一种气动活塞式的微流速测量装置及其方法与流程

1.本发明属于测量设备领域，具体涉及一种气动活塞式的微流速测量装置及其方法。


背景技术：

2.流速仪是用于测定流体流速的设备，通常来说，流速仪分为转子式流速仪、文丘里流速仪、电磁式流速仪、超声波多普勒流速仪。
3.其中，转子式流速仪的核心部件是叶轮，其通常在高流速和河流中使用。旋桨式流速仪、旋杯式流速仪和旋叶式流速仪均属转子式流速仪，工作原理基本相同，是利用水流动力推动转子旋转，根据转动速度推求流速。但是此类设备由于转轴处存在较大的摩擦力，因此通常不适宜用于中低流速的测量。
4.另外，文丘里流速仪、电磁式流速仪、超声波多普勒流速仪对于中高流速的测量较为准确，但是低流速的测定对于目前的流速测定仪器而言依然是一大难点。现有的流速仪普遍存在最低量程过高的问题，无法用于测定过小的流速，即微流速。因此，如何实现微流速的测定，是目前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中微流速测定困难的缺陷，并提供一种气动活塞式的微流速测量装置及其方法。
6.本发明所采用的具体技术方案如下：
7.第一方面，本发明提供了一种气动活塞式的微流速测量装置，其包括文丘里测流管和转子流速测量装置；
8.所述文丘里测流管由入口段、渐缩段、喉管段、渐扩段、出口段顺次连接而成，且所述喉管段的侧部设有凹形壳体，凹形壳体的内腔作为测流腔，凹形壳体的开口连通喉管段；测流腔上设有至少一个排气阀；
9.所述转子流速测量装置包括第一套管、第二套管、同步移动控制装置和转速测量装置，第二套管同轴设于第一套管内部且两者之间通过若干支撑杆保持相对固定，所述中心轴贯穿第二套管且中心轴外壁与第二套管内壁之间保留有缝隙，转子流速测量装置通过中心轴整体架设于测流腔中；环绕所述第一套管外壁固定有若干叶轮片，且部分叶轮片伸入所述喉管段中，剩余叶轮片位于测流腔内，伸入所述喉管段中的叶轮片在喉管段内流体推动下推动第一套管和第二套管整体转动；第一套管的内壁和第二套管的外壁均呈光滑表面，第一套管和第二套管之间夹持的腔体两端分别设置一个封端环形板，且每个封端环形板外环壁与内环壁分别与第一套管内壁和第二套管外壁构成滑动密封副；第一套管、第二套管和两个封端环形板共同构成封闭且可改变体积大小的调节气腔；所述同步移动控制装置用于保持两个封端环形板移动过程中的同步性；
10.所述中心轴为一端封闭另一端开口的中空轴，其内部空腔作为第一气孔道；中空
轴的中部具有开孔段，所述开孔段范围内的轴侧壁沿程间隔开设有若干圈环向布置的气孔，所述支撑杆中开设有第二气孔道，第二气孔道的进口开设于第二套管的内壁上且处于所述开孔段的轴向区间中，第二气孔道的出口连通所述调节气腔；
11.在流速测量过程中通过对第一气孔道进行抽气或鼓气，经由所述开孔段和第二气孔道构成的气路改变调节气腔的体积调整其浮力，使第二套管与中心轴之间能无接触的相对转动；所述转速测量装置用于测量第二套管的转速，以用于将转速转换为流速。
12.作为优选，所述的同步移动控制装置包括两条齿条和齿轮，两条齿条分别固定于两个封端环形板上且齿条上的锯齿参数完全相同；所述齿轮夹持于两条齿条的锯齿侧之间且均构成啮合，齿轮的转轴固定于所述支撑杆上。
13.作为优选，所述的转速测量装置包括光信号发射器、光信号接收器、信号分析仪和流速显示仪，所述凹形壳体上开设有透明窗，所述叶轮片上设有光信号反射器，所述光信号发射器和光信号接收器成对置于凹形壳体外部，光信号发射器通过透明窗向叶轮片发射光信号，并由光信号反射器反射至光信号接收器中，所述信号分析仪用于对光信号接收器的电信号进行处理计数并转换为第二套管的转速；每片叶轮片转动至光信号发射器和光信号接收器的光路反射位置时，光信号接收器产生一次计数；流速显示仪根据第二套管的转速与管内流速之间的映射关系，将第二套管的当前转速换算为所述入口段流速，并显示于显示屏上。
