CN108534853A - 测量单元、管件、流量计和用于确定流量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定流经管件(14)的流体的总流量(QG)的测量单元(12)，所述测量单元(12)具有：入口(18)、出口(22)和在它们之间走向的测量通道(20)；和用于将超声信号发送到所述测量通道中的第一超声转换器(26)和用于在经过所述测量通道之后接收所述超声信号的第二超声转换器(28)，其特征在于，用于可拆卸地连接到所述管件上的入口和出口被构造为使得所述总流量被分成管件中的主流(QH)和被传导经过测量通道并且紧接着重新与主流汇集的支流(QN)。此外，本发明还涉及一种对应的管件、一种具有测量单元和管件的流量计(10)以及一种用于确定总流量的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定流经管件的流体的总流量的测量单元，所述测量单元具有入口、出口和在它们之间延伸的测量通道以及具有用于将超声信号发送到测量通道中的第一超声转换器和用于接收在经过测量通道之后的超声信号的第二超声转换器。
背景技术
这样的测量单元在集中供暖的领域被用在热量表的流量计中。借助于这种热量表可能的是，确定通过热水管输送给耗热器的热量。为此，测量流经测量通道的热水的体积。温度传感器附加地确定在顺流和回流中的两个测量点之间的温度差，即在释放存储在水中的热量之前与在释放存储在水中的热量之后的两个测量点之间的温度差。基于所述两个测量，热量表可以确定被消耗的热量。其它应用领域包括在配热中心或者在住宅楼、商务楼或者工业建筑物中的水消耗测量(所谓的超声重型热量表)。
在DE 10 2013 012 139 A1中找到超声测量单元的示例。公开了用于检测流体的流量的超声表，所述超声表：具有优选地管状的外壳，所述管状的外壳能与流体网连接并且具有流体通道；以及布置在流体通道内的具有测量通道的超声测量段，用于检测流体的流量。超声测量段被构造为旁路通道，所述旁路通道布置在流体通道之内，使得总流体的流体部分能分岔并且该流体部分作为代表性的部分用于检测总流量。
为了保证测量的精确度并且也可以证明测量的精确度，有帮助的并且常常也规定的是，在使用之前和在使用期间定期地检查或检定测量单元。为此，在相对应地配备的测试状态下检查整个功能组。因而，尤其是在更大的管径、诸如在配热站或者在大的住宅设施或工业设施中的更大的管径的情况下，该检定过程是相对花费高的。这同样适用于在第一次使用之前要执行一次的校准。
发明内容
面对该问题，本发明的任务是精确地测量更大的并且大的流量，但是在此使检定、检查和校准的花费保持得低。
按照本发明的第一方面，该任务在根据权利要求1的前序部分所述的测量单元中通过如下方式来解决：入口和出口被构造用于可拆卸地连接到管件上，使得总流量被分成在管件中的主流和传导经过测量通道并且紧接着重新与主流汇集的支流。
本发明的另一方面涉及用于确定流体的总流量的管件，所述管件具有：布置在前端和末端的用于连接到紧接着的流体管道上的连接；第一连接孔和有间距地布置在下游的第二连接孔，用于可拆卸地连接如上面所描述的那样的测量单元；而且具有流阻，用于产生在第一连接孔与第二连接孔之间的压降。按照本发明，该任务通过如下方式来解决：第一连接孔被构造用于与测量单元的入口连接，而第二连接孔被构造用于与上述测量单元的出口连接。
本发明的第三方面涉及流量计。在此，所提到的任务通过测量单元和管件来解决，如之前所描述的那样。
最后，本发明涉及一种用于确定流经管件的流体的总流量的方法。所提到的任务通过如下步骤来解决：如果测量单元如之前描述的那样连接到管件上，如之前描述的那样，使得总流量被分成在管件中的主流和被传导经过测量通道并且紧接着又与主流汇集的支流；将超声信号发送到测量通道中并且在经过测量通道之后接收所发出的超声信号；基于所接收到的超声信号来确定所述支流；而且通过使支流乘以比例系数来计算总流量，所述比例系数说明了支流与支流之比。
