阅读说明：本技术 一种差压式流量计的压差自适应计量段 (Differential pressure self-adaptation measurement section of differential pressure type flowmeter ) 是由 张家铭 张天宏 孙汝辉 黄向华 盛汉霖 *** 于 2020-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明提出的是一种差压式流量计的压差自适应计量段,包括壳体、引导装置、纺锤形节流体、高压测量口、低压测量口和弹性装置；其中壳体整体呈圆管形,纺锤形节流体置于壳体内部,并与壳体同轴安装,弹性装置安装于纺锤形节流体的尾部,引导装置一体化集成于壳体的内表面,高压测量口和低压测量口分别设于壳体外表面相对纺锤形节流体的前部与中部位置。本发明利用沿程压损与流道长度成反比、节流件压差与流量成正相关的关系,使压差-流量关系曲线满足数学上凸或线性的函数关系,满足小流量时压差较大,大流量时压差较小,且保证压差-流量满足一一映射,可实现低压损,量程比大,精度高的流量计量。(The invention provides a differential pressure self-adaptive metering section of a differential pressure type flowmeter, which comprises a shell, a guide device, a spindle-shaped throttling body, a high-pressure measuring port, a low-pressure measuring port and an elastic device, wherein the shell is provided with a guide hole; the whole shell is in a circular tube shape, the spindle-shaped throttling body is arranged in the shell and is coaxially installed with the shell, the elastic device is installed at the tail part of the spindle-shaped throttling body, the guiding device is integrated on the inner surface of the shell, and the high-pressure measuring port and the low-pressure measuring port are respectively arranged on the outer surface of the shell and are opposite to the front part and the middle part of the spindle-shaped throttling body. The invention utilizes the relationship that the on-way pressure loss is in inverse proportion to the length of the flow channel and the differential pressure of the throttling element is in positive correlation with the flow, so that a differential pressure-flow relation curve meets the mathematical convex or linear function relationship, the requirements of large differential pressure at small flow and small differential pressure at large flow are met, the differential pressure-flow meets the one-to-one mapping, and the flow measurement with low pressure loss, large range ratio and high precision can be realized.)

一种差压式流量计的压差自适应计量段

技术领域

本发明涉及的是一种差压式流量计的压差自适应计量段，属于流量测量设备技术领域。

背景技术

流量计是工业测量中重要的仪表之一，它被广泛应用于化工、石油、核能、冶金、电力、电子、交通、轻纺、食品等各个领域，是发展工农业生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具，在国民经济中占有重要的地位。为了适应各种用途，各种类型的流量计相继问世。

流量计根据测量原理主要分为差压流量计、转子流量计、涡轮流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计等。其中差压流量计是基于计量段前后压差，通过压差-流量关系获取计量流体实时流量，从17世纪托里拆利奠定差压流量计的理论基础开始，经历了一系列发展，是应用历史最悠久、实践经验最成熟、标准规范最完善的流量计类型之一；同时，差压流量计具有实时性好、测量范围宽、测量原理简单等优势。然而，由于现有的压差变送器的精度是基于全测量范围定义的，在低压差范围内精度相对于高压差范围内的精度较低；同时，在一些特定的场合，例如在航空发动机电动燃油泵的控制问题中，流体流量的最大值给定，允许的压差最大值也受到严格限制，此时需要在小流量时具有较大压差，实现小流量时高精度的流量计量，而在大流量时精度可以相对较低。现有的差压式流量计结构缺乏自适应功能，无法根据压差变化对应调整测量精度，给数据收集和测定带来较大的难度。

