具有改進的傳動轉矩和靈敏度的單噴口流量計的製作方法

2023-05-19 13:16:51

專利名稱：具有改進的傳動轉矩和靈敏度的單噴口流量計的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種流體的單噴口流量計，其能夠在計量參數內的大範圍流動速率下表現出準確、精確和穩定的測量。該流量計具有測量腔室，其中，一組液壓元件允許獲得的測量範圍在大範圍流動速率，特別是在低流動速率下具有提高準確度和精密度的計量參數。
背景技術：
本發明涉及單噴口水流計。這些流量計是基於一旦液流以衝擊渦輪的幾個葉片或葉輪的射流形式進入測量腔室，便由液流使渦輪轉動來工作的。計數加法器基於由渦輪完成的轉數記錄消耗量。因此，在加法器中確立的比率與按每一流動速率實際產生的比率之間的偏差會導致消耗體積測量中的誤差。因此，單噴口流量計的計量特徵由液壓元件的布置形成的液壓設計確定。這些計量特徵能夠確定計量誤差曲線，該曲線能夠測量由於流動速率與渦輪轉速之間的非線性比率所造成的測量體積與實際體積的誤差。流量計的計量誤差曲線記錄在其測量範圍內的所有流動速率下引起的誤差，以這種方式反映流量計的計量特徵。在標準EN14154中特別描述了典型的計量範圍。在本技術領域中已知的流量計中，僅最高流動速率範圍的計量誤差曲線顯示較小的變化(大約l，0001/h)。因此，認為誤差是恆定的，並且，由於很容易維持在通過標準建立的極限範圍內，因此，計量誤差曲線通常不會過分偏離水平直線。據悉，在高流動速率下，通過使用肋條而達到最大的在流量計的測量腔室內產生的渦流有利於渦輪轉速(ω)與流動速率(Q)之間形成線性比，因此，渦輪轉速與通過流量計的流體的體積(在計量範圍內記錄或測量)成線性比。通常，誤差在流動速率間隔Q2 < Q < Q4內處於士2%的範圍內，而在間隔Qi<Q<Q2內則在士 5%以內。但是，當流動速率降低時，渦流的線性化效應隨著流動速率值的減小而逐步消失，並且計量誤差曲線會發生更顯著的變化。在特定流動速率減小時，受到流量計的液壓設計的影響，以正斜率或負斜率發生所述變化。最終，在流動速率非常低(大約101/h或更小)時，由於渦輪會經受對渦輪轉動與流動速率之間的線性比產生負面影響的損失，因此，流體力已難以克服流量計的不同可動部件之間的摩擦，並且由於計量誤差曲線突然下落，所以所測量的體積會迅速下降。現有技術中，Q2值達到101/h，Q2 值通常為201/h，而Q4值則會變化至5，0001/h。另外，由摩擦引發的效應也與液壓設計一起起作用。如由Larra0na等人完成的模擬推斷出的結論(ASME J. Fluids Engineering, 2008, Vol. 130, Art. 051102)那樣，隨著通過流量計的流動速率降低，由流量計的可動部件(如蝸輪和其測量腔室)之間的摩擦產生的效應會起到越發相關的作用。模擬的結果獲得了單噴口流量計對計量特徵的影響。對於摩擦高度增加而言，這些效應在低流動速率下會導致負曲線誤差，所述偶然性要求將摩擦效應降至最小並能提供足以克服所述效應的能量的液壓設計。特別是，在不存在渦流的線性化效應的流動速率範圍內，我們能夠斷定根據流動速率，液壓設計確實會干擾渦輪接收流體能量的效率，因此，不同的液壓設計會導致計量誤差曲線具有正斜率或負斜率，而摩擦在計量曲線中表現為下降。這種方式限制流量計的靈敏度，其中，靈敏度應被理解為在小流動速率下實現精確消耗測量，到在最小流動速率以下不能以消耗的計量範圍要求的精度進行測量的能力。 這樣的情況通常使單噴口流量計不能測量在用戶設備中出現的洩漏引發的消耗。為此，為了減小在計量曲線中發現的誤差而提高流量靈敏度的能力是非常令人關注的。連同所記錄的體積測量的精度，單噴口流量計的計量特徵非常容易受流量計上遊的液壓故障以及構成流量計液壓設計結構的元件尺寸和位置發生的微小變化的影響。因此，即使滿足需要的製造公差要求，帶有相同流量計設計的不同單元的計量曲線可能在它們的計量特徵中仍具有顯著變化，這些計量特徵要求能夠形成一種用以在通過標準建立的限度範圍內保持所述曲線的調節形式。