專利名稱：熱導(dǎo)流量監(jiān)測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種熱導(dǎo)式電機(jī)冷卻、潤滑系統(tǒng)管路介質(zhì)的流量監(jiān)測裝置。
背景技術(shù)：
電機(jī)潤滑和冷卻系統(tǒng)的油、水管路的流量關(guān)系到機(jī)組軸承等部件的冷卻效果。監(jiān)測管路的介質(zhì)流速或流量是保障機(jī)組安全運(yùn)行的必要手段。介質(zhì)的流速降低，將導(dǎo)致冷卻效果下降，威脅機(jī)組運(yùn)行安全。目前實(shí)際應(yīng)用中，多使用熱導(dǎo)式流速傳感器。這種傳感器的典型配置由兩個電阻型溫度敏感元組成。其中一個RTD作為介質(zhì)溫度傳感器，另一只作為流速傳感器，需施加一·定加熱功率的電源激勵。測量方法一種為恒溫差法，就是在不同的介質(zhì)流速下，保持流速傳感器和介質(zhì)溫度傳感器恒定的溫差，而加熱功率根據(jù)電橋測得的溫差不斷調(diào)整，穩(wěn)態(tài)功率
的大小與介質(zhì)的流速大小--對應(yīng)；另一種是恒功率法，就是在加熱功率恒定的前提下，
通過電橋測量兩個溫度敏感元件的電位差，電位差與溫差成正比，溫差大小與介質(zhì)的流速--對應(yīng)。上述熱導(dǎo)式流速傳感器，存在以下問題(I)、對于水等液態(tài)介質(zhì)的流速測量，傳感器表面易被汽蝕或污染，影響測量精度。(2)、兩個溫度敏感元件的線性隨介質(zhì)溫度的變化而漂移，造成較大的系統(tǒng)測量誤差。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種熱導(dǎo)流量監(jiān)測器，用于電機(jī)冷卻、潤滑系統(tǒng)的管路介質(zhì)的流量監(jiān)測，克服現(xiàn)有的檢測裝置存在的僅適于清潔介質(zhì)、因環(huán)境和介質(zhì)溫度影響誤差較大等不足。本發(fā)明的熱導(dǎo)流量監(jiān)測器由位于流體管路上不同流速位置的兩個傳感單元和以微處理器為核心的控制、顯示單元及集中各部件于一體的組合構(gòu)件組成。其中傳感單元包括埋在同一塊導(dǎo)熱膠中的一個溫度傳感元件和一個電熱元件及與包裹導(dǎo)熱膠塊使用時接觸流體的金屬外壁；兩個傳感單元使用相同規(guī)格的元件，具有同樣的結(jié)構(gòu)及尺寸。兩個傳感單元中的溫度傳感元件分別連接控制、顯示單元中的信號放大器和恒流源。與兩個溫度傳感元件相鄰的電熱元件分別接控制、顯示單元的電源控制電路。以上為本發(fā)明基本技術(shù)方案。本發(fā)明的控制單元優(yōu)選結(jié)構(gòu)包括溫度傳感元件信號輸出差動放大器、連在放大器輸出端的A/D轉(zhuǎn)換器、連接A/D轉(zhuǎn)換器的CPU、連接CPU的加熱器供電開關(guān)驅(qū)動電路、連接供電開關(guān)驅(qū)動電路作為開關(guān)使用的兩個三極管、連接CPU的鍵盤及顯示屏。在需要配置現(xiàn)場超值報警器和遠(yuǎn)端顯示、存儲器時，控制單元中還包括連接CPU的報警驅(qū)動電路、連接報警驅(qū)動電路的報警觸發(fā)繼電器組、連接繼電器組的報警器連線接口 ；連接CPU的D/A轉(zhuǎn)換器、連接D/A轉(zhuǎn)換器的V/I轉(zhuǎn)換器、連接V/I轉(zhuǎn)換器的遠(yuǎn)傳信號線接口。