一种圆柱槽型气体层流发生器

1.本发明属于气体流量测量领域，具体涉及一种气体层流流量测量技术中的层流发生器。


背景技术：

2.气体层流发生器是一种将管道中气体流动状态转变为层流流动的装置，流经层流发生器前后的气体流量与压力差成比例关系，通常利用该特性将其配合在气体流量测量中使用，特别是小微气体流量。
3.目前，层流发生器的种类主要有三类：实验室用高精度层流发生器由单根石英毛细管或双毛细管组合制成，气体流经毛细管即可产生层流；实际应用研究通常使用多根由塑料或不锈钢管制成的毛细管组合束，气体流经毛细管束产生层流流动；或者利用类似三角形通道的波纹板卷制成层流发生器，气体流经波纹板通道后形成层流流动。尽管这些方法都能使气体产生层流流动，但对毛细管的长径比要求大，通常需超过500，单管精度要求极高时需超过2000，毛细管束制作过程费时，价格高，波纹板卷制工艺复杂，导致这些层流发生器尚未大规模投入到气体流量测量行业中。工业化生产一般要求高效，大批量。因此，设计新的适于工业发展批量生产要求的层流发生器结构显得尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的不足，提供一种圆柱槽型气体层流发生器。
5.本发明由圆形管道和带槽的圆柱体沿轴向过盈或者过渡配合完成，圆形管道与带槽的圆柱体在径向上形成矩形截面，带槽的圆柱体前中后开有三道一致的环形通道，圆形管道对应位置处各开一处取压孔。
6.优选的，所述带槽的圆柱体的径向截面上单一矩形面等效的水力直径小于2mm。
7.优选的，所述带槽的圆柱体的径向截面上的矩形沿径向均匀分布，矩形长边长度小于圆柱体的半径。
8.优选的，所述带槽的圆柱体轴向距离与径向单个矩形截面等效的水力直径之比大于100：1。
9.优选的，所述带槽的圆柱体的三处环形均压通道均垂直于圆柱体轴线方向。
10.优选的，所述带槽的圆柱体的一致的均压环形通道的宽度和深度均小于等于2mm。
11.优选的，所述圆形管道对应位置处的取压孔直径小于3mm。
12.本发明与现有的层流发生器相比，其有益效果为：本发明采用圆心管道与带槽的圆柱体配合形成层流流道，在流道的前后两段利用环形通道引出均匀的压差，并且在流道中间位置直接引出绝对压力，利用气体在层流流量计中的绝对压力来修正气体流量，考虑气体压缩性导致的流量变化，提高了测量准确度，加工结构简单，易于加工实现，而且能产生稳定的层流，适用于不同管径的管道，流量测量量程增大。
附图说明
13.图1为本发明的一种圆柱槽型层流发生器的侧视图；图2为本发明的一种圆柱槽型层流发生器的左视图；图3为本发明的一种带槽的圆柱体的轴侧视图；图4为本发明的另一种带槽的圆柱体的轴侧视图；其中：1为圆形管道，2为带槽的圆柱体，3为中空的矩形槽道，4为发生器前端取压孔，5为发生器中间取压孔，6为发生器后端取压孔，7为前端环形均压通道，8为中间环形均压通道，9为后端环形均压通道。
具体实施方式
14.本发明中的层流发生器由圆形管道和带槽的圆柱体组成，带槽的圆柱体在轴向上拥有尺寸一致的矩形槽道，圆形管道通过过盈配合或者过渡配合与带槽的圆柱体固定；圆形管道与带槽的圆柱体之间形成的多条尺寸一致的矩形槽道即为气体层流流道，管道中的气体流经层流流道即可产生层流；在带槽的圆柱体前后两段等距处各开一道环形通道，将压力均匀引出，测量前后两端气流的压力差；在带槽的圆柱体中间位置也开一道环形通道，用来测量中间气流的绝对压力，并将其用于流量压力修正，更好地保证气体流量测量准确度。
15.层流流动的临界雷诺数为2300，流体的雷诺数与流道的水力直径成正比，为保证气体在流道中为层流状态，流道的水力直径必须尽量小，特别是在微流道中，一般小于3mm。气体在向层流状态转变的过程中，需要一定的直管段进行气体层流发展，经验数值为37~92倍的水力直径。层流发生器的原理一般是基于哈根泊肃叶定律中的流量与层流流道前后两端的压力差成正比，但是由于气体分子之间存在间隙，且气体分子处于不断地运动之中，气体在流经层流发生器时，气体会被压缩，因此需要对计算得到的气体流量进行修正。
