今天為大家介紹一項(xiàng)國(guó)家發(fā)明授權(quán)專利——一種應(yīng)用于不均勻流場(chǎng)的熱式多孔板氣體流量計(jì)。該專利由南京博沃科技發(fā)展有限公司申請(qǐng)，并于2018年5月4日獲得授權(quán)公告。

內(nèi)容說明

本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于不均勻流場(chǎng)的熱式多孔板氣體流量計(jì)，屬氣體流量測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

發(fā)明背景

氣體流量是工業(yè)生產(chǎn)過程、科學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)量的重要參數(shù)，流量計(jì)是一種對(duì)氣體流量進(jìn)行計(jì)量和測(cè)試的工具。氣體流量測(cè)量是能源計(jì)量的重要組成部分，對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、促進(jìn)科技發(fā)展都具有很重要的作用。

氣體流量測(cè)量非常依賴于應(yīng)用條件，影響因素包括氣體種類、流動(dòng)狀況以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工況條件等。在實(shí)驗(yàn)室，流量計(jì)可以獲得極高的精度，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用一旦氣體條件或環(huán)境條件有大的變化，不僅精度無法保證，甚至無法進(jìn)行正常使用，例如大口徑管道內(nèi)氣體流量測(cè)量還存在較多問題，在大口徑管道內(nèi)氣體流速分布不均，單點(diǎn)測(cè)量不具有代表性，導(dǎo)致測(cè)量值與實(shí)際值偏差過大。

常見的氣體流量計(jì)按原理分類，大致可分為差壓式流量計(jì)、熱式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。其中，以差壓式流量計(jì)的應(yīng)用最為廣泛，具體的結(jié)構(gòu)型式也較多。

節(jié)流孔板流量計(jì)是差壓式流量計(jì)中常見的一種，其利用流體流經(jīng)節(jié)流孔板時(shí)產(chǎn)生的靜壓差作為一次測(cè)量信號(hào)，由引壓管引出，經(jīng)差壓變送器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)組態(tài)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的流量值顯示。節(jié)流孔板一般分單孔設(shè)計(jì)和多孔設(shè)計(jì)，多孔節(jié)流孔板對(duì)測(cè)量氣體的均勻性要求相對(duì)較低，即對(duì)測(cè)量截面上游的直管段要求較短。

多孔板氣體流量計(jì)由于其對(duì)不均勻流場(chǎng)的適應(yīng)性較強(qiáng)，在工業(yè)生產(chǎn)中正扮演著越來越重要的角色。多孔板氣體流量計(jì)基于節(jié)流原理設(shè)計(jì)，為保證其準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)足夠的差壓非常必要，但在工業(yè)上某些工藝要求下并不允許，同時(shí)節(jié)流損失過大，運(yùn)行也不經(jīng)濟(jì)。此外，

多孔板氣體流量計(jì)提供的一次差壓信號(hào)與流速的平方成正比，當(dāng)流速下降時(shí)，一次差壓信號(hào)大幅減小，因此難以兼顧寬量程比設(shè)計(jì)和低壓損設(shè)計(jì)。

包括多孔板氣體流量計(jì)在內(nèi)的差壓式流量計(jì)，均須把測(cè)量的一次差壓信號(hào)經(jīng)引壓管引出至差壓變送器上，對(duì)于測(cè)量氣體部分組份存在冷凝、結(jié)晶等現(xiàn)象時(shí)，很容易造成引壓管堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致流量計(jì)無法正常使用。

雖然傳統(tǒng)多孔板氣體流量計(jì)在不均勻流場(chǎng)的氣體流量測(cè)量領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)，但也不是所有工況條件下都適用，如上述所提及的工藝要求不允許過大的節(jié)流損失以及測(cè)量氣體部分組份存在冷凝、結(jié)晶等現(xiàn)象。針對(duì)這些測(cè)量難點(diǎn)，熱式氣體流量計(jì)可以部分甚至完全克服，但又不具備對(duì)不均勻流場(chǎng)的良好適應(yīng)能力。

熱式氣體流量計(jì)基于熱擴(kuò)散原理設(shè)計(jì)，其典型傳感元件包括兩個(gè)熱電阻，一個(gè)是速度傳感器，另一個(gè)是用于自動(dòng)補(bǔ)償氣體溫度變化的溫度傳感器。當(dāng)兩個(gè)熱電阻置于被測(cè)氣體中時(shí)，速度傳感器被加熱到環(huán)境溫度以上的一個(gè)恒定溫度，相應(yīng)氣體流量是通過其熱傳遞量計(jì)算的。氣體流速增加，所帶走的熱量增加，為了使流速傳感器維持在恒定的溫度，則必須增加通過傳感器的工作電流，其增加的電流與氣體的流速成正比。

熱式氣體流量計(jì)所造成的流動(dòng)阻力損失較小，且量程比較寬，可測(cè)量流速較低的氣體流量。此外，熱式氣體流量計(jì)可測(cè)溫度高達(dá)500℃的氣體流量，其電信號(hào)產(chǎn)生的核心部件置于熱氣體中，能避免某些應(yīng)用工況下使用差壓式流量計(jì)存在的冷凝、結(jié)晶等問題。

