涡轮质量流量计的制作方法
【专利摘要】一种能够测量被检测介质流速和质量及密度的涡轮质量流量计，它利用流量原理、动量守恒定律、动量矩守恒和动能原理，来实施的一种流量计，通过介质冲击涡轮转子，使之转动，由光电传感器通过屏蔽电缆将信号传递给电脑，电脑通过计算系统和存储系统，将介质质量、流速和密度信号实时显示在界面上，通过微型打印机打印最终结果。
【专利说明】
满轮质量流量计 一、
技术领域
[0001] 本发明专利适用于气料混合颗粒、液固混合、粉状固体颗粒、液体、气体等动态计 量的一种新颖流量计量工具，其原理是利用流量基本公式、动量矩守恒和动能原理，精确计 算流经管道介质的瞬时质量、密度、速度；可以根据不同介质和管道直径，使用不同规格的 内置涡轮及机械密封和密封件；通过管道运输的物质流经流量计使涡轮转动，由传感器采 集信号；经过数据线传递计算机和处理系统来实现动态计量；特别适用于水泥稳定级配拌 合站、汽车、火车和轮船运输的散装水泥的计量。
[0002] 目前，在我国散装水泥计量主要是通过轨道衡，地镑等静态衡器计量，其缺点是其 投资成本大，卸料前过镑，卸料后过镑，经过差值计算重量；本产品通过技术手段解决了此 类问题，尤其适用于管道运输的物质动态计量。
[0003] 本发明专利可采用电脑控制，可与工作栗或发动机连接，通过电脑系统控制工作 栗和发动机输出量或工作转速，实现实时控制，成为自动化控制系统的一部分，为运行系统 提供可靠基础数据，以便运行系统及时调整工作状态，实现系统的自能化控制，是实时监控 的一种自动衡器。
[0004] 作为动态计量一种仪器，自身系统主要检测指标有介质的粘动阻力系数或摩擦阻 力，轴承或密封件阻力力偶矩的检测；自身系统主要检测指标精度的高低决定测量介质质 量、速度，密度精度的高低。 二、 技术背景
[0005] ( -）意义
[0006] 1、发展散装水泥动态计量技术有利于推广普及散装水泥应用，充分利用和节约 资源，提高经济效益。
[0007] 2、发展散装水泥散装动态计量技术有利于保证工程加工产品的质量质量稳定。
[0008] 3、发展散装水泥装动态计量技术有利于降低劳动强度，实现建筑产品加工自动 化。
[0009] 4、是一种石油、天然气、污水和其它国内和国外液体计量器的替代产品。应用前景 广泛。
[0010] 5、可以为自动化系统提供基础数据监控，实现进行系统内部自行调节，成为自动 化控制的一种仪表，实现调整工作栗和固体或液体燃料发动机工作状态的一种仪器。
[0011] (二）应用领域
[0012] 根据德国KR0HNE测量技术有限公司董事会主席Rolf theenhaus博士教授在《使 用流量仪表的原理及其应用》中所述"流量测量的含义愈来愈广泛，它是整个过程自动化范 围内不可缺少的部分，也是过程自动化的关键技术所在。"其广泛应用在化工工业、石化工 业、制药工业、化纤和造纸工业、原水和污水处理工业、食品工业、原料工业和所有涉及流体 介质工业的设备中，都需要流量测量技术。最终产品质量、产品运行的经济性和安全性、环 境诸因素的掌控、循环再生产运行的可靠性都需要依靠测量流量仪表来实现，因此，测量仪 表的精确性和稳定性决定一个国家在其领域掌握技术的先进性，经过多年的技术积累和努 力，利用动量矩和动能原理，研制了该产品。
[0013] (三）市场前景
[0014] 根据《使用流量仪表的原理及其应用》中所述统计"2005年，过程自动化系统全球 的销售额为600亿美元，而到2010年预计达到800亿美元，每年相当于6 %的速度递增，中 国增长速度达到10 %。作为自动化技术的子项，流量技术的全球市场预计接近40亿美元的 销售量。"由此可见，流量测量技术市场应用越来越广泛，所有自能化仪器都离不开流量的 测量技术。在所有国家经济增长率中，中国的经济增长率是最高的，如果没有高技术含量流 量测量设备在过程工业和过程自动化的使用，那么中国的经济增长率是不可想象的。