一種影響是由部件磨損引起的液壓和摩擦參數的變化。該磨損會隨渦輪轉速增加而增加。另外，在使用期間通常在不同元件上形成的鈣沉積物也可能會改變它們的尺寸並產生與之前相似的效果。因此，我們非常感興趣的液壓設計應能給予流量計足以克服在大規模生產過程或使用期間可能產生的較小變化的計量穩定性。因此，在41/h 5，0001/h的大流動速率範圍中的單噴口流量計是理想的，其中， 渦輪轉速與流動速率之間的線性比以及由渦輪完成的轉數與通過流量計的計量參數內的水體積成正比。所述比例必須能夠克服液壓元件尺寸上的微小變化(如，外界意外情況或鈣沉積或製造期間的公差)而達到穩定。

發明內容
本發明的目的在於提供一種流量計，其中液壓元件的布置和摩擦在大範圍流動速率(從41/h 5，0001/h)，特別是包括小於101/h的流動速率內測量記錄的流體體積時， 能夠提供高靈敏度。該靈敏度將允許流量計能夠在計量誤差曲線中反映的計量參數內，精確、準確地確定體積測量，並且，能夠克服流量計上遊的液壓故障以及構成流量計液壓設計元件的尺寸和位置的微小變化，實現計量上的穩定性。所述流量計由獨立權利要求1限定。 本發明的第二方面，提供了一種使用根據獨立權利要求10的流量計測量流體體積的方法。在本發明的第一方面，單噴口流式流量計鄰近於管道布置，其中液體以原始流動方向(X)進入管道。流量計由測量腔室，一對噴嘴和渦輪構成，該渦輪的旋轉軸與液流進入的原始方向垂直。測量腔室形成由基本上彼此平行的第一上壁和第二下壁限定的內部封閉腔室，側壁延測量腔室延伸，按這種方式，照相機的封閉腔室基本上為圓柱形。噴嘴的孔布置在所述側壁上。第一上壁和第二下壁的內表面基本上垂直於渦輪的旋轉軸並具有安裝渦輪軸的適應區域。在該流量計中，渦輪具有11個葉片或葉輪。在第一和第二壁上均設有一組肋條，這些肋條朝腔室的內部伸出。這些肋條沿徑向相對於渦輪的旋轉軸布置。採用交叉形式，以其間大致90° 士 10°的角度，按有規律的間隔布置四個上側肋條。在渦輪的支承點與腔室的側壁之間，上側肋條部分延伸通過腔室 (其半徑的50% 90% )。這些部件的寬度在半徑值的10% 15%之間變化。採用星形形狀，以其間大致60° 士 10°的角度，按有規律的間隔相對於渦輪的旋轉軸沿徑向布置六個下側肋條。在渦輪的支承點與腔室側壁之間，下側肋條朝支承元件基本上延伸貫穿半徑(其半徑的60% 100% )。這些下側肋條的寬度類似於上側肋條的寬度(半徑值的10% 15% )。肋條(nerve)基本上以測量腔室高度的20% 30% (優選 25%),從每一個壁的內表面伸出，朝外伸出的每一個上側肋條的高度的比率高出每一下側肋條的高度的比率大約1. 5 1. 7倍。肋條高度的這一差異允許與上側部件相關的渦流更大。這一效應對渦輪提供了額外的法向分量。所述法向分量通過軸承確保對渦輪的支承並控制摩擦程度。由於由通過上下肋條產生的渦流獲得的效應，通過流體沿所述方向的衝擊，能夠調節在機械接觸期間，法向分量的摩擦力對力的依賴性。將相對的上側肋條筋中的兩個布置成與進入的第一原始方向大致平行(士5° )。 反過來，下側相對肋條中的兩個基本上與這兩個上側肋條相對布置，並沿基本上與進入的原始方向平行的方向布置。因此，這四個肋條在兩個肋條與設有噴嘴孔的側壁之間的空間中限定了衝擊區域。在該衝擊區域中，流體進入腔室，衝擊渦輪葉輪或葉片並從測量腔室排