本发明的优选的设计方案在从属权利要求中予以描述。易于理解的是，测量单元、管件、流量计和方法可以根据对于测量单元、管件、流量计和方法在从属权利要求中描述的设计方案来实施。
这里，对(流体)流的确定或测量尤其应该被理解为对流量的确定或对体积流的确定。流体尤其可以是水，然而也可以是其它液体(如油)或者原则上也可以是气体。
按照本发明，测量不是在管件之内而是在管件之外实施。为此，测量单元的入口和出口被构造用于可拆卸地连接到管件上。测量单元尤其可以从外部耦合到管件的外壁上。在此，连接被理解为与外部的可拆卸的固定，尤其是拧上、耦合、插入或者建立磁连接。在连接状态下，测量单元完全吃在管件之外而且能轻易地拆卸或卸载或解耦合。
通过测量单元的出口和入口，从总流量分岔出支流，所述支流在测量通道中借助于两个超声转换器来确定。在此，测量单元形成一种与管件的旁路通道。
按照本发明，管件拥有两个连接孔，所述两个连接孔与入口和出口对应。在管件的两个连接孔之间布置有流阻，通过所述流阻产生在两个连接孔之间的压力差或倒流。由于所述倒流，流体经过第一连接孔或经过入口到达测量单元，经过测量通道并且接着经过出口或第二连接孔又被引导回到管件中。
按照本发明的管件替换管道系统中的到目前为止的管件并且包括用于与紧接着的或相邻的管件连接的连接。该连接优选地被构造为法兰连接，通过所述法兰连接可以直接耦合到相邻的管件上或集成到管道网络中。安装花费最小。
测量单元和管件共同形成流量计。通过对测量单元的按照本发明的布置，实现了支流与主流成比例。因而，从对支流的确定可以推断出主流或总流量。换句话说：与管件无关地进行测量。
对于管件的预先给定的管径来说，比例与总流量无关，使得一次确定相对应的比例系数就足够。因而，测量单元可以单独地被检定。通过对测量单元的检定来实现对整个流量计的检定。
在到目前位置的基于超声的流量计中必要的是，即使在具有大的直径的设备中，管件连同内部的测量单元为了进行鉴定而予以拆卸。这通过本发明来避免，因为测量单元以按照本发明的方式能连接到管件上或可拆卸地来构造。在管件中的主流与在测量单元中的支流之间的比例是恒定的，使得对于检定来说仅仅使用测量单元而不是整个流量计。仅仅外部的测量单元被解耦合并且被检定，管件可以留在管道系统。
因此，本发明在大的管径和总流量的情况下是特别有利的，其中检定到目前为止是花费很高的。此外，在损坏或必要的维修的情况下，可以简单地并且快速地更换测量单元。用于维修的时间花费显著被降低。
在测量单元的一个优选的设计方案中，入口包括第一连接区段，所述第一连接区段垂直于测量通道地走向；而出口包括第二连接区段，所述第二连接区段垂直于测量通道地走向。入口区段和出口区段被构造为垂直于测量通道地走向的套节，所述套节与在管件上的连接孔对应并且通经过流体流到测量通道中或从测量通道流回到管件中。在圆形的管件的情况下，连接区段径向地来取向。
在另一有利的设计方案中，超声转换器彼此对置，而测量通道布置在所述超声转换器之间，使得超声信号与流体的流动方向平行地经过测量通道。超声转换器的这种布置由于流入和流出的流体而在布置在管件之内的测量单元的情况下是不可能的。按照本发明，不需要使超声信号在经过测量通道时一次或多次转向。经此，得到经改善的精确度或更高的动态性。
在另一有利的设计方案中，测量通道具有恒定的横截面。通过恒定的横截面，实现了流体在通道的内部是均匀的。沿着其流动方向由超声信号经过的均匀的流体允许特别准确的流量确定。优选地，测量通道在横截面方面是圆形的，由此使边缘效应最小化。测量的精确度或动态性被提高。
