用熱流檢測流體流量、流體熱量的方法及其應用裝置的製作方法

2023-08-12 11:55:01 1

專利名稱：用熱流檢測流體流量、流體熱量的方法及其應用裝置的製作方法
技術領域：
本專利是檢測流體流量、流體熱量的一種方法，其應用裝置就是測量流體流量的流量計和測量熱流體(如採暖熱水)、冷流體(如空調冷凍水)的焓值、焓差的熱量計(簡稱流體熱量計)。
背景技術：
現有的流量檢測方法有差壓、電磁、超聲波、渦輪、渦旋等，用熱傳遞原理的熱式質量流量計(Thermal Mass Flowmeter)有兩種1.熱分布式流量計(Thermal ProfileFlowmeter)，原理是在管壁上電加熱，由於管內流體流動傳遞熱量將改變管壁的溫度分布，檢測溫度分布的變化可測得流速。2.應用熱耗散的「金氏定律——king’s law」的流量計Calorimetric Flowmeter，原理是在管內插入電加熱元件，由於流體流動傳遞熱量將改變電加熱元件的溫度，檢測溫度的變化可測得流速。
熱式質量流量計的特徵1.必須有直接對流體或管壁發熱的發熱體和發熱控制機構；2.檢測的參數是溫度；3.現階段還只能用於氣體流體和微流量的液體，原因之一是液體的熱量消耗大。
2004.9.6通過檢索中國專利資料庫——用名稱「熱％流量計」檢索到中、外申請的發明專利7項實用新型4項，檢索美國專利資料庫——用title「thermal」and title「fiowmeter」檢索2001～～2004年的專利檢索到4項，檢索中國流量網(Chinaflow.com.cn)列舉的各國流量計產品與檢測技術、檢索各種供熱網站、熱計量網站，沒有應用熱流(不是溫度)傳感檢測流體與管或壁的熱量傳遞從而檢測流體流量的方法和檢測流體熱量的方法；也沒有相應的流量計、流體熱量計。
現有的流量、流體熱量檢測方法、儀器都是應用差壓、電磁、超聲波、渦輪、渦旋等原理和熱分布與熱耗散原理——傳感環節較多和需要準確、穩定的較大量的電加熱，從而穩定性和累積誤差是其弱點，器件較多、製造困難、易損壞，維修困難，成本較高。現在工業與民用技術的發展迫切需要一種高穩定性、不易損壞、維修簡單、成本低的——流量、流體熱量檢測新方法和新儀器。如國家改革採暖收費迫切需要的用戶能夠接受的低成本、高穩定性的採暖熱水熱量計、空調冷凍水熱量計。根據資料的檢測報告，現有的採暖熱計量表都採用上述流量計加溫度檢測，除超聲波外其他的使用半年後再檢測都達不到要求。

發明內容
用熱流來檢測流體流量、流體熱量的方法是用熱流傳感器檢測流體通過管或壁面傳到管或壁外的熱量Q，根據流體換熱的原理和計算式——在流體物性一定的條件下，密度、粘滯性等物性確定或只隨溫度變化，管或壁一定則其換熱形狀參數確定，流體與管或壁的換熱量Q只與流體流速ω和流體與管或壁的溫差Δt有關，換熱量Q＝＝F(流速ω，溫差Δt)；從檢測到的Q依據檢測管段或檢測裝置已有或標定的數學模型Q＝＝F(ω，Δt)，再輔以流體和(或)管或壁的溫度或溫差Δt檢測，可以確定流體流速ω＝＝f(Q，Δt)，從而確定流量L(ω*過流斷面)、確定流體熱量。
