CN112729421B - 一种多管径非满管流量计及其安装与使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密仪器技术领域，具体涉及一种多管径非满管流量计及其安装与使用方法。该流量计包括：电源、测量管、电阻应变片组件、管径测量组件、温度传感器、液位传感器、以及处理模块。其中，电源用于为流量计供电；测量管的管壁上开设第一通槽和第二通槽，测量管顶端的中央设置非圆形的第一通孔。电阻应变组件包括第一电阻应变片和第二电阻应变片，第一电阻应变片和第二电阻应变片分别设置在测量管左半部和右半部的外壁上。管径测量组件包括插杆和测距传感器；插杆插接在第一通孔中；测距传感器包括第一测距传感器和第二测距传感器。该流量计能够解决管道内流体非满管时流量难以准确测量，以及同一流量计无法适应多种管径的问题。

Description

一种多管径非满管流量计及其安装与使用方法

技术领域

本发明属于精密仪器技术领域，具体涉及一种多管径非满管流量计及其安装与使用方法。

背景技术

流量计是一种用于指示被测流量和在选定的时间间隔内流体总量的仪表。简单来说就是用于测量管道或明渠中流体流量的一种仪表。按照流量计的不同设计原理可分为有差压式流量计、转子流量计、节流式流量计、电磁流量计、超声波流量计等。按测量的介质分类，又包括液体流量计和气体流量计。

流量计的基本工作原理是通过测量单位流体截面积内的流体流速来获取相应的瞬时流量；然后求取瞬时流量对时间的积分结果获取规定时间内的累计流量。对于传统的流量计来说，由于流体运动时通常时充满流量计的测量腔体的，因此仅需要获的测量腔内流经的流体流速就可以检测到相应的流量结果。

但是在很多实际应用的场景下，管道内的流体可能并不是满管的，液面高度仅能达到管道的一部分。例如在污水排放管道中就经常出现该状况，如果需要临时测量该类管道内流体的流量，传统的各类流量计都无法胜任该项测量工作。而且对于传统流量计来说，安装该流量计时需要对管道进行断流，并切断管道。安装过程非常麻烦，还会对管道造成较为严重的损伤。

此外，使用同样的流量计在测量不同管道内的流体流量时；由于管道的管径类型是多样的，非满管状态下流体的流速和流体的截面形状也是在不断变化的；因此传统流量计大多无法针对该类使用场景获得准确的测量结果。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种多管径非满管流量计及其安装与使用方法，该流量计能够解决管道内流体非满管时流量难以准确测量，以及同一流量计无法适应多种管径的问题。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种多管径非满管流量计，该流量计包括：电源、测量管、电阻应变片组件、管径测量组件、温度传感器、液位传感器、以及处理模块。

其中，电源用于为流量计供电；测量管的顶端密封，测量管的管壁上开设第一通槽和第二通槽，第一通槽和第二通槽沿管道上段延伸至管道底端；第一通槽和第二通槽沿测量管的纵向半剖面对称分布；第一通槽和第二通槽所述测量管分隔成左半部和右半部；测量管顶端的中央设置非圆形的第一通孔。电阻应变组件包括相互并联的第一电阻应变片和第二电阻应变片，第一电阻应变片和第二电阻应变片分别设置在测量管左半部和右半部的外壁上

管径测量组件包括插杆和测距传感器；插杆插接在第一通孔中；测距传感器包括第一测距传感器和第二测距传感器，第一测距传感器和第二测距传感器分别对称安装在插杆底部；第一测距传感器和第二测距传感器均位于测量管内，二者分别通过第一通槽和第二通槽处测量测距传感器本体与管道内壁间的距离。

本发明中，温度传感器用于测量管道内流体的温度；液位传感器用于测量管道内流体的液位。

处理模块与电源、电阻应变组件、管径测量组件、温度传感器、液位传感器电连接；处理模块分别用于获取电阻应变组件两端的电阻和电压；获取温度传感器和液位传感器的测量结果；获取管径测量组件的测量结果并计算管径；并根据上述数据计算管道内的瞬时流量以及规定时间内的累计流量。