14.作为优选，所述的同步移动控制装置由多个，所有同步移动控制装和所有支撑杆均绕中心轴对称布置，整个转子流速测量装置转动时不存在偏心。
15.作为优选，所述第二气孔道的进口孔径大于所述气孔的孔径。
16.作为优选，所述凹形壳体不同朝向的侧面均设置有排气阀，所述的凹形壳体的内壁为光滑的球面。
17.作为优选，所述封端环形板的外环壁与内环壁表面均设置有密封圈，通过密封圈与第一套管内壁和第二套管外壁保持不透水的密闭。
18.作为优选，所述支撑杆有4条，均位于所述调节气腔与轴向垂直的镜像对称面上，沿第二套管的环向等角度均匀布置；每条支撑杆中均设有所述第二气孔道。
19.作为优选，所述第一气孔道的开口端连接用于吸气或鼓气的抽吸装置。
20.第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一方案所述气动活塞式的微流速测量装置的微流速测量方法，其步骤如下：
21.s1：将所述气动活塞式的微流速测量装置中文丘里测流管的入口段和出口段分别接入待测管道中，使凹形壳体内部充满管内流体；
22.s2：预先保持所述调节气腔位于最小体积处，然后通过抽吸装置向第一气孔道中缓慢鼓气，直至所述调节气腔位于最大体积处；在所述调节气腔体积变化过程中，保持待测管道内流速恒定，并获取所述转速测量装置测量得到的第二套管转速最大值；
23.s3：继续保持待测管道内流速恒定，重新调节所述调节气腔的体积，使得所述转速测量装置测量得到的第二套管转速达到所述第二套管转速最大值后，撤去抽吸装置并封堵第一气孔道的开口端；
24.s4：流速测量时，待测管道内的流体依次入口段、渐缩段、喉管段、渐扩段和出口段，并在喉管段中按照截面的面积比例放大流速；流经喉管段中的流体推动伸入所述喉管
段中的叶轮片，进而带动第一套管和第二套管绕着中心轴同步转动，通过所述转速测量装置测量第二套管的转速；
25.s5：根据预先测定的第二套管的转速与所述喉管段中流体流速之间的映射关系，将第二套管的实时转速转换为所述喉管段中流体的实时流速；
26.s6：根据所述喉管段中流体的实时流速，通过喉管段与待测管道的横截面积之比，换算得到待测管道中流体的实时流速。
27.本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
28.本发明通过设置文丘里测流管和转子流速测量装置，可通过文丘里喉管段放大原始的微流速，进而通过转子流速测量装置的转速来反应管内的流速。本发明中的转子流速测量装置通过由气压驱动的调节气腔结构，使得在流速测量过程中通过改变调节气腔的体积调整其浮力，即可使其整体悬浮在待测流体中，使第二套管与中心轴之间理想状态下能无接触的相对转动，尽可能减少摩擦力。由此，本发明的微流速测量装置可以适用于微流速的测定。
29.由于本发明中的调节气腔体积可由中心轴上连接的抽吸装置进行控制，因此可以在无需拆卸该装置的情况下，实时地调节其整体浮力，以便于适应不同流体环境，具有更大的灵活性。
附图说明
30.图1为气动活塞式的微流速测量装置的结构示意图；
31.图2为转子流速测量装置的支撑杆位置剖视图；
32.图3为图2中ⅰ位置放大图；
33.图4为带有数据处理和显示装置的微流速测量装置的示意图；
34.图5为转子流速测量装置的同步移动控制装置位置剖视图；
35.图6为抽吸装置在微流速测量装置上的装配示意图。