在现有公开的专利技术方案中，公开号为CN210069116U的实用新型专利提出了一种满足高压差小流量和低压差大流量的节流装置，该装置在一定程度上解决了现有差压流量计存在的上述问题。但是该装置采用的设计方案是在套筒上开若干小孔，小流量通道与大流量通道交替设置，需要根据流量人工调节阀芯位置，仅仅是分别实现了高压差小流量和低压差大流量的功能，而无法实现自动适应调节功能。公开号为CN110662946A的发明专利申请公开了一种流量计量装置和流量计测方法，其提出压差-流量关系公式也符合数学上的二次曲线，但并未提出可以实现高压差小流量和低压差大流量的计量装置结构或相关的说明。公开号分别为CN209783664U、CN109489741A、CN106441468A和CN106248159A的各项专利或专利申请，都分别公开了一些基于压差-流量关系的高精度流量计量装置及方法，但是其采用的流量计量装置都是利用孔板或文丘利流量计，实现对流量的精确计量，并未提出一种具有自适应功能的，满足高压差小流量和低压差大流量的节流装置。公开号为CN106525173A的发明专利公开了一种量程无缝切换流量测量装置，其采用的方法是利用弯管节流，并且利用单片机对多个测量孔压差进行自动判断，并非是通过节流装置的自动调节，无法实现无缝切换。公开号为CN2736741的实用新型专利与公开号为CN107806912A的发明专利申请，都公开了采用纺锤体节流件实现对流量的精确计量的装置，但以上两个专利都未采用弹性装置使计量装置可以根据压差进行自适应调节，以实现高压差小流量和低压差大流量的计量，也难以应用于流量最大值与压差最大值有严格限制时，全流量范围流量的精确计量的场合。由日本IHI公司的Noriko Morioka等学者于2014年发表的"Development of the Electric Fuel System for the More Electric Engine"中针对航空发动机电动燃油泵研究了一种流量计量方案，目的是实现流量最大值与压差最大值有严格限制时，全流量范围流量的精确计量目的，其计量方法采用压差-流量关系对流量进行计量，需要满足高压差小流量和低压差大流量的计量。但是其采用的方案是将流量从两个流道进行计量，小流量时采用孔板节流，大流量时采用一种特殊的大流量时自动开启的阀门实现节流，并未将节流装置一体化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有差压流量计结构存在的上述缺陷，提出一种差压式流量计的压差自适应计量段，利用弹性装置长度与节流件前后压差成反比，节流段沿程压损与流道长度成反比、节流件前后压差压差与流量成正比三种比例关系，实现压差-流量的自适应调节，可以应用于流量最大值给定，压差最大值有严格限制的流量计量场合，保证高压差小流量和低压差大流量的计量，保证流量范围内高精度的流量计量。

本发明的技术解决方案：一种差压式流量计的压差自适应计量段，其特征是包括壳体、引导装置、纺锤形节流体、高压测量口、低压测量口和弹性装置；其中壳体为用于计量流体的主要流道，整体呈圆管形，壳体的两端设有法兰，用于安装于各种所需计量流量的场合；纺锤形节流体设于壳体内部，并与壳体同轴安装，弹性装置安装于纺锤形节流体的尾部，采用机械弹簧、液压弹簧或气压弹簧等压缩长度与所受压力成正比的弹性设备，用以自适应调节高压测量口和低压测量口之间的压差，引导装置采用销式引导装置或导轨式引导装置，一体化集成于壳体的内表面，用于限制纺锤形节流体的周向运动与径向运动，使其仅可在轴向***；高压测量口和低压测量口分别设于壳体外表面相对纺锤形节流体的前部与中部位置。

进一步的，所述的纺锤形节流体与壳体形成环形流道，所计量的流体在环形流道中形成压降，利用压降与流量的函数关系，实现对流体流量的计量；纺锤形节流体的外表面前段采用数学上二阶可导的光滑曲面，实现整流作用，使来流稳定为层流，压差沿径向均匀分布，压差沿轴向等梯度下降，使高压测量口处压力平稳；纺锤形节流体的外表面中段采用直线段，实现低压测量口处压力平稳，压差沿径向均匀分布，压差按轴向等梯度下降；纺锤形节流体的外表面后段采用数学上二阶可导的光滑曲面，通过流道的缓慢扩张，使环形流道出***流有充分空间随流道扩张而减速，避免环形流道突然扩张时的湍流。

