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专利名称：具有改进的传动转矩和灵敏度的单喷口流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种流体的单喷口流量计，其能够在计量参数内的大范围流动速率下表现出准确、精确和稳定的测量。该流量计具有测量腔室，其中，一组液压元件允许获得的测量范围在大范围流动速率，特别是在低流动速率下具有提高准确度和精密度的计量参数。
背景技术：
本发明涉及单喷口水流计。这些流量计是基于一旦液流以冲击涡轮的几个叶片或叶轮的射流形式进入测量腔室，便由液流使涡轮转动来工作的。计数加法器基于由涡轮完成的转数记录消耗量。因此，在加法器中确立的比率与按每一流动速率实际产生的比率之间的偏差会导致消耗体积测量中的误差。因此，单喷口流量计的计量特征由液压元件的布置形成的液压设计确定。这些计量特征能够确定计量误差曲线，该曲线能够测量由于流动速率与涡轮转速之间的非线性比率所造成的测量体积与实际体积的误差。流量计的计量误差曲线记录在其测量范围内的所有流动速率下引起的误差，以这种方式反映流量计的计量特征。在标准EN14154中特别描述了典型的计量范围。在本技术领域中已知的流量计中，仅最高流动速率范围的计量误差曲线显示较小的变化(大约l，0001/h)。因此，认为误差是恒定的，并且，由于很容易维持在通过标准建立的极限范围内，因此，计量误差曲线通常不会过分偏离水平直线。据悉，在高流动速率下，通过使用肋条而达到最大的在流量计的测量腔室内产生的涡流有利于涡轮转速(ω)与流动速率(Q)之间形成线性比，因此，涡轮转速与通过流量计的流体的体积(在计量范围内记录或测量)成线性比。通常，误差在流动速率间隔Q2 < Q < Q4内处于士2%的范围内，而在间隔Qi<Q<Q2内则在士 5%以内。但是，当流动速率降低时，涡流的线性化效应随着流动速率值的减小而逐步消失，并且计量误差曲线会发生更显著的变化。在特定流动速率减小时，受到流量计的液压设计的影响，以正斜率或负斜率发生所述变化。最终，在流动速率非常低(大约101/h或更小)时，由于涡轮会经受对涡轮转动与流动速率之间的线性比产生负面影响的损失，因此，流体力已难以克服流量计的不同可动部件之间的摩擦，并且由于计量误差曲线突然下落，所以所测量的体积会迅速下降。现有技术中，Q2值达到101/h，Q2 值通常为201/h，而Q4值则会变化至5，0001/h。另外，由摩擦引发的效应也与液压设计一起起作用。如由Larra0na等人完成的模拟推断出的结论(ASME J. Fluids Engineering, 2008, Vol. 130, Art. 051102)那样，随着通过流量计的流动速率降低，由流量计的可动部件(如蜗轮和其测量腔室)之间的摩擦产生的效应会起到越发相关的作用。模拟的结果获得了单喷口流量计对计量特征的影响。对于摩擦高度增加而言，这些效应在低流动速率下会导致负曲线误差，所述偶然性要求将摩擦效应降至最小并能提供足以克服所述效应的能量的液压设计。特别是，在不存在涡流的线性化效应的流动速率范围内，我们能够断定根据流动速率，液压设计确实会干扰涡轮接收流体能量的效率，因此，不同的液压设计会导致计量误差曲线具有正斜率或负斜率，而摩擦在计量曲线中表现为下降。这种方式限制流量计的灵敏度，其中，灵敏度应被理解为在小流动速率下实现精确消耗测量，到在最小流动速率以下不能以消耗的计量范围要求的精度进行测量的能力。 这样的情况通常使单喷口流量计不能测量在用户设备中出现的泄漏引发的消耗。为此，为了减小在计量曲线中发现的误差而提高流量灵敏度的能力是非常令人关注的。连同所记录的体积测量的精度，单喷口流量计的计量特征非常容易受流量计上游的液压故障以及构成流量计液压设计结构的元件尺寸和位置发生的微小变化的影响。因此，即使满足需要的制造公差要求，带有相同流量计设计的不同单元的计量曲线可能在它们的计量特征中仍具有显著变化，这些计量特征要求能够形成一种用以在通过标准建立的限度范围内保持所述曲线的调节形式。