在测量单元的一个进一步优选的设计方案中，在于测量通道的连接上的入口包括带眼流体的流体方向的横截面变窄的第一调整区段；和/或在于测量通道的连接上的出口为了进行流体调整而包括带有沿流体的流体方向的横截面变宽的第二调整区段。在测量通道的入口上的这种横截面变窄和/或在测量通道的出口上的横截面变宽造成在测量通道中的更均匀的流体。流体被调整。这种具有几乎恒定的分布的均匀的流体造成了超声流量测量的被提高的精确度。在此，这些调整区段优选地漏斗形地来构造。
优选地，如果测量单元被耦合到管件上，那么测量通道与管件平行地走向。测量通道平行于管件的布置造成：可以产生具有几乎恒定的流体分布的保持不变的流体，由此进一步改善了测量精确度。
有利地，测量通道的内部由塑料组成。塑料造成：超声在测量通道内较少地被反射，由此提高了测量精确度。与由金属构成的实施方案相比，如在现有技术中多次提出的那样，尤其是当使用其它测量原理时，得到经改善的精确度和更高的动态性。
在管件的一个优选的设计方案中，流阻被构造为喷管，所述喷管具有带眼主流的流体方向的横截面变窄的第一喷管区段和紧接着的带更小的恒定的横截面的第二喷管区段。通过喷管，在和测量单元的入口共同起作用的第一连接孔与和出口共同起作用的第二连接孔之间产生压力差。由于有压力差，有足够大的恒定的流体流流经测量单元。喷管尤其可以是文氏喷管。
优选地，管件包括：入口室，所述入口室沿主流的流动方向布置在喷管之前而且在所述入口室上布置有第一连接孔；和出口室，所述出口室沿主流的流动方向布置在喷嘴后面而且在所述出口室上布置有第二连接孔。在这些室之间，经过喷管形成压力差。
有利地，第二喷管区段通向出口室并且所述出口室包括周围环境区段，所述周围环境区段同轴地包围所述第二喷管区段，其中第二连接孔布置在第二喷管区段的区域内。通过该布置，实现了对流体的尽可能小的损害。
进一步优选地，在第二连接孔的区域内的连接室包括连续弯曲的径向壁。通过所述壁，从测量单元回流到管件中的支流被转向。避免了死水区域；流体被调整。经此，不仅使流阻最小化而且使在测量单元中或在测量通道中的流体尽可能保持不变，使得可以实现高的精确度。
在流量计的一个有利的设计方案中，该流量计包括处理器，所述处理器被构造为基于所接收到的超声信号来确定支流；而且通过使支流乘以比例系数来计算总流量，其中比例系数说明了支流与主流之比。利用了主流与支流之比在整个动态范围内的恒定性，以便从对支流的测量出发推断出总流量。
在一个有利的设计方案中，按照本发明的方法包括检定测量单元的步骤，所述步骤包括：使测量单元与管件分离；单独地检定测量单元；并且将经检定的测量单元连接到管件上。如之前所描述的那样，测量单元单独地并且在没有管件的情况下被检定。只拆卸测量单元并且只重复检定测量单元由于主流与支流的比例恒定而能比对大得多的整个流量计的检定简单得多地来执行。使运行成本最小化。
附图说明
本发明的实施例在下文依据随附的附图予以描述并且进一步予以阐述。其中：
图1以简化截面图示出了流量计；
图2示出了图1的流量计的等效电路图；
图3示出了在测量单元中的流阻根据总流量的变化过程；
图4示出了在管件中的流阻根据总流量的变化过程；
图5示出了在支流与总流量之间的比例系数的变化过程；
图6以截面图示出了图1的流量计的测量单元；
图7以截面图示出了图1的流量计的管件；而
图8示出了一个可替换的管件。
具体实施方式
按照图1，流量计10包括测量单元12，所述测量单元12可以被连接或耦合到管件14上。在耦合状态下，所要测量的总流量QG(在流量计中的体积流或总体积流)被分成经过管件14的主流QH(在管件中的体积流或主体积流)和支流QN(在测量单元12中的体积流或支体积流)。
支流QN从管件14经过管件14的第一连接孔16流到测量单元12的入口18中，横穿测量单元12的测量通道20并且经过出口22或第二连接孔24回到管件14中。在第二连接孔24的下游，支流QN和主流QH重新汇集成总流量QG。
入口18和出口22可以从外部连接到管件14上。
