CN110987095A - 一种流体流量测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种流体流量测量系统，包括：检测管道，用于供待测流体通过；检测元件，安装在所述检测管道上，用于采集待测流体的参数信息并输出；变截面装置，包括驱动部件、与驱动部件动力输出端传动连接的执行部件，所述执行部件动作使得检测管道内部的横截面变化；变截面采集器，用于采集检测管道的变截面信息以获得变截面数据并输出；输出模块，与检测元件及变截面采集器均电连接，用于根据参数信息、变截面数据、检测管道参数、结合待测流体的密度获得流体的质量流量并输出。解决现有技术中成本高、安装空间大等问题，通过在线改变检测管道横截面以拓宽量程比，大大降低成本并缩小安装空间。

Description

一种流体流量测量系统

技术领域

本发明涉及流量测量领域，具体是一种通过在测量过程中改变流体管道横截面积以提高测量的量程比的流量测量系统。

背景技术

对于液体及气体的流量测量，通过在流体流经的管道上安装传感器，通过传感器测量电信号，通过该电信号能反映管道内部流体的压差，经过压差能计算出流体的流速，根据流体的密度ρ、流速v及横截面A与流量Q的关系即:Q＝ρ×v×A能获得质量流量或体积流量Q＝v×A；由于传感器测量的范围有限，能够感知的压差Δp在Δp_min～Δp_max之间，对于同一测量传感器，流量的量程比：

在实际使用场景中，有些流动过程的量程比很大，单个的常规流量计不能满足全量程测量的要求，为了克服这种缺陷，现有技术通常采用多个流量测量装置并联，通过阀门切换或组合的方式进行全量程测量，这种方式需要针对不同的流动状态切换不同的阀门组合，一方面测量过程较为繁琐，控制程序复杂，也需要更多的执行元件配合才能完成测量装置的切换；另一方面使得测量成本提高了若干倍；最后多个测量装置需要更大的安装空间，对适用环境提出了更高的要求，相应也大大增加了安装、维护和检修成本。

发明内容

本发明提供一种流体流量测量系统，用于克服现有技术中测量管路复杂、成本高、控制流程复杂、需要安装空间较大等缺陷，通过在测量过程中改变流体管道横截面积以提高流量测量的量程比，大大减少了测量装置的数量，简化测量控制程序，减少了安装空间，并降低了安装、维护和检修成本。

为实现上述目的，本发明提供一种流体流量测量系统，包括：

检测管道，用于供待测流体通过；

检测元件，安装在所述检测管道上，用于采集待测流体的参数信息并输出；

变截面装置，包括驱动部件、与驱动部件动力输出端传动连接的执行部件，所述执行部件动作使得检测管道内部的横截面变化；

变截面采集器，用于采集检测管道的变截面信息以获得变截面数据并输出；

输出模块，与检测元件及变截面采集器均电连接，用于根据参数信息、变截面数据、检测管道参数及待测流体的密度获得流体的流量并输出。

本发明提供的流体流量测量系统，使用时，首先将检测管道安装在待测流体直段管路中，在测量过程中，可通过检测元件获取在流体流经检测管道内部时的压差或涡街频率等参数信息，通过变截面装置在线动态改变检测管道的横截面积，改变检测管道内部流体的流动状态，使得检测元件的检测信号处于有效检测范围，从而扩展测量系统流量的量程比，满足流量测量系统在复杂环境下的测量需求，减少了检测管道及传感器的数量及测量控制系统的规模，同时大大缩小了安装空间，并降低安装、维护和检修成本。

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示出的结构获得其他的附图。

图1为发明实施例一提出的流体流量测量系统的整体结构示意图；

图2为流体流量测量系统变截面装置的优选实施方式一的结构示意图；

图3为流体流量测量系统变截面装置的优选实施方式二的状态参考图一；

图4为流体流量测量系统变截面装置的优选实施方式二的状态参考图二；

图5为流体流量测量系统变截面装置的优选实施方式三的轴向截面图；

图6为图5的横截面示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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的一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