一种影响是由部件磨损引起的液压和摩擦参数的变化。该磨损会随涡轮转速增加而增加。另外，在使用期间通常在不同元件上形成的钙沉积物也可能会改变它们的尺寸并产生与之前相似的效果。因此，我们非常感兴趣的液压设计应能给予流量计足以克服在大规模生产过程或使用期间可能产生的较小变化的计量稳定性。因此，在41/h 5，0001/h的大流动速率范围中的单喷口流量计是理想的，其中， 涡轮转速与流动速率之间的线性比以及由涡轮完成的转数与通过流量计的计量参数内的水体积成正比。所述比例必须能够克服液压元件尺寸上的微小变化(如，外界意外情况或钙沉积或制造期间的公差)而达到稳定。

发明内容
本发明的目的在于提供一种流量计，其中液压元件的布置和摩擦在大范围流动速率(从41/h 5，0001/h)，特别是包括小于101/h的流动速率内测量记录的流体体积时， 能够提供高灵敏度。该灵敏度将允许流量计能够在计量误差曲线中反映的计量参数内，精确、准确地确定体积测量，并且，能够克服流量计上游的液压故障以及构成流量计液压设计元件的尺寸和位置的微小变化，实现计量上的稳定性。所述流量计由独立权利要求1限定。 本发明的第二方面，提供了一种使用根据独立权利要求10的流量计测量流体体积的方法。在本发明的第一方面，单喷口流式流量计邻近于管道布置，其中液体以原始流动方向(X)进入管道。流量计由测量腔室，一对喷嘴和涡轮构成，该涡轮的旋转轴与液流进入的原始方向垂直。测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内部封闭腔室，侧壁延测量腔室延伸，按这种方式，照相机的封闭腔室基本上为圆柱形。喷嘴的孔布置在所述侧壁上。第一上壁和第二下壁的内表面基本上垂直于涡轮的旋转轴并具有安装涡轮轴的适应区域。在该流量计中，涡轮具有11个叶片或叶轮。在第一和第二壁上均设有一组肋条，这些肋条朝腔室的内部伸出。这些肋条沿径向相对于涡轮的旋转轴布置。采用交叉形式，以其间大致90° 士 10°的角度，按有规律的间隔布置四个上侧肋条。在涡轮的支承点与腔室的侧壁之间，上侧肋条部分延伸通过腔室 (其半径的50% 90% )。这些部件的宽度在半径值的10% 15%之间变化。采用星形形状，以其间大致60° 士 10°的角度，按有规律的间隔相对于涡轮的旋转轴沿径向布置六个下侧肋条。在涡轮的支承点与腔室侧壁之间，下侧肋条朝支承元件基本上延伸贯穿半径(其半径的60% 100% )。这些下侧肋条的宽度类似于上侧肋条的宽度(半径值的10% 15% )。肋条(nerve)基本上以测量腔室高度的20% 30% (优选 25%),从每一个壁的内表面伸出，朝外伸出的每一个上侧肋条的高度的比率高出每一下侧肋条的高度的比率大约1. 5 1. 7倍。肋条高度的这一差异允许与上侧部件相关的涡流更大。这一效应对涡轮提供了额外的法向分量。所述法向分量通过轴承确保对涡轮的支承并控制摩擦程度。由于由通过上下肋条产生的涡流获得的效应，通过流体沿所述方向的冲击，能够调节在机械接触期间，法向分量的摩擦力对力的依赖性。将相对的上侧肋条筋中的两个布置成与进入的第一原始方向大致平行(士5° )。 反过来，下侧相对肋条中的两个基本上与这两个上侧肋条相对布置，并沿基本上与进入的原始方向平行的方向布置。因此，这四个肋条在两个肋条与设有喷嘴孔的侧壁之间的空间中限定了冲击区域。在该冲击区域中，流体进入腔室，冲击涡轮叶轮或叶片并从测量腔室排