本發(fā)明的監(jiān)測器基于在流體管路上的安裝方式不同，有相對流體管路側(cè)向插入的插頭式和串接在流體管路中的管道式兩種結(jié)構(gòu)形式，其中的插入式監(jiān)測器包括與流體管路管壁上的螺紋孔配合的組合構(gòu)件探頭座、固定在探頭座下端的柱形探頭、固定在探頭座上端裝有控制單元電路板的顯示、報警裝置的盒體；探頭包含相隔一定距離的、有圓柱形外表面的一個低流速位置傳感單元和一個高流速位置傳感單元；低流速位置傳感單元與探頭座之間及高、低流速位置傳感單元之間有作為連接構(gòu)件的絕熱材料管，傳感單元中的熱敏信號輸出線和電熱元件電源線穿過絕熱材料管和安裝螺紋件的內(nèi)孔連接到控制、顯示單元。用于小管徑流量測量的插入式流量監(jiān)測器，其安裝螺紋件上有向下(向流體導(dǎo)管內(nèi))延伸的柱形容腔，低流速位置傳感單元位于該容腔中；高、低流速位置傳感單元根據(jù)待 監(jiān)測的流體管路的管徑設(shè)定相應(yīng)間距。串接在流體管路中的管道式監(jiān)測器包括一個將兩個傳感單元和顯示、報警裝置盒體組合成整體的管狀接頭，管狀接頭內(nèi)有兩段不等孔徑的流體通道，裝有控制單元電路板的顯示、報警裝置的盒體固定在管狀接頭圓周的一側(cè)；管狀接頭側(cè)壁上對應(yīng)大孔徑流體通道和小孔徑流體通道位置的管壁上分別有容納傳感單元的凹槽，在凹槽底平面有溫度傳感元件、加熱元件、包裹溫度傳感元件和電熱元件導(dǎo)熱膠構(gòu)成傳感單元；傳感單元與凹槽之間的間隙填充有絕熱材料，傳感單元至凹槽上口填充有普通密封膠。兩個傳感單元的元件參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式相同或相似，兩個傳感單元的熱傳感信號輸出線和加熱器電源線經(jīng)載體上的引線溝槽引至控制、顯示單元。本發(fā)明的積極效果是以微處理器為核心的監(jiān)測單元間歇地對探頭巡回注入恒定的階躍加熱功率，并巡檢兩組傳感器的輸出信號，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)輸入的CPU。動態(tài)監(jiān)測傳感器的階躍響應(yīng)過程，軟件通過求解微分方程得到傳感器系統(tǒng)的時間常數(shù)和穩(wěn)態(tài)溫差，從而得到介質(zhì)熱導(dǎo)特性、流速、溫度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)償、輸出顯示信息、模擬量遠(yuǎn)傳、繼電器報警等信號。能夠在線自動補(bǔ)償由于探頭汽蝕、污染以及介質(zhì)溫度變化引起的測量偏差，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值。

圖I是熱導(dǎo)流量監(jiān)測器的能量流向圖。圖2是熱導(dǎo)流量監(jiān)測器的物理模型。圖3是用于較大管徑的插入式流量監(jiān)測器局部剖示圖。圖4適用于小管路插入式流量監(jiān)測器局部剖視圖。圖5是管路串聯(lián)式流量監(jiān)測器局部剖視圖。圖6是管路串聯(lián)式流量監(jiān)測器局部剖視圖。圖7是控制單元的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
參閱圖3，本發(fā)明插入式流量監(jiān)測器包括與管路管壁上的安裝螺紋匹配的安裝螺紋件I、安裝螺紋件下端由低流速位置傳感單元4、高流速位置傳感單元5和傳感單元連接構(gòu)件2組成的插入式探頭、安裝螺紋件上端裝有控制單元電路板的顯示、報警裝置的盒體3 ;探頭上的傳感單元相應(yīng)導(dǎo)流管的管徑分離安裝，使得兩個傳感元件的定位點(diǎn)存在一定的介質(zhì)流速差。低流速位置傳感單元與插頭座之間及高、低流速位置傳感單元之間的連接構(gòu)件2為絕熱材料管。