如附图1所示，本发明实施例提供一种流体流量测量系统，包括：检测管道1、压差传感器2、变截面装置3、变截面采集器4、输出模块5、显示模块6；检测管道1用于供待测流体通过；检测元件2安装在所述检测管道1上，用于采集待测流体的参数信息并输出；变截面装置3包括驱动部件31、与驱动部件31动力输出端传动连接的执行部件32，所述执行部件32动作使得检测管道1内部的横截面变化；变截面采集器4用于采集检测管道1的变截面信息以获得变截面数据并输出；输出模块5与检测元件2及变截面采集器4均电连接，用于根据参数信息、变截面数据、检测管道参数及待测流体的密度获得流体的流量并输出至显示模块6。

这里的检测管道1可以采用刚性材质制成(例如厚壁钢管)，也可以采用柔性材质或弹性材质制成(例如薄壁钛合金管、薄壁弹簧钢管等金属管或橡胶软管、碳纤维管等非金属管)，管道的横截面可以采用通用的圆形、椭圆形或方形；

检测元件2可以采用以下四种形式：

第一种形式采用两压力传感器，两传感器的测量端分别安装在检测管道变截面部位和流动方向上位于变截面部位之前截面没有发生变化的检测管道上，采集的参数信息为压力，通过两个采集压力之差获得压差数据，通过压差数据参与流量计算及后面的控制装置控制指令的生成；

第二种形式采用压差传感器，两个测量端分别安装在检测管道变截面部位和流动方向上位于变截面部位之前截面没有发生变化的检测管道上，采集的参数信息为压差，通过压差数据参与流量计算及后面的控制装置控制指令的生成；

第三种形式采用涡街传感器测量待测流体的涡街频率，参数信息为漩涡频率；具体将特定的(三棱柱型)阻流件沿变截面管道径向安装，流体以一定的速度流过时在阻流件的两侧就形成了交替变化的两排漩涡，这种漩涡被称为卡门涡街，通过涡街频率与流道之间的关系能获得流速。

第四种形式是采用总压和静压传感器或组合式总静压传感器，沿径向安装在变截面部位，管道内的测压点位置随变截面参数的变化可以通过流道截面的流体速度分布加以修正，获得压差，通过压差数据参与流量计算及后面的控制装置控制指令的生成；

对于检测管道1采用柔性材质或弹性材质时，这里的变截面装置3的驱动部件31可以采用电机带动传动机构将转动力矩转换为直线方向的推力或拉力，执行部件32可采用两个平行的面板，分别固定在检测管道1的两侧，其中一块面板与检测管道1相对固定，例如安装在固定支架上，另一块面板与传动机构的输出端连接，在电机的驱动下使得两面板之间的距离减小对检测管道1其中一段夹持并挤压，使得采用柔性材质或弹性材质制成的检测管道1受到挤压产生变形，进而减小横截面的面积；同理，电机反向转动能使得两面板之间的距离变大使得检测管道1受到拉伸变形(变形后的形状回复到圆形之前)，进而增加横截面的面积。

对于检测管道1采用刚性材质时，这里的变截面装置3的执行部件32可设置在检测管道1的内壁，执行部件32例如可以由三块面板顺次铰接形成，其中位于两端的两块面板端部分别铰接在检测管道1管壁上，通过驱动部件31带动铰接轴转动使得执行部件32在检测管道1内部动作，使得中间的面板在沿着检测管道1轴向移动的同时在径向上逐渐向靠近检测管道1中心轴线的位置移动，在此过程中中间面板与检测管道1之间的间隙随之减小，从而使得横截面减小。

通过变截面装置3实时改变检测管道1的横截面大小，使得压差传感器2的测量数据始终能保持在其有效量程范围内，进而拓宽量程比，与现有技术中通过多个测量装置并联组合的方法相比，本方案通过一根检测管道及一套传感器、变截面装置即可实现，大大降低了设备成本和安装空间。

优选地，本系统还包括控制装置7，控制装置7的输入端与所述检测元件2电连接，输出端与所述变截面装置3的驱动部件31电连接，用于根据参数信息输出控制指令以控制变截面装置的动作，使参数信息的数据始终保持在有效量程范围内。为了提高变截面装置3的工作效率，通过控制装置7根据压差传感器2的测量信息或测量数据自动控制变截面装置3的动作。

