CN210321856U - 一种空气热式流量计 - Google Patents

Abstract

一种空气热式流量计，包括流量传感器、表杆和表头，流量传感器与表头中的转换器电连接；流量传感器包括两个测速探头和一个测温探头，测温探头位于被测流体的上游，两个测速探头并排设置于测温探头的下游，且等距地位于测温探头的两侧，测速探头和测温探头均为电阻式温度传感器，可为热线式或热膜式；表杆一端可连接有测量管，测量管的流体入口端设置有除水部件，插入式表杆上可设置可伸缩的标尺杆。本实用新型采用两个测速探头和一个测温探头，使测量结果不受流体温度的影响，使温度补偿更加合理，提高了流体温度变化时测量的准确度、灵敏度和相应速度，还可根据需要在流体上流设置除水装置，避免水珠对测量结果的影响。

Description

一种空气热式流量计

技术领域

本实用新型涉及计量设备技术领域，尤其涉及一种空气热式流量计。

背景技术

目前常用的空气热式流量计一般是含有两支电阻式温度传感器，一支被加热，一支测量被测空气的温度，当空气静止时，两支温度传感器会形成一个温度差，当空气流动时，基于热传导原理，空气分子会带走被加热的温度传感器的部分热量，为保证原有的温度差，被加热的温度传感器会持续被加热，空气的流量越高，带走的热量也越高，温度传感器消耗的功率也越高，消耗的功率和空气的流量形成一个函数关系，主板电路检测消耗的功率再根据这个函数关系去计算空气的流量。由于运用的是功耗的算法，与空气密度无关，所以热式流量计无须加温度、压力补偿，直接可换算出被测空气在标准状态下的流量。与涡街流量计、涡轮流量计、差压式流量计相比，具有测量范围宽、压损小、可靠性高、可测量混合气体、适用于各种管道和过载无损害等诸多优点。

但是基于惠斯通电桥的恒温差式热式流量计，当环境温度发生变化时就会影响电桥平衡，表现为零点不稳和小流量精度无法保证，必须附加相应的温度补偿电路；当流体流量较小或者为零时，测速探头的热量不容易被带走，测速探头和测温探头之间的对流传热就会对测量结果造成影响；当流体流量不断增大时，加热功率也相应增大，加热功率过大时就会增加电路设计的难度，同时影响电路的稳定性；另外，由于发热体的热量被流动的空气带走，发热体本身会被冷却，所以它的阻值会随气体流速发生变化，空气流量越大，被带走的热量就越多，测速探头的阻值变化也越大，且由于温度补偿电阻的非线性以及电阻之间的差异，导致电路调试过程比较复杂，在一定程度上影响了测量的精度。

另外，当测试热空气时，特别的饱和热蒸汽时，饱和蒸汽会粘附在探头表面形成水珠，影响测量结果的准确性。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种受环境温度变化影响小、温度补偿合理、响应迅速、准确度高的大量程的空气热式流量计。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

一种空气热式流量计，包括流量传感器、表杆和表头，所述流量传感器设置于所述表杆的一端上，表杆的另一端与所述表头相连，所述表头中设置有转换器，所述流量传感器与所述表头中的转换器电连接；所述流量传感器包括两个测速探头和一个测温探头，所述测温探头位于被测流体的上游，两个测速探头并排设置于所述测温探头的下游，且等距地位于测温探头的两侧，即两个测速探头与一个测温探头呈等腰三角形分布，两个测速探头的连线垂直于流体的方向，两个测速探头位于垂直于流体流向的同一截面上，测速探头和测温探头均为电阻式温度传感器，两个测速探头的参数相同，测温探头的电阻值大于测速探头的电阻值。根据两测速探头的温度、测温探头的温度，以及两测速探头的电流和电阻，进行空气质量流量的测量。测量时，测速探头和测温探头要尽可能位于管道的中心，以便得到最真实的测量信号；流体先流经测温探头，再同时到达两个测速探头。两个所述的测速探头设置有不同的加热温度，即控制两个测速探头加热到不同的温度，使两者之间产生温度差。

进一步改进的技术方案是，所述测速探头和测温探头均为热线式铂电阻。

进一步改进的技术方案是，所述测速探头和测温探头均为热膜式铂电阻。

进一步改进的技术方案是，各个所述的热膜式铂电阻沉积在同一块陶瓷基片的同一个表面上，各电阻表面封装有保护层。

进一步改进的技术方案是，所述表杆一端连接有所述测量管，热式流量计通过测量管上的法兰连接在管道中，所述测量管的流体入口端设置有除水部件。为保证除水部件不影响气流流动对传感器探头的影响，除水部件装设在测量管入口远离传感器探头的位置，使传感器探头处的气流处于稳定的状态。