进一步的，所述的弹性装置自适应调节高压测量口和低压测量口之间的压差的具体调节过程如下：当流量较小时，纺锤形节流体表面的流体摩擦力与流体压力都较小，纺锤形节流体前后压差也较小，因此纺锤形节流体表面受力的面积分较小，由于受力平衡，此时弹性装置收缩长度较小，于是高压测量口和低压测量口之间由壳体与纺锤形节流体直线段形成的环形流道长度较长，由于流体流过环形流道产生的压损与环形流道长度成正比，因此此时高压测量口和低压测量口之间测得的压差较大，实现小流量时高压差的测量；当流量开始增大时，纺锤形节流体表面的流体摩擦力与流体压力都增大，纺锤形节流体前后压差增大，因此纺锤形节流体表面受力的面积分增大，由于受力平衡，此时弹性装置收缩长度增加，造成高压测量口和低压测量口由壳体与纺锤形节流体直线段形成的环形流道长度减小，由于流体流过环形流道产生的压损与环形流道长度成正比，因此此时高压测量口和低压测量口之间测得的压差按一定比例缩小，但整体趋势仍然上升，实现大流量时低压差的测量。

进一步的，该计量段通过压差传感器测量高压测量口与低压测量口之间的压差，根据压差-流量公式将压差转换为计量段所计量的流量，通过调节壳体、纺锤形节流体、高压测量口和低压测量口位置所对应的几何参数，以及通过调节弹性装置刚度系数，可以实现满足二次曲线的压差流量自适吟关系或满足线性的压差-流量自适应关系。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)由于现有压差传感器量程有限，精度有限，尤其是在低压差时精度较低，通过本装置的压差-流量的自适应调节，可以实现小流量时高压差，大流量时低压差的流体流量计量，克服了压差传感器在小流量低压差时精度较差的缺点，保证全量程范围内流体流量的精确计量，可应用于流量最大值给定，且要求测量压差范围有限的各种流量计量场合，具有极高的压差测量精度和流量计量精度；

2)通过调节合适的几何参数和刚度系数，可以实现数学上凸函数或线性的压差-流量关系，且保证压差-流量为一一映射关系，保证计量数据的可靠性；

3)相比于现有各种流量计量装置，本装置具有一体化集成，无需调节，可实现压差与流量的自适应，能保证压差的有效测量，并在此基础上实现流量的精确计量，无需对流体进行分路计量，集成度高，结构紧凑，使用便捷等优点，可实现低压损，量程比大，测量精度高的流量计量；

4)充分利用各压差传感器，极大地减少了计量装置对压差传感器数量及性能的依赖，显著提高了流体流量计量的可靠性，降低了重量，成本及复杂度。

附图说明

附图1是本发明差压式流量计的压差自适应计量段的剖面结构示意图。

附图2是本发明差压式流量计的压差自适应计量段的压差-流量关系曲线图。

附图3是本发明差压式流量计的压差自适应计量段的仿真压力梯度图。

附图4是本发明差压式流量计的压差自适应计量段的仿真速度矢量图。

图中1为壳体，2为引导装置，3为纺锤形节流体，4高压差测量口，5为低压差测量口，6为弹性装置。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。所述实施例的示例在附图中示出，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。

在本发明的描述中需要理解的是，各种指示方位或位置关系的术语均基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或直接一体化组合连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是物理结构上的连接，也可以是电学上的连接或无线连接。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。

如图1所示的差压式流量计的压差自适应计量段，其特征是包括壳体1、引导装置2、纺锤形节流体3、高压测量口4、低压测量口5和弹性装置6；其中壳体1整体呈圆管形，纺锤形节流体3设于壳体1内部，并与壳体2同轴安装，弹性装置6安装于纺锤形节流体3的尾部，引导装置2一体化集成于壳体1的内表面，高压测量口4和低压测量口5分别设于壳体1外表面相对纺锤形节流体3的前部与中部位置。

所述的引导装置2集成在壳体1内部，在本实施例中采用销式引导装置，与壳体内表面呈180°集成，纺锤形节流体外表面180°对应位置开有活动槽，销式引导装置配合活动槽，使纺锤形节流体仅可沿销式引导装置沿轴向运动，而限制了其周向转动和径向移动，保证纺锤体直线段与壳体之间形成面积稳定的环形流道，避免由于流道几何畸变对流量计量造成的影响。