其中，处理模块中管径D的计算公式如下：

D＝max{x₁+x₂+x₀}

上式中，max{}表示求取最大值的函数，x₁是第一测距传感器的检测值，x₂是第二测距传感器的检测值，x₀是第一测距传感器与第二测距传感器的间距；

处理模块将该计算值D与数据库中的管道规格表中的标准值进行比对，选择与计算值D最接近的管道规格标准值d作为当前管道的实际管径；

处理模块中瞬时流量Q_瞬的计算公式如下：

上式中，K₁是电阻应变组件的压力系数；U是电阻应变组件的两端电压；I是电阻应变组件两端的电流；β是管道的膨胀系数；T是流体温度；h为流体的液位；d表示当前管道的实际管径，S_d(h)表示管径为d的管道中流体截面积与流体液位h间的函数关系，所述处理模块中预设d与S_d(h)间一一对应的函数关系。

累计流量Q_总的计算公式如下：

上式中，t表示时间，Q_瞬(t)是瞬时流量关于时间t的函数。

进一步地，液位传感器和温度传感器位于测量管的管腔内侧远离第一通槽和第二通槽联通面的位置上。在实际测量过程中，流体会沿着第一通槽和第二通槽进入到测量管内腔中，在测量管官腔内部远离第一通槽和第二通槽的位置，流体的流速相对其他部分也更加平稳，将液位传感器和温度传感器设置在该位置可以降低流体流速对温度和液位测量的干扰。

进一步地，测量管的上端连接有密封塞，所述密封塞的外周设置弹性垫圈。

密封塞主要用于对管道上开设的安装孔进行密封，其中，弹性垫圈可以提高密封塞安装时的密封效果。

进一步地，密封塞的上部设置表头，所述表头中包括显示模块，所述显示模块分别用于显示当前管径；当前瞬时流量以及规定时间内的累计流量的数值。

进一步地，表头中还还设置按键模块，所述按键模块与处理模块电连接，所述按键模块包括初始化键、软还原键，以及硬还原键；所述按键模块用于向处理模块发送人工指令。

进一步地，处理模块中还包括无线数据传输模块，所述无线数据传输模块与处理模块电连接，所述无线数据传输模块用于将处理模块获取的所述当前管径、瞬时流量和累计流量的的检测结果发送给远程设备。无线数据传输模块可以对测量结果发送给远程设备，避免在特殊安装环境下，显示模块上的测量结果无法顺利读取。

进一步地，测量管的外壁上设置防护膜，所述第一电阻应变片和第二电阻应变片均位于防护膜和测量管管壁之间的夹层中。

防护膜可以对测量管以及电阻应变组件进行防护，避免上述组件在腐蚀性流体中使用时被损坏，提高流量计的使用寿命。

进一步地，电源为可充电的锂电池。在部分安装场景下，电源线的布设可能存在困难，而使用里锂电池供电可以解决该问题，并且提升了流量计的便携性和适应性。

本发明还提供一种多管径非满管流量计的安装与使用方法，该方法应用于权利要求上述的多管径非满管式流量计的安装与使用，该方法包括如下步骤：

(1)确定流体管道中流量计的安装位置，在管道上方的正中央位置开设安装孔，安装孔的孔径与流量计的密封塞的外径相匹配；

(2)将测量管沿安装孔伸入到待测量的流体管道中，保持测量管垂直，并使得第一通槽和第二通槽的连通面与流体的流向垂直；

(3)通过初始化按键向处理模块输入人工指令，对流量计进行初始化设置，然后上下升降测量管，直到达到规定测量周期的时长；完成管道的管径测量；

(4)管径测量完成后，转动测量管使第一通槽和第二通槽的连通面与流体的流向平行，并向下按压使得密封塞与安装孔塞紧；

(5)完成上步骤的安装过程后，流量计开始计量。

进一步地，初始化键用于向处理模块发送初始化设置指令；该指令下达后，处理模块在规定的时间周期内统计管径测量组件的测量结果，并确定当前管道的管径；然后开始瞬间流量和累计流量的统计；

