包括有改良流動幾何結構的用於氣體計量設備的差壓裝置的製作方法

2023-09-17 20:26:25

專利名稱：包括有改良流動幾何結構的用於氣體計量設備的差壓裝置的製作方法
技術領域：
1本發明涉及藉助於流量傳感器，尤其是藉助於熱式流量傳感器而測量氣體消耗量的領域。本發明源於一種根據獨立權利要求前序部分的差壓裝置和一種用於測量氣體消耗量的氣體計量裝置。
背景技術：
2在WO 01/96819 A1中揭示了一種氣體計量表，校定後作為一個能量測量儀器。校定是基於傳感器的信號值，該信號值根據校定氣體的流率而確定並且以傳感器校定曲線的形式而存儲在所述氣體計量表中。傳感器校定曲線或相應的傳感器信號值乘以用於基準氣體混合物的信號轉換係數和熱量值係數，從而，獲得的乘積以能量單位的形式給出了氣體消耗量。在能量的校定中，通過進一步的校正係數，至少可以近似地估計所消耗的氣體混合物的實際熱量值。至於實際熱量值，可以使用經過一段給定時間後所測得及平均後的熱量值。
3在美國專利No.5,750,892中揭示了一種用於流量測量的設備，其在旁通管上具有一個流量傳感器，在該設備中，一個長的層流構件設置在主流道中並且具有很多流量管，並且與所述旁通管的連接位於流動構件的直線跨距內。因此，經過所述流動構件或所述旁通管，壓降與體積流率之間基本上保持線性，這是因為由於在所述旁通管的入口和流出區域處的湍流分量以及非恆定的流動截面所導致的非線性分量減小到最小。

發明內容
4本發明的目的是提供一種用於氣體計量設備的差壓裝置，以及提供具有一個差壓裝置的氣體計量設備，所述差壓裝置和氣體計量設備的特徵在於其測量範圍得到了改善。根據本發明，該目的通過獨立權利要求的特徵部分實現。
5在第一方面，本發明涉及一種用於氣體計量設備的差壓裝置，所述氣體計量設備包括一個位於氣體管道的旁通管內、用於測量通過氣體管道的氣體消耗量的氣體計量表，所述差壓裝置設計成安裝在氣體管道內並且設置有具有標準直徑的多個流量管，流量管設置在所述差壓裝置上的不同徑向位置處，設置在較靠近一個接近中心的徑向位置處的壓力裝置上的該等流量管具有較大直徑，而那些設置在較靠近一個接近周邊的徑向位置處的差壓裝置上的流量管具有較小直徑。由於在所述差壓裝置的周邊處直徑減小，對於在這個區域內從所述氣體管道分岔出的旁通管而言，獲得了一個有利的壓力增加，以及由此獲得在旁通管中對於氣體管道內的低流率的測量效果的改善。這種差壓裝置保證了對於小體積流量的提高了的測量靈敏度，以及測量範圍的增加，並且因此尤其適於層流設備。
6在一個實施例中，從所述差壓裝置的中心軸線開始，所述流量管的直徑隨著徑向位置的增加而單一地減小。因此實現了一個特別有利層流測量範圍的線性化及此測量範圍的擴大。
7在另一實施例中，所述流量管的入口以及/或者出口具有埋頭孔角，特別地，該角度介於30°-90°之間，優選地介於45°-75°之間，尤其優選地介於55°-65°之間。這使得在高流率時的差壓減小，這樣在高流率時湍流的比例降低。
8通過根據權利要求4和5的實施例，在所述主管道內的層流區域、從而在主管道內的體積流量和旁通管內的體積流量之間的線性化、以及線性測量的範圍進一步得到了擴大。
9在另一方面，本發明涉及一種特別是在私人、公開或工業領域內用於測量氣體消耗量的氣體計量設備，其包括一種氣體計量表，其設置在一個氣體管道的旁通管上；以及一個差壓裝置，其設置在所述氣體管道內並設置有多個具有標準直徑的流量管，所述流量管設置在所述差壓裝置上不同的徑向位置處，並且該等徑向位置較靠近旁通管的入口的流量管具有一個較小的直徑，而該等徑向位置遠離所述旁通管的入口的流量管具有一個較大的直徑。由於該氣體計量設備，即使旁通管的分岔處——即入口管和出口管——任意設置在所述主氣體管道的截面上，也能實現上述優點。
10本發明的進一步的實施例、優點和應用可通過從屬權利要求以及下列敘述和附圖而獲得。


11圖1是所述氣體計量表的幾何結構的剖面示意圖；12圖2是已知的不同差壓構件的相對壓力特性曲線的比較；13圖3a、3b是根據本發明的管束差壓構件的正視圖和截面圖；以及14圖4是一個根據本發明的管束差壓構件和一個傳統的管束差壓構件的相對差壓值的測量曲線。