低流速位置傳感單元 由埋在同一塊導(dǎo)熱膠6中的一個溫度傳感元件7、一個電加熱元件8和包圍導(dǎo)熱膠、使用時接觸流體的金屬圓筒外壁4組成；高流速位置傳感單兀由埋在同一塊導(dǎo)熱膠9中的一個溫度傳感兀件10、一個加電熱兀件11和包圍導(dǎo)熱膠、使用時接觸流體的金屬圓筒外壁5組成。傳感單元中的熱信號輸出線12和電熱元件電源線13穿過絕熱材料管2和安裝螺紋件I的軸心孔連接到控制、顯示單元3 ;絕熱材料管2和安裝螺紋件I之間通過密封膠14和密封圈15連接固定。安裝螺紋件I的根部有用于與流體管路裝配的密封圈16。下傳感單元5的導(dǎo)熱膠塊以下圓柱形外壁內(nèi)腔填充絕熱材料17 ；參閱圖4，用于小管徑的檢測裝置，低流速位置傳感單元4位于安裝螺紋件I的螺紋部分的容腔內(nèi)(螺紋的容腔內(nèi)介質(zhì)不流動)。下傳感單元5位于流體管路軸心處。參閱圖5、圖6，串聯(lián)管路安裝式流量監(jiān)測器的管狀接頭18內(nèi)設(shè)有兩個不同直徑的流體通道19和20，接頭18兩端有與流體管路串接的螺紋21 ；由溫度傳感元件22和電熱元件23、導(dǎo)熱膠24組成的低流速位置傳感單元34裝在大直徑流體通道19的管壁凹槽內(nèi)，由溫度傳感元件26、電熱元件27、導(dǎo)熱膠28組成的高流速位置傳感單元35裝在小直徑流體通道20的管壁凹槽內(nèi)；凹槽的間隙以絕熱材料25、29填充，元件導(dǎo)線30沿著導(dǎo)線溝槽31連接到控制、顯示單元32內(nèi)；管狀接頭18上兩端有扳手夾緊面33。參閱圖7，本發(fā)明的控制單元包括差動放大器36、連在放大器輸出端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D、連接A/D轉(zhuǎn)換器的CPU、連接CPU的加熱器供電開關(guān)驅(qū)動電路D2、連接供電開關(guān)驅(qū)動電路作為開關(guān)使用的兩個三極管T1、T2，連接傳感元件的恒流源37、38，連接CPU的鍵盤及顯示屏Μ。在配置現(xiàn)場超值報警器和遠(yuǎn)端顯示、存儲器的監(jiān)測器中，控制單元中還包括連接CPU的報警驅(qū)動電路Dl、連接報警驅(qū)動電路的報警觸發(fā)繼電器RL ;連接CPU的D/A轉(zhuǎn)換器、連接D/A轉(zhuǎn)換器的V/I轉(zhuǎn)換器、連接V/I轉(zhuǎn)換器的遠(yuǎn)傳信號線接口。參閱圖I、圖2，本發(fā)明的工作原理是基于熱力學(xué)第一定律P=hAs (Tu-Tm)，hAs= P / (Tu-Tm)P :元件加熱功率H :傳熱系數(shù)As:探頭表面積Tu :受熱探頭表面溫度Tm :介質(zhì)溫度hAs與流速的函數(shù)關(guān)系為hAs=ai+a2 ( P u)1/n③h :探頭的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)As :探頭的表面積P :介質(zhì)的密度a1； a2，η為經(jīng)驗常數(shù)，取決于傳感器的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)的傳熱系數(shù)、粘度、熱容量等特性。如圖I所示，將傳感器看作一個傳熱系統(tǒng)。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫升取決于系統(tǒng)的熱量平衡。未加熱介質(zhì)的相對溫度為T tl，在一定的時間間隔」t內(nèi)，通過加熱器注入系統(tǒng)的熱量為P」t，加熱器達(dá)到一相對溫度TH，一分熱量Qtl損失在探頭內(nèi)部，探頭表面和介質(zhì)溫度降為Ts，形成溫差Th-Ts，傳感器外表面與介質(zhì)構(gòu)成一個局部的熱傳導(dǎo)空間，熱量傳導(dǎo)損失造成溫差！^-!；.。