專利名稱：寬量程旋進旋渦氣體流量計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于氣體流量計技術領域，尤其涉及一種寬量程旋進旋渦氣體流量計。
背景技術：
目前，世界上主流的流量儀表廠家所生產(chǎn)的各種氣體流量計量儀表，由于測量原理上的原因，單臺儀表流量測量范圍的局限性。一般量程都在I : 30左右，只有熱式氣體流量計和羅茨流量計的量程范圍比較寬，一般在I : 200左右。而且，由于氣體管道內(nèi)的氣流流速經(jīng)常出現(xiàn)過快和過慢的情況發(fā)生，超過儀表所能計量的流速范圍，超出計量范圍的氣流一般都不能被流量儀表準確的記錄下來，尤其是小于量程下限的情況，甚至有時根本就記錄不到流量數(shù)值為了解決上述問題，人們一直在研究寬量程的流量儀表，研究方向主要是通過合理的技術手段對現(xiàn)有儀表量程下限以下的低速氣流進行準確計量，到目前為止還沒有妥善的解決辦法。正因為如此，目前在氣流流量的測量方面，往往在同一管道上將不同口徑的儀表并聯(lián)使用，利用控制閥來控制不同口徑的儀表來適應不同的流速。此辦法雖然部分解決了現(xiàn)有計量儀表存在的問題，但由于儀表的流量信號輸出和控制閥的動作均需要一個緩沖時間，這給氣流流量的精確計量帶來了問題，進而為氣流的供給方和使用方造成了諸多不便，更造成了原材料和安裝場地上的極大浪費，這和世界主流的節(jié)能環(huán)保理念相沖突。在傳感器領域出現(xiàn)了一種高靈敏度的熱加速度傳感器為上述問題的解決提供了可能性。傳統(tǒng)的熱加速度計是基于電容或壓電技術，用于測量微機械質(zhì)量結(jié)構(gòu)運動，這種技術在許多方面有一定的局限性，如表面粘附(稱為黏附)、滯后、機械震動、電磁干擾(EMI)。昂貴而復雜的制造過程也面臨一些與微機械運動結(jié)構(gòu)相關問題的挑戰(zhàn)，為了解決這些問題，MEMSIC開發(fā)出一種獨特的技術，該技術解決了與傳統(tǒng)基于MEMS的加速度計相關的問題，利用熱對流技術，是全球第一家使用標準的CMOS工藝的單芯片集成混合信號處理電路的熱對流MEMS慣性傳感器。其測量原理如下一個被放置在芯片中央的熱源在這個空腔中產(chǎn)生一個懸浮的“熱氣團”，同時四個由鋁和多晶硅組成的熱電偶組被等距離對稱地放置在熱源的四個方向。在未受到加速度或水平放置時，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而完全對稱的。此時，所有的四個熱電偶組均因感應溫度相同而產(chǎn)生的電壓是相同的。上面是一個空腔氣室，因無加速度的外力作用，熱氣團位于正中央的中央熱源之上。當受到一個加速度的作用，熱氣團偏移，原來四個熱電偶組的平衡被破壞，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而向右發(fā)生Λ的偏量。由于自由對流熱場的傳遞性，任何方向的加速度都會擾亂熱場的輪廓，從而導致其不對稱，此時四個熱電偶組的輸出電壓會出現(xiàn)差異，而這熱電偶組輸出電壓的差異是直接與所感應的加速度成比例的。在加速度傳感器內(nèi)部，有兩條完全相同的加速度信號傳輸路徑，一條是用于測量X軸上所感應的加速度，另一條則是用于測量Y軸上所感應的加速度。熱對流式加速度傳感器的內(nèi)部還包含傳感器的模擬信號后處理電路。來自同一軸、兩個方向的熱電偶組信號經(jīng)差分放大、溫度比較、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、低通濾波和緩沖，輸出已經(jīng)放大了的模擬信號；或經(jīng)差分放大、溫度比較和模數(shù)轉(zhuǎn)換，直接將信號處理成I2C接口界面。因此，熱對流式加速度傳感器是一個多芯片的片上系統(tǒng)，即SOC或MCM。器件測量由加速度 產(chǎn)生內(nèi)在熱傳遞中的變化提供較傳統(tǒng)固態(tài)校對更具有質(zhì)量優(yōu)勢的結(jié)構(gòu)，因為在MEMSIC傳感器設計中是利用氣體分子校對質(zhì)量，所以運動機械結(jié)構(gòu)在加速度計內(nèi)會被消除，MEMSIC加速度計可承受的理論撞擊極限超過50000g，是傳統(tǒng)加速度計的5倍之多，同時也消除了與表面粘附相連的問題。另外，MEMSIC加速度計不在要求特殊處理和測試，可大幅減少OEM的成本，MEMSIC標準的CMOS兼容工藝具備高質(zhì)量的制備能力。