在本发明一具体实施例中，当待测流体的压差数据小于压差有效量程下限值时即Δp<Δp_min时，所述控制装置7向所述变截面装置3的驱动部件31发送增压信号，以驱动变截面装置3的执行部件32以减小检测管道1的横截面积，直到压差数据介于压差有效量程上限值Δp_max与压差有效量程下限Δp_min值之间。

例如在待测流体流量较小时，压差相应也较小，当小于传感器的阈值时，显示在数据输出上为0，因此需要对检测段管道1干预使得其横截面积变小，控制装置7此时输出增压信号，在本发明一实施例中，驱动部件31接收到该增压信号后，驱动执行部件32正向移动减小两面板之间的距离以挤压检测管道1，使得其横截面积减小，随着横截面积的减小，Δp会发生变化，连续采集信号，不停地监测Δp的变化，直到压差传感器2测量数据Δp处于有效量程范围内即Δp_max≥Δp≥Δp_min，以满足正常测量需要，实现对小于Q_min进行测量，以提高流量量程比。

当待测流体的压差数据大于或靠近压差量程上限值时即Δp>Δp_max，所述控制装置7向所述变截面装置3的驱动部件31发送减压信号，以驱动变截面装置3的执行部件32以增加检测管道1的横截面积，直到压差数据介于压差量程上限值Δp_max与压差量程下限值Δp_min之间。

例如在待测流体流量较大时，压差相应也较大，大于传感器的测量上限时会导致输出饱和甚至传感器损坏，因此需要对检测段管道1干预使得其横截面积变大，在本发明一实施例中，驱动部件31接收到该减压信号后，驱动执行部件32反向移动增加两面板之间的距离以释放检测管道1的压缩量，使得其横截面积减小，随着横截面积的增加，Δp会发生变化，连续采集信号，不停地监测Δp的变化，直到压差传感器2测量数据Δp处于有效量程范围内即Δp_max≥Δp≥Δp_min，使得压差传感器2测量数据处于正常量程范围内，以满足正常测量需要，实现对大于Q_max进行测量，以提高流量量程比。例如采用方管或椭圆形管进行检测，通过变截面装置使其横截面形状趋于圆形，进而实现横截面积的变大。

在待测流体的压差数据介于压差有效量程上限值与压差有效量程下限值之间时即Δp_max≥Δp≥Δp_min，所述控制装置7向所述变截面装置的驱动部件31发送恒压信号，以使变截面装置的执行部件32保持原位对检测管道的横截面积不做改变；此时变截面数据为上一个状态值。

例如在待测流体流量适中时，压差相应也适中，检测管道1半径选择合适时，压差传感器2感知到的测量数据正常，因此不需要对检测段管道1干预，其横截面积不产生任何变化，压差传感器2测量数据处于正常量程范围内。

优选地，所述变截面采集器4包括角度传感器或位移传感器。角度传感器可对驱动部件31的电机的转动角度进行测量，通过电机的转动角度、传动机构的传动比获得执行部件32的直线移动距离，从而根据该移动距离以及检测管道1的直径等参数能过获得待测流体经过检测管道1内部时实际横截面数据。位移传感器可直接安装在检测管道1上紧靠执行部件32的部位，在检测管道1收到挤压或拉伸变形时，能直接检测到检测管道1内径(或两侧间距)；或者直接将位移传感器安装在执行部件32动作的部位，能检测到挤压变形量或拉伸变形量；根据上述检测到的管道内径或管道变形量以及管道的直径等参数通过计算能过获得变截面数据。

下面给出变截面装置3的几个优选实施方式：

优选实施方式一

参见图2，检测管道1由弹性材料或柔性材料制成；检测管道两端与待测管道之间分别连接有管路补偿器例如波纹管、套管结构等(图未示)，用于补偿所述检测管道在被挤压变形过程中导致的轴向长度变化；所述驱动部件31用于输出直线运动；包括电机和与电机主轴传动连接的传动机构、气缸或液压油缸；这里的传动机构优选为齿轮齿条传动机构或螺杆机构100；所述执行部件32包括平行设置在所述检测管道1两侧的动面板33和定面板34，动面板33和定面板34均与检测管道1固定连接，其中定面板34与固定支架200之间连接，动面板33与所述驱动部件31的动力输出端连接。