綜上，氣體流量的準(zhǔn)確可靠測(cè)量，需根據(jù)應(yīng)用條件針對(duì)性設(shè)計(jì)才能獲取。各種氣體流量測(cè)量技術(shù)均有其適用的環(huán)境，有其優(yōu)點(diǎn)，也有其缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，克服大口徑管道內(nèi)氣體流量測(cè)量面臨的低流速、流場(chǎng)不均勻等難點(diǎn)，以及還可能存在的測(cè)量氣體中部分組份遇冷發(fā)生冷凝、結(jié)晶的難點(diǎn)，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于不均勻流場(chǎng)的熱式多孔板氣體流量計(jì)。

圖為本發(fā)明結(jié)構(gòu)特征主視圖

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：一種應(yīng)用于不均勻流場(chǎng)的熱式多孔板氣體流量計(jì)，包括外套管、內(nèi)套管、第一多孔板、溫度傳感器、速度傳感器以及信號(hào)變送器；第一多孔板設(shè)置在外套管內(nèi)，且第一多孔板所在平面與外套管的軸向垂直；內(nèi)套管設(shè)置在外套管內(nèi)，內(nèi)套管一端為上端口、另一端為下端口，內(nèi)套管的下端口穿過第一多孔板；溫度傳感器和速度傳感器安裝在內(nèi)套管內(nèi)，溫度傳感器和速度傳感器均與信號(hào)變送器連接。

本發(fā)明應(yīng)用于不均勻流場(chǎng)的熱式多孔板氣體流量計(jì)，呈套管結(jié)構(gòu)，優(yōu)選，第一多孔板所在平面與氣體流通截面平行，內(nèi)套管的長(zhǎng)度方向與氣體流動(dòng)方向平行。內(nèi)套管有兩端，分別定義為上端口和下端口，內(nèi)套管的上端口和下端口分別位于第一多孔板的上游和下游;內(nèi)套管的下端口穿過第一多孔板，也即內(nèi)套管穿過第一多孔板，且第一多孔板位于內(nèi)套管的上端口和下端口之間。

本發(fā)明上游和下游指所測(cè)氣體沿著外套管流動(dòng)方向的上游和下游。上游到下游的方向與上端口到下端口的方向一致。

采用上述技術(shù)方案，外套管內(nèi)流通測(cè)量氣體，測(cè)量氣體流經(jīng)第一多孔板，產(chǎn)生節(jié)流損失，上游和下游之間產(chǎn)生靜壓差，驅(qū)使內(nèi)套管內(nèi)氣體流速加大，速度傳感器獲得更大的一次測(cè)量信號(hào)，且信號(hào)強(qiáng)弱反映外套管整個(gè)流通截面的平均流速大小。

本發(fā)明流量計(jì)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，獲得速度傳感器和溫度傳感器一次測(cè)量信號(hào)與氣體流量之間的換算關(guān)系式，在信號(hào)變送器中，一次信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理與傳送或直接顯示。

為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，溫度傳感器和速度傳感器安裝在內(nèi)套管內(nèi)的下端口；信號(hào)變送器設(shè)在外套管外。為了進(jìn)一步提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，速度傳感器上游內(nèi)套管長(zhǎng)度與直徑或當(dāng)量直徑的比值大于10。內(nèi)套管流通截面小于外套管流通截面的1/10。從而易于保證速度傳感器上游的內(nèi)套管長(zhǎng)度與直徑或當(dāng)量直徑的比值大于10，進(jìn)而提高速度傳感器一次測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性。速度傳感器上游內(nèi)套管長(zhǎng)度與直徑或當(dāng)量直徑的比值大于15。

為了提高本發(fā)明流量計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性，內(nèi)套管的上端口上設(shè)有流線型或錐型的封端帽，與封端帽相接的內(nèi)套管上設(shè)有一個(gè)以上的進(jìn)氣口。為了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)用于不均勻流場(chǎng)的熱式多孔板氣體流量計(jì)，還包括第二多孔板，第二多孔板設(shè)在第一多孔板的下游，與第一多孔板平行布置;內(nèi)套管的下端口同時(shí)穿過第一多孔板和第二孔板。為了提高流量測(cè)量的準(zhǔn)確性，第二多孔板與內(nèi)套管的下端口距離大于內(nèi)套管直徑或當(dāng)量直徑的5倍。第一多孔板和第二多孔板上設(shè)置的通孔數(shù)量均大于10個(gè)，沿周向均勻布置。外套管和內(nèi)套管均為圓管，兩者同軸布置。

本發(fā)明未提及的技術(shù)均參照現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明應(yīng)用于不均勻流場(chǎng)的熱式多孔板氣體流量計(jì)，尤其適用于DN100以上大口徑管道不均勻流場(chǎng)的氣體流量測(cè)量，具有靈敏度高、精確度高、量程比寬、節(jié)流損失小等顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能保證全程高溫測(cè)量，從高溫氣體處直接傳送 電信號(hào)給外部低溫處的信號(hào)變送器，對(duì)于測(cè)量氣體中存在部分組份遇冷會(huì)冷凝、結(jié)晶等問題場(chǎng)合，也能適用。