16.所述带槽的圆柱体径向截面矩形等效的水力直径小于2mm。
17.所述带槽的圆柱体轴向距离与径向矩形截面等效的水力直径之比大于100：1。
18.所述带槽的圆柱体开槽的数量与测量范围对应。
19.所述带槽的圆柱体前后两端的环形通道的位置前后对称。
20.所述带槽的圆柱体中间位置的环形通道距前后两个环形通道的距离相等。
21.所述前中后位置的三个环形通道都垂直于带槽圆柱体的中心轴线。
22.所述圆形管道的口径与测量管路的管径尺寸对应。
23.实施例一如图1、图2和图3所示，本实施例中圆形管道1可以采用304不锈钢或者合金材料，外径为60mm，管道壁面厚度为10mm，整体长度为220mm。
24.与圆形管道内径等径的圆柱体2采用机械开槽方式，等距在圆柱体表面开出矩形槽道3，如图2所示，矩形槽道3共有30条，每条都是等距，按照机械加工进刀方式加工，每个矩形槽道3的尺寸为1
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35mm，矩形槽道沿圆柱体的轴向深入。之后在距离带槽的圆柱体前后两端各10mm处开两条垂直于圆柱体轴线的环形均压通道7、9，进刀深度为1mm，宽度为2mm，同样的加工方式在中间位置再开一道相同的环形均压通道8。将加工好的带矩形槽的圆柱体2与圆形管道1配合，采用过盈或者过渡配合。带槽的圆柱体2的材料可以选用304不
锈钢或者其他的合金材料。之后在圆形管道1表面与环形均压通道对应的位置开取压孔，取压孔外接测压管路与压力测量仪器，用以配合后续测量工作。
25.圆形管道1的内管道与带槽的圆柱体2紧密配合，固定为一体，中间形成的矩形槽道3就形成了闭合空间，气体在流经这些闭合空间时产生层流流动，环形通道可以起到均衡压力的作用。
26.本发明中设计的层流发生器结构简单，工艺简单，整个过程可以由机械加工控制进刀，保证加工的一致性，无需人工排布毛细管束，加工时间大大缩短，效率提高，矩形截面的等效水力半径不到1mm，保证临界雷诺数小于2000时，气体流量测量的最大量程更大。目前，利用层流原理实现流量测量的量程范围为10~40倍，采用本发明实施例可以实现的流量范围可以扩展到10~150倍。
27.实施例二如图4所示，带矩形槽道的圆柱体2可以减少开槽数量。为保证气体在小流量时测量精度，可以采用减少开槽数量的方式，图中为5条，与30条开槽数量的圆柱体相比，流道表面积缩小约6倍，前后压力差扩大了约10倍，这样小流量气体在流经矩形槽道3时压力差更明显，流量变化时，压差带来的测量误差缩小，测量误差能提高到0.1%。中等流量气体流量测量时，可以继续增加开槽数量到15或者20，只要开槽的数量能够在该量程下保证测量精度即可。
28.实施例三在更小气体流量测量中，设计中圆形管道1的管径可以依据测量管径的大小做出调整，并且与其紧固配合的开槽圆柱体的尺寸也要随之改变。开槽的数量多时，气体流道表面积增大，单位时间内允许通过的流体流量增大，流量测量的量程更大；开槽数量少时，气体流道表面积减少，但是流道前后压差增大更明显，流量测量的精度更高，测量精度可以达到0.1级。具体实施例可以根据现场流量测量范围和测量精度的要求进行调整。
29.综上，本发明提出了一种新型结构的层流发生器，解决了现有层流发生器不适于工业发展批量高效生产的要求；相比毛细管内部瑕疵、受挤压易产生变形但不易察觉的弊端，本发明的槽道机械加工精度高且保持一致，槽道的表面粗糙度小，气体在流经槽道时形成的层流气体均匀且稳定。气体分子之间间隔较大，导致气体易受压缩性影响，毛细管或毛细管束层流发生器一般只取进出口段压差，忽略气体压缩性的影响，本发明中利用流道结构优势，取流道中间段的绝对压力来修正气体压缩造成的流量误差，有效提高流量测量准确度。
30.以上实施例仅仅是本发明具体实施方式的举例说明，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。