今天為大家介紹一項國家發(fā)明授權(quán)專利——一種應(yīng)用于不均勻流場的熱式多孔板氣體流量計。該專利由南京博沃科技發(fā)展有限公司申請，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)用于不均勻流場的熱式多孔板氣體流量計，屬氣體流量測量技術(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)實驗計量的重要參數(shù)，流量計是一種對氣體流量進(jìn)行計量和測試的工具。氣體流量測量是能源計量的重要組成部分，對于保證產(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。

氣體流量測量非常依賴于應(yīng)用條件，影響因素包括氣體種類、流動狀況以及現(xiàn)場應(yīng)用工況條件等。在實驗室，流量計可以獲得極高的精度，但現(xiàn)場應(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，單點測量不具有代表性，導(dǎo)致測量值與實際值偏差過大。

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

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

多孔板氣體流量計由于其對不均勻流場的適應(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。多孔板氣體流量計基于節(jié)流原理設(shè)計，為保證其準(zhǔn)確度，設(shè)計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，同時節(jié)流損失過大，運行也不經(jīng)濟(jì)。此外，

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

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

雖然傳統(tǒng)多孔板氣體流量計在不均勻流場的氣體流量測量領(lǐng)域具有優(yōu)勢，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)流損失以及測量氣體部分組份存在冷凝、結(jié)晶等現(xiàn)象。針對這些測量難點，熱式氣體流量計可以部分甚至完全克服，但又不具備對不均勻流場的良好適應(yīng)能力。

熱式氣體流量計基于熱擴(kuò)散原理設(shè)計，其典型傳感元件包括兩個熱電阻，一個是速度傳感器，另一個是用于自動補(bǔ)償氣體溫度變化的溫度傳感器。當(dāng)兩個熱電阻置于被測氣體中時，速度傳感器被加熱到環(huán)境溫度以上的一個恒定溫度，相應(yīng)氣體流量是通過其熱傳遞量計算的。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。

熱式氣體流量計所造成的流動阻力損失較小，且量程比較寬，可測量流速較低的氣體流量。此外，熱式氣體流量計可測溫度高達(dá)500℃的氣體流量，其電信號產(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存在的冷凝、結(jié)晶等問題。

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

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)氣體流量測量面臨的低流速、流場不均勻等難點，以及還可能存在的測量氣體中部分組份遇冷發(fā)生冷凝、結(jié)晶的難點，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于不均勻流場的熱式多孔板氣體流量計。

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)用于不均勻流場的熱式多孔板氣體流量計，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變送器連接。

本發(fā)明應(yīng)用于不均勻流場的熱式多孔板氣體流量計，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)套管的長度方向與氣體流動方向平行。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氣體沿著外套管流動方向的上游和下游。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)流通測量氣體，測量氣體流經(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量信號，且信號強(qiáng)弱反映外套管整個流通截面的平均流速大小。

本發(fā)明流量計經(jīng)實驗室標(biāo)準(zhǔn)流量計進(jìn)行標(biāo)定，獲得速度傳感器和溫度傳感器一次測量信號與氣體流量之間的換算關(guān)系式，在信號變送器中，一次信號進(jìn)行計算處理與傳送或直接顯示。

為了提高測量的準(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；信號變送器設(shè)在外套管外。為了進(jìn)一步提高測量的準(zhǔn)確性，速度傳感器上游內(nèi)套管長度與直徑或當(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量信號的準(zhǔn)確性。速度傳感器上游內(nèi)套管長度與直徑或當(dāng)量直徑的比值大于15。

為了提高本發(fā)明流量計測量的準(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)用于不均勻流場的熱式多孔板氣體流量計，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)套管的下端口同時穿過第一多孔板和第二孔板。為了提高流量測量的準(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，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)用于不均勻流場的熱式多孔板氣體流量計，尤其適用于DN100以上大口徑管道不均勻流場的氣體流量測量，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，同時還能保證全程高溫測量，從高溫氣體處直接傳送 電信號給外部低溫處的信號變送器，對于測量氣體中存在部分組份遇冷會冷凝、結(jié)晶等問題場合，也能適用。