多點平均流量計的製作方法
2023-06-06 16:52:26 3
專利名稱：多點平均流量計的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及一類通常所說的「平均皮托管(APT)流量計」的流量計，其用於測量液體和氣體的流動速率，尤其涉及一種新型有用的流量傳感元件，該元件一般用於APT流量計中，用於提高測量精確度和結構強度。
術語定義皮托管帶有90度彎曲的薄而長的同心金屬管，其上設有多個用以測量駐點壓力和靜壓力的孔(參見圖1)。
平均皮托管(APT)一種機械組件，其組成是1)一個直的雙腔室金屬管，其上設有多個用以測量駐點壓力和靜壓力的孔，和2)用於將壓力(測量孔)連接到壓力傳感器的硬體(參見圖2)。
平均皮托管(APT)流量計當APT通過接口硬體被安裝到流體管時，其就成為一個平均皮托管流量計(參見圖3)。
背景技術：
皮托管用作速度計的基本原理APT流量計是現在稱為皮托管的工具的一種應用，其在大約1730年首次由亨利·皮託(Henry Pitot)在法國使用，用以測量河流裡的水流速度。從那以後，皮托管已被用於測量氣體和液體速度如飛機上和在空調系統的大風道中的空氣速度、發電廠的廢氣速度等。
皮托管由一對薄的不鏽鋼同心管組成，該同心管彎曲成直角，如圖1所示。內管朝向流動方向敞開，通常在外管周圍鑽出兩個或更多的小孔，因此外表面上的靜壓力可被傳遞至內外管之間的環形空間內。皮托管的尖端測量駐點壓力。這些壓力被傳遞至壓力傳感儀器(例如流體壓力計或電子壓力傳感器)，其測量兩壓力間的差值。可以在基礎流體力學中很好地確定用這種差值表示動壓力駐點壓力-靜壓力＝P＝動壓力其被定義為P＝ρV2/2g其中ρ流體密度V流體速度g重力常數因此，V=2gP]]>因此，通過知道流體密度並測量經過皮托管的壓力差就可計算流動流體的本地速度。
作為流量計的皮托管的應用作為整體流量計，皮托管也已被用於測量流體在管或風道內的流動速率。通常通過將皮托管橫過來以測量從一個壁到相對的壁上的各個點的當地流動速率。在兩個或更多方向上的橫穿通常需要覆蓋較大的橫截面積。在許多點上測量速度是必須的，這是因為在管子或風道的任一橫截面區域內的點與點間的流體速度是不同的。在朝向壁的中間或者低處的流體速度通常較高，但是它們通常也是方位角的函數。標準皮托管和圖4中所示的在ASME PTC 11，風扇測試規範(Test Code for Fans)，1946中建立的橫穿方案示出如何使用兩方向多點平均方法。在這個示例中，指定了20個測量點的標準徑向位置。通過取20個不同壓力測量值的平均值可以得到整個橫截面的平均速度。整個管子或風道的總流率是管子橫截面與平均速度的乘積。
平均皮托管流量計通過在兩個或更多方向橫穿進行的多處本地速度的測量是一個麻煩而費時的過程。該方法不能方便地用於一般工業環境，這導致了平均皮托管(APT)流量計的開發。APT由兩個液壓分離的(hydraulicallyseparated)內管組成駐點壓室(plenum)和靜壓室。圖3中所示的APT流量計相當於帶有六個皮托管測量位置的單方向橫穿方案。這種設備優於橫穿方法之處在於APT是穿過管子安裝的固定硬體，其不需要橫穿，駐點壓力通過將壓室中的六個單個的駐點壓力組合液壓平均而得到。用同樣的方法得到平均靜壓力。因此，表示整個橫截面面積的動壓力的壓差可通過將這兩個壓室中的壓力連接到流體壓力計或者壓差傳感器而被測量。用於3或4英寸直徑管子的APT流量計通常具有四或六對測量孔，而較大直徑的管子可以具有八或更多對測量孔，以便覆蓋相對較大的橫截面面積。