[0015] 不同的流量测量法决定产生了多种多样的流量仪器，特别是流量智能自动化的控 制关键技术决定产品的优势和市场的竞争力，也决定流量仪器应用范围；按原理分类-流 量仪器的种类：
[0016] 1、压差流量仪器适用范围液体、气体、蒸汽、纯净液体、非导电液体、轻微污染液体 的计量；不适于有颗粒的气体、含有气泡液体的计量。适用于管道DN2-25, DN200-2000,不 适于管道的变径处。
[0017] 2、电磁流量计适用范围液体、纯净液体、轻微污染的液体、含有固体颗粒的液体； 不适于气体、蒸汽和非导电液体。适用于所有管道直径。
[0018] 3、转子流量计适用于液体、气体、蒸汽、纯净液体、有污染液体、非导电液体；不适 于含有固体颗粒液体和含有气泡液体；适用管道直径DN2-25,不适用于任意放置管道位 置。
[0019] 4、圆盘流量计适用于液体、气体、纯净液体、有污染液体、非导电液体；不适于蒸 汽、含有固体颗粒液体和含有气泡液体；适用管道直径DN2-25,适用于任意放置管道位置。
[0020] 5、涡街流量计适用于液体、气体、蒸汽、纯净液体、有污染液体、非导电液体；不适 用于含有固体颗粒液体和含有气泡液体；适用管道直径DN25-200,适用于任意放置管道位 置。
[0021] 6、涡轮流量计适用于液体、气体、纯净液体、非导电液体；不适用于有污染液体、固 体颗粒液体和含有气泡液体；适用管道直径DN2-25和变径处，适用于任意放置管道位置。
[0022] 7、超声波流量计（UM =时差）适用于液体、纯净液体、非导电液体；适用管道直径 DN200-2000。
[0023] 8、超声波流量计（UM =多普勒）适用于液体、纯净液体、有污染液体、非导电液体、 含有固体颗粒液体和含有气泡液体；不适于气体、蒸汽；适用管道直径DN200-2000。
[0024] 9、容积流量计（VZ)适用于液体、纯净液体、非导电液体；适用管道直径DN2-25。
[0025] 综上所述，目前，国内外的各种原理的流量计各有优缺点，适用范围有一定的局限 性，无法实现在相同管径适用各类介质流量计量；本发明专利技术根据运动力学原理，解决 了测量介质的密度、速度和质量的技术问题，是一种结构简单，容易操作，原理上既有转子 流量计的特性，又有涡轮流量计特点的流量测量工具；涡轮转子不仪可以解决转子流量计 存在的缺陷，又可避免涡轮流量计的缺点。而且涡轮叶片采用耐磨耐腐蚀涂层材料，可以广 泛的用于气体、液体、含有颗粒气体、含有颗粒的液体测量流量的技术，涡轮流量计叶轮具 有较强的耐磨性能和防腐蚀性能；适用于流体密度变化、流速变化不均匀变化的测量，只需 要测定相应介质参数，确定内部摩阻系数，输入介质名称即可。用于石油和天然气的产品只 需外部做防静电处理和增加粘度系数，在运行程序中输入介质参数即可。可以根据客户的 要求配置不同管径高中低端产品，终端处理系统可以是只有显示，也可以带有微型打印机， 或者显示加微打加简单的输入汉字；也可以通过计算机远程发送数据；价格可以从几千元 到十几万元进行产品的配置，确保满足广大用户的需求。适用管道直径DN15-300,其它直 径管道可以通过现场采集数据来实现。
[0026] 无论是从国外还是国内的市场前景来看，自动化技术的发展越来越离不开流量测 量技术，是自动化技术不可缺少的一部分，先进的自动化技术可以为广大客户更为优质的 服务。很多科学家、学者、工程技术人员在不断的努力，寻找新技术来更新现有的流量测量 技术，使之更好的满足于自动化技术的需求，加速自动化技术的发展。在管道运输和罐体 容积所流经的体积或质量必须进行连续流量和质量测量，以确保产品的安全性、经济性、可 靠性；例如在汽车领域，汽车燃油可以实现数字化计量，可以精确计算单位时间内耗油数量 或每千米用油量，或是剩余燃油数量确定最小行驶公里数，以便确定在何处加油；在能源方 面，智能化设计可以为准确的数据，通过对数据的处理计算，计算单位时间或生产单位产品 的燃料消耗，为节约能源提供可靠的依据，找出能源消耗的关键环节，提供准确数据，有利 于能源消耗向节约型转变，更好地服务于相关行业发展；在风送煤炭过程中，可以通过流量 计时时测量煤炭的质量，为智能化系统提供计算产生的热量依据，以便减少或增加煤炭的 用量，避免煤炭造成不必要的浪费；在炼钢企业可以通过煤炭流量计，可以计算高炉的温度 以便控制出炉钢铁质量，节约资源。