36.图中附图标记为：入口段1、渐缩段2、喉管段3、渐扩段4、出口段5、排气阀6、凹形壳体7、转子流速测量装置8、测流腔9、透明窗10、光信号发射器11、光信号接收器12、信号分析仪13、流速显示仪14、齿条15、齿轮16、抽吸装置17、光信号反射器81、叶轮片82、中心轴83、第二气孔道84、第二套管85、第一气孔道86、调节气腔87、封端环形板88、第一套管89、密封圈90、支撑杆91。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
38.如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种气动活塞式的微流速测量装置，其主要组成结构包括文丘里测流管和转子流速测量装置8两大部分。其中文丘里测流管用于为转子流速测量装置8提供安装位点，同时能够与待测流速的管道连接通过文丘里喉管段放大原始的微流速，以便于准确测定。而转子流速测量装置8的作用类似于传统的转子流量计中计量转速的部件，其能够通过自身转速来反应管内的流速。
39.需注意的是本发明中的微流速是指数值较低的流速，但并不限制一定要低于多少
数值，事实上本发明也可以用于测量中高流速。
40.普通转子流量计中，由于叶轮与转轴之间存在摩擦力，因此其在微流速下会引入较大的误差，而且当流速低于一定值时甚至无法推动叶轮旋转，导致流量测定失败。因此，本发明中，通过文丘里测流管和转子流速测量装置8的特殊改进，来尽可能减少叶轮与转轴之间的摩擦力，进而提高测量程下限。下面具体描述本实施例中的文丘里测流管和转子流速测量装置8的具体结构。
41.参见图1所示，该文丘里测流管由入口段1、渐缩段2、喉管段3、渐扩段4、出口段5顺次连接而成，主体结构形式与普通的文丘里管类似，但本发明的特点是在喉管段3的侧部设有一个额外的凹形壳体7，凹形壳体7仅具有一侧开口，凹形壳体7的内腔作为测流腔9，而凹形壳体7的开口则连通喉管段3的侧向。另外，本发明中测流腔9作为叶轮的转动空间，因此为了避免产生涡流和扰动，凹形壳体7的内壁应当设置为光滑的球面。
42.在使用时，该文丘里管段是后续安装至待测管道中的，因此其内部的空气需要进行排除才能正常工作，因此本发明中在测流腔9上设有至少一个排气阀6。但是由于待测管道内的流体一般为液体，而测流腔9内的空气则会始终聚集在液体的平面上方，因此排气阀6最好设置多个，凹形壳体7不同朝向的侧面均设置有排气阀6。本实施例中，在三个朝向设置排气阀6。在正常测量管内流速之前，需要打开排气阀6排出内部空气，使管内流体充满整个测流腔9。
43.参见图2和3所示，本实施例中的转子流速测量装置8进行了减少转动摩擦力的特殊设计，以提高其对于微流速的测量准确性。该转子流速测量装置8包括第一套管89、第二套管85、同步移动控制装置和转速测量装置，第二套管85同轴设于第一套管89内部，两者的长度基本一致，其两端各自对齐。第一套管89的内径大于第二套管85的外径，两者之间具有一个环形空腔。中心轴83两端通过轴承固定在凹形壳体7上，中心轴83贯穿第二套管85，且中心轴83的外径略小于第二套管85的内径，由此中心轴83外壁与第二套管85内壁之间可以保留有缝隙(最好不大于2～5mm)，以便于为后续降低两者之间摩擦力提供可能。另外，在第一套管89和第二套管85之间具有若干支撑杆91进行加强固定，以保持两条套管始终处于同轴布置状态而不会偏移。本实施例中，为了保证整体平衡不产生偏心，一共在环形空腔内设置了4条支撑杆91，4条支撑杆91均位于调节气腔87内部与中心轴83轴向垂直的镜像对称面上，沿第二套管85的环向90
°
等角度均匀布置，以此来保持整体平衡。
44.转子流速测量装置8整体通过中心轴83整体架设于测流腔9中，其转动动力是由叶轮片82来提供的。环绕第一套管89外壁固定有多片叶轮片82，本实施例中一共设置8片，沿周向均匀同向布置。在8片叶轮片82中，部分叶轮片82通过测流腔9的开口伸入喉管段3中，而剩余叶轮片82位于测流腔9内，因此伸入喉管段3中的叶轮片82可以在喉管段3内流体推动下推动第一套管89和第二套管85整体绕着中心轴83转动。