出ο流體經第一噴嘴進入該區域，第一噴嘴的軸線基本上以11° 20°的角度，偏離液流的原始方向。第一噴嘴沿其旋轉軸延伸並最初包括截頭圓錐形剖面，該剖面之後為圓形剖面， 該圓形剖面具有測量腔室半徑值的8% 14%的噴嘴半徑。第一噴嘴的軸線與X的軸線的交點直至腔室中心之間的距離為測量腔室半徑的90% 100%。第二噴嘴的軸線與進入的原始方向形成5° 15°的第二角度。第二噴嘴沿其旋轉軸線延伸，該噴嘴具有圓形剖面，其噴嘴半徑為測量腔室半徑值的10% 14%。第二噴嘴的軸線與X軸線交點直至腔室中心之間的距離為測量腔室的 60% 75%。當第一噴嘴的射流在具有上側肋條和下側肋條的衝擊區域上衝擊十一個葉片時， 渦流在葉輪上具有淨力矩效應。所述淨力矩使渦輪在整個流動速率範圍更有效地轉動，從而能夠改善低流動速率下在轉動軸承上的渦輪支承，這樣能夠克服在低工作流動速率下位於測量腔室上遊的幹擾，降低高流動速率下的渦輪矩，提高流量計的穩定性。在確定渦輪的動態特性時，渦輪、包括腔室的上下肋條的液壓元件的布置和尺寸、 第一和第二噴嘴和渦輪葉輪能夠確定流量計的計量特徵。流體的衝擊力由摩擦抵消，因此， 這些元件也能夠在低流動速率下，平衡流經流量計的液體的能量，並且，在整個計量範圍內，特別是在摩擦較大的低流動速率情況下，能夠以克服由機械元件引起的線性摩擦的方式衝擊渦輪。同樣，所述元件易受因製造工藝改變所造成的尺寸變化或因在設備中使用所造成的幾何變化的影響；所述變化有時導致流量計的計量效率變化，從而引起測量不規範。由於不同主要元件的靈敏度以及由上下肋條之間高度差產生的高流量剖面幹擾水平，在測量腔室內產生的幹擾能夠消除在裝置上遊和下遊形成的流量變化，從而在進入計量器時能夠形成流量剖面的高穩定性，在所有情形中，該裝置都大大超過了與其相關的不同標準 (EN141154)提出的要求，這樣可以避免在上遊和下遊使用流量穩定器。在本發明的第二方面，為了在流量計布置中包括的計量參數所要求的精度和穩定性內進行測量，提供了一種測量方法，其包括以下步驟
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(a)將計數元件連接至根據本發明第一方面的流量計上；(b)將上述流量計連接至第二噴嘴的輸入管和輸出管上；並且記錄計數元件得出的測量值。


為了更好地理解本發明，其目的和優點，以下的附圖已附於說明書，其中，以下內
容表示圖1示出了流量計的實施例的剖面圖，該流量計具有其測量元件、照相機、噴嘴和渦輪；圖2示出了流量計的實施例的底視圖；圖3示出了流量計的實施例的底視圖；圖4示出了流量計的實施例的平面圖；圖5示出了不具有本發明特徵的流量計的計量學曲線以及如何將這些曲線引入具體實施例的方法；圖6示出了流量計的計量學特徵的變化；圖7示出了流量計的計量學特徵的變化；圖8示出了流量計的轉速變化；圖9示出了流量計的計量學特徵的變化；圖10示出了流量計的計量學特徵的變化；以及圖11示出了具有低流動速率的優選實施例的流量計的一個計量學特徵。 具體實施例下面，對本發明的實施例進行說明。圖1示出了流量計(70)剖面的全視圖。所述流量計在測量腔室(63)中具有渦輪(60)。流體經第一噴嘴(64)進入腔室(63)並經第一噴嘴(65)排出腔室。可以看到通過傳動元件計數機構(71)連接至渦輪(60)。優選地，利用全部包含在測量腔室(63)內的一組磁鐵實現所述傳動。測量腔室(63)具有大致圓柱形形狀。該腔室的半徑優選為26mm至28mm，更優選為27. 5mm。該腔室的高度為20mm至23mm，更優選為21. 35mm。i^一個葉片的渦輪(60)優選具有51mm至53mm的外徑，更優選具有52mm的外徑。 渦輪(60)的內徑為15mm 17mm，更優選為16mm。渦輪(60)的高度為8mm 10mm，更優選為9mm。由於渦輪(60)的葉片之間的角度在31° 34°之間變化，更優選為32. 7°，因此，渦輪(60)的葉輪呈間隔布置。圖2示出了流量計(70)的測量腔室(63)以及第一噴嘴(64)和第二噴嘴(65)的底視圖。第一噴嘴的圓形剖面的半徑優選為4. 5mm 6mm，更優選為5. 25mm。在第一噴嘴(64)的入口處截錐比優選為1 10。第一噴嘴(64)的軸線(1)與流體入口(X)的原始方向形成角度(C)。該角度(C) 優選在10° 20°之間變化，更優選為17°。現在，第一噴嘴(64)的軸線與X的軸線的交點直至腔室中心的距離為大約52mm。