出ο流体经第一喷嘴进入该区域，第一喷嘴的轴线基本上以11° 20°的角度，偏离液流的原始方向。第一喷嘴沿其旋转轴延伸并最初包括截头圆锥形剖面，该剖面之后为圆形剖面， 该圆形剖面具有测量腔室半径值的8% 14%的喷嘴半径。第一喷嘴的轴线与X的轴线的交点直至腔室中心之间的距离为测量腔室半径的90% 100%。第二喷嘴的轴线与进入的原始方向形成5° 15°的第二角度。第二喷嘴沿其旋转轴线延伸，该喷嘴具有圆形剖面，其喷嘴半径为测量腔室半径值的10% 14%。第二喷嘴的轴线与X轴线交点直至腔室中心之间的距离为测量腔室的 60% 75%。当第一喷嘴的射流在具有上侧肋条和下侧肋条的冲击区域上冲击十一个叶片时， 涡流在叶轮上具有净力矩效应。所述净力矩使涡轮在整个流动速率范围更有效地转动，从而能够改善低流动速率下在转动轴承上的涡轮支承，这样能够克服在低工作流动速率下位于测量腔室上游的干扰，降低高流动速率下的涡轮矩，提高流量计的稳定性。在确定涡轮的动态特性时，涡轮、包括腔室的上下肋条的液压元件的布置和尺寸、 第一和第二喷嘴和涡轮叶轮能够确定流量计的计量特征。流体的冲击力由摩擦抵消，因此， 这些元件也能够在低流动速率下，平衡流经流量计的液体的能量，并且，在整个计量范围内，特别是在摩擦较大的低流动速率情况下，能够以克服由机械元件引起的线性摩擦的方式冲击涡轮。同样，所述元件易受因制造工艺改变所造成的尺寸变化或因在设备中使用所造成的几何变化的影响；所述变化有时导致流量计的计量效率变化，从而引起测量不规范。由于不同主要元件的灵敏度以及由上下肋条之间高度差产生的高流量剖面干扰水平，在测量腔室内产生的干扰能够消除在装置上游和下游形成的流量变化，从而在进入计量器时能够形成流量剖面的高稳定性，在所有情形中，该装置都大大超过了与其相关的不同标准 (EN141154)提出的要求，这样可以避免在上游和下游使用流量稳定器。在本发明的第二方面，为了在流量计布置中包括的计量参数所要求的精度和稳定性内进行测量，提供了一种测量方法，其包括以下步骤
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(a)将计数元件连接至根据本发明第一方面的流量计上；(b)将上述流量计连接至第二喷嘴的输入管和输出管上；并且记录计数元件得出的测量值。


为了更好地理解本发明，其目的和优点，以下的附图已附于说明书，其中，以下内
容表示图1示出了流量计的实施例的剖面图，该流量计具有其测量元件、照相机、喷嘴和涡轮；图2示出了流量计的实施例的底视图；图3示出了流量计的实施例的底视图；图4示出了流量计的实施例的平面图；图5示出了不具有本发明特征的流量计的计量学曲线以及如何将这些曲线引入具体实施例的方法；图6示出了流量计的计量学特征的变化；图7示出了流量计的计量学特征的变化；图8示出了流量计的转速变化；图9示出了流量计的计量学特征的变化；图10示出了流量计的计量学特征的变化；以及图11示出了具有低流动速率的优选实施例的流量计的一个计量学特征。 具体实施例下面，对本发明的实施例进行说明。图1示出了流量计(70)剖面的全视图。所述流量计在测量腔室(63)中具有涡轮(60)。流体经第一喷嘴(64)进入腔室(63)并经第一喷嘴(65)排出腔室。可以看到通过传动元件计数机构(71)连接至涡轮(60)。优选地，利用全部包含在测量腔室(63)内的一组磁铁实现所述传动。测量腔室(63)具有大致圆柱形形状。该腔室的半径优选为26mm至28mm，更优选为27. 5mm。该腔室的高度为20mm至23mm，更优选为21. 35mm。i^一个叶片的涡轮(60)优选具有51mm至53mm的外径，更优选具有52mm的外径。 涡轮(60)的内径为15mm 17mm，更优选为16mm。涡轮(60)的高度为8mm 10mm，更优选为9mm。由于涡轮(60)的叶片之间的角度在31° 34°之间变化，更优选为32. 7°，因此，涡轮(60)的叶轮呈间隔布置。图2示出了流量计(70)的测量腔室(63)以及第一喷嘴(64)和第二喷嘴(65)的底视图。第一喷嘴的圆形剖面的半径优选为4. 5mm 6mm，更优选为5. 25mm。在第一喷嘴(64)的入口处截锥比优选为1 10。第一喷嘴(64)的轴线(1)与流体入口(X)的原始方向形成角度(C)。该角度(C) 优选在10° 20°之间变化，更优选为17°。现在，第一喷嘴(64)的轴线与X的轴线的交点直至腔室中心的距离为大约52mm。