45.在仅有重力作用时，第二套管85的内壁将整体搭载在中心轴83表面转动，因此两者之间会产生较大的摩擦力，这不利于微流速的测量，因此本发明中通过对其进行浮力调节，期望通过浮力来抵消转子流速测量装置8的自身重力，使得转子流速测量装置8能够悬浮在流体中。而由于中心轴83外壁与第二套管85内壁之间可以保留有缝隙，当转子流速测量装置8能够悬浮在流体中时，两者之间的摩擦力即可降低至最低。但是由于不同流体的密度不同，因此同一个装置的浮力也会不同，所以本发明中需要通过一个可变体积的空腔来
实现浮力调节，以便于适应不同流体类型。具体参见图2所示，本实施例中在第一套管89的内壁呈光滑表面，第二套管85的外壁也呈光滑表面，第一套管89和第二套管85之间夹持的腔体两端分别设置一个封端环形板88。封端环形板88是一个环状的板体，其外环壁即外圆周呈光滑表面，而内环壁即内圆周上也呈光滑表面。由此，每个封端环形板88在装配状态下，其外环壁与内环壁分别与第一套管89内壁和第二套管85外壁构成了滑动密封副，两个封端环形板88均可以在贴合第一套管89内壁和第二套管85外壁的情况下沿着中心轴83的轴向移动。两个封端环形板88应当尽量保持同步相对移动，对内部气体进行压缩或者扩张膨胀，因此第一套管89、第二套管85和两个封端环形板88共同构成封闭且可改变体积大小的调节气腔87。而根据浮力计算公式可知，调节气腔87体积的变化，将直接影响其浮力的大小。因此，本发明在流速测量过程中通过改变调节气腔87的体积调整其浮力，即可使其整体悬浮在待测流体中，使第二套管85与中心轴83之间理想状态下能无接触的相对转动，尽可能减少摩擦力。
46.在该装置中，由于管内流体的压力一般是恒定的，因此调节气腔87内的体积是通过内部气压的改变来实现的。但是构成调节气腔87的第一套管89、第二套管85和两个封端环形板88均是不断转动的，在其上部设置气管会导致转动过程中气管扭曲无法完成相应功能的实现。因此，在本发明中，通过整个装置中固定不动的中心轴83来实现充气或抽气。参见图2和图3所示，中心轴83为一端封闭另一端开口的中空轴，中心轴83的内部空腔作为第一气孔道86，其开口端伸出整个转子流速测量装置8，以便于连接外部的充气设备。中心轴83的中部位置具有一段开孔段，开孔段范围内的中心轴83轴侧壁开设有若干圈环向布置的气孔，每一圈气孔沿着轴的环向等间隔布置，本实施例中一圈气孔共有4个。另外，每条支撑杆91中均开设有第二气孔道84，第二气孔道84的进口开设于第二套管85的内壁上，而且沿轴向方向看，该进口处于中心轴83上开孔段的轴向区间即出气范围中，而第二气孔道84的出口则连通调节气腔87。相邻两圈气孔的间隔相同，本实施例中沿着中心轴83的轴向一共设置了5圈气孔，第二气孔道84的进口正对着中间的一圈气孔。
47.由于本发明中的中心轴83与第二套管85的内壁在旋转过程中应当不接触以减小摩擦力，因此无法像其他的气路一样直接对接相连。但本发明通过设置多圈气孔营造了一个更大的出气范围，可以避免第二气孔道84的进口无法对准气孔的问题。而且，由于中心轴83与第二套管85的内壁之间本身间距就很小，因此其沿程阻力较大，第一气孔道86、多圈气孔、第二气孔道84的进口和第二气孔道84实际上构成一条气路，当对第一气孔道86的开口端进行抽气或者鼓气操作时，其气压变化可以灵敏地反映至调节气腔87。另外，为了减小该气路自身的气流阻力，最好使第二气孔道84的进口孔径大于气孔的孔径。由此，在使用过程中针对不同密度的流体，可以通过调节调节气腔87的压力来改变其体积大小，进而使装置整体悬浮在待测流体中，保持第二套管85与中心轴83无接触转动。