第二噴嘴(65)的軸線(2)與流體入口(X)的原始方向形成角度(D)。(D)的角度範圍優選為5° 15°，更優選為11°。第二噴嘴優選具有半徑範圍為6mm 7. 5mm的圓形剖面，並且，其優選值為 6. 75mm。第二噴嘴的軸線與X的軸線的交點與腔室中心的距離為大約39mm。可以觀察到，腔室(63)中的第一上壁(62)包括以十字形狀布置的四個上側肋條 (11，12，13，14)。這些肋條之間的角度優選為90° 士5°。更優選為90°。這些上側肋條中的兩個肋條(11，13)相對布置並平行於軸線(X)，其布置方式為它們在噴嘴(64)的軸線 (1)與肋條(12)之間形成角度(A4)，該角度範圍為98° 128°，優選為108°。另外，也可以看到在上側肋條(11)與下側肋條(13)之間的衝擊區域(30)。上側肋條(11-14)的高度與下側肋條(41-46)的高度之比優選為1 64。上側肋條(11，12，13，14)的尺寸如下具有13mm 18mm的長度，更優選為13mm。 其寬度優選為2mm 3mm ；更優選為2. 5mm。這些部件伸出高度為5mm 6mm，更優選為 5. 75mm。在第一上壁(62)上，繞旋轉軸(G)能夠看到壁(53)區域，其適於與渦輪(60)接觸。圖3示出了流量計(70)中測量腔室(63)以及第一噴嘴(64)和第二噴嘴(65)的平視圖。可以觀察到，腔室(63)中的第二下壁(62)包括以星形布置的六個下側肋條(41， 42，43，44，45，46)。這些肋條筋之間的角度優選為60° 士5°，更優選為60°。布置兩個相對部件(41，44)平行於流體入口⑴的原始方向並與上側肋條(11， 13)相對。上側肋條(42)與下側肋條(52)優選形成30° 士5°的角度，更優選形成30° 的角度。肋條(42)之間的角度(A5)優選為98° 士 10°。該角度更優選為98° 士 1°。這些下側肋條(41-46)優選具有16mm 20mm的長度，更優選具有17mm的長度。 這些下側肋條的寬度優選為2mm 3mm，更優選為2. 5mm。這些部件優選以3mm 4mm的高度伸出，更優選以3. 5mm的高度伸出。.在第一下壁(61)中，繞旋轉軸(G)可以觀察到壁(51)區域，其適於與蝸輪(60) 接觸。該區域具有適於與端接在球形蓋中的蝸輪(60)的下端(52)接觸的轉動軸承。優選將渦輪(60)布置在測量腔室(63)中，並且，將其旋轉軸布置在適合的壁(51)區域上，該區域為轉動軸承並與流動的方向垂直。蝸輪的轉動軸承的區域的半徑與所述軸承繞著轉動的軸線的上端(52)的區域的半徑之間的比率為3. 5 1。圖5示出了相對於循環通過流量計的流動速率的對數以及在標準EN14154中描述的計量曲線的按％產生的相對誤差。圖5A示出了與表1的流量計對應的計量誤差曲線。誤差與流動速率的相關性示出了其在允許計量水平值之上的非線性特性。
權利要求
1.單噴口流量計(70)，其包括帶有十一個葉輪的蝸輪(60)，所述葉輪以有規律的間隔布置，所述蝸輪具有與液流入口⑴的原始方向垂直的旋轉軸(G)； 第一噴嘴(64)； 第二噴嘴(65)；以及流量計測量腔室(63)，其包括第一上壁(62)，其包括四個上側肋條(11-14)以及環繞旋轉軸(G)的壁區域(53)，以便與所述蝸輪(60)接觸；第二下壁(61)，其包括六個下側肋條(41-46)以及繞旋轉軸(G)的壁區域(51)，以便與所述蝸輪(60)接觸；以及測量腔室(63)的側壁，其包括用於連接第一噴嘴(64)和第二噴嘴(65)的多個孔； 其中四個上側肋條(11-14)沿徑向相對於渦輪(60)的旋轉軸(G)，以其間90° 士 10°的有規律的間隔布置，所述上側肋條(11-14)在測量腔室(63)半徑的509Γ 90%之間徑向延伸， 從而以測量腔室(63)半徑值的109Γ15%改變這些部件的寬度，上側肋條(11-14)的高度為下側肋條(41-46)高度的1. 5 1. 