用熱流來檢測流體流量、流體熱量的方法的優勢在於1.機械流量計易磨損；電磁流量計會因為流體中雜有微量金屬離子而失效，對流體潔淨度要求高；超聲波流量計對流態敏感，流態不同改變聲波反射；這些對熱流檢測都沒有影響。
2.熱式質量流量計檢測的是流體換熱的表象結果——溫度分布與變化；用熱流來檢測流體流量、流體熱量是測量流體換熱的過程——機制；兩者是「果」與「因」的關係，根據自然科學的原理，越接近事物的起因越接近事物的本質。檢測環節也越清晰、簡化。
3.由於不存在對流體和管壁加熱，沒有大的電熱量供給需要，因此可以測量包括液體、氣體在內的流體。
4.各種流體、各種管道的流體換熱計算式Q＝＝F(ω、Δt)——百年來在國際上經過各國眾多的科學家研究、實驗已有大量準確的現成公式、數學模型；規律清楚使檢測裝置的標定容易、準確、有規可循。
5.熱流檢測的傳感器若放在管、壁外，與流體可不接觸，可以不受到運動流體、化學流體的損壞、腐蝕；熱流傳感器靈敏度高、成本低、穩定性好、不易損壞、易維修、我國有自主智慧財產權——象ZL 02119510.2發明的熱流傳感器就是一段導線形成的熱電堆，成本極低、不存在插件、器件，損壞可能性極小，保證了高度的穩定性。象200410034566.2專利發明的熱流傳感器就是用印製電路形成的熱電堆，各方面性能更好。


圖1是檢測裝置1示意圖，左圖是正視圖，右圖是側視圖。
圖2是檢測裝置2示意圖，左圖是正視圖，右圖是側視圖。
圖3是檢測裝置3示意圖。
圖中箭頭線是流體流動的方向線。
具體實施例方式方式1.用熱流檢測流體流量、流體熱量的方法——及其一種應用檢測裝置檢測原理流體通過管或壁面傳到管或壁外的熱量Q是由三個串聯的過程組成，首先流體與管或壁的內面的對流換熱量Q1，然後是管或壁內外面間的傳導換熱量Q2，然後是管或壁外面與環境的換熱量Q3，Q3依據管或壁外面的環境的不同可以是傳導換熱、對流換熱、輻射換熱三者之一或者複合換熱；由於是串聯熱流，因此Q＝＝Q1＝＝Q2＝＝Q3；可檢測Q、Q1、Q2、Q3四者之一同時確定四者。
根據對流換熱的牛頓公式Q＝＝α*Δt(0-3a式)α——對流換熱係數；Δt＝＝tw-tf——流體與管或壁接觸的內面的溫差。
tw——管或壁內面的溫度；tf——流體溫度。
α＝＝f(流速ω，tw，tf，管或壁的導熱係數λ，流體比熱Cp，流體密度ρ，流體容積膨脹係數β，流體動力粘度η，定形尺寸L，壁面幾何形狀因數Φ)(3-2式)根據熱傳導的Fourier公式Q＝＝-λdt/dx (1-7a式)x——坐標；t——溫度。
以上公式引自高等學校試用教材 熱學1980.5月第一版 統一書號15040.3822注流體力學和傳熱學的計算公式通常採用準則方程式，但對流換熱準則方程式的函數關係可以歸納為(3-2式)。
由以上公式可以知道，在流體物性一定的條件下，密度、粘滯性等物性確定，管或壁一定則其換熱形狀參數等確定，流體與管或壁的換熱量Q只與流體流速ω和流體與管或壁的溫差Δt有關，Q＝＝F(ω、Δt)。
檢測方法通過熱流傳感器檢測到Q，輔以流體和(或)管或壁的溫度或溫差檢測，可以確定Δt，流體流速ω＝＝f(Q，Δt)，解得ω可以確定流量L(ω*過流斷面)、確定流體熱量(L*ρ*tf)。