电机转动带动螺杆机构100推动动面板33在水平方向移动，在靠近定面板34的方向移动时，用于挤压检测管道1，使得检测管道1的横截面积减小；在动面板33向远离定面板34的方向移动时，使得检测管道1的横截面积增加。为提高传动机构的稳定性，可采用两个螺杆机构间隔布置。

驱动部件31采用电机或气压作动器或液压作动器，采用电机驱动时，电机输出端连接蜗杆带动驱动涡轮，驱动涡轮安装在螺杆机构100的螺杆上，目的在于使得驱动机构能够自锁，避免流体的波动影响变形精度，同时防止对电机造成冲击影响。

为使得检测管道1在径向上的变形后中心位置与变形前中心位置保持一致，可在检测管道1的两侧分别设置上述实施方式一的变截面装置，以减小检测管道1在径向上的变形，受力平衡，提高检测管道1的使用寿命。

优选实施方式二

参见图3、图4，所述检测管道1由刚性材料制成；且检测管道1的横截面为方形；所述执行部件32包括干涉面35和分别与所述干涉面35两端铰接的第一连接面36和第二连接面37，第一连接面36和第二连接面37的另一端均铰接在所述检测管道1的其中两个平行的第一侧面11上，所述干涉面35在驱动部件31的作用下绕与第一连接面36的铰接轴362和第二连接面37的铰接轴372摆动以改变检测管道1的横截面积大小；所述干涉面35为平面，且与位于该两平行的第一侧面11之间的第二侧面12平行。所述驱动部件31安装在所述检测管道1外，用于驱动第一连接面36与检测管道1连接的铰接轴362和/或驱动第二连接面37与检测管道1连接的铰接轴372转动。

驱动部件31带动第一连接面36与检测管道1连接的铰接轴362和/或驱动第二连接面37与检测管道1连接的铰接轴372转动时，第一连接面36及第二连接面37带动干涉面35绕与第一连接面36的铰接轴361和第二连接面37的铰接轴371摆动，干涉面35在两个第二侧面12之间移动，其中背离执行部件32的第二侧面12与干涉面35之间的间距被调整，进而改变了检测管道1内部的横截面积。图3的状态展示了第一连接面36与第二侧面12之间夹角为90度的状态，此时检测管道1内部的横截面积最小；当第一连接面36与第二侧面12之间的夹角为0度或180度时，检测管道1内部的横截面积最大；图4的状态展示了第一连接面与第二侧面之间夹角为30度的状态，此时横截面积位于上述两者之间。

本实施例中，第一连接面36、第二连接面37均为弧形面，干涉面35中间部分为平面，两端分别与第一连接面36、第二连接面37连接的部分呈弧形，以使流体更顺畅地流过，可以改善流道状态。

优选实施方式三

参见图5，所述执行部件32包括设置在所述检测管道1内壁的干涉层37，所述干涉层37为两半式结构，所述干涉层37边缘与所述检测管道1内壁通过弹性膜层38连接，所述干涉层37、弹性膜层38及被所述干涉层37覆盖的检测管道1内壁共同围设呈一个密封腔30；所述检测管道1上设置有与所述密封腔30连通的通孔301，所述通孔301通过连接管连接驱动部件31；所述驱动部件31包括气源或液源以及用于根据所述控制装置的指令向密封腔输入或从密封腔排出气体或液体的输送装置。

当需要减小横截面积时，通过驱动部件31经连接管及通孔301向密封腔30内通入气体，驱动干涉层37在径向上向检测管道1的中心轴线方向移动，从而减小检测管道1内部的横截面积；通过驱动部件31经连接管及通孔301从密封腔30内向外抽气，驱动干涉层37在径向上向检测管道1的管壁方向移动，从而增加检测管道1内部的横截面积。

在检测管道1横截面为圆形时，干涉层37可采用瓦片状结构，并且弧度大小能产生弹性变形，图6所示为横截面积最小的状态，干涉层37没有弹性变形，正好合并形成圆形；在密封腔30内部为真空状态时，干涉层37在弹性层38的作用下向外展开，弧度对应的圆心角变小，完全与检测管道1内壁贴合，此时横截面积与检测管道1未干涉状态近似相等。

在检测管道1横截面为方形时，干涉层37可采用刚性材质制成，布置在检测管道1的内侧壁或相对的两内侧壁。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种流体流量测量系统，其特征在于，包括：