熱量傳導(dǎo)損失包括兩個部分，一部分熱量為純熱導(dǎo)損失h」t (Ts-T0.)，熱量擴(kuò)散到傳感器和介質(zhì)的局部空間內(nèi)，另一部分在空間內(nèi)因介質(zhì)流動以質(zhì)量形式流失C」M(Ts-T0.)，流失的質(zhì)量又不斷地以溫度為Tci的等質(zhì)量介質(zhì)補(bǔ)充。本質(zhì)上,介質(zhì)的流動并不改變傳感器系統(tǒng)局部空間的熱導(dǎo)特性，而是質(zhì)量的流失造成熱量的流失。假如傳感器置于局部的絕熱空間內(nèi)，空間內(nèi)充滿轉(zhuǎn)動的介質(zhì)，穩(wěn)態(tài)情況下，介質(zhì)轉(zhuǎn)動速度的加快并不會導(dǎo)致溫度梯度的重新分布。因此，只要在線測得傳感器在靜態(tài)介質(zhì)的熱導(dǎo)特性(熱導(dǎo)率)，就可實(shí)現(xiàn)對傳感器的自動補(bǔ)償。當(dāng)然，管路內(nèi)介質(zhì)的流動以質(zhì)量交換的形式造成的熱量損失可以等效為傳感器系統(tǒng)熱導(dǎo)特性的改變。如圖2所示，本發(fā)明建立的物理模型將質(zhì)量交換或流速導(dǎo)致的熱量損失與傳感器系統(tǒng)的熱導(dǎo)造成的熱量損失分別開來，把傳感器系統(tǒng)的熱量損失通過熱阻Rs表達(dá)，把介質(zhì)流動以質(zhì)量交換方式造成的熱量損失通過熱阻Rv表達(dá)，構(gòu)成一個與電路理論類似的物理模型。合理選擇兩組探頭的間距，使得其中心流速比為常數(shù)β，熱阻Rv與管路的雷諾系數(shù)、介質(zhì)的比熱、密度等參數(shù)有關(guān)。監(jiān)測介質(zhì)流速的目的是反映介質(zhì)的冷卻效果，介質(zhì)比熱的改變影響介質(zhì)的冷卻效果，可等效為流速的改變，不在補(bǔ)償?shù)目紤]范圍之內(nèi)。Rv=f(v)的函數(shù)關(guān)系可通過實(shí)驗室校準(zhǔn)獲得。根據(jù)經(jīng)驗，可以假定Rv2=Kv /V2X，其中Kv和X均為有待實(shí)驗校準(zhǔn)、確定的經(jīng)驗常數(shù)，與介質(zhì)的流速無關(guān)。根據(jù)物理模型則有^ Ts =Ts-T0 =P(Rl//Rv)P/ Z Tsi = I/Rl+I/RviP/ Zl Ts2 = I/Rl+I/Rv2Ry1=KyZV1Rv2=Kv /V(P/」Ts2 -I/Rl) /(P/」Tsi -I/Rl)= RV1/RV2= (V2A1) χ= βI/Rl= Pd/ Z Ts2- β / Z Tsi)/ ( 1-β)1/RV1= V1VKv =P/ Z TS1-1/RL= [Ρ/( 1-β)] (I/ Z Ts「l/ Z Ts2 )
權(quán)利要求1.熱導(dǎo)流量監(jiān)測器，其特征是由位于流體管路上不同流速位置的兩個傳感單元和以微處理器為核心的控制、顯示單元及集中各電氣元件于一體的組合構(gòu)件組成，其中傳感單元包括埋在同一塊導(dǎo)熱膠中的一個溫度傳感元件和一個電熱元件及與包裹導(dǎo)熱膠塊使用時接觸流體的金屬外壁，兩個傳感單元使用相同規(guī)格的元件、具有同樣的結(jié)構(gòu)及尺寸，兩個傳感單元中的溫度傳感元件分別連接控制、顯示單元中的信號放大器和恒流源，電熱元件分別接控制、顯示單元的電源控制電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱導(dǎo)流量監(jiān)測器，其特征是控制、顯示單元包括溫度傳感元件信號輸出差動放大器、連在放大器輸出端的A/D轉(zhuǎn)換器、連接A/D轉(zhuǎn)換器的CPU、連接CPU的加熱器供電開關(guān)驅(qū)動電路、連接供電開關(guān)驅(qū)動電路作為開關(guān)使用的兩個三極管、連接CPU的鍵盤及顯示屏。