對熱耗散設備的冷、熱供水的檢測以空調、採暖散熱器等為例，冷或熱水經管道送(供)入散熱器在散熱器中吸熱或散熱後再經管道送回，由於冷或熱量的散失，供、回水管的水溫將有溫差，分別將供、回水管的一段做成一面是換熱平面的檢測管段(檢測裝置1)——如圖1所示，供水從進口管頭[2]進入一段做成一面是換熱平面的檢測管段[1]從另一頭[3]送出，水流在[1]中由於中間有一分隔(圖中虛線)使水流在[1]中U形流動；回水從進口管頭[4]經過[6]從[5]流出的過程和型式與供水相同。熱流傳感器[8]置於供、回水管的換熱平面之間緊貼，由定位螺栓孔[7]夾緊，熱流通過熱流傳感器[8]從熱水面傳到冷水面，通過熱流傳感器測得的Q值外還需要輔以流體和(或)管或壁的溫度或溫差檢測，一個目的是要得到供、回水流體的溫度、溫差，一個目的是要由熱量與溫度、溫差的關係算出流速ω＝＝f(Q，Δt)，也就是需要先計算流量；根據Q＝＝α*Δt(0-3a式)Δt＝＝tw-tf，應檢測tw管或壁內面的溫度，tf流體溫度(這類溫度傳感儀器已經有許多現成產品及檢測方法，如熱電偶、鉑電阻等)；有了Q、Δt算出ω也就算出了流量。當然檢測管段(檢測裝置1)與流量、熱量Q、溫度、溫差Δt的函數關係應是標準的或經過標定的。
可見，用熱流檢測流體流量、流體熱量的方法和此方法的應用實施儀器，在具備熱流檢測和溫度、溫差Δt檢測的情況下，流速、流量、耗散熱量、流體熱流量的檢測是四位一體的，也就是多功能的。
方式2.圖2是檢測裝置2的示意圖，從[1]到[8]的部件與檢測裝置1相同，區別在於供、回水管的接口位置換了90度，從而水在[1]中直接通過不需分隔和U形轉彎。
方式3.一種單管流量和(或)熱量檢測方法與應用檢測裝置3對單獨管道輸送的流體，仍然可以在具備熱流檢測和溫度、溫差Δt檢測的情況下，對流量、耗散熱量、流體熱流量進行檢測。如圖3所示，在一段專門設計製作的檢測管段的管壁上貼上一塊熱流傳感器[8]檢測管內流體與管外環境的換熱量Q，溫度檢測流體溫度t0、管內壁溫度t1和(或)管外壁溫度t2(也是熱流傳感器內側表面溫度)、熱流傳感器外側表面溫度t3；由於熱流傳感器外的環境溫度t4和環境換熱機制(或傳導或對流或輻射或複合)對熱流傳感器影響的結果是改變熱流傳感器外側表面溫度t3再進而影響熱流，因此t3綜合了環境因數，通過實驗臺檢測標定流速與熱量Q和上述溫度的函數關係式或表，通過熱量Q與上述溫度的檢測可以計算或查表確定流速，從而確定流量、熱量。
方式4.間接檢測tw，進而確定Δt＝＝tw-tf的方法tw——管或壁內面的溫度；tf——流體溫度。
注由於繪圖軟體不能標下標數學式tw、tf，為了與圖示符合又不改變引用的函數式，在此以t1、t0與tw、tf對應。
以圖3為例，由於是串聯熱流，有Q＝＝Q1＝＝Q2＝＝Q3；Q＝＝Q1＝＝α*Δt＝＝α*(t1-t0) Q1流體與管、壁對流換熱；Q＝＝Q2＝＝-λdt/dx＝＝-λ(t2-t1)/dx Q2通過管、壁的傳導熱；t0流體溫度，t1管或壁內面的溫度或當量溫度(對於強化換熱面)，t2管外壁面溫度也是熱流傳感器內側表面溫度。dx管、壁厚度或當量厚度。