同时计量仪器的测量精度、分辨率和重复性方面提高直 接推动自动化设备的发展；在航天领域，卫星姿势和轨道的调整，都需要精确计量发动机喷 出推动燃料的速度、密度和质量，可以确定卫星的角动量和动量，调整卫星发动机产生动量 和动量矩，计算出卫星转动角度，推进速度，达到远程调控卫星的目的；由此可见，测量技术 在自动化技术发展中的作用。 三、
【发明内容】
[0027] (一）基本原理
[0028] 1流量原理公式：某一瞬时，某一时段介质质量流经流量计前，瞬时速度为Vl，流经 涡轮后，经过时间t时，介质的速度v2。
其公式：m = J PvAdt
[0029] m为单位时间流过横截面介质的质量。
[0030] P为介质的密度。
[0031] v为介质的速度。
[0032] A为管道横断面面积。
[0033] 2 动量定理：f it+mgt
[0034] mvi是介质进入涡轮前的动量。
[0035] mv2是介质通过祸轮的动量。
[0036] 是介质与涡轮的摩擦阻力与通过内置叶轮所需时间的乘积。
[0037] mgt是介质的重力mg与作用时间t的乘积（流量计竖直放置，水平放置则不考虑 重力）。
[0038] 3动量矩原理：介质质量m以速度心冲击涡轮，涡轮碰撞，产生垂直管道的动量mv， 由此产生绕涡轮中心轴旋转动量矩mvr，使内置叶轮旋转，同时介质在涡内和介质流出涡轮 在管道内旋转，介质与涡轮产生摩擦阻力力偶产生摩擦阻力力偶。其公式如下：
[0040]
是介质质量m进入涡轮时产生冲击，对涡轮分向速度所形成动量矩 对时间的导数。
[0041] 1是内置涡轮转子的转动惯量。
[0042] e是内置涡轮转子的角加速度。
[0043] 4动能定理：利用介质质量m以速度Vi冲击祸轮，介质与祸轮发生非完全弹性碰 撞，产生动能损耗A T，使内置叶轮角速度变成《 2，取涡轮为一个系统，绕竖轴，涡轮动 能守恒，其公式：
[0045] 0 i" v sin a d(mr)是介质垂直轴且绕轴的所做的功。
[0046]
是涡轮由于受介质质量m连续碰撞产生的动能变化。
[0047] f2r2是介质质量m连续涡轮发生碰撞后，与涡轮内壁摩擦阻力力偶矩。
[0048] 0是介质作用t时间内内置叶轮转过的角度。
[0049] f3r3是涡轮和轴承及密封件之间的摩擦阻力力偶矩。
[0050] (二）实施方案
[0051] 利用上述原理对介质连续冲击涡轮，使涡轮转动，通过光电传感器测得内置叶轮 的角速度的变化；将数据传递计算机计，通过对介质转动惯量微积分和质量的微积分，算出 介质的质量、速度和密度，由界面进行显示。
[0052] 安装时，将管道截段焊接法兰盘，用螺栓将流量计连接在一起，法兰盘之间加密封 垫，将电脑与电源连接，打开电源开关即可。 四、【附图说明】
[0053] 图1是涡轮转子流量计装配图
[0054] 图2是本发明涡轮转子俯视图。
[0055] 图3是涡轮转子剖面图
[0056] 图1中由无动力机械部分、数据传输和电脑三部分组成，无动力机械部分封堵1压 力轴承2、密封轴承3、密封件4、压力弹簧5、四氟乙烯密封圈6、密封件7、支架8、推杆9、推 杆10、压力弹簧11、轴12、涡轮转子13、涡轮转子护套14、外壳15、传感器支架16、传感器顶 盖螺丝17、传感器顶盖20、支架21、光栅25、轴承压盖26、光栅固定螺丝27、封堵28组成； 数据传输部分由光电传感器24、光电传感器固定螺丝22、数据传输线23、航空插头19和屏 蔽电缆18组成；电脑部分29由DSP数据处理系统、存储系统、微型打印机、界面显示和键盘 输入组成。 五、【具体实施方式】