APT流量計所需的改進獲得平均速度的方法APT流量計的基本設計規定，在平均皮托管上的所有壓力測量孔在直徑方向上成一直線。如圖5所示，如果速度分布的外觀軸線與平均皮托管的軸線一致，那麼這個單一方向的管是有利的。然而，如圖6所示，如果速度分布軸線不與所述管的軸線排成一行，那麼APT的固定的方向性就是不利的，這是在多數管子或風道流動中的情況。在這些情況下獲得的平均速度含有相對較大的誤差，該誤差由速度分布的表示不充分而引起。因為在管子截面的任何一個位置上的任何速度分布的形狀主要取決於上遊的流動狀態，其中該上遊流動狀態可以隨著流率的增加和減小而改變，因此實際上不可能預選出用於插入APT的最優方向。因此，APT與任何速度分布排成一行的可能性遠小於不排成一行的可能性。這個觀測導致這樣一個結論，即多數基於APT的流體測量遠不是最優的，還有改進的空間。
在所有情況下都獲得平均速度分布的理想解決方案可能需要12個或更多傳感器，各個傳感器帶有三或更多對壓力測量孔，從而能夠充分地覆蓋任何速度場。
然而，這種方案將具有很高的流動阻塞(flow blockage)，並導致不能令人接受的高恆定壓降，這就是為什麼這種方案從未被作為可行的商業解決方案提出的原因之一。
結構設計和製造中的問題APT的壓力測量部分由兩個液壓分離的腔室組成一個用於測量駐點壓力，另一個用於測量靜壓力。為此，APT通常由兩個或三個焊接在一起的管子組成，由於焊接導致的熱變形必須在後來通過例如熱處理和機械矯直的過程來修正。這些操作會增加成形和加工管子的本已昂貴的基礎成本。
APT必須在結構上足夠強，以經受住拖曳和上提導致的振動力。這種要求通常促使設計者將APT製造得比僅用於測量壓力所需的厚度要厚。換句話說，管子的結構強度是常規APT流量計的關注點。因此，理想的是通過設計消除流量計的這一關注問題。
安裝過程常規APT的安裝通常涉及打開管內的開口，在確定被安裝管子的偏轉角、滾動角和俯仰角在規定限度內的同時，將工廠製造好的APT和支撐噴嘴焊接到管子上(圖3)。用於大直徑管子的APT通常要求底部支撐件，而且必須在管子上鑽出另一個孔並焊接到管子上的對焊管接臺(weldolet)。這種安裝是費時且高成本的操作，其將被簡化或者消除。
前面說明了在目前平均皮托管流量計中存在的限制。因此很明顯，提供直接克服一個或更多上面列出的限制的替換方法是有利的。因而，提供一個包括在下文中更充分公開的特徵的適當替換方案。
發明內容
在本發明的一個方面，可以通過提供皮托管流量傳感器來完成，該流量傳感器包括環形圓柱體，該環形圓柱體在其中具有兩個內部壓力歧管；和多個從環形圓柱體的內表面徑向向內延伸的周向間隔開的傳感器本體，各個傳感器在其中具有至少一個駐點壓力測量孔並具有靜壓力測量孔，駐點壓力測量孔與一個內部壓力歧管流體連通，靜壓力測量孔與另一個內部壓力歧管流體連通。
在本發明的另一個方面，可以通過提供皮托管流量傳感器完成，該流量傳感器包括多個周向間隔的傳感器本體，該多個傳感器本體沿徑向向內延伸，僅僅部分朝向一共同點，各個傳感器本體在其中具有多個徑向間隔的駐點壓力測量孔並具有靜壓力測量孔，靜壓力測量孔與駐點壓力測量孔軸向間隔分布，駐點壓力測量孔相互流體連通，靜壓力測量孔相互流體連通。
從本發明以下結合附圖的詳細敘述，前述的和其他方面將變得更加明顯。
圖1簡要表示現有技術的皮托管；圖2簡要表示現有技術的平均皮托管；圖3簡要表示安裝在管內的現有技術的平均皮托管；圖4是通過皮托管橫穿風道測量平均流動速度的方法的簡圖；圖5是示出假想偏斜的速度分布的軸線與平均皮托管軸線一致的說明圖；圖6示出假想偏斜的速度分布軸線橫向於平均皮托管的軸線的說明圖；圖7A簡要表示圖7B示出的多點平均流量計的互相連通通道；圖7B是依照本發明的多點平均流量計的透視圖；圖8是圖7B中示出的多點平均流量計的端視圖；圖9是圖7B中示出的多點平均流量計的第二端視圖；圖9A是沿圖9中9A-9A線的橫截面圖；以及圖10是安裝在兩個法蘭之間的多點平均流量計的側視圖。
