一種基于旋流原理的差壓式流量測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于流體測量技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種基于旋流原理的差壓式流量測量裝 置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在流量測量領(lǐng)域,差壓式流量計占流量計總數(shù)的1/3以上,無論從發(fā)展歷史、應(yīng)用 范圍與使用數(shù)量來看,它都是當(dāng)之無愧的第一大類流量計。目前,常用的差壓流量計分為兩 大類:節(jié)流式和繞流式。節(jié)流式包括標(biāo)準(zhǔn)型(孔板、噴嘴和文丘里管)和非標(biāo)準(zhǔn)型(槽式孔 板、多孔板、1/4孔板、彎管、錐形入口孔板等)。繞流式包括環(huán)形孔板、環(huán)形通道(V型內(nèi)錐、 槽道式等)、均速管等。
[0003]標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用技術(shù)成熟、產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,是目 前工業(yè)應(yīng)用最廣泛的流量儀表;但是它的缺點也很多:永久壓力損失過大、安裝時要求上 下游有較長的直管段、量程比窄,僅為3:1、開孔邊緣鈍化會使它的準(zhǔn)確度下降、流體流經(jīng)節(jié) 流裝置前流束必須與管道軸線平行且不得有旋轉(zhuǎn)流等。雖然噴嘴和文丘里在相同流量和0 值時的壓損比孔板要低30%~50%,但是噴嘴和文丘里價格昂貴,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。
[0004] 彎管流量計是利用彎管內(nèi)外側(cè)壓差測量流量的差壓式流量計,它的優(yōu)點是花費 成本較低、容易安裝和使用,缺點是容易出現(xiàn)二次流的干擾,由于流量系數(shù)受彎管結(jié)構(gòu)尺寸 參數(shù)R/D的影響非常敏感,所以非常不容易實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。
[0005]對于多相流流量的測量,彎管流量計無法實現(xiàn),而由于兩相流體的流動工況復(fù)雜 性,孔板、噴嘴、文丘里無法借用統(tǒng)一的經(jīng)驗公式,一般采用組合法進(jìn)行測量,如LiYuxing 等提出的雙槽式孔板組合、ZhiqiangSun的文丘里管-禍街流量計組合、ChenquanHua 等的槽式孔板-旋進(jìn)流量計組合、C.H.Hong等提出的孔板或文丘里管-臨界流噴咀組合、 ShunpeiYamazaki等提出的文丘里管-層流流量計組合等,這些方法在一定的范圍內(nèi)都能 正常工作,而一旦超出其測量范圍,流量信號就會淹沒在強烈的"噪聲"中,測量誤差隨之急 劇增大甚至不能工作。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明的目的在于提出了一種基于旋流原理的差 壓式流量測量裝置及方法,本發(fā)明所需的直管段大大縮短,壓差也大為減小,而且對旋轉(zhuǎn)流 動和渦流的情況有極好的適應(yīng)性;對于多相流體,旋流裝置能夠?qū)?fù)雜的多相流體整流成 關(guān)于軸線對稱的管內(nèi)"相分隔"狀態(tài),從而更加便于測量,由于影響此種方法測量的僅為簡 單的旋流器,所以相比其他非標(biāo)準(zhǔn)型的差壓流量計而言,此種方法和裝置更容易實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn) 化。
[0007] 為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008] -種基于旋流原理的差壓式流量測量裝置,包括一個直徑為D的管道7,管道7內(nèi) 設(shè)置有與管壁緊密貼合且靜態(tài)布置的旋流器2,旋流器2下游的管道設(shè)置有管壁取壓管4和 管中心取壓管5,管壁取壓管4和管中心取壓管5的出口分別與差壓變送器6的兩個流體進(jìn) 口相連通。
[0009] 所述的旋流器2位于管道入口 1的下游,兩者之間的距離不小于2D。
[0010] 所述的旋流器2位于管道出口 3的上游,兩者之間的距離不小于2D。
[0011] 所述管壁取壓管4和管中心取壓管5位于旋流器2下游2D~IOD處,管壁取壓管 4的軸線和管中心取壓管5的取壓口位于同一水平面。