[0057] 涡轮流量计机械与被检测介质管道通过法兰和螺栓连接，机械部分：涡轮转子13 放置在外壳15内涡轮转子护套14中，通过轴12与密封件4、压力弹簧5、四氟乙烯密封圈 6、密封件7、支架8、推杆9、推杆10、压力弹簧11、压力轴承2、密封轴承3、轴承压盖26、支 架21和封堵1、封堵28依次连接，固定在外壳15中。光栅25通过光栅固定螺丝27固定在 轴12上；光电传感器24由光电传感器固定螺丝22固定在轴承压盖26上，光电传感器24 与航空插头19通过数据线23连接，传感器支架16安装在外壳15上，航空插头19安装在 传感器顶盖20上，通过传感器顶盖螺丝17固定在传感器支架16上；航空插头19和屏蔽电 缆18及电脑连接。介质流过流量计时，冲击涡轮转子13,使涡轮转子13转动，通过轴12带 动光栅25转动，由光电传感器24通过数据线23、屏蔽电缆18将信号电脑29。电脑29通 过数据处理系统和存储系统，将数据显示界面上；显示介质的流速，质量和密度，完成动态 计量过程。
【主权项】
1. 一种涡轮质量流量计，在两端与被测介质管道法兰盘连接；壳体中，有涡轮转子、 轴、压力轴承、轴承、密封结构、支架、光栅和光电传感器依次连接；同时，装有光电传感器与 航空插头、屏蔽电缆和电脑顺序连接。其特征是：两端分别与被测介质进出口通过法兰连 接。2. 根据权利要求书中1所述的涡轮质量流量计，其特征是：涡轮转子中间通过轴与其 它配件连接，介质通过对涡轮转子螺旋结构冲击，使涡轮转子转动，通过轴上的光栅转动， 光电传感器通过光栅开口处产生信号，通过屏蔽电缆将其传递给电脑。电脑程序将信号转 换成角速度、时间信号，利用流体力学基本公式、动量矩守恒和动能原理及冲量守恒求得通 过涡轮转子介质的速度、密度、质量。其计算公式如下： (1) 流体力学基本公式：某一瞬时，某一时段介质质量流经流量计前，瞬时速度为Vi，流 经涡轮后，经过时间t时，介质的速度v2。m为单位时间流过横截面介质的质量。 P为介质的密度。 v为介质的速度。 A为管道横断面面积。 (2) 动量矩守恒是介质质量m进入涡轮时产生冲击，对涡轮分向速度所形成动量矩对时 间的导数。 1是内置涡轮转子的转动惯量。 e是内置涡轮转子的角加速度。 (3) 动能定理：利用介质质量m以速度^冲击涡轮，介质与涡轮发生非完全弹性碰撞， 产生动能损耗A T，使内置叶轮角速度变成《 2，取涡轮为一个系统，绕竖轴，涡轮动能守 恒，其公式：0. v sinad(mr)是介质垂直轴且绕轴的所做的功。是涡轮由于受介质质量m连续碰撞产生的动能变化。 f2r2是介质质量m连续涡轮发生碰撞后，与涡轮内壁摩擦阻力力偶矩。 9是介质作用t时间内内置叶轮转过的角度。 f3r3是涡轮和轴承及密封件之间的摩擦阻力力偶矩。 ⑷动量定理：f jt+mgt mvi是介质进入涡轮前的动量。 mv2是介质通过涡轮的动量。 fit是介质与涡轮的摩擦阻力与通过内置叶轮所需时间的乘积。 mgt是介质的重力mg与作用时间t的乘积（流量计竖直放置，水平放置则不考虑重 力）。 通过上述四个公式联立，可以对微分方程求解，计算出介质某一时刻流过的质量、速 度、密度；通过计算机内部烧写程序，将计算结果显示在计算机界面上。3. 根据权利要求书中1所述的涡轮质量流量计，其特征是：涡轮转子为螺旋旋转叶片， 其数目可以根据管道直径不同而改变。4. 根据权利要求书中1所述的涡轮质量流量计，其特征是：支架和涡轮转子之间的密 封件4、压力弹簧5、四氟乙烯密封圈6、密封件7、支架8、推杆9、推杆10、压力弹簧11的密 封结构，其结构为密封件磨损的自动补偿处理，防止介质的渗漏到轴承腔体内。
【文档编号】G01F1/10GK106052769SQ201510191646
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年4月16日
【发明人】康明亮, 康文馨, 李建凤
【申请人】康明亮, 康文馨, 李建凤