软还原键用于向处理模块发送弱还原指令；该指令下达后，处理模块自动将当前的累计流量测量结果归零并重新计量；

硬还原键用于向处理模块发送强还原指令，该指令下达后，处理模块自动清空管径、瞬时流量和累计流量的测量结果；并等待重新下达初始化设置指令。

本发明提供的一种多管径非满管流量计及其安装与使用方法具有如下的有益效果：

该型流量计能够对非满管状态下的管道内的流体流量进行准确测量，测量精度较高，对管道中流体的液位、压力等没有特殊的限制。同时，该型流量计还可以适用于不同管径的管道，应用范围较广。

该型流量计的安装和使用过程非常简单；流量计安装过程中无需对管道中的流体进行断流，也无需对管道进行切割；只需要在管道顶部开设安装孔即可。同时，流量计安装后还可以重新完成管道的密封，对管道的结构损伤较小。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例1中多管径非满管流量计的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1中多管径非满管流量计的结构拆解示意图；

图3为本发明实施例1中多管径非满管流量计的模块连接示意图；

图4为本发明实施例2中流量计安装与使用方法的流程图；

图中标记为：

1、电源；2、测量管；3、电阻应变组件；4、管径测量组件；5、温度传感器；6、液位传感器；7、显示模块；8、按键模块；9、无线数据传输模块；10、表头；11、密封塞；21、第一通槽；23、第一通孔；31、第一电阻应变片；32、第二电阻应变片；41、插杆；42、第一测距传感器；43、第二测距传感器；81、初始化键；82、软还原键；83、硬还原键；100、处理模块；111、弹性垫圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供一种多管径非满管流量计，该流量计包括：电源1、测量管2、电阻应变片组件、管径测量组件4、温度传感器5、液位传感器6、以及处理模块100。

其中，电源1用于为流量计供电；测量管2的顶端密封，测量管2的管壁上开设第一通槽21和第二通槽，第一通槽21和第二通槽沿管道上段延伸至管道底端；第一通槽21和第二通槽沿测量管2的纵向半剖面对称分布；第一通槽21和第二通槽所述测量管2分隔成左半部和右半部；测量管2顶端的中央设置非圆形的第一通孔23。电阻应变组件3包括相互并联的第一电阻应变片31和第二电阻应变片32，第一电阻应变片31和第二电阻应变片32分别设置在测量管2左半部和右半部的外壁上。

管径测量组件4包括插杆41和测距传感器；插杆41插接在第一通孔23中；测距传感器包括第一测距传感器42和第二测距传感器43，第一测距传感器42和第二测距传感器43分别对称安装在插杆41底部；第一测距传感器42和第二测距传感器43均位于测量管2内，二者分别通过第一通槽21和第二通槽处测量测距传感器本体与管道内壁间的距离。

本实施例中，温度传感器5用于测量管2道内流体的温度；液位传感器6用于测量管2道内流体的液位。

如图3所示，处理模块100与电源1、电阻应变组件3、管径测量组件4、温度传感器5、液位传感器6电连接；处理模块100分别用于获取电阻应变组件3两端的电阻和电压；获取温度传感器5和液位传感器6的测量结果；获取管径测量组件4的测量结果并计算管径；并根据上述数据计算管道内的瞬时流量以及规定时间内的累计流量。