[0012] 所述管壁取壓管4和管中心取壓管5處的取壓孔直徑為0. 5~2. 0mm。
[0013] 所述管壁取壓管4處取壓孔的軸線與管壁垂直。
[0014] 所述管中心取壓管5的取壓孔軸線方向和流動方向相同。
[0015] -種基于旋流原理的差壓式流量測量方法,包括以下步驟:
[0016] 步驟一、當(dāng)流體流經(jīng)管道7中的旋流器2時,由于流體受到旋流器2的束縛,迫使 流體按照旋流器2的形狀產(chǎn)生渦旋流動,流體繞管中心軸旋轉(zhuǎn),邊旋轉(zhuǎn)邊向下游流動,其流 動軌跡近似為一螺旋線,流體產(chǎn)生的離心力使得流體在管壁和管中心產(chǎn)生壓差,管壁取壓 管4和管中心取壓管5分別取出管壁和管中心的靜壓,兩者的壓差通過差壓變送器6測量 出來;
[0017] 步驟二、對于旋流器2,流體流量的大小和旋流器2后某一橫截面管壁和管中心
與壓力梯度相平衡,BP:
[0018]
[0019] 由積分中值定理可知,總存在一個半徑r%該處的切向流速能代表該截面的切向 平均流速< :,則對式(1)對半徑從O-R積分得:
[0020]
[0021] 式中 <和Y分別代表截面的切向平均流速和平均流速對應(yīng)的平均半徑,R代表管 道內(nèi)徑;
[0022] 步驟三、由于流體通過旋流器后是做旋轉(zhuǎn)向上運動,如果旋流器一定,那么軸向平 均流速和某個截面的切向平均流速必然存在一個固定的比例關(guān)系,而該切向平均流速又與 壓差的1/2次方成線性關(guān)系,也就是說軸向平均流速和某個截面管壁和管中心壓差的1/2 次方成線性關(guān)系:
[0023]
[0024]式中,a代表流量系數(shù),與管道直徑、截面位置有關(guān),其值通過實驗標(biāo)定得出;AP表示流體介質(zhì)流經(jīng)某一截面時管道中心和管壁之間的壓降;P表示介質(zhì)密度;
過各相的軸向平均流速乘以相應(yīng)各相的流通截面積,即可得到各相的流量。
[0026] 本發(fā)明的測量原理為:
[0027] 對于旋流器,流體流量的大小和旋流器后某一橫截面上管壁和管中心的壓差A(yù)P 存在一定關(guān)系,由模擬和實驗驗證可知,軸向平均流速瓦與該截面管壁和管中心壓差A(yù)P 的1/2次方成線性關(guān)系,而且離旋流器越遠(yuǎn),流量系數(shù)a越大;因此只需提前對特定的旋流 器結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定,根據(jù)測出的旋流器后某一截面的壓差值,即可得出管道的軸向平均流速, 進(jìn)而得知流體的流量。
[0028] 本發(fā)明的優(yōu)點:
[0029] 本發(fā)明和傳統(tǒng)的差壓式流量計比較起來,所需的直管段大大縮短,壓差也大為減 小,而且對旋轉(zhuǎn)流動和渦流的情況有極好的適應(yīng)性;對于多相流體,旋流裝置能夠?qū)?fù)雜的 多相流體整流成關(guān)于軸線對稱的管內(nèi)"相分隔"狀態(tài),從而更加便于測量,由于影響此種方 法測量的僅為簡單的旋流器,所以相比其他非標(biāo)準(zhǔn)型的差壓流量計而言,此種方法和裝置 更容易實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖2是軸向平均流速與管壁和管中心壓差的1/2次方的關(guān)系圖。
[0032] 圖3是氣液兩相流(氣體流量為2L/min)時,水相流量與管壁和管中心壓差的1/2 次方的關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更詳細(xì)的說明。
[0034] 如圖1所示,一種基于旋流原理的差壓式流量測量裝置,包括一個直徑為D的管道 7,管道7內(nèi)設(shè)置有與管壁緊密貼合且靜態(tài)布置的旋流器2,旋流器2下游的管道設(shè)置有管 壁取壓管4和管中心取壓管5,管壁取壓管4和管中心取壓管5的出口分別與差壓變送器6 的兩個流體進(jìn)口相連通。
[0035] 所述的旋流器2位于管道入口1的下游,兩者之間的距離不小于2D。
[0036] 所述的旋流器2位于管道出口3的上游,兩者之間的距離不小于2D。
[0037] 所述管壁取壓管4和管中心取壓管5位于旋流器2下游2D~IOD處,管壁取壓管 4的軸線和管中心取壓管5的取壓口位于同一水平面。
[0038] 所述管壁取壓管4和管中心取壓管5處的取壓孔直徑為0. 5~2. 0mm。
[0039] 所述管壁取壓管4處取壓孔的軸線與管壁垂直。
[0040] 所述管中心取壓管5的取壓孔軸線方向和流動方向相同。
[0041] 一種基于旋流原理的差壓式流量測量方法