第二喷嘴(65)的轴线(2)与流体入口(X)的原始方向形成角度(D)。(D)的角度范围优选为5° 15°，更优选为11°。第二喷嘴优选具有半径范围为6mm 7. 5mm的圆形剖面，并且，其优选值为 6. 75mm。第二喷嘴的轴线与X的轴线的交点与腔室中心的距离为大约39mm。可以观察到，腔室(63)中的第一上壁(62)包括以十字形状布置的四个上侧肋条 (11，12，13，14)。这些肋条之间的角度优选为90° 士5°。更优选为90°。这些上侧肋条中的两个肋条(11，13)相对布置并平行于轴线(X)，其布置方式为它们在喷嘴(64)的轴线 (1)与肋条(12)之间形成角度(A4)，该角度范围为98° 128°，优选为108°。另外，也可以看到在上侧肋条(11)与下侧肋条(13)之间的冲击区域(30)。上侧肋条(11-14)的高度与下侧肋条(41-46)的高度之比优选为1 64。上侧肋条(11，12，13，14)的尺寸如下具有13mm 18mm的长度，更优选为13mm。 其宽度优选为2mm 3mm ；更优选为2. 5mm。这些部件伸出高度为5mm 6mm，更优选为 5. 75mm。在第一上壁(62)上，绕旋转轴(G)能够看到壁(53)区域，其适于与涡轮(60)接触。图3示出了流量计(70)中测量腔室(63)以及第一喷嘴(64)和第二喷嘴(65)的平视图。可以观察到，腔室(63)中的第二下壁(62)包括以星形布置的六个下侧肋条(41， 42，43，44，45，46)。这些肋条筋之间的角度优选为60° 士5°，更优选为60°。布置两个相对部件(41，44)平行于流体入口⑴的原始方向并与上侧肋条(11， 13)相对。上侧肋条(42)与下侧肋条(52)优选形成30° 士5°的角度，更优选形成30° 的角度。肋条(42)之间的角度(A5)优选为98° 士 10°。该角度更优选为98° 士 1°。这些下侧肋条(41-46)优选具有16mm 20mm的长度，更优选具有17mm的长度。 这些下侧肋条的宽度优选为2mm 3mm，更优选为2. 5mm。这些部件优选以3mm 4mm的高度伸出，更优选以3. 5mm的高度伸出。.在第一下壁(61)中，绕旋转轴(G)可以观察到壁(51)区域，其适于与蜗轮(60) 接触。该区域具有适于与端接在球形盖中的蜗轮(60)的下端(52)接触的转动轴承。优选将涡轮(60)布置在测量腔室(63)中，并且，将其旋转轴布置在适合的壁(51)区域上，该区域为转动轴承并与流动的方向垂直。蜗轮的转动轴承的区域的半径与所述轴承绕着转动的轴线的上端(52)的区域的半径之间的比率为3. 5 1。图5示出了相对于循环通过流量计的流动速率的对数以及在标准EN14154中描述的计量曲线的按％产生的相对误差。图5A示出了与表1的流量计对应的计量误差曲线。误差与流动速率的相关性示出了其在允许计量水平值之上的非线性特性。
权利要求
1.单喷口流量计(70)，其包括带有十一个叶轮的蜗轮(60)，所述叶轮以有规律的间隔布置，所述蜗轮具有与液流入口⑴的原始方向垂直的旋转轴(G)； 第一喷嘴(64)； 第二喷嘴(65)；以及流量计测量腔室(63)，其包括第一上壁(62)，其包括四个上侧肋条(11-14)以及环绕旋转轴(G)的壁区域(53)，以便与所述蜗轮(60)接触；第二下壁(61)，其包括六个下侧肋条(41-46)以及绕旋转轴(G)的壁区域(51)，以便与所述蜗轮(60)接触；以及测量腔室(63)的侧壁，其包括用于连接第一喷嘴(64)和第二喷嘴(65)的多个孔； 其中四个上侧肋条(11-14)沿径向相对于涡轮(60)的旋转轴(G)，以其间90° 士 10°的有规律的间隔布置，所述上侧肋条(11-14)在测量腔室(63)半径的509Γ 90%之间径向延伸， 从而以测量腔室(63)半径值的109Γ15%改变这些部件的宽度，上侧肋条(11-14)的高度为下侧肋条(41-46)高度的1. 5 1. 