其中，处理模块100中管径D的计算公式如下：

D＝max{x₁+x₂+x₀}

上式中，max{}表示求取最大值的函数，x₁是第一测距传感器42的检测值，x₂是第二测距传感器43的检测值，x₀是第一测距传感器42与第二测距传感器43的间距；

处理模块100将该计算值D与数据库中的管道规格表中的标准值进行比对，选择与计算值D最接近的管道规格标准值d作为当前管道的实际管径；

处理模块100中瞬时流量Q_瞬的计算公式如下：

上式中，K₁是电阻应变组件3的压力系数；U是电阻应变组件3的两端电压；I是电阻应变组件3两端的电流；β是管道的膨胀系数；T是流体温度；h为流体的液位；d表示当前管道的实际管径，S_d(h)表示管径为d的管道中流体截面积与流体液位h间的函数关系，所述处理模块100中预设d与S_d(h)间一一对应的函数关系。

累计流量Q_总的计算公式如下：

上式中，t表示时间，Q_瞬(t)是瞬时流量关于时间t的函数。

本实例中流量计的工作原理如下：

该流量计安装使用之前，用户通过升降流量计对管道内径进行测量。测量时，由于管道不同高度上的两侧内壁间距是不断变化的，第一测距传感器42和第二测距传感器43的测量结果也会不断变化。其中，两个测距传感器测得的最大值即为真实的管道内径。为了进一步消除测量误差，本实施例中的处理器内还内置了标准管径的对照表，将测量结果与对照表中的数据进行比对，即可确定该管道的标准管径。结合该管径的值，可以确定高管道中液位高度于流体截面积之间的函数。管径值与该截面积函数之间是具有一一对应的函数关系的。

该流量计安装使用之后；管道内的部分流体会沿测量管2中间的第一通槽21和第二通槽之间穿过，使得测量管2中间的空腔被充盈。测量管2内部的液位传感器6和温度传感器5被浸没在流体中；液位传感器6可以测量通过该段管道的流体的液位，温度传感器5测量流体温度。根据液位高度，处理器可以确定该状态下的流体截面积。温度测量结果主要用于对测量结果进行温度补偿，减小温度变化对测量精度的影响。

与此同时，由于少部分流体沿第一通槽21和第二通槽穿过，大部分流体沿电阻应变组件3的两侧通过；这些流体运动时会对电阻应变组件3中的第一电阻应变片31和第二电阻应变片32产生冲击，从而造成电阻应变片形变。形变会改变电阻应变片的电阻值，使得通过电阻应变组件3的电流发生变化。结合测量的电阻应变组件3中电参数的变化以及电阻应变片的压力系数可以计算出流体的流速；再结合流体流速和流体截面积可以计算出当前的瞬时流量。最后将瞬间流量对时间进行积分，可以获得相应时间的总流量。

本实施例中，液位传感器6和温度传感器5位于测量管2的管腔内侧远离第一通槽21和第二通槽联通面的位置上。在实际测量过程中，流体会沿着第一通槽21和第二通槽进入到测量管2内腔中，在测量管2官腔内部远离第一通槽21和第二通槽的位置，流体的流速相对其他部分也更加平稳，将液位传感器6和温度传感器5设置在该位置可以降低流体流速对温度和液位测量的干扰。

测量管2的上端连接有密封塞11，密封塞11的外周设置弹性垫圈111。密封塞11主要用于对管道上开设的安装孔进行密封，其中，弹性垫圈111可以提高密封塞11安装时的密封效果。

密封塞11的上部设置表头10，表头10中包括显示模块7，显示模块7分别用于显示当前管径；当前瞬时流量以及规定时间内的累计流量的数值。

本实施例中流量计的表头10中还还设置按键模块8，按键模块8与处理模块100电连接，按键模块8包括初始化键81、软还原键82，以及硬还原键83；所述按键模块8用于向处理模块100发送人工指令。

处理模块100中还包括无线数据传输模块9，无线数据传输模块9与处理模块100电连接，无线数据传输模块9用于将处理模块100获取的所述当前管径、瞬时流量和累计流量的的检测结果发送给远程设备。无线数据传输模块9可以对测量结果发送给远程设备，避免在特殊安装环境下，显示模块7上的测量结果无法顺利读取。