具體實施例方式
本發明的多點平均(MPA)流量計20是這樣一種裝置，其在降低恆定壓降、製造成本和安裝成本的同時消除了常規平均皮托管流量計所固有的測量不精確。在圖7A和7B中示出了典型的4英寸MPA流量計20的總體配置。MPA流量計20具有環形圓柱體1。其有六個傳感器或皮托管壓頭(pitot head)2，每個傳感器都設有兩個駐點壓力測量孔3和一個靜壓力測量孔4。駐點壓力在12個測量點處取樣。如圖7A中的簡圖所示，這些駐點壓力通過內部通道網絡6被連接到公共駐點壓力輸出室5，該內部通道網絡6被機加工在流量計本體1上。同樣地，六個靜壓力測量孔4被連接到公共靜壓力輸出室7。在這兩個輸出室5和7內的壓力分別是平均的駐點壓力和平均的靜壓力，其差值是平均動壓力。流體壓力計或電子壓力傳感器8被連接到這兩個輸出室5和7，從而測量平均動壓力。
更精確的平均速度與常規APT流量計的一維壓力測量孔相比，MPA流量計20的二維設置的駐點壓力和靜壓力測量孔3、4更能響應速度分布的不規則性或方位定向。MPA流量計20中的壓力測量孔3、4的設置類似於增添8個壓力測量孔到常規APT流量計上(在圖8中的附圖標記30所示的虛線)。因此，與使用常規APT流量計測量相比，用MPA流量計在任何二維不均勻的流場中測量的流率將更精確。
更低的壓降參考圖7B和8，MPA流量計的各個傳感器2是薄板形狀且以這種方式被設置在本體1內，即其產生非常低的拖曳力和提升力，結果產生很低的恆定壓降。對降低壓降起作用的一個因素是流動阻塞硬體從速度最高的管子的中心區域去掉，壓降與速度的平方成比例。
更好的結構設計而且，傳感器的固有頻率通過設計從渦流頻率和地震振動頻率中充分移開，MPA流量計的使用者不必關心由於傳感器的機械振動而產生結構損害的可能性。
更低的製造成本用於成形MPA傳感器的主要製造過程是非常高效的、數控的線切割方法，其結果是大大降低了製造成本。
更簡單的安裝MPA流量計的本體1是厚晶片，其可被安裝在任何管道系統的兩個法蘭10之間，如圖10所示。與常規APT相比，這是一種更簡單且更省時的安裝方法，其中常規APT要求在管子上鑽出一個或兩個孔，且將預裝配噴嘴成方形地(squarely)焊接到孔上。
優選實施例的敘述參考附圖，在所有的幾個附圖中，其中相同的附圖標記指示相似或相應的零件，特別地，圖6說明現有技術的典型配置，該現有技術用於通過將沿著橫穿管子直徑安裝的直的皮托管分布的若干駐點壓力和分離的若干靜壓力平均來測量流率。如在前述部分指出的，儘管這種配置是實際可行的，但其仍稍微不能滿足用於流率的精確測量的最好的可能解決方案。這個原因在於，實際上單個插入式皮托管本來就不足以監控橫穿管子的整個橫截面面積的不均勻壓力。
其次，在圖8中示出本發明的端視圖，其示出6個傳感器2和12個駐點壓力測量孔3。靜壓力測量孔4在圖7B中示出。從圖示中可清楚知道，本發明能夠提供更好的橫截面面積內流場的覆蓋。在本體1內部，用於駐點壓力和靜壓力的連接通道在圖7A中簡要示出並示於圖9A。
權利要求
1.一種皮托管流量傳感器，包括環形圓柱體，該環形圓柱體在其中具有兩個內部壓力歧管；和多個周向間隔的傳感器本體，該傳感器本體從環形圓柱體的內表面徑向向內延伸，各個傳感器在其中具有至少一個駐點壓力測量孔和一個靜壓力測量孔，所述駐點壓力測量孔與一個內部壓力歧管流體連通，所述靜壓力測量孔與另一個內部壓力歧管流體連通。