进一步改进的技术方案是，所述除水部件为设置有若干通孔的孔板，所述通孔为螺旋形或通孔孔壁上设置有若干平行于测量管轴线的阻挡片。

进一步改进的技术方案是，所述表杆表杆插入式连接在流体管道上，所述流量传感器伸入流体管道的中心，所述表杆上设置有球阀。

进一步改进的技术方案是，所述表杆上还设置有标尺杆，所述标尺杆可伸缩的设置在所述表杆的主体上，并通过定位紧固件进行定位固定，所述标尺杆上还设置有长度刻度。

本实用新型采用两个测速探头和一个测温探头，利用两个测速探头的测量方法使测量结果不受流体温度的影响，减小环境温度变化大对测量的影响，使温度补偿更加合理，测温探头为环境温度提供参考，提高了流体温度变化时测量的准确度、灵敏度和相应速度，而两测速探头可结合测温探头互相标定，两测速探头也可结合测温探头单独使用，保证了系统的安全性，而且探头可灵活选择不同的类型；针对含有水汽的空气蒸汽，还可根据需要在测量管上流设置除水装置，避免水珠对测量结果的影响；对于插入式表杆，设置有可伸缩的标尺杆，使传感器位于流体通道的中心，适应不同尺寸规格的流体管道。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的正面结构示意图。

图2为本实用新型实施例1的侧面结构示意图。

图3为本实用新型实施例1中流量传感器的一种结构示意图。

图4为图3的平面示意图。

图5为本实用新型实施例1中流量传感器的另一种结构示意图。

图6为图5中流量传感器的结构放大图。

图7为图5中A-A的截面示意图。

图8为图4中流量传感器的侧面(流体流向)安装图。

图9为本实用新型实施例2的正面结构示意图。

图10为本实用新型实施例2中除水部件的一种结构示意图。

附图标记：1-流量传感器；2-表杆；3-表头；4-测量管；5-法兰；6-转换器；7-流体管道；8-除水部件；9-球阀；10-定位紧固件；11-标尺杆；101-测温探头；102-测速探头；103-陶瓷基片；104-保护层；81-通孔；82-阻挡片。

具体实施方式

实施例1

一种空气热式流量计，如图1、图2所示，包括流量传感器1、表杆2和表头3，所述流量传感器1设置于所述表杆2的一端上，表杆2的另一端与所述表头3相连，所述表头3中设置有转换器6，所述流量传感器1与所述表头3中的转换器6电连接；所述流量传感器1包括两个测速探头102和一个测温探头101，所述测温探头101位于被测流体的上游，两个测速探头102并排设置于所述测温探头101的下游，且等距地位于测温探头101的两侧，即如图3、图6所示，两个测速探头102与一个测温探头101呈等腰三角形分布，两个测速探头102的连线垂直于流体的方向，两个测速探头102位于垂直于流体流向的同一截面上，测速探头102和测温探头101均为电阻式温度传感器，两个测速探头102的参数相同，测温探头101的电阻值大于测速探头102的电阻值。根据两测速探头102的温度、测温探头101的温度，以及两测速探头102的电流和电阻，进行空气质量流量的测量。测量时，测速探头102和测温探头101要尽可能位于流体管道7的中心，以便得到最真实的测量信号；流体先流经测温探头101，再同时到达两个测速探头102。两个所述的测速探头102设置有不同的加热温度，即控制两个测速探头102加热到不同的温度，使两者之间产生温度差。

具体测量原理阐述如下：

一般热式流量计是基于下列关系式进行测量的：

P/(T_w-T_c)＝D+E·q_m ^k (1)

其中P为加热电路的加热功率，q_m为流体的质量流量，E为与流体介质物性有关的参数，D为与流体流动有关的常数，T_w-T_c为测速探头102与测温探头101之间的温度差，T_w为测速探头102的温度，T_c为测温探头101的温度(亦即流体的温度)。当为一个固定值时，则为恒温差式热式流量计。

在忽略测速探头102与测量杆、其它探头等周围传导和辐射的热量的情况下，加热功率P与测速探头102与流体间的对流换热Q，即

P＝Q (2)

加热功率P＝I_w ²R_w (3)

其中I_w为通过测速探头102的电流，R_w为测速探头102的电阻。

Q＝hS(T_w-T_c) (4)

