其特征在于，所述涡街通道的管径为8MM。

3.根据权利要求2所述的带自修正的压电式涡街流量传感器，其特征在于，所述涡街通道的长度不低于40MM。

4.根据权利要求3所述的带自修正的压电式涡街流量传感器，其特征在于，所述涡街通道的两端设置有形状相同的喇叭形开口。

5.根据权利要求4所述的带自修正的压电式涡街流量传感器，其特征在于，所述涡旋发生器位于距所述压力探头所在端的开口处的距离为1/4所述涡街通道长度的位置。

6.根据权利要求4所述的带自修正的压电式涡街流量传感器，其特征在于，所述压力探头与所述涡旋发生器之间的间距不小于所述涡街通道直径的长度。

7.根据权利要求6所述的带自修正的压电式涡街流量传感器，其特征在于，所述信号处理电路板包括信号处理MCU和内部运算处理芯片。

8.根据权利要求6所述的带自修正的压电式涡街流量传感器，其特征在于，在所述主体上设置有元器件容置腔；所述信号处理电路板安装在所述元器件容置腔内；所述主体和密封上盖配合，对所述元器件容置腔进行密封。

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