15在附圖中，相同的部件具有相同的標號。
具體實施例方式
16圖1示出了一個氣體計量設備1，其包括一個設置在一個測量通道或旁通管3內的氣體計量表2，以及一個設置在主管道5內的差壓裝置4。通常，所述氣體計量表2具有一個熱式流量傳感器(未示)，用於確定流過的氣體的體積——在標準狀況下的體積或者能量值。這裡旁通管3示例性地並且優選地設置於所述氣體管道5的一個側壁5a上，而且，在內側壁5a上，在分岔區域處具有一個入口3a和一個出口3b。這裡，所述旁通管3基本上平行於所述氣體管道5而延伸。在此未示出的旁通管3的其它設備、分支和形狀也是可以的。在所述氣體管道5內流動有一個主氣流6a，從該主氣流中分流出少量旁路氣流6b。分流比率，即體積流率6b與6a的比率，大致由所述差壓裝置4決定。
17圖2示出了在已知的不同差壓裝置4下——即在一個薄壁蜂窩式結構4a、一個管束4b或一個文氏計量表4c下——相對壓降ΔPrel的比較，該相對壓降是體積流量或體積流率dV/dt的函數。所述蜂窩式結構4a的壓力增加與主體積流量6a之間的關係相當接近線性。其不利之處在於所獲得的最大差壓過小，以致於不能在所述旁通管3中產生足夠的流量6b。通常，文氏計量表4c的層流區域過小，因此線性壓力增加過小，以及所述體積流率6b與6a的線性分流比率過小。所述管束差壓裝置4b具有多個流量管40，該流量管通常是圓形的並沿所述主管道5延伸且彼此平行地設置。傳統的管束差壓裝置4b也存在上述缺點。從圖2中清楚地看出其線性明顯地優於文氏計量表4c，但是在小的體積流量6a時，壓降ΔPrel過小。
18圖3a、3b示出了根據本發明的管束差壓裝置4b的一個實施例。流量管40設置在所述差壓裝置4的不同徑向位置R1、R2、R3處，或一般而言設置在R1，…，Rn處，此時n為一個整數下標，並且所述流量管具有一個標準直徑D1，…，D4或一般而言為D1，…，Dm，此時m為一個整數下標，特別地，其具有直徑為D1，…，D4或一般而言為D1，…，Dm的圓形截面。優選地，m在2和6之間或者3和5之間或者m＝4。
19根據本發明，該等設置在所述差壓裝置4上較靠近接近中心的徑向位置R1處的流量管40具有較大的直徑D1、D2，而那些設置在所述差壓裝置4上較靠近接近周邊的徑向位置R3處的流量管40具有較小的直徑D3、D4。從所述差壓裝置4或相應地從氣體管道5的中心軸線A開始，優選地，隨著徑向坐標的增加——R1＜R2＜R3或者一般而言地R1＜…＜Rn，所述流量管40的直徑連續減小——D1＞D2＞D3＞D4或者一般而言D1＞…＞Dm。通常地說，如果所述旁通管的分岔3a、3b——即入口3a和出口3b——位於主管道5中的任意徑向位置R處，那麼根據本發明，徑向位置R1，…，Rn靠近所述旁通管3入口3a的該等流量管40具有較小的直徑D1，…，Dm，而徑向位置R1，…，Rn遠離所述旁通管3入口3a的該等流量管40具有較大的直徑D1，…，Dm。
20圖4示出了D1＝D2＝D3＝D4的傳統管束差壓裝置的壓差曲線(8b)與根據本發明的D1≥D2＞D3≥D4的管束差壓裝置的差壓曲線(8a)之間的相對比較。可以認識到，根據本發明，通過孔直徑D1，…，D4的變化，即靠近中心處的入流口D1、D2的增大以及/或者在周邊處並遠離中心的入流口D3、D4的減小，對於小體積流量6a相對差壓ΔPrel增大，因此在整個測量範圍內大致線性化。此本發明的有利效果的原因在於在現有層流6a的狀態下，與靠近差壓裝置4或氣體管道5的中心Z的孔徑D1、D2相比，靠近旁通管3的孔的孔徑D3、D4對總壓降ΔP影響更大。在試驗中，所述差壓裝置4的最大總壓降ΔP＝P1-P2可達2毫巴。總體上，獲得了大區域的層流，且所述體積流量6b與6a的分流比率的線性度相當高，而沒有對測量上限形成限制。
