CN102494742B - 一种大口径流量计在线校准的方法 - Google Patents

Abstract

一种大口径流量计在线校准的方法，该方法有四大步骤：步骤一：标准流量计的选择；步骤二：旁路管道的设计；步骤三：标准表的安装；步骤四：方法性能评估。本发明基于标准表法的校准原理，采用精度较高的涡轮流量计作为标准表实现对大口径流量计的校准；基于涡轮流量计量程的考虑，在大口径流量计的上游或者下游引出一个旁路管道，在管道内安置标准流量计，然后当流体经过流量计时，记录标准流量计的流量数值，根据旁路管道流量的测量结果与总管道大口径流量计间的数理函数关系，实现对大口径流量计的校准。该方法构思新颖，校准精确，它在流量计检测技术领域里具有实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种大口径流量计在线校准的方法

技术领域

本发明涉及一种大口径流量计在线校准的方法，属于流量计检测技术领域。

背景技术

随着城市化的发展，用水量和排放量的增加，大口径流量计的需求量不断增加，且在水库引水、源水进水厂、自来水出厂、污水处理和污水排放等领域得到广泛应用，但相应地，流量计在长期使用后所面临的精度问题也日益突出。

目前国内外使用的大口径流量计包括电磁流量计、超声流量计、孔板流量计等。其中电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表，其精度可达(0.2～0.5)％，超声波流量计是以“速度差法”为原理，测量圆管内液体流量的仪表，其精度为0.5％，而孔板流量计是由节流件和差压计组成，当充满管道的流体流经管道内的节流装置时，在节流件附近造成局部收缩，流速增加，通过其上、下游两侧产生静压力差，根据流体力学中的伯努利方程可推导出差压与流量之间的关系，从而可求得流体的流量值，其精度为1％～2％。对于孔板流量计尤其是大口径的孔板流量计，由于其精度相对较低，且受安装条件和使用条件的影响较大，因此在大口径管道流量测量中使用较少。对于电磁流量计，由于其测量精度相对较高，而超声流量计具有安装方便的特点，因此这两种流量计在大口径管道流量测试中得到了广泛的应用。这些大口径流量计在长期使用后会面临精度校准的问题，对于电磁流量计，是目前大口径管道中测试精度最高的一种流量计，采用其它的流量计无法达到精度校准的要求。而对超声流量计进行校准时，采用电磁流量计作为标准表对其进行校准，虽然满足了精度校准要求，但大口径电磁流量计的费用要远远高于超声流量计本身。

综上所述，现有的校准大口径流量计的方法存在如下问题：

(1)对电磁流量计，采用超声流量计对其进行比对校准，由于超声流量计的精度低于电磁流量计的精度，因此通常是将电磁流量计的精度自动降至可使超声波流量计校准的级别，但这种校准方式由于降低了流量计整体的精度，因此校准结果不能精确的修正电磁流量计的测试结果。

(2)对超声流量计，采用精度高的电磁流量计对其进行比对校准，增加了大量的费用支出，且费用远远超出超声流量计本身。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术中存在的上述问题，提供一种大口径流量计在线校准的方法，该方法构思新颖，校准精确。

本发明的设计思想：由于现有的流量计中涡轮流量计的精度最高，可达0.2％，因此为提高校准精度，采用涡轮流量计作为标准表，但该流量计的量程有所限制，所测流量最大为1000m³/h，而大口径管道的流量一般为(2000～6000)m³/h，因此引入旁路分流的思想，使旁路管道中的流量值在涡轮流量计所测范围之内。通过旁路管道流量的测量结果与总管道流量计间的函数关系，可实现对大口径流量计的在线校准。

本发明的技术解决方案：基于标准表法的校准原理，采用精度较高的涡轮流量计作为标准表实现对大口径流量计的校准；基于涡轮流量计量程的考虑，在大口径流量计的上游或者下游(具体位置视现场的实际情况来定)引出一个旁路管道，在管道内安置标准流量计，然后当流体经过流量计时，记录标准流量计的流量数值，根据旁路管道流量的测量结果与总管道大口径流量计间的数理函数关系，实现对大口径流量计的校准。

所述旁路校准法，是一种大口径流量计在线校准的方法，该方法的具体步骤如下：

步骤一：标准流量计的选择

大口径流量计中，以电磁流量计的精度为最高，可达0.2～0.5％，为满足精度校准的要求，采用精度为0.2％的涡轮流量计作为标准流量计实现对大口径流量计的在线校准。

步骤二：旁路管道的设计

画出总管道与旁路管道图。图2所示为总管道与旁路管道设计示意图，将涡轮流量计放置于支路的中间位置，图中Q₀表示A点与B点之间总管道的流量；L₀表示A点与B点之间总管道的长度；D₀表示总管道的管径；Q_x表示旁路管道的流量；L₁表示涡轮流量计上游管道的长度；L₃表示涡轮流量计下游管道的长度；D₁、D₃表示旁路管道的管径；D₂表示涡轮流量计的公称通径；L₂表示涡轮流量计的安装管道长度。