7倍；六個下側部件(41-46)徑向相對於渦輪(60)的旋轉軸(G)，以其間60° 士 10°的有規律的間隔布置，所述下側肋條(41-46)沿徑向以測量腔室(63)半徑的609Γ100%延伸，其中， 這些部件的寬度在測量腔室(63)半徑值的109Γ15%之間變化，下側肋條(41-46)的高度為測量腔室(63)高度的20% 30% ；以及相對於下側肋條(41-46)布置上側肋條(11-14)，其布置方式為 四個肋條(11-14)以及六個下側部件(41-46)的中心與渦輪(60)的旋轉軸(G)對準， 並且，沿與液流入口(X)的原始方向大致平行的方向，具有兩個相對的上側肋條(11， 13)和兩個相對的下側肋條(41，44)，肋條(11，41)相對於肋條(13，44)布置，相對於液流入口(X)的原始方向，第一噴嘴(64)的軸線(1)與輸入噴嘴(64)的軸線形成10° 20°的角度(C)0
2.根據權利要求1所述的流量計，其中所述流量計的測量腔室(63)的半徑為大約27.5 mm，高度為大約21.35 mm。
3.根據前述任一項權利要求所述的流量計，其中肋條的高度為下側肋條高度的大約 1. 64 倍。
4.根據前述任一項權利要求所述的流量計，其中上側肋條的高度為大約5.75 mm。
5.根據前述任一項權利要求所述的流量計，其中第一噴嘴(64)與第二上側肋條(42) 之間的角度(42)為大約108°。
6.根據前述任一項權利要求所述的流量計，其中渦輪轉動軸承的球體與所述軸承繞著轉動的軸線的上端(52)的球體之間的比率為3. 5 :1。
7.根據前述任一項權利要求所述的流量計，其中上側肋條(11-14)繞側壁與渦輪(60) 的旋轉軸(G)之間的中點，以測量腔室半徑值的50% 80%延伸。
8.根據前述任一項權利要求所述的流量計，其中所述第一噴嘴(64)的軸線(1)與方向(X)之間的角度(C)在15° 18°之間變化。
9.根據權利要求1所述的流量計，其中測量腔室(63)的半徑為大約27. 5mm，並且，測量腔室(63)的高度為大約21. 35 mm ； 上側肋條(11-14)沿徑向以大約90°的有規律的角度間隔布置，它們的交點與渦輪 (60)的旋轉軸(G)重合，上側肋條(11-14)中的每一個肋條均具有大約13mm的長度，大約2. 5 mm的寬度以及大約5. 7mm 5. 8 mm的高度；下側肋條(41-46)沿徑向以大約60°的有規律的角度間隔布置，它們的交點與渦輪 (60)的旋轉軸(G)重合，下側肋條(41-46)中的每一個肋條均具有大約17mm的長度，大約2. 5 mm的寬度(E5) 以及大約3. 5mm的高度；設有形成大約30°角度的上側肋條和下側肋條， 與第一噴嘴(64)的軸線形成大約108°的角度(A4)；並且，渦輪(60)的十一個葉輪之間具有大約32. 7°的角度，渦輪(60)的半徑為大約 27 mm0
10.用於測量體積的方法，其包括以下步驟將計數元件(71)連接至如權利要求1 9所述的流量計上； 將上述流量計連接至第一噴嘴(64)的輸入管以及第二噴嘴(65)的輸出管上；以及記錄計數元件(71)得出的測量值。
全文摘要
在4l/h～5,000l/h的範圍內具有計量參數內的體積測量誤差的單噴口流量計能夠克服流量計上遊的液壓故障、鈣的沉積而穩定工作，並且，允許不會影響計量參數的公差。該流量計包括渦輪、兩個噴嘴、和測量腔室。至少一個噴嘴與液流的原始方向形成10°～20°的角度。測量腔室包括一組沿徑向布置並相距有規律的間隔的四個上側肋條和六個下側肋條。上側肋條從腔室伸出的高度與下側肋條的伸出的高度比率在1.5～1.7倍之間變化。與上述流量計一起，還提供了一種測量方法，將所述流量計連接至使流體流過的輸入管和輸出管上，並連接計量元件至所述流量計上。
文檔編號G01F1/08GK102483338SQ201080037750
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月27日 優先權日2009年8月28日
發明者佩德羅·埃加尼亞·馬南諾斯, 哈維爾·奧泰吉·伊魯魯埃塔, 戴維·富恩特斯·塞斯馬 申請人:埃爾斯特測量獨資有限公司