所述的纺锤形节流体3前段采用数学上二阶可导的光滑曲面，主要实现整流作用，使来流稳定为层流，压差沿径向均匀分布，压差沿轴向等梯度下降，使高压测量口处压力平稳；纺锤形节流体3中段采用直线段，使纺锤形节流体3与壳体1形成流通面积合适的环形流道，使低压测量口处压力平稳，压差沿径向均匀分布，压差按轴向等梯度下降；纺锤形节流体3后段采用数学上二阶可导的光滑曲面，主要通过流道的缓慢扩张，使环形流道出***流有充分空间随流道扩张而减速，避免环形流道突然扩张时的湍流，避免纺锤形节流体3出口处由于湍流造成的压力波动，避免弹性装置6由于纺锤形节流体3受力不稳定造成的抖动，纺锤形节流体3与壳体1同轴安装，使纺锤形节流体3直线段与壳体1形成环型流道。

所述的高压测量口4在壳体1上开口，置于纺锤形节流体前的位置，用于测量流体高压端压力；所述的低压测量口5也在壳体1上开口，置于纺锤形节流体中间直线段段，用于测量流体低压端压力，高低测量口测得的压力差，用于计算流体的实际流量。

本实施例针对的流体流量计量，为最大给定流量为550kg/h的航空煤油，采用的压差传感器量程为0.1MPa，因此，经过优选，所采用的上述部件几何参数如表1所示，表1中所述的位置距离，均为弹性装置6处于自然状态，未受到流体压力及粘性摩擦压缩时的位置：

表1压差自适应计量段各部件几何参数

本实施例中，弹性装置6置于壳体1内部并安装在纺锤形节流3体尾部，采用机械压簧，其中轴线与纺锤形节流体3同轴，并与壳体1内部通过支板连接，通过弹性装置6弹力与纺锤形节流体3所受流体压力与粘性力的平衡，使得在流量不同时，弹性装置6压缩量不同，实现压差随流量的自适应调节，且弹性装置6压缩长度与所受压力成正比，此比例系数为k，在本实施例中，选取刚度系数为0.625N/mm。

流量与高压测量口4和低压测量口5之间纺锤形节流体3中段与壳体1形成的环形流道长度耦合、高压测量口4和低压测量口5之间纺锤形节流体3中段与壳体1形成的环形流道长度与所测得压差耦合、纺锤形节流体3中段与壳体1形成的环形流道压差与流量耦合，因此流量改变时，弹性装置6压缩长度改变，高压测量口4和低压测量口5之间纺锤形节流体3中段与壳体1形成的环形流道长度相应发生改变，从而高压测量口4和低压测量口5之间测得压差根据流量实现自适应调节。

相对于固定位置的环形流道，本实施例中的差压式流量计的压差自适应计量段所测得的压差不遵循一般环形流道压差、流量的关系，而遵循流量与高压测量口4和低压测量口5之间由壳体1与纺锤形节流体3形成的环形流道长度耦合、高压测量口4和低压测量口5之间由壳体1与纺锤形节流体3形成的环形流道长度与所测得压差耦合、由壳体1与纺锤形节流体3形成的环形流道压差与流量耦合，通过上述三重耦合关系所得的压差流量关系；当流量改变时，弹性装置6压缩长度改变，高压测量口4和低压测量口5之间环形流道长度相应发生改变，从而将高压测量口4和低压测量口5之间测得的压差根据流量实现自适应调节。其具体工作过程如下：

当流量较小时，纺锤形节流体3表面的流体摩擦力与流体压力都较小，纺锤形节流体3前后压差也较小，因此纺锤形节流体3表面受力的面积分较小，由于受力平衡，此时弹性装置6收缩长度较小，于是高压测量口4和低压测量口5之间，由壳体1与纺锤形节流体3直线段形成的环形流道长度较长，由于流体流过环形流道产生的压损与环形流道长度成正比，因此此时两测压差测量口测得的压差较大，实现了小流量高压差的测量；