由於Q＝＝Q2＝＝-λ(t2-t1)/dx；Q可以通過熱流傳感器[8]測到；t2管外壁面溫度也是熱流傳感器內側表面溫度，也容易測到；λ材料導熱係數，dx管、壁厚度或當量厚度通過查材料表或實測也容易得到；因此通過檢測Q、t2t1＝＝T(Q，t2，λ，dx)可以算出，從而流速ω＝＝f(Q，t0，t2)。
由於Q，t0，t2的檢測非常容易而且準確、精度高，相對其他流量、熱量的檢測方法和儀器，具有高精度、低成本、穩定、不易損壞、簡便的優勢。
權利要求
1.用熱流檢測流體流量、流體熱量的方法，其特徵是用熱流傳感器檢測流體通過管或壁面傳到管或壁外的熱量Q，根據流體換熱的原理和計算式——在流體物性一定的條件下，密度、粘滯性等物性確定或只隨溫度變化，管或壁一定則其換熱形狀參數確定，流體與管或壁的換熱量Q只與流體流速ω和流體與管或壁的溫差Δt有關，換熱量Q＝F(流速ω，溫差Δt)；從檢測到的Q依據檢測管段或檢測裝置已有或標定的數學模型Q＝F(ω，Δt)，再輔以流體和(或)管或壁的溫度或溫差Δt檢測，可以確定流體流速ω＝＝f(Q，Δt)，從而確定流量L(ω*過流斷面)、確定流體熱量。
2.根據權利要求1所述的用熱流檢測流體流量、流體熱量的方法，其應用檢測裝置的特徵是分別將供、回水管的一段做成流速ω、熱量Q、溫差Δt的函數關係是標準的或經過標定的一面是換熱平面的檢測管段，熱流傳感器置於供、回水管的換熱平面之間緊貼，熱流通過熱流傳感器從熱水面傳到冷水面，測得通過熱流傳感器的Q值，檢測tw管或壁內面的溫度，tf流體溫度，根據流速ω＝f(Q，Δt)，算出ω即可算出流量、熱量。
3.根據權利要求1所述的用熱流檢測流體流量、流體熱量的方法，一種單管流量和(或)熱量檢測方法的特徵是在一段檢測管段的管壁上貼上一塊熱流傳感器，檢測管內流體與管外環境的換熱量Q；溫度檢測流體溫度、管內壁溫度和(或)管外壁溫度(也是熱流傳感器內側表面溫度)、熱流傳感器外側表面溫度；通過實驗臺檢測標定檢測管段的流速與熱量Q和上述溫度的函數關係式或表，實測時通過熱量Q與上述溫度的檢測可以計算或查表確定流速，從而確定流量、熱量。
4.根據權利要求1所述的用熱流檢測流體流量、流體熱量的方法，間接檢測tw(t1)管或壁內面的溫度的方法的特徵是檢測熱流Q和t2管外壁面溫度，根據Q＝＝Q2＝＝-λ(t2-t1)/dx，t1＝＝T(Q，t2，λ，dx)可以算出，從而得到流速ω＝＝f(Q，t0，t2)。注tw、t1——管或壁內面的溫度；tf、t0——流體溫度。
全文摘要
用熱流檢測流體流量、流體熱量的方法及其應用裝置，是用熱流傳感器檢測流體通過管或壁面傳到管或壁外的熱量Q，根據流體換熱的原理和計算式——在流體物性一定的條件下，密度、粘滯性等物性確定或只隨溫度變化，管或壁一定則其換熱形狀參數確定，換熱量Q只與流體流速ω和流體與管或壁的溫差Δt有關，Q＝F(流速ω、溫差Δt)；從檢測到的Q、Δt，依據檢測管段或檢測裝置已有或標定的數學模型Q＝F(ω、Δt)，可以確定流體流速ω＝f(Q，Δt)，從而確定流量、確定流體熱量。相對其他流量、熱量的檢測方法和儀器，具有高精度、低成本、穩定、不易損壞、簡便的優勢。
文檔編號G01F1/86GK1749717SQ20041007924
公開日2006年3月22日 申請日期2004年9月16日 優先權日2004年9月16日
發明者廖亞非 申請人:重慶大學