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱導(dǎo)流量監(jiān)測器，其特征是控制單元中還包括連接CPU的報警驅(qū)動電路、連接報警驅(qū)動電路的報警觸發(fā)繼電器組、連接繼電器組的報警器連線接口 ； 還包括連接CPU的D/A轉(zhuǎn)換器、連接D/A轉(zhuǎn)換器的V/I轉(zhuǎn)換器、連接V/I轉(zhuǎn)換器的遠(yuǎn)傳信號 線接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱導(dǎo)流量監(jiān)測器，其特征是包括與流體管路管壁上的螺紋孔配合的組合構(gòu)件探頭座、固定在探頭座下端的柱形探頭、固定在探頭座上端裝有控制單元電路板及顯示、報警裝置的盒體；探頭上有分離安裝的圓柱形外表面的一個低流速位置傳感單元和一個高流速位置傳感單元；低流速位置傳感單元與探頭座之間及高、低流速位置傳感單元之間有作為組合構(gòu)件的絕熱材料管，傳感單元中的熱敏信號輸出線和電熱元件電源線穿過絕熱材料管和安裝螺紋件的內(nèi)孔連接到控制、顯示單元； 用于小管徑流量測量的插入式流量監(jiān)測器，其安裝螺紋件上有向下延伸的柱形容腔，低流速位置傳感單元位于該容腔中；高、低流速位置傳感單元根據(jù)待監(jiān)測的流體管路的管徑設(shè)定相應(yīng)間距。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱導(dǎo)流量監(jiān)測器，其特征是有個將兩個傳感單元和顯示、報警裝置盒體組合成整體的管狀接頭，管狀接頭內(nèi)有兩段不等孔徑的流體通道，裝有控制單元電路板的顯示、報警裝置的盒體固定在管狀接頭圓周的一側(cè)；管狀接頭側(cè)壁上對應(yīng)大孔徑流體通道和小孔徑流體通道位置的管壁上分別有容納傳感單元的凹槽，在凹槽底平面有溫度傳感元件、加熱元件、包裹溫度傳感元件和電熱元件導(dǎo)熱膠構(gòu)成傳感單元；傳感單元與凹槽之間的間隙填充有絕熱材料，傳感單元至凹槽上口填充有普通密封膠，兩個傳感單元的元件參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式相同或相似，兩個傳感單元的熱傳感信號輸出線和加熱器電源線經(jīng)載體上的引線溝槽引至控制、顯示單元。
專利摘要熱導(dǎo)流量監(jiān)測器，屬于測量技術(shù)，用于電機(jī)冷卻、潤滑系統(tǒng)的管路介質(zhì)的流量監(jiān)測，克服現(xiàn)有的檢測裝置存在的僅適于清潔介質(zhì)、因環(huán)境和介質(zhì)溫度影響誤差較大等不足。由位于流體管路上不同流速位置的兩個傳感單元和以微處理器為核心的控制、顯示單元及集中各部件于一體的組合構(gòu)件組成；其中傳感單元包括埋在同一塊導(dǎo)熱膠中的一個溫度傳感元件和一個電熱元件及與包裹導(dǎo)熱膠塊使用時接觸流體的金屬外壁；兩個傳感單元結(jié)構(gòu)相同。結(jié)構(gòu)上有相對流體管路側(cè)向插入的插入式和串接在流體管路中的管道式兩種結(jié)構(gòu)形式，本實(shí)用新型的積極效果是控制單元向傳感單元注入恒定階躍加熱功率，并巡檢兩組傳感器的輸出信號，能在線自動補(bǔ)償因汽蝕、污染及介質(zhì)溫度變化引起的偏差。
文檔編號G01F15/02GK202770484SQ20112055251
公開日2013年3月6日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者林海波 申請人:哈爾濱瑞格大電機(jī)技術(shù)有限公司