式(1)表示流体力学中总流能量方程，式中下标1、2代表断面A与B，z₁、z₂表示流体的位能，p₁、p₂表示断面A与B的压强，g表示重力加速度，一般取值9.8m/s²，ρ表示流体的密度，V₁、V₂表示流体在断面A与B处的平均流速，α₁、α₂表示动能修正系数，在流速分布均匀的情况下一般取值为0.1，h_w表示水头损失。由于各支路在分流点A与汇合点B之间的压强差是相同的，可得式(2)即水头损失恒等。

$z_1+\frac{p_1}{\mathrm{g\ρ}}+\frac{{\mathrm{\α}}_1{V}_1^2}{2g}=z_2+\frac{p_2}{\mathrm{g\ρ}}+\frac{{\mathrm{\α}}_2{V}_2^2}{2g}+h_w---\left(1\right)$

h_f1+h_f2+h_f3＝h_f0                                (2)

将公式

谢齐系数

和曼宁公式

代入式(2)，其中λ为阻滞系数，n为粗糙系数，与管壁的凸起物、粗糙程度有关，假设旁路管道与总管道采用同一材料，则n值相同，可得出总管道与旁路管道的流量、管径和流程三者之间的关系表达式(3)。

$\frac{L_1{Q_x}^2}{D_1^{16/3}}+\frac{L_2{Q_x}^2}{D_2^{16/3}}+\frac{L_3{Q_x}^2}{D_3^{16/3}}=\frac{L_0{Q_0}^2}{D_0^{16/3}}---\left(3\right)$

设定 $\left\{\begin{array}{c}{L}_1=L_3={\mathrm{aL}}_2\\ D_1=D_3={\mathrm{bD}}_2\end{array}\right.,$ 式中a、b表示比例系数，代入式(3)，得出：

$(2\mathrm{\δ}-\frac{2}{b^{16/3}})a=1-\mathrm{\δ}---\left(4\right)$

其中若使旁路管道尺寸设计达到最小，即a和b的值最小，则应选取最大的δ值。

为求得旁路管道的几何尺寸，综合考虑以下几点：(1)根据现场实际测试环境的不同，选取相应型号的涡轮流量计，可获得参数D₂的大小；(2)结合实际情况，a和b的值均应大于0；(3)涡轮流量计在安装使用时，要求上、下游侧应分别有与传感器相同公称通径的长度不少于20DN和5DN的直管段。

将以上三个条件代入公式(4)中，即可得出旁路管道的几何尺寸。

步骤三：标准表的安装

在确定涡轮流量计型号和旁路管道的尺寸后，将涡轮流量计安装至旁路管道内，安装过程中应保证流量计轴线应与管道轴线同心，流向一致，且确保管道内壁光滑清洁，无时明显的凹痕、积垢和起皮等缺陷，当流体中含有杂质时，应加装过滤器，保证涡轮流量计在使用过程中的测量精度。

步骤四：方法性能评估

在通过理论建模与仿真分析相结合的基础上，初步建立旁路管道流量和总管流量间的函数关系，然后进行大量的实测工作，作好各项参数的统计和记录，通过实际测试的结果修正理论建立的模型，以确保该测试方法精度要求和实现对大口径流量计的在线校准。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明中采用目前流量计中精度最高的涡轮流量计作为标准表实现对大口径流量计的在线校准，其精度可达0.2％，满足校准精度要求，并引入旁路分流的思想确保了涡轮流量计的工作量程范围，从整体上提高了对流量计的校准精度。

附图说明

图1为标准表法在线校准系统框图。

图2为旁路管道设计示意图。

图3为本发明流程框图。

图2中符号说明如下：

A、B分别表示断面；Q₀表示A点与B点之间总管道的流量；L₀表示A点与B点之间总管道的长度；D₀表示总管道的管径；Q_x表示旁路管道的流量；L₁表示涡轮流量计上游管道的长度；L₃表示涡轮流量计下游管道的长度；D₁、D₃表示旁路管道的管径；D₂表示涡轮流量计的公称通径；L₂表示涡轮流量计的安装管道长度。