故障率比傳統(tǒng)的加速度計減少數(shù)千倍，這樣的技術和制造能力，從根本上消除了故障率和其他的相關制造成本。正是因為該傳感器具備上述優(yōu)勢，將其應用到氣體流量儀表中可以很好地解決存在的測量量程問題。結(jié)合當前主流各種氣體流量計，應用上述熱加速度傳感器可派生出多種復合式寬量程氣體流量計，如寬量程旋進旋渦氣體流量計、寬量程氣體渦輪流量計、寬量程渦街式氣體流量計、寬量程動差式氣體流量計、寬量程V錐式氣體流量計等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種寬量程旋進旋渦氣體流量計。本發(fā)明為解決公知技術中存在的技術問題所采取的技術方案是寬量程旋進旋渦氣體流量計包括文丘利管狀的殼體、分別位于其始端和終端的旋渦發(fā)生器和消旋體、安裝在所述殼體內(nèi)壁上的壓力傳感器和流量傳感器以及積算儀，所述積算儀包括微處理器和信號采集單元，所述壓力傳感器連接至所述信號采集單元，在所述殼體內(nèi)壁上還設有熱加速度傳感器；所述積算儀中設有連接至所述微處理器的選通電路，所述選通電路有兩個輸入端、同時連接至所述流量傳感器與所述熱加速度傳感器。本發(fā)明還可以采用如下技術方案所述熱加速度傳感器的工作端位于距離所述殼體內(nèi)壁四分之一內(nèi)徑距離處。所述熱加速度傳感器位于所述殼體的擴散段。所述流量傳感器為兩個成中心對稱的壓電傳感器，位于所述殼體的收縮段。所述壓力傳感器位于所述殼體的收縮段。本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是本發(fā)明通過在現(xiàn)有的旋進旋渦氣體流量計中設置兼具溫度傳感器功能的熱加速度傳感器，并在積算儀中設置與微處理器相連接的選通電路，其兩個輸入端將流量傳感器和熱加速度傳感器整合在一起，微處理器實時判斷管路中的流量狀況，當流量處于流量傳感器下限以下時，選通熱加速度傳感器工作，充分利用熱加速度傳感器準確測量微小流量的特性，在沒有改變原氣體流量計的整體結(jié)構(gòu)的前提下拓寬了原流量計的量程、解決了現(xiàn)有技術中多表并聯(lián)帶來的問題。


圖I是現(xiàn)有技術中多表并聯(lián)測量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中I、大口徑流量控制閥；2、大口徑流量計；3、小口徑流量控制閥；4、小口徑流量計；5、積算儀；6、顯示屏；7、壓力傳感器；8、熱加速度傳感器；9、旋渦發(fā)生器；10、殼體；
11、流量傳感器；12、消旋體。
具體實施例方式為能進一步了解本發(fā)明的
發(fā)明內(nèi)容
、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下圖I是現(xiàn)有技術中多表并聯(lián)測量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。在氣體流量測量的管路上，將大口徑流量計2和小口徑流量計4并聯(lián)使用，分別由大口徑流量控制閥I和小口徑流量控制閥3進行控制。當氣體流量較小時，通過控制閥的切換控制，將大口徑測量管路斷開、小口徑測量管路打開，以對較小流量進行測量。此辦法雖然部分解決了現(xiàn)有計量儀表存在的問題，但由于儀表的流量信號輸出和控制閥的動作均需要一個緩沖時間，這給氣流流量的精確計量帶來了問題，進而為氣流的供給方和使用方造成了諸多不便，更造成了原材料和安裝場地上的極大浪費。圖2是本發(fā)明寬量程旋進旋渦氣體流量計的結(jié)構(gòu)示意圖。包括文丘利管狀的殼體10，其始端和終端分別設有旋渦發(fā)生器9和消旋體12，在其內(nèi)壁上設有壓力傳感器7和流量傳感器11，壓力傳感器7位于殼體10的收縮段，流量傳感器11為兩個成中心對稱的壓電傳感器，位于殼體10的收縮段。還包括積算儀5，該積算儀5包括微處理器和信號采集單元。壓力傳感器7連接至信號采集單元。在殼體10的內(nèi)壁上還設有熱加速度傳感器8，其工作端位于距離所述殼體10內(nèi)壁四分之一內(nèi)徑距離處。積算儀5中設有連接至微處理器的選通電路，該選通電路有兩個輸入端、同時連接至流量傳感器11與熱加速度傳感器8。在積算儀5上還設有顯示屏6對測量結(jié)果進行顯示。通常情況下，氣體管路中的流量值處于流量傳感器11的量程范圍內(nèi)，此時積算儀5的微處理器通過選通電路選通流量傳感器11處于工作狀態(tài)，當氣體管路中的流量減小至量程下限以下，微處理器通過選通電路選通熱加速度傳感器8處于工作狀態(tài)，由其對低流量值進行測量。