检测管道，用于供待测流体通过；

检测元件，安装在所述检测管道上，用于采集待测流体的参数信息并输出；

变截面装置，包括驱动部件、与驱动部件动力输出端传动连接的执行部件，所述执行部件动作使得检测管道内部的横截面变化；

变截面采集器，用于采集检测管道的变截面信息以获得变截面数据并输出；

输出模块，与检测元件及变截面采集器均电连接，用于根据参数信息、变截面数据、检测管道参数获得流体体积流量或结合待测流体的密度获得流体的质量流量并输出。

2.如权利要求1所述的流体流量测量系统，其特征在于，所述检测元件包括两压力传感器或一台压差传感器或涡街传感器中至少一种；所述参数信息包括压差数据或涡街频率；所述流体流量测量系统还包括：

控制装置，输入端与所述检测元件电连接，输出端与所述变截面装置的驱动部件电连接，用于根据压差数据或涡街频率输出控制指令以控制变截面装置的动作，使压差数据或涡街频率始终保持在有效量程范围内。

3.如权利要求2所述的流体测量系统，其特征在于，所述控制装置用于在待测流体的压差数据小于压差有效量程下限值时或在涡街频率小于频率有效量程下限值时，向所述变截面装置的驱动部件发送增压信号，以驱动变截面装置的执行部件以减小检测管道的横截面积，直到压差或涡街频率数据介于压差有效量程上限值与压差有效量程下限值之间。

4.如权利要求2所述的流体流量测量系统，其特征在于，所述控制装置还用于在待测流体的压差数据大于压差有效量程上限值时或在涡街频率大于频率有效量程上限值时，向所述变截面装置的驱动部件发送减压信号，以驱动变截面装置的执行部件以增加检测管道的横截面积，直到压差或涡街频率数据介于压差有效量程上限值与压差有效量程下限值之间。

5.如权利要求2所述的流体流量测量系统，其特征在于，所述控制装置还用于在待测流体的压差数据介于压差有效量程上限值与压差有效量程下限值之间时或在涡街频率介于频率有效量程上限值与频率有效量程下限值之间时，向所述变截面装置的驱动部件发送恒压信号，以使变截面装置的执行部件保持原位对检测管道的横截面积不做改变；

此时变截面数据为上一个状态值。

6.如权利要求1～5任一项所述的流体流量测量系统，其特征在于，所述变截面采集器包括角度传感器或位移传感器。

7.如权利要求6所述的流体流量测量系统，其特征在于，所述检测管道由弹性材料或柔性材料制成；

所述驱动部件，用于输出直线运动；包括电机和与电机主轴传动连接的传动机构、气缸或液压油缸；

所述执行部件包括：平行设置在所述检测管道两侧的面板，每个面板均与检测管道固定连接，其中至少一个面板与所述驱动部件的动力输出端连接；

还包括：

轴向管路补偿器，连接在检测管道两端与待测流体管路之间，用于补偿所述检测管道在被挤压变形过程中导致的轴向长度变化。

8.如权利要求6所述的流体流量测量系统，其特征在于，所述检测管道由刚性材料制成；

所述执行部件，包括干涉面和分别与所述干涉面两端铰接的连接面，所述连接面的另一端均铰接在所述检测管道上，所述干涉面在驱动部件的作用下绕两连接面的铰接轴摆动以改变检测管道横截面；

所述驱动部件，安装在所述检测管道外，用于驱动至少一个所述连接面的铰接轴转动。

9.如权利要求8所述的流体流量测量系统，其特征在于，所述检测管道为方形管道，所述连接面分别安装在所述检测管道的相对的两个侧面上，所述干涉面为平面，且与两个所述侧面之间的侧面平行。

10.如权利要求6所述的流体流量测量系统，其特征在于，所述执行部件包括设置在所述检测管道内壁的干涉层，所述干涉层边缘与所述检测管道内壁通过弹性膜层连接，所述干涉层、弹性膜层及被所述干涉层覆盖的检测管道内壁共同围设呈一个密封腔；

所述检测管道上设置有与所述密封腔连通的通孔，所述通孔通过连接管连接驱动部件；

所述驱动部件包括气源或液源以及用于根据所述控制装置的指令向密封腔输入或从密封腔排出气体或液体的输送装置。

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