在图2中，示意性地示出了在流量计中的流体的等效电路图。基于总压力差Δp，总流量QG被分成主流QH和支流QN。主流受到管件中的流阻RH，支流QN受到测量单元中的流阻RN。在支流QN已经经过测量单元之后，支流QN和主流QH重新汇集成总流量QG。
流阻Ri是压力差与流量(体积流)之比：
此外，得到总流量QG，作为支流QN和主流QH之和：
QG＝QN+QH
从对流阻RI的计算出发，基于压力损失系数ζ、管摩擦系数λ、流体的密度ρ以及管件的长度l和直径d以及其横截面积A，得到
与总流量QG无关地得到主流QH与支流QN的基本上恒定的比例。
在图3中示出了在测量单元RN中的流阻根据总流量QG的示例性的变化过程。一旦达到了最小流强度，流阻RN就基本上是恒定的并且与总流量QG无关。
在图4中示出了在管件RH中的流阻与总流量QG的相关性的示例性的变化过程。这里，流阻RH从达到最小流强度开始原则上也保持不变并且与总流量QG无关。
在图5中，示出了根据支流QN的比例系数K的变化过程，所述比例系数说明了总流量QG与支流QN之比。比例系数基本上保持恒定。
因此，支流QN和主流QH与总流量QG无关地基本上彼此直接成比例。该比例系数在按照本发明的流量计中被充分利用。在测量单元中进行真正的测量，其中值确定支流。基于在支流与主流之间的比例，可以反推出主流或总流量，也就是说以很高的精确度和安全性反推出主流或总流量。
在图6中放大并且仅仅示出了测量单元12。流体经过入口18的第一连接区段30流到测量单元12中，在那里经过测量通道20并且又经过出口22的第二连接区段32离开测量单元12。
测量单元12的入口18和出口22被构造为可拆卸地被连接到管件上。可拆卸地连接被理解为建立也可以重新断开的连接。连接区段30、32与管件垂直地走向并且可以啮合到管件上的相对应的容纳部中，由此能够实现在管件的连接孔与测量单元12的入口18和出口22之间的可拆卸的连接或连接。连接区段30、32因此是一种套节。例如通过相对应的固定装置(如螺丝、磁铁、粘合剂等等)或者也通过夹紧机构来进行固定。
因此，不同于由总流量流经的到目前位置的测量单元，可以使测量单元12从管件14拆卸、即解耦合或取下。因为在管件14之内的流体比例不改变，所以不需要检定管件14。仅须检定测量单元12。因此，检定过程明显被简化，因为对于检定来说不再需要在到目前为止的系统中所需的对管件14的拆卸。更确切地说，管件14留在管道系统之内。只有四个较小的测量单元12被拆卸，以便在检定设备中予以检定。
在测量单元12中，两个超声转换器26、28(传感器)被布置在入口18或出口22的区域内。通过超声转换器26、28，在一侧将超声信号耦合输入到测量通道20中，所述超声信号接着在另一侧被接收。在此，两个超声转换器26、28不仅可以发送器而且可以是接收器。
超声在其由第二超声转换器28重新接收到之前经过支流。根据水的流速，所接收到的超声信号的传播时间或频率发生变化。
超声信号原则上可以沿任意的方向经过测量通道20，其中至少一个分段或信号分量也必须沿流动方向或与流动方向反向，以便能够测量流速。
在所示出的实施方式中，超声与支流QN平行地经过测量通道20。测量通道20沿着长度被经过。在此可能的是，超声信号逆着流方向地或者沿流体的流方向地经过测量通道20。
由于基于测量单元12的在管件14之外的按照本发明的布置能够实现测量通道20与流体的流动方向平行地被经过，不需要使超声信号在测量管之内的镜面上转向。其结果是实现了被提高的测量精确度或被提高的动态性。
如能在图6中看到的那样，在入口18中设置有带横截面变窄的第一调整区段34，在所述第一调整区段内，为了进行流体调整，支流QN朝测量通道20的方向变窄。经此，实现了在测量通道20之内的统一的流体分布。统一的流体分布被理解为在测量通道20的整个直径内均匀的分布。