当流量开始增大时，纺锤形节流体3表面的流体摩擦力与流体压力都增大，纺锤形节流体3前后压差增大，因此纺锤形节流体3表面受力的面积分增大，由于受力平衡，此时弹性装置6收缩长度增加，造成两压差测量口之间，由壳体1与纺锤形节流体3直线段形成的环形流道长度减小，由于流体流过环形流道产生的压损与环形流道长度成正比，因此此时两测压差测量口测得的压差按一定比例缩小，但是整体趋势仍然上升，实现了大流量低压差的测量。

下面对压差-流量公式进行详细推导。

对于环形流道，忽略密度的变化，即假设流体不可压缩，则其环形流道内压差-流量关系可以表示为：

其中Δp为环形流道前后压差，μ为粘度系数，l为流道长度。

对于本实施例中采用的弹性装置6，有胡克定律：

F＝kx (3)

而同时，对于本实施例中的纺锤形节流体3，其受力平衡方程有：

而对于纺锤形节流体3来说，其总的节流长度固定为l₁，若令：

则有：

q_max＝k₁Δp_max (7)

联立方程(7)，(10)可得，相对于流量最大时，弹性装置6被压缩到极限，弹性装置6压缩长度为：

对于高压测量口4和低压测量口5的相对位置来说，其中剩余的环形流道长度为：

l＝l′+x (9)

其中l′为相对于流量最大时，弹性装置3被压缩到极限时，高压测量口4和低压测量口5之间剩余环形流道长度，q_max为最大计量流量。

由于D、δ、μ为常数，为了方便表示，令：

则联立公式(5),(11)，(12)可得，对于本实施例来说，其压差-流量关系为：

其中k′、l′、q_max都是在如表1的几何参数及所选定的弹性装置6的刚度系数确定的常系数。

由此可以得到压差-流量公式：

其中π为圆周率，D为壳体内径，δ为壳体内径与纺锤形节流体中段直径之差，μ为所计量流体(航空煤油)粘度系数，Δp为压差测量口之间测得的压差，l′流量最大弹性装置被压缩到极限时，压差测量口之间剩余环形流道长度，S为纺锤形节流体中段截面面积，l₁为纺锤形节流体中段长度，k为弹性装置刚度系数，q为所计量的流体流量，q_max为所设计的流量计计量流体的给定最大流量。由此实现了流量的计量。

将本实施例中几何参数带入上述公式1中，得到如图2所绘制的压差流量关系曲线。图2中线性关系的直线为刚度系数无穷大时，压差-流量所表现出来的线性关系，图2中数学上凸的曲线关系，为刚度系数选择为0.625N/mm时，压差-流量通过本装置实现自适应时的关系。从图2中可以明确地看到，当选择合适的刚度系数与几何参数时，可以实现在小流量时压差变化剧烈，可以提高小流量计量时的精度，当调节几何参数与刚度系数，满足线性的压差-流量自适应关系时，在全流量范围内压差变化均匀，满足全流量范围内流量计量需求，且上述关系都不会超过压差-流量关系曲线上流量最大值与压差最大值的点，即在流量最大值给定，允许的压差有最大值限制时，可以通过调节几何参数与刚度系数，实现小流量高精度或全流量均匀精度的流量计量。同时从图2中可以明确看出，压差-流量为一条单调的曲线，其满足一一映射，可以实现压差-流量的一一对应。

为了进一步说明本实施例在设计方面的可靠性与流量计量方面的有效性，利用流体仿真软件FLUENT对本实施例所设计的流体型面进行仿真，其仿真结果中，压力梯度图如图3所示，速度矢量图如图4所示。从图3中可以看出，压力梯度沿本实施例所设计的自适应计量段轴向均匀下降，并在径向不变，保证了压差-流量计量的有效性和可靠性，所测得的压差满足如公式(1)所示的函数关系。从图4速度矢量图中可以看出，本实施例所设计的自适应计量段，纺锤形节流体3经过优选设计，可以使流体贴壁流动，无分离，全范围内流体无分离，且都处于层流状态，可以有效保证压力梯度沿轴向均匀下降，且保证纺锤形节流体3受力均匀。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。