其中h为对流传热系数，S为测速探头102的传热面积。

由式(2)(3)(4)，即得

I_w ²R_w＝hS(T_w-T_c) (5)

hS＝A+B·q_m ^1/2 (6)

其中A、B为系统常数，

即得

当恒温差测量时，T_w-T_c不变，如R_w恒定时，q_m为电流I_w的函数。

但当温度变化大时，R_w并不恒定，故需要进行温度补偿。

由上述分析可知，恒温差法热式气体流量计在测量时，传感器灵敏系数与流体的热传导、密度、粘性等有关，而热传导、密度、粘性与环境温度有关，在温度变化较大的情况下会导致流量计测量结果产生较大误差。由测量电路可知，当环境温度升高时，测速电阻变大，要保证惠斯通测量电桥平衡，其加热电流将随着温度的升高而变大，流量计的输出电压也将增大。即使没有气流变化，流量计测量结果会随着环境温度的变化而改变，其输出结果会产生较大误差或者错误结果。所以，普通热式气体流量计测量气体流量时，其温度偏移现象普遍存在。

本实用新型设置两个测速探头，存在以下关系：

I_w1 ²R_w1＝hS(T_w1-T_c) (8)

I_w2 ²R_w2＝hS(T_w2-T_c) (9)

其中，I_w1、I_w2为流过两个测速探头的电流，R_w1、R_w2为两个测速探头的电阻。

由式(7)(8)(9)，即得

测量中，将T_w1和T_w2之差控制在一定的范围，即可使之大致成线性关系，或者根据公式R_w＝R_w0(1+aT_w+bT_w ²)得到，其中R_w0为0℃时的电阻，a、b为电阻的温度系数，可以查阅，或者进行实验标定得到。

由式(10)可知，本实用新型的测试的流体质量流量不受流体温度的影响，当两测速探头的温度差值(T_w1-T_w2)一定时，流体质量流量与两测速探头的电流、电阻相关，因此，当流体温度变化较大时，由于测量结果不受流体温度的影响，所以可依据上式进行温度补偿更合理。

两测速探头的温度差可预先进行设定一个固定的值，再标定各常数，由测得的探头的电流和电阻得到流体的质量流量。由于各气体都有自己的热特征，故标定时要选用与实际测试气体相同或热特征相似的气体进行标定。

而测温探测器用于探测管道中流体的温度T_c，虽然流体温度T_c对测量结果没有影响，但流体温度可为两个测速探头的温度控制提供参考，使两个测速探头的温度控制在一定的范围内，当流体温度较低时，可调低测速探头的温度，反之，当流体温度升高较多时，两测速探头的温度也要相应调高，而两测速探头之间的温差也可进行相应调整，避免流体温差变化较大而两测速探头的温度始终不变而产生误差，影响准确度。例如，如果流体温度分别为0℃时，两测温探头的温度分别控制为40℃和70℃，但当流体温度变为80℃时，两测温探头的温度还控制在40℃和70℃就不合适了，需要进行相应调整。而对测温探头的温度控制由转换器6中处理器或控制器进行控制。当然流体温度除了用测温探头进行探测外，还可以在转换器6上设置通信单元，接收管道系统上其它温度传感器上传的温度信号。

两测速探头102和测温探头101需要供电电路进行供电，采集到的信号需要信号调理电路和处理器进行分析和处理，才能对探头的温度进行控制，对信号进行处理，计算出实时质量流量和累计流量，转换器6上还可设置显示单元和通信单元，在显示模块上进行数据显示，以及将数据上传至上位机进行共享。供电电路可采用目前成熟的恒温差供电电路，信号调理电路采用目前通常采用的放大电路、滤波电路和转换电路。供电电路、信号调理电路和处理器集成于转换器6中。

电阻式温度传感器的种类较多，作为其中一种实施方式，如图3、图4所示，所述测速探头102和测温探头101均为热线式铂电阻。热线式探头虽然具有抗冲击、抗污染、抗腐蚀能力差的缺点，但其对流体运动形态的影响较小，测量范围大，响应性能好。铂电阻的温度系数大，反应灵敏，元件尺寸可以做到很小，阻值与温度为线性关系，且在使用温度范围内，物理化学性能稳定，重复性好，测量精度高。