21優選地，根據圖3，所述流量管40的入口41以及/或者出口42具有介於30°-90°之間的埋頭孔角α，α優選地位於45°-75°之間，尤其優選地位於55°-65°之間。這使得在高流率dV/dt時差壓減小，並且因此在高體積流量6a時有助於在測量範圍內的線性化。換句話說，埋頭孔使得在高流率dV/dt處(過渡區)發生的局部湍流得到了抑制。因為湍流分量的原因，差壓ΔP通過所述的差壓裝置4相對於流速或體積流率dV/dt或6a成平方比例地增加，所以，在高體積流率6a時差壓Δp或ΔPrel減小。通過埋頭孔41以及/或者42還可實現的是在高流率時，具有高雷諾數的湍流分量減少。
22優選地，為了進一步改善體積流量6a的層流性，選擇所述差壓裝置4的總長度L與總直徑D0的比率，使該比例大於1，優選地大於1.3，尤其優選地大於1.5。因此，增強了在每個流量管40中的層流式管摩擦，而湍流的相對比例得以抑制。總長度與總直徑的比例係數L/D0越大，通過氣體管道的體積流速6a與差壓裝置4所產生的差壓ΔP＝P1-P2之間的相互關係越線性化，而該差壓與通過旁通管3以及氣體計量表2或其熱式流量傳感器的體積流量6b成比例。優選地，所述流量管40具有一個圓形截面，並且標準直徑D1，…，Dm為流量管40的入口41所給出的直徑D1，…，Dm。同時，優選地，所述流量管40沿所述差壓裝置4的整個長度L方向上的流動截面恆定。
23在圖3a和圖3b的實施例中，在差壓裝置4的截面區域Q上的同心圓7上，等間距地設置所述流量管40。所述差壓裝置4的截面區域Q的開口率可以在0.3～0.8的範圍內，優選地在0.3～0.6的範圍內，尤其在0.4～0.5的範圍內。
24在另一方面，本發明涉及一種用於測量氣體消耗量的氣體計量裝置1，尤其用於測量家用氣體的消耗，所述氣體計量裝置包括在旁通管3中的一個氣體計量表2以及在所述氣體管道5內的上述差壓裝置4。在此，所述旁通管3的直線跨距L』應選擇為大於或等於所述差壓裝置4的總長度L，並且所述差壓裝置4應設置在氣體管道5內，介於旁通管3的入口3a和出口3b之間。適當的，所述差壓裝置4相對於所述旁通管開口3a、3b居中設置。這樣可以確保由所述差壓裝置4限定的差壓ΔP＝P1-P2存在於整個旁通管3中。由於根據本發明的所述差壓裝置4的設計，即在旁通管3的入口和出口41的附近流量管40的直徑D1，…，Dm減小，流型這樣地改變通過所述差壓裝置4或所述氣體管道5的截面Q，在小體積流率6a時超比例放大的差壓ΔP存在於整個旁通管3中並且驅動旁通管的體積流6b。
25在一個優選的實施例中，所述氣體計量表2具有一個熱式流量傳感器，特別地是一種CMOS風速計，該熱式流量傳感器帶有設置在上遊以及/或者下遊的一個電熱絲和至少一個溫度傳感器。特別地，所述氣體計量表2可以具有用於在標準狀況下以體積單位——例如升/每分鐘(l/min)——以及/或者能量單位——例如千瓦/小時(kW/h)——對氣體消耗量進行校準的裝置。這在WO 01/96819中進行了詳細描述，該文獻在此通過參考整個公開內容而將其引入本說明中。
附圖標記列表1氣體計量裝置2具有熱式流量傳感器的氣體計量表、CMOS感應晶片氣體計量表3旁通管3a 旁通管的入口3b 旁通管的出口4差壓裝置40 流量管，小管道41 入口42 出口4a 蜂窩式結構4b 管束4c 文氏計量表5流量管、管道、主管道5a 主管道中的側壁6a 主管道中的體積流量6b 旁通管中的體積流量7同心圓8a，8b 相對差壓曲線α 埋頭孔角A中心軸線D0總直徑D1，…，D4管道直徑L差壓裝置的長度L』 旁通管的直線跨距P1，P2差壓裝置前後方的壓力
ΔPrel相對差壓Q截面區域r半徑R1，…，R4徑向位置U周邊位置dV/dt體積流量Z差壓裝置的中心，徑向位置的中心
權利要求
1.一種用於氣體計量設備(1)的差壓裝置(4)，所述氣體計量設備包括一個位於一個氣體管道(5)的旁通管(3)內的氣體計量表(2)，用於測量通過所述氣體管道(5)的氣體消耗量，所述差壓裝置(4)設計成安裝在所述氣體管道(5)內並具有多個流量管(40)，所述流量管(40)具有標準直徑(D1，…，D4)，所述流量管(40)設置在所述差壓裝置(4)上不同的徑向位置(R1、R2、R3)處，其特徵在於a)設置在所述差壓裝置(4)上與一個接近中心的徑向位置(R1)處較靠近的流量管(40)具有較大的直徑(D1、D2)，並且b)設置在所述差壓裝置(4)上與一個接近周邊的徑向位置(R3)處較靠近的流量管(40)具有較大的直徑(D3、D4)。