48.另外，由于调节气腔87是通过内部气压的改变来驱动两侧封端环形板88移动的，因此封端环形板88与第一套管89、第二套管85表面之间的摩擦力不宜过大。当管内水压不高的情况下，由于水的表面张力，一般不会出现流体进入调节气腔87的情况，封端环形板88与第一套管89、第二套管85表面之间保持贴合接触即可，无需设置额外的密封件。但是在管内为高压流体或者需要频繁改变调节气腔87内气体体积的情况下，仍然有流体进入调节气腔87的可能性。因此，在另一实施例中，可以考虑在封端环形板88的外环壁与内环壁表面均
设置有密封圈90，通过密封圈90与第一套管89、第二套管85表面保持不透水的密闭。当然，密封圈90的材质应当选择摩擦力较小的材料，否则将造成其滑动困难。
49.基于上述结构，可以实现细微流速的放大和测量，但其测定的不是直接的流速信号，而是需要通过一个转速测量装置测量第二套管85的转速，后续再将转速转换为流速。转速测量装置的具体形式可以与传统的转子流量计类似，同样的转速与流速的映射转换也可以参考传统转子流量计的做法。
50.为了进一步便于理解，本发明提供了一种转速测量装置的实现形式，该形式的转速测量装置可以实现无接触式的转速测定，进一步避免对中心轴直接测量导致的摩擦力提升。参见图4所示，该转速测量装置包括光信号发射器11、光信号接收器12、信号分析仪13和流速显示仪14，其中凹形壳体7上开设有透明窗10，使得光信号能够透过该透明窗10。叶轮片82上设有光信号反射器81，本实施例中光信号反射器81为一片反光片。光信号发射器11和光信号接收器12成对置于凹形壳体7外部，光信号发射器11通过透明窗10向叶轮片82发射光信号，并由光信号反射器81反射至光信号接收器12中，光信号接收器12可以感应到反射的光信号，进而将其转换为电信号。
51.信号分析仪13用于对光信号接收器12的电信号进行处理计数。每片叶轮片82上均具有光信号反射器81，因此转动至光信号发射器11和光信号接收器12的光路反射位置时，光信号接收器12即可产生一次计数。本实施例中，光信号发射器11、光信号接收器12和信号分析仪13三者构成了一种反射式光电传感器，此类设备元件可采用现有设备实现，不需要特殊设计。另外，在固定时间内，获得光信号计数次数后，即可转换为第二套管85的转速，由此可以进一步换算成相应的流速或者流量。
52.另外，在信号分析仪13后可以继续连接流速显示仪14，流速显示仪14中预先存储通过试验标定的的第二套管85的转速与管内流速之间的映射关系，然后根据第二套管85的转速与管内流速之间的映射关系，将第二套管85的当前实时转速换算为入口段1的流速，并显示于显示屏上。如果入口段1的横截面与待测管道是一致的，那么入口段1的流速等价于待测管道的流速，但是如果两者是不一致的，那么需要基于其流量相等的原则，根据两者的管段横截面积之比进行换算。
53.另外，在调节气腔87的调节过程中，应当尽量保证两侧的封端环形板88调整量相同，以避免出现不平衡现象。由于本发明的两个封端环形板88是依靠内部气压自行移动的，因此由于加工因素等原因难免导致其移动的摩擦力不同，进而导致两侧移动不同步，使得整体出现转动不平衡，进而增大与中心轴处的摩擦力。因此，本发明中需要通过设置一个同步移动控制装置，来保持两个封端环形板88移动过程中的同步性，即两侧的移动量完全相同。在出厂时预先调整其平衡性，后续使用过程中在同步移动控制装置的控制下依然可以保证其平衡性，防止出现偏心力矩。