电阻式温度传感器的另一种实施方式，如图5至图8所示，所述测速探头102和测温探头101还可以均为热膜式铂电阻。各个所述的热膜式铂电阻沉积在同一块陶瓷基片103的同一个表面上，各电阻表面封装有保护层104。陶瓷基片103具有较好的绝缘性和强度。陶瓷基片103平行于流体的流动方向，流体先流经测温探头101，再同时到达并排设置的测速探头102。相比于热丝式铂电阻，薄膜膜电阻的抗冲击和抗玷污能力大大提高，而采用陶瓷作为基板能适用于复杂恶劣的工业环境，具有量程大、环境影响小、响应快和寿命长等特点。电阻表面封装的目的是提高探头的抗冲击能力和抗污染能力，延长使用寿命，但表面封装保护层104的厚度要小，热阻要尽可能小，保证铂电阻内部与表面温度的一致性，提高测量的精度。为使工作中两个测速探头102对流量的响应尽可能快，探头的灵敏度高，且要保证散热同步，两个测速探头102的规格型号相同。

如图1，所述表杆2与流体管道7相连，即表杆2插入式连接在流体管道7中，所述流量传感器1伸入流体管道7的中心，所述表杆2上设置有球阀9。所述表杆2上还设置有标尺杆11，所述标尺杆11可伸缩的设置在所述表杆2的主体上，并通过定位紧固件10进行定位固定，所述标尺杆11上还设置有长度刻度。可根据管道的口径大小调整传感插入的深度，适应不同规格型号的管道。

所述定位紧固件10可以有多种实现方式，可以如,1、图2所示，包括定位环锁紧螺母和插入深度定位紧固件，也可以是其它形式伸缩杆的定位紧固方式，如自行车座位杆的升降定位固定件等。

实施例2

其余与实施例1相同，不同之处在于如图9所示，所述表杆2一端连接有所述测量管4，热式流量计通过测量管4上的法兰5连接在管道中，所述测量管4的流体入口端设置有除水部件8。为保证除水部件8不影响气流流动对传感器探头的影响，除水部件8装设在测量管4入口远离传感器探头的位置，使传感器探头处的气流处于稳定的状态。

除水部件8可以为多种实施方式，其中一种是所述除水部件8为设置有若干通孔81的孔板，所述通孔81内壁为螺旋形，螺旋形的内壁有利于气流通过，同时又可增加气体与内壁接触的面积，有利于水珠凝聚。还可以如图10所示，在直通孔81的孔壁上设置若干平行于测量管4轴线的阻挡片82。或者是在孔板通孔81的孔壁上设置垂直于通孔81轴线的若干阻挡片82，阻挡片82错位设置。除水部件8也可以是其它可实现除水蒸汽功能的结构或形式，如滤网等。

上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种空气热式流量计,其特征在于，包括流量传感器、表杆和表头，所述流量传感器设置于所述表杆的一端上，表杆的另一端与所述表头相连，所述表头中设置有转换器，所述流量传感器与所述表头中的转换器电连接；所述流量传感器包括两个测速探头和一个测温探头，所述测温探头位于被测流体的上游，两个测速探头并排设置于所述测温探头的下游，且等距地位于测温探头的两侧，测速探头和测温探头均为电阻式温度传感器，两个测速探头的参数相同，测温探头的电阻值大于测速探头的电阻值，两个所述的测速探头设置有不同的加热温度。

2.根据权利要求1所述的一种空气热式流量计,其特征在于，所述测速探头和测温探头均为热线式铂电阻。

3.根据权利要求1所述的一种空气热式流量计,其特征在于，所述测速探头和测温探头均为热膜式铂电阻。

4.根据权利要求3所述的一种空气热式流量计,其特征在于，各个所述的热膜式铂电阻沉积在同一块陶瓷基片的同一个表面上，各电阻表面封装有保护层。

5.根据权利要求1所述的一种空气热式流量计,其特征在于，所述表杆的一端连接有测量管，所述流量传感器伸入所述测量管的中心，所述测量管安装与流体管道中，所述测量管中的流体入口端设置有除水部件。

6.根据权利要求5所述的一种空气热式流量计,其特征在于，所述除水部件为设置有若干通孔的孔板，所述通孔为螺旋形或通孔孔壁上设置有若干平行于测量管轴线的阻挡片。

7.根据权利要求1所述的一种空气热式流量计,其特征在于，所述表杆插入式连接在流体管道上，所述流量传感器伸入流体管道的中心，所述表杆上设置有球阀。

8.根据权利要求7所述的一种空气热式流量计,其特征在于，所述表杆上还设置有标尺杆，所述标尺杆可伸缩的设置在所述表杆的主体上，并通过定位紧固件进行定位固定，所述标尺杆上还设置有长度刻度。

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