2.如權利要求1所述的差壓裝置(4)，其特徵在於從所述差壓裝置(4)的中心軸線(A)開始，隨著徑向位置(R1、R2、R3)增大，所述流量管(40)的直徑(D1＞D2＞D3＞D4)單調地減小。
3.如上述權利要求中任一項所述的差壓裝置(4)，其特徵在於a)所述流量管(40)的入口(41)以及/或者出口(42)具有埋頭孔角(α)，並且b)特別地，該埋頭孔角(α)介於30°-90°之間，優選地介於45°-75°之間，尤其優選地介於55°-65°之間。
4.如上述權利要求中任一項所述的差壓裝置(4)，其特徵在於a)選擇所述差壓裝置(4)的總長度(L)與總直徑(D0)的比率使之大於1，優選地大於1.3，尤其優選地大於1.5，並且/或者b)所述流量管(40)具有一個圓形截面，並且標準直徑(D1，…，D4)是流量管(40)的入口(41)的直徑(D1，…，D4)，以及/或者c)所述流量管(40)在所述差壓裝置(4)的整個長度(L)上具有一個恆定流動截面。
5.如上述權利要求中任一項所述的差壓裝置(4)，其特徵在於a)所述流量管(40)等間距設置在差壓裝置(4)的截面區域(Q)上的同心圓(7)上，以及/或者b)所述差壓裝置(4)的截面區域(Q)的開口率位於0.3～0.8之間，優選地位於0.3～0.6之間，特別是位於0.4～0.5之間。
6.一種測量氣體消耗量的氣體計量設備(1)，特別用於私人、公共或工業領域內，其包括一個氣體計量表(2)，其設置在一個氣體管道(5)的旁通管(3)上；以及一個差壓裝置(4)，其設置在所述氣體管道(5)中並具有多個流量管(40)，所述流量管(40)具有標準直徑(D1，…，D4)，所述流量管(40)設置在所述差壓裝置(4)上不同的徑向位置(R1、R2、R3)處，其特徵在於a)徑向位置(R1、R2、R3)靠近所述旁通管(3)入口(3a)的流量管(40)具有較小的直徑(D1，…，D4)，並且b)徑向位置(R1、R2、R3)遠離所述旁通管(3)入口(3a)的流量管(40)具有較大的直徑(D1，…，D4)。
7.如權利要求6所述的氣體計量設備(1)，其特徵在於a)所述旁通管(3)的一個入口(3a)和一個出口(3b)設置在所述主導管(5)的側壁(5a)上，以及/或者b)所述旁通管(3)的直線跨距(L』)應選擇為大於或等於所述差壓裝置(4)的總長度(L)，並且所述差壓裝置(4)應設置在所述的所述氣體管道(5)中，介於所述旁通管(3)的入口(3a)和出口(3b)之間的。
8.如權利要求7a所述的氣體計量設備(1)，其特徵在於從所述差壓裝置(4)的中心軸線(A)開始，隨徑向位置(R1、R2、R3)的增大，該流量管(40)的直徑(D1＞D2＞D3＞D4)單調地減小。
9.如權利要求6至8中任一項所述的氣體計量設備(1)，其特徵在於所述差壓裝置(4)如權利要求3至5中任一項所述。
10.如權利要求6至9中任一項所述的氣體計量設備(1)，其特徵在於a)所述氣體計量表(2)具有一個熱式流量傳感器，特別地，具有一個CMOS風速計，該熱式流量傳感器帶有設置在上遊以及/或者下遊的一個電熱絲和至少一個溫度傳感器，並且/或者b)所述氣體計量表(2)具有在標準狀況下以體積單位例如升/每分鐘(l/min)以及/或者以能量單位例如千瓦/小時(kW/h)對氣體消耗量進行校定的裝置。
全文摘要
本發明涉及一種差壓裝置(4)和一種氣體計量設備(1)，以藉助於一個氣體計量表(2)來精確測量氣體消耗量(6a)。一個已知的氣體計量表(2)設置在一個旁通管(3)內，它包括一個位於所述氣體管道(5)內的差壓裝置(4)，用於測量在所述氣體管道(5)內的體積流率(dV/dt，6a)。根據本發明，所述差壓裝置(4)包括流量管(40)，從所述差壓裝置(4)的中心軸線(A)開始，隨著徑向位置(R
文檔編號G01F5/00GK1774616SQ200480009804
公開日2006年5月17日 申請日期2004年4月13日 優先權日2003年4月15日
發明者丹尼爾·馬特, 託馬斯·克萊納, 貝特·克雷默 申請人:Ems專利股份公司