流量傳感器11為兩個成中心對稱的壓電傳感器，其測量原理如下當沿著軸向流動的氣體進入旋進旋渦流量計的入口時，旋渦發(fā)生器9強迫氣體進行旋轉(zhuǎn)運動，于是在旋渦發(fā)生器9中心產(chǎn)生旋渦流，旋渦流在文丘利管中旋進，到達收縮段突然節(jié)流使旋渦流加速，當旋渦流進入擴散段后，因回流的作用強迫進行旋進式二次旋轉(zhuǎn)。此時旋渦流的旋轉(zhuǎn)頻率與介質(zhì)流速成正比并為線性。壓電傳感器檢測的微弱電荷信號經(jīng)前置放大器放大、濾波、整形、比較后變成頻率與流速成正比的脈沖信號，最后送積算儀的微處理器進行計數(shù)處理。微處理器根據(jù)該計數(shù)值得出旋渦流的旋轉(zhuǎn)頻率，并根據(jù)頻率與流速的線性關系得出氣體流速，后經(jīng)進一步計算得到氣體流量值。根據(jù)熱加速度傳感器8的工作原理，在芯片中央產(chǎn)生一個懸浮的“熱氣團”，同時四個由鋁和多晶硅組成的熱電偶組被等距離對稱地放置在熱源的四個方向。為了實現(xiàn)用該熱加速度傳感器8進行對氣流速度的測量，需要經(jīng)過精確的數(shù)學建模來得到氣流速度與各熱電偶測量溫度值的關系曲線。由于氣流在管路中均勻流動，可以將其假想為均一介質(zhì)，將熱加速度傳感器8的四個熱電偶中的兩個設置在流量計的中心線上，一個在入口方向另一個在出口方向。當流量計中沒有氣流流過時，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而完全對稱的。此時，所有的四個熱電偶組均因感應溫度相同而產(chǎn)生相同的電壓。當氣流以一定的速度流過時，“熱氣團”沿氣體流向有一個Λ的偏量，即擾亂了熱場的輪廓，從而導致其不對稱，此時流量計中心線上的兩個熱電偶的輸出電壓會出現(xiàn)差異，而該電壓的差值是直接與所感應的氣流速度成比例的。由此建立了氣流速度與熱電偶間電壓差的關系模型。
管路中氣流流速特點是管路中心流速最大，往四周逐漸減小，到達管壁時速度約等于零，因此靠近管壁處和靠近中心處的位置均不適合放置熱加速度傳感器8，本實施例中將該傳感器設置在距離殼體10內(nèi)壁四分之一內(nèi)徑距離處，以達到最好的測量效果。選通熱加速度傳感器8工作時，微處理器根據(jù)測量得到的熱電偶間電壓差計算流速，進而計算得到流量值。在計算的過程中，還需對溫度以及壓力進行補償計算，此處的溫度來自靠近流量計入口的熱電偶測量溫度值、壓力值來自壓力傳感器7。
權(quán)利要求
1.一種寬量程旋進旋渦氣體流量計，包括文丘利管狀的殼體、分別位于其始端和終端的旋渦發(fā)生器和消旋體、安裝在所述殼體內(nèi)壁上的壓力傳感器和流量傳感器以及積算儀，所述積算儀包括微處理器和信號采集單元，所述壓力傳感器連接至所述信號采集單元，特征在于 在所述殼體的內(nèi)壁上還設有熱加速度傳感器； 所述積算儀中設有連接至所述微處理器的選通電路，所述選通電路有兩個輸入端、同 時連接至所述流量傳感器與所述熱加速度傳感器。
2.按照權(quán)利要求I所述的寬量程旋進旋渦氣體流量計，其特征在于所述熱加速度傳感器的工作端位于距離所述殼體內(nèi)壁四分之一內(nèi)徑距離處。
3.按照權(quán)利要求I或2所述的寬量程旋進旋渦氣體流量計，其特征在于所述熱加速度傳感器位于所述殼體的擴散段。
4.按照權(quán)利要求I所述的寬量程旋進旋渦氣體流量計，其特征在于所述流量傳感器為兩個成中心對稱的壓電傳感器，位于所述殼體的收縮段。
5.按照權(quán)利要求I所述的寬量程旋進旋渦氣體流量計，其特征在于所述壓力傳感器位于所述殼體的收縮段。
全文摘要
本發(fā)明屬于氣體流量計技術領域，尤其涉及一種寬量程旋進旋渦氣體流量計。包括文丘利管狀的殼體、分別位于其始端和終端的旋渦發(fā)生器和消旋體、安裝在所述殼體內(nèi)壁上的壓力傳感器和流量傳感器以及積算儀，積算儀包括微處理器和信號采集單元，所述壓力傳感器連接至所述信號采集單元，在殼體內(nèi)壁上還設有熱加速度傳感器；積算儀中設有連接至微處理器的選通電路，選通電路有兩個輸入端、同時連接至流量傳感器與熱加速度傳感器。本發(fā)明在現(xiàn)有旋進旋渦氣體流量計內(nèi)設置熱加速度傳感器，并在積算儀中設置選通電路將流量傳感器和熱加速度傳感器整合在一起，微處理器根據(jù)流量大小控制不同傳感器工作，拓寬了流量傳感器的量程。
文檔編號G01F1/86GK102620773SQ20121008211
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者郭慶博 申請人:天津市勝武儀表技術有限公司