54.该同步移动控制装置可以采用任意的现有设备实现，在一优选实施例中，其具体实现形式可参见图5所示，该图为另一错开了支撑杆91的剖面位置示意图。该同步移动控制装置包括两条齿条15和齿轮16，两条齿条15分别固定于两个封端环形板88上且两条齿条15上的锯齿参数完全相同。齿轮16夹持于两条齿条15的锯齿侧之间且均构成啮合，齿轮16的转轴固定于支撑杆91上。当一条齿条15移动时，可以通过齿轮16控制另一条齿条15同步移动，由此保证同步性。
55.由于增设了该同步移动控制装置可能导致整体受力不均衡，因此该同步移动控制装置可以设置多个，所有同步移动控制装置和所有支撑杆91均绕中心轴83对称布置，保证整个转子流速测量装置8转动时不存在偏心。本实施例中，共设置4个同步移动控制装置，每条支撑杆91上设置1个。
56.另外，本发明中，微流速测量装置所使用的材料不宜采用金属等过重的材质，优选采用有机玻璃、高分子塑料等材质，使其除了调节气腔87之外其余部件的整体比重大于环境流体的比重但也不宜过大，以便于通过改变调节气腔87内气体体积可以使其悬浮于流体中。
57.另外，第一气孔道86的开口端可以采用可拆卸的形式连接任意用于吸气或鼓气的抽吸装置17。由于该装置中的调节气腔87体积一般较小，因此参见图6所示，可采用柱塞式的气泵进行控制，手动和自动均可。
58.基于上述气动活塞式的微流速测量装置，本发明还提供了一种微流速测量方法，其步骤如下：
59.s1：将本发明的气动活塞式的微流速测量装置中文丘里测流管的入口段1和出口段5分别接入待测管道中，管道的连接可以通过设置法兰盘来实现。通过打开排气阀6排出内部气体，使凹形壳体7内部充满管内流体。
60.s2：通过抽吸装置17抽气，预先保持调节气腔87位于最小体积处，然后通过抽吸装置17向第一气孔道86中缓慢鼓气，直至调节气腔87位于最大体积处，需注意该鼓气过程应当尽量慢。在该鼓气过程中，调节气腔87的体积变化会逐渐由最小变到最大，该过程中，需要保持待测管道内流速恒定，因此可以通过转速测量装置测量得到第二套管85在该过程中的转速变化，从该转速变化曲线中确定第二套管85转速的最大值。由于第二套管85与中心轴83之间无接触的相对转动时，其第二套管85转速必然最大，因此可以确定该转速对应的调节气腔87体积就是能够使装置整体悬浮的最佳体积。
61.s3：继续保持待测管道内流速与s2中的流速恒定一致，重新调节调节气腔87的体积，使得转速测量装置测量得到的第二套管85转速达到前述确定的第二套管85转速最大值后，撤去抽吸装置17并封堵第一气孔道86的开口端。
62.当然，在实际的使用过程中，s2步骤中可以无需完成调节气腔87的体积由最小变到最大的全过程，只要其变化过程中第二套管85转速出现下降即可确定其峰值位置。
63.s4：当完成上述调试后，即可进行真正的流速测量。流速测量时，待测管道内的流体依次入口段1、渐缩段2、喉管段3、渐扩段4和出口段5，并在喉管段3中按照截面的面积比例放大流速；流经喉管段3中的流体推动伸入喉管段3中的叶轮片82，进而带动第一套管89和第二套管85绕着中心轴83同步转动，通过转速测量装置测量第二套管85的转速；
64.s5：根据预先测定的第二套管85的转速与喉管段3中流体流速之间的映射关系，将第二套管85的实时转速转换为所述喉管段3中流体的实时流速；
65.s6：根据喉管段3中流体的实时流速，通过喉管段3与待测管道的横截面积之比，即可换算得到待测管道中流体的实时流速。
66.由此可见，即使目标流体因为温度变化或者流体介质本身变化，导致其密度改变，本发明也可以通过外部的气泵改变调节气腔的体积来实现原位的最佳体积校准节，使得第二套管85与中心轴83之间无接触的相对转动，而无需对整个装置进行拆卸。因此，本发明的
气动调节方式具有更高的灵活性。
67.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。