这种分布允许借助于超声测量方法来做出关于流量的准确的结论。与在入口18中的第一调整区段34中的横截面变窄对称地，在出口22中设置有具有横截面变宽的第二调整区段36。在所述第二调整区段36中，从测量通道20流出的流体这样被截取，使得不形成倒流，由此在测量通道20内的流体同样被调整，以便在整个测量通道20内保证尽可能统一的流体分布。
在处理器(未示出)中分析所接收到的超声信号以及操控超声转换器26、28。根据所接收到的信号来确定流量。尤其是，基于预先限定的比例系数，可以从所测量到的支流推算出主流并且从中可以计算出总流量。
在测量通道20的区域内，测量单元12优选地由塑料来构造或具有至少一个由塑料构成的内壁38。塑料差地反射超声，使得避免了在测量通道20的壁上的反射，所述反射可能会使测量结果失真。
在图7中单独地并且放大地示出了按照本发明的管件14。流阻44布置在与第一连接孔16保持连接的入口室40和与第二连接孔24保持连接的出口室42之间。连接孔16、24径向地对准管件14。
流阻44被构造为文氏管并且具有带横截面变窄的第一喷管区段46以及连接在其上的具有更小的恒定的横截面的第二喷管区段48。喷管区段46、48同轴地布置在管件14中。通过流阻44，在第一连接孔16与第二连接孔24之间产生压差。由于有压差，流体从管件14经过第一连接孔16流到测量单元12。
在此，流阻44也可以以其它方式来构造。例如，流阻44可以构造为伸入到管件14中的突起。易于理解的是，也可设想的是用于产生压力差的其它可能性。例如，可以在管件中设置弯曲。
管件14这里示例性地具有圆形的横截面。管件14在其末端具有连接50，用于连接到紧接着的流体管道上或用于嵌入到管道中。在所示出的示例中，连接50被构造为法兰连接。
第二喷管区段48通向出口室42，所述出口室包括周围环境区段52，所述周围环境区段径向地包围第二喷管区段48。经过第二连接孔24流入的流体在该周围环境区段52内重新与主流聚集在一起。
图8示出了在一个可替换的实施方式中的单独的管件14。在第二连接孔24的区域内，在第二连接孔24的区域内的出口室42内，设置有连续弯曲的径向的壁54。所述壁倒圆地来构造，使得支流从测量单元朝总流量的方向转向。避免了涡流或者倒流。因此，连续弯曲的径向的壁54造成对流体的调整。避免了死水区域，而且使测量通道中以及管件14中的流量进一步优化。
附图标记
10 流量计
12 测量单元
14 管件
16 第一连接孔
18 入口
20 测量通道
22 出口
24 第二连接孔
26 第一超声转换器
28 第二超声转换器
30 第一连接区段
32 第二连接区段
34 第一调整区段
36 第二调整区段
38 内壁
40 入口室
42 出口室
44 流阻
46 第一喷管区段
48 第二喷管区段
50 连接
52 周围环境区段
54 连续弯曲的径向的壁
Δp 压力差
QG 总流量
QN 支流
QH 主流
Claims (16)
1.一种用于确定流经管件(14)的流体的总流量(QG)的测量单元(12)，所述测量单元(12)具有：
入口(18)、出口(22)和在它们之间走向的测量通道(20)；和
用于将超声信号发送到所述测量通道中的第一超声转换器(26)和用于在经过所述测量通道之后接收所述超声信号的第二超声转换器(28)，
其特征在于，
用于可拆卸地连接到所述管件上的入口和出口被构造为使得所述总流量被分成管件中的主流(QH)和被传导经过测量通道并且紧接着重新与主流汇集的支流(QN)。
2.根据权利要求1所述的测量单元(1)，其特征在于，
所述入口包括垂直于所述测量通道(20)地走向的第一连接区段(30)；而
所述出口包括垂直于所述测量通道地走向的第二连接区段(32)。
3.根据上述权利要求之一所述的测量单元(12)，其特征在于，超声转换器(26、28)彼此对置并且所述测量通道(20)布置在所述超声转换器之间，使得所述超声信号与流的流体方向平行地经过所述测量通道。