7倍；六个下侧部件(41-46)径向相对于涡轮(60)的旋转轴(G)，以其间60° 士 10°的有规律的间隔布置，所述下侧肋条(41-46)沿径向以测量腔室(63)半径的609Γ100%延伸，其中， 这些部件的宽度在测量腔室(63)半径值的109Γ15%之间变化，下侧肋条(41-46)的高度为测量腔室(63)高度的20% 30% ；以及相对于下侧肋条(41-46)布置上侧肋条(11-14)，其布置方式为 四个肋条(11-14)以及六个下侧部件(41-46)的中心与涡轮(60)的旋转轴(G)对准， 并且，沿与液流入口(X)的原始方向大致平行的方向，具有两个相对的上侧肋条(11， 13)和两个相对的下侧肋条(41，44)，肋条(11，41)相对于肋条(13，44)布置，相对于液流入口(X)的原始方向，第一喷嘴(64)的轴线(1)与输入喷嘴(64)的轴线形成10° 20°的角度(C)0
2.根据权利要求1所述的流量计，其中所述流量计的测量腔室(63)的半径为大约27.5 mm，高度为大约21.35 mm。
3.根据前述任一项权利要求所述的流量计，其中肋条的高度为下侧肋条高度的大约 1. 64 倍。
4.根据前述任一项权利要求所述的流量计，其中上侧肋条的高度为大约5.75 mm。
5.根据前述任一项权利要求所述的流量计，其中第一喷嘴(64)与第二上侧肋条(42) 之间的角度(42)为大约108°。
6.根据前述任一项权利要求所述的流量计，其中涡轮转动轴承的球体与所述轴承绕着转动的轴线的上端(52)的球体之间的比率为3. 5 :1。
7.根据前述任一项权利要求所述的流量计，其中上侧肋条(11-14)绕侧壁与涡轮(60) 的旋转轴(G)之间的中点，以测量腔室半径值的50% 80%延伸。
8.根据前述任一项权利要求所述的流量计，其中所述第一喷嘴(64)的轴线(1)与方向(X)之间的角度(C)在15° 18°之间变化。
9.根据权利要求1所述的流量计，其中测量腔室(63)的半径为大约27. 5mm，并且，测量腔室(63)的高度为大约21. 35 mm ； 上侧肋条(11-14)沿径向以大约90°的有规律的角度间隔布置，它们的交点与涡轮 (60)的旋转轴(G)重合，上侧肋条(11-14)中的每一个肋条均具有大约13mm的长度，大约2. 5 mm的宽度以及大约5. 7mm 5. 8 mm的高度；下侧肋条(41-46)沿径向以大约60°的有规律的角度间隔布置，它们的交点与涡轮 (60)的旋转轴(G)重合，下侧肋条(41-46)中的每一个肋条均具有大约17mm的长度，大约2. 5 mm的宽度(E5) 以及大约3. 5mm的高度；设有形成大约30°角度的上侧肋条和下侧肋条， 与第一喷嘴(64)的轴线形成大约108°的角度(A4)；并且，涡轮(60)的十一个叶轮之间具有大约32. 7°的角度，涡轮(60)的半径为大约 27 mm0
10.用于测量体积的方法，其包括以下步骤将计数元件(71)连接至如权利要求1 9所述的流量计上； 将上述流量计连接至第一喷嘴(64)的输入管以及第二喷嘴(65)的输出管上；以及记录计数元件(71)得出的测量值。
全文摘要
在4l/h～5,000l/h的范围内具有计量参数内的体积测量误差的单喷口流量计能够克服流量计上游的液压故障、钙的沉积而稳定工作，并且，允许不会影响计量参数的公差。该流量计包括涡轮、两个喷嘴、和测量腔室。至少一个喷嘴与液流的原始方向形成10°～20°的角度。测量腔室包括一组沿径向布置并相距有规律的间隔的四个上侧肋条和六个下侧肋条。上侧肋条从腔室伸出的高度与下侧肋条的伸出的高度比率在1.5～1.7倍之间变化。与上述流量计一起，还提供了一种测量方法，将所述流量计连接至使流体流过的输入管和输出管上，并连接计量元件至所述流量计上。
文档编号G01F1/08GK102483338SQ201080037750
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月27日 优先权日2009年8月28日
发明者佩德罗·埃加尼亚·马南诺斯, 哈维尔·奥泰吉·伊鲁鲁埃塔, 戴维·富恩特斯·塞斯马 申请人:埃尔斯特测量独资有限公司