测量管2的外壁上设置防护膜，第一电阻应变片31和第二电阻应变片32均位于防护膜和测量管2管壁之间的夹层中。防护膜可以对测量管2以及电阻应变组件3进行防护，避免上述组件在腐蚀性流体中使用时被损坏，提高流量计的使用寿命。

本实施例中，流量计的电源1为可充电的锂电池。在部分安装场景下，电源1线的布设可能存在困难，而使用里锂电池供电可以解决该问题，并且提升了流量计的便携性和适应性。

实施例2

本实施例提供一种多管径非满管流量计的安装与使用方法，该方法应用于实施例1中多管径非满管式流量计的安装与使用，如图4所示，该方法包括如下步骤：

(1)确定流体管道中流量计的安装位置，在管道上方的正中央位置开设安装孔，安装孔的孔径与流量计的密封塞11的外径相匹配；

(2)将测量管2沿安装孔伸入到待测量的流体管道中，保持测量管2垂直，并使得第一通槽21和第二通槽的连通面与流体的流向垂直；

(3)通过初始化按键81向处理模块100输入人工指令，对流量计进行初始化设置，然后上下升降测量管2，直到达到规定测量周期的时长；完成管道的管径测量；

(4)管径测量完成后，转动测量管2使第一通槽21和第二通槽的连通面与流体的流向平行，并向下按压使得密封塞11与安装孔塞紧；

(5)完成上步骤的安装过程后，流量计开始计量。

其中，初始化键81用于向处理模块100发送初始化设置指令；该指令下达后，处理模块100在规定的时间周期内统计管径测量组件4的测量结果，并确定当前管道的管径；然后开始瞬间流量和累计流量的统计；

软还原键82用于向处理模块100发送弱还原指令；该指令下达后，处理模块100自动将当前的累计流量测量结果归零并重新计量；

硬还原键83用于向处理模块100发送强还原指令，该指令下达后，处理模块100自动清空管径、瞬时流量和累计流量的测量结果；并等待重新下达初始化设置指令。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多管径非满管流量计，其特征在于：所述流量计包括：

电源，其用于为流量计供电；

测量管，其顶端密封，所述测量管的管壁上开设第一通槽和第二通槽，所述第一通槽和第二通槽沿管道上段延伸至管道底端；所述第一通槽和第二通槽沿测量管的纵向半剖面对称分布；所述第一通槽和第二通槽将所述测量管分隔成左半部和右半部；所述测量管顶端的中央设置非圆形的第一通孔；

电阻应变组件，其包括相互并联的第一电阻应变片和第二电阻应变片，所述第一电阻应变片和第二电阻应变片分别设置在测量管左半部和右半部的外壁上；

管径测量组件，其包括插杆和测距传感器；所述插杆插接在所述第一通孔中；所述测距传感器包括第一测距传感器和第二测距传感器，所述第一测距传感器和第二测距传感器分别对称安装在插杆底部；所述第一测距传感器和第二测距传感器均位于测量管内，二者分别通过第一通槽和第二通槽处测量测距传感器本体与管道内壁间的距离；

温度传感器，其用于测量管道内流体的温度；

液位传感器，其用于测量管道内流体的液位；

处理模块，其与电源、电阻应变组件、管径测量组件、温度传感器、液位传感器电连接；所述处理模块分别用于获取电阻应变组件两端的电阻和电压；获取温度传感器和液位传感器的测量结果；获取管径测量组件的管径测量结果；并根据所述电阻、电压，温度传感器和液位传感器的测量结果，以及管径测量结果；计算管道内的瞬时流量以及规定时间内的累计流量；