2.如權利要求1所述的皮托管流量傳感器，其特徵在於，各個傳感器本體在其中具有多個駐點壓力測量孔，所述多個壓力測量孔徑向間隔開。
3.如權利要求1所述的皮托管流量傳感器，其特徵在於，各個傳感器本體與鄰近的傳感器本體間隔預定的周向距離。
4.如權利要求1所述的皮托管流量傳感器，其特徵在於，各個傳感器本體軸向延伸。
5.如權利要求4所述的皮托管流量傳感器，其特徵在於，所述至少一個駐點壓力測量孔被置於傳感器本體的上遊表面上，所述靜壓力測量孔被置於所述至少一個駐點壓力測量孔的軸向下遊。
6.如權利要求5所述的皮托管流量傳感器，其特徵在於，所述靜壓力測量孔朝向傳感器本體的表面徑向向內放置。
7.如權利要求1所述的皮托管流量傳感器，其特徵在於，傳感器本體的數目是6個。
8.如權利要求1所述的皮托管流量傳感器，其特徵在於，各個傳感器本體徑向向內延伸小於環形圓柱體的內表面的半徑。
9.如權利要求1所述的皮托管流量傳感器，其特徵在於，各個傳感器本體具有帶有周向延伸厚度的矩形形狀，第一邊緣軸向延伸，第二邊緣徑向延伸，第三邊緣徑向延伸且與第二邊緣以大於傳感器厚度的距離軸向間隔開。
10.如權利要求9所述的皮托管流量傳感器，其特徵在於，所述至少一個駐點壓力測量孔被置於傳感器本體的第二邊緣上，所述靜壓力測量孔被置於最接近傳感器本體的第三邊緣的傳感器本體的第一邊緣上。
11.如權利要求1所述的皮托管流量傳感器，其特徵在於，所述環形圓柱體在其中具有兩個壓力埠，一個壓力埠與一個內部壓力歧管流體連通，另一個壓力埠與另一個內部壓力歧管流體連通。
12.一種皮托管流量傳感器，包括多個周向間隔的傳感器本體，該傳感器本體徑向向內延伸，僅僅部分朝向一個共同點，各個傳感器本體在其中具有多個徑向間隔的駐點壓力測量孔並在其中具有靜壓力測量孔，所述靜壓力測量孔與所述駐點壓力測量孔軸向間隔，所述駐點壓力測量孔相互流體連通，所述靜壓力測量孔相互流體連通。
13.一種流量傳感器，包括環形圓柱體，該環形圓柱體在其中具有兩個內部壓力歧管和兩個壓力埠，一個壓力埠與一個內部壓力歧管流體連通，另一個壓力埠與另一個內部壓力歧管流體連通；和多個周向間隔的皮托管壓頭，其被連接到環形圓柱體的內表面上，各個皮托管壓頭在其中具有多個徑向間隔開的測量孔並在其中具有靜壓力測量孔，所述駐點壓力測量孔與一個內部壓力歧管流體連通，所述靜壓力測量孔與另一個內部壓力歧管流體連通。
14.如權利要求13所述的流量傳感器，其特徵在於，各個皮托管壓頭徑向向內延伸小於環形圓柱體的內表面的半徑。
15.如權利要求13所述的流量傳感器，其特徵在於，皮托管壓頭內的駐點壓力測量孔位於第一平面上，皮托管壓頭內的靜壓力測量孔位於第二平面上，第一平面垂直於第二平面。
16.一種流量傳感器，包括多個獨立的周向間隔的傳感器，各個傳感器在其中具有多個徑向間隔的駐點壓力測量孔並在其中具有靜壓力測量孔，所述靜壓力測量孔與所述多個駐點壓力測量孔軸向間隔，所述駐點壓力測量孔相互流體連通，所述靜壓力測量孔相互流體連通。
全文摘要
一種平均皮托管流量計(20)，其具有多個周向間隔的皮托管壓頭(2)，該皮托管壓頭從環形圓柱體(1)的內表面徑向向內延伸。各個皮托管壓頭包括一個或多個駐點壓力孔(3)和一個靜壓力孔(4)。駐點壓力壓頭與該駐點壓力孔連接以提供平均駐點壓力，靜壓力壓頭與靜壓力孔連接以提供平均靜壓力。
文檔編號G01F1/34GK1615429SQ03802090
公開日2005年5月11日 申請日期2003年1月9日 優先權日2002年1月10日
發明者金基顯 申請人:瑞進Instech株式會社