4.根据上述权利要求之一所述的测量单元(12)，其特征在于，所述测量通道(20)具有恒定的横截面。
5.根据上述权利要求之一所述的测量单元(12)，其特征在于，
在与所述测量通道(20)的连接上的入口(18)为了进行流体调整而包括第一调整区段(34)，所述第一调整区段(34)具有沿流体的流动方向的横截面变窄；和/或
在与所述测量通道(20)的连接上的出口(22)为了进行流体调整而包括第二调整区段(36)，所述第二调整区段(36)具有沿流体的流动方向的横截面变宽。
6.根据上述权利要求之一所述的测量单元(12)，其特征在于，如果所述测量单元被连接到所述管件上，那么所述测量通道(20)与所述管件(14)平行地走向。
7.根据上述权利要求之一所述的测量单元(12)，其特征在于，所述测量通道(20)的内壁(38)由塑料组成。
8.一种用于确定流体的总流量(QG)的管件(14)，所述管件具有：
布置在前端和末端的用于连接到紧接着的流体管道上的连接(50)；
第一连接孔(16)和有间距地布置在下游的第二连接孔(24)，用于可拆卸地连接根据权利要求1至7之一所述的测量单元(12)；和
流阻(44)，用于产生在所述第一连接孔与所述第二连接孔之间的压降，
其中所述第一连接孔被构造用于与所述测量单元的入口(18)连接，而所述第二连接孔被构造用于与所述测量单元的出口(22)连接。
9.根据权利要求8所述的管件(14)，其特征在于，所述流阻(44)被构造为喷管，所述喷管具有带有沿主流(QH)的流体方向的第一喷管区段(46)和紧接着的具有更小的恒定的横截面的第二喷管区段(48)。
10.根据权利要求9所述的管件(14)，其特征在于
入口室(40)，所述入口室沿所述主流的流体方向布置在所述喷管前面并且在所述入口室上布置有所述第一连接孔(16)；
和出口室(42)，所述出口室沿所述主流的流体方向布置在所述喷管后面并且在所述出口室上布置有所述第二连接孔(24)。
11.根据权利要求10所述的管件(14)，其特征在于，第二喷管区段(48)通向所述出口室并且所述出口室包括周围环境区段(52)，所述周围环境区段同轴地包围所述第二喷管区段，其中所述第二连接孔布置在所述第二喷管区段的区域内。
12.根据权利要求11所述的管件(14)，其特征在于，在第二连接孔的区域内的连接室包括连续弯曲的径向壁(54)。
13.一种用于确定流体的总流量的流量计(10)，所述流量计具有根据权利要求1至8之一所述的测量单元(12)和根据权利要求8至12之一所述的管件(14)，所述测量单元连接到所述管件上。
14.根据权利要求13所述的流量计(10)，其具有处理器，所述处理器被构造为：
基于所接收到的超声信号确定支流(QN)；而且
通过使所述支流与比例系数(K)相乘来计算总流量(QG)，其中所述比例系数说明了所述支流与所述主流(QH)之比。
15.一种用于确定流经管件(14)的流体的总流量(QG)的方法，所述方法具有如下步骤：
将根据权利要求1至8之一所述的测量单元(12)连接到根据权利要求8至12之一所述的管件上，使得所述总流量被分成管件中的主流(QH)和被传导经过测量通道并且紧接着重新与主流汇集的支流(QN)；
将超声信号发送到所述测量通道(20)中并且在经过所述测量通道之后接收所发出的超声信号；
基于所接收到的超声信号来确定所述支流；而且
通过使支流与比例系数(K)相乘来计算所述总流量，所述比例系数说明了所述支流与所述支流之比。
16.根据权利要求15所述的方法，其具有检定所述测量单元(12)的步骤，所述步骤包括：
使所述测量单元与所述管件(14)分离；
单独地检定所述测量单元；而且
将经检定的测量单元连接到所述管件上。
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