其中，处理模块中管径D的计算公式如下：

D＝max{x₁+x₂+x₀}

上式中，max{}表示求取最大值的函数，x₁是第一测距传感器的检测值，x₂是第二测距传感器的检测值，x₀是第一测距传感器与第二测距传感器的间距；

处理模块将该计算值D与数据库中的管道规格表中的标准值进行比对，选择与计算值D最接近的管道规格标准值d作为当前管道的实际管径；

处理模块中瞬时流量Q_瞬的计算公式如下：

上式中，K₁是电阻应变组件的压力系数；U是电阻应变组件的两端电压；I是电阻应变组件两端的电流；β是管道的膨胀系数；T是流体温度；h为流体的液位；d表示当前管道的实际管径，S_d(h)表示管径为d的管道中流体截面积与流体液位h间的函数关系；管道规格标准值d与函数S_d(h)间具有一一对应的映射关系，所述处理模块中预设有相应的映射关系；

所述累计流量Q_总的计算公式如下：

上式中，t表示时间，Q_瞬(t)是瞬时流量关于时间t的函数。

2.如权利要求1所述的多管径非满管流量计，其特征在于：所述液位传感器和温度传感器位于测量管的管腔内侧远离第一通槽和第二通槽连通面的位置上。

3.如权利要求2所述的多管径非满管流量计，其特征在于：所述测量管的上端连接有密封塞，所述密封塞的外周设置弹性垫圈。

4.如权利要求3所述的多管径非满管流量计，其特征在于：所述密封塞的上部设置表头，所述表头中包括显示模块，所述显示模块分别用于显示当前管径；当前瞬时流量以及规定时间内的累计流量的数值。

5.如权利要求4所述的多管径非满管流量计，其特征在于：所述表头中还设置按键模块，所述按键模块与处理模块电连接，所述按键模块包括初始化键、软还原键，以及硬还原键；所述按键模块用于向处理模块发送人工指令。

6.如权利要求5所述的多管径非满管流量计，其特征在于：所述处理模块中还包括无线数据传输模块，所述无线数据传输模块与处理模块电连接，所述无线数据传输模块用于将处理模块获取的所述当前管径、瞬时流量和累计流量的检测结果发送给远程设备。

7.如权利要求6所述的多管径非满管流量计，其特征在于：所述测量管的外壁上设置防护膜，所述第一电阻应变片和第二电阻应变片均位于防护膜和测量管管壁之间的夹层中。

8.如权利要求1所述的多管径非满管流量计，其特征在于：所述电源为可充电的锂电池。

9.一种多管径非满管流量计的安装与使用方法，其特征在于：所述方法应用于权利要求7所述的多管径非满管式流量计的安装与使用，所述方法包括如下步骤：

(1)确定流体管道中流量计的安装位置，在管道上方的正中央位置开设安装孔，所述安装孔的孔径与流量计的密封塞的外径相匹配；

(2)将测量管沿安装孔伸入到待测量的流体管道中，保持测量管垂直，并使得第一通槽和第二通槽的连通面与流体的流向垂直；

(3)通过初始化键向处理模块输入人工指令，对流量计进行初始化设置，然后上下升降测量管，直到达到规定测量周期的时长；完成管道的管径测量；

(4)管径测量完成后，转动测量管使第一通槽和第二通槽的连通面与流体的流向平行，并向下按压使得密封塞与安装孔塞紧；

(5)完成上步骤的安装过程后，流量计开始计量。

10.如权利要求9所述的多管径非满管流量计的安装与使用方法，其特征在于：所述初始化键用于向处理模块发送初始化设置指令；所述指令下达后，处理模块在规定的时间周期内统计管径测量组件的测量结果，并确定当前管道的管径；然后开始瞬间流量和累计流量的统计；

所述软还原键用于向处理模块发送弱还原指令；所述指令下达后，处理模块自动将当前的累计流量测量结果归零并重新计量；

所述硬还原键用于向处理模块发送强还原指令，所述指令下达后，处理模块自动清空管径、瞬时流量和累计流量的测量结果；并等待重新下达初始化设置指令。

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