具体实施方式

图1所示为标准表法在线校准系统框图，在总管道安装的流量计下游引出一个旁路管道，在旁路管道内安置标准流量计。标准流量计采用目前精度最高的涡轮流量计，其精度可达0.2％，高于目前大口径流量计中电磁流量计的精度0.5％。当流体通过总管道中的流量计后经分流管道流经安装有涡轮流量计的旁路管道，记录两种流量计的流量示值，经理论模型得出二者之间的函数关系，以进一步达到校准大口径流量计的目的。

见图3，本发明一种大口径流量计在线校准的方法，该方法的具体步骤如下：

步骤一：标准流量计的选择

大口径流量计中，以电磁流量计的精度为最高，可达0.2～0.5％，为满足精度校准的要求，采用精度为0.2％的涡轮流量计作为标准流量计实现对大口径流量计的在线校准。

步骤二：旁路管道的设计

画出总管道与旁路管道图。图2所示为总管道与旁路管道设计示意图，将涡轮流量计放置于支路的中间位置，图中Q₀表示A点与B点之间总管道的流量；L₀表示A点与B点之间总管道的长度；D₀表示总管道的管径；Q_x表示旁路管道的流量；L₁表示涡轮流量计上游管道的长度；L₃表示涡轮流量计下游管道的长度；D₁、D₃表示旁路管道的管径；D₂表示涡轮流量计的公称通径；L₂表示涡轮流量计的安装管道长度。

式(1)表示流体力学中总流能量方程，式中下标1、2代表断面A与B，z₁、z₂表示流体的位能，p₁、p₂表示断面A与B的压强，h_w表示水头损失。由于各支路在分流点A与汇合点B之间的压强差是相同的，可得式(2)即水头损失恒等。

$z_1+\frac{p_1}{\mathrm{g\ρ}}+\frac{{\mathrm{\α}}_1{V}_1^2}{2g}=z_2+\frac{p_2}{\mathrm{g\ρ}}+\frac{{\mathrm{\α}}_2{V}_2^2}{2g}+h_w---\left(1\right)$

h_f1+h_f2+h_f3＝h_f0                        (2)

将公式

谢齐系数

和曼宁公式

代入式(2)，其中λ为阻滞系数，可得出总管道与旁路管道的流量、管径和流程三者之间的关系表达式(3)。

$\frac{L_1{Q_x}^2}{D_1^{16/3}}+\frac{L_2{Q_x}^2}{D_2^{16/3}}+\frac{L_3{Q_x}^2}{D_3^{16/3}}=\frac{L_0{Q_0}^2}{D_0^{16/3}}---\left(3\right)$

设定 $\left\{\begin{array}{c}{L}_1=L_3={\mathrm{aL}}_2\\ D_1=D_3={\mathrm{bD}}_2\end{array}\right.,$ 并代入式(3)，得出：

$(2\mathrm{\δ}-\frac{2}{b^{16/3}})a=1-\mathrm{\δ}---\left(4\right)$

其中

若使旁路管道尺寸设计达到最小，即a和b的值最小，则应选取最大的δ值。

为求得旁路管道的几何尺寸，综合考虑以下几点：(1)根据现场实际测试环境的不同，选取相应型号的涡轮流量计，可获得参数D₂的大小；(2)结合实际情况，a和b的值均应大于0；(3)涡轮流量计在安装使用时，要求上、下游侧应分别有与传感器相同公称通径的长度不少于20DN和5DN的直管段。

将以上三个条件代入公式(4)中，即可得出旁路管道的几何尺寸。

步骤三：标准表的安装

在确定涡轮流量计型号和旁路管道的尺寸后，将涡轮流量计安装至旁路管道内，安装过程中应保证流量计轴线应与管道轴线同心，流向一致，且确保管道内壁光滑清洁，无明显的凹痕、积垢和起皮等缺陷，当流体中含有杂质时，应加装过滤器，保证涡轮流量计在使用过程中的测量精度。

步骤四：方法性能评估

在通过理论建模与仿真分析相结合的基础上，初步建立旁路管道流量和总管流量间的函数关系，然后进行大量的实测工作，作好各项参数的统计和计录，通过实际测试的结果修正理论建立的模型，以确保该测试方法精度要求和实现对大口径流量计的在线校准。

图3所示为本发明流程框图，首先选择一种精度高的流量计作为标准表，以满足大口径流量计的精度校准要求，然后根据流体力学的能量方程推理计算出旁路管道的几何尺寸，在此基础上，将标准表安装在设计好的旁路管道中，最后通过理论与实验相结合的方式分析得出旁路管道流量与总管道流量间的函数关系，以确保该测试方法精度要求和实现对大口径流量计的在线校准。

Claims (1)

1.一种大口径流量计在线校准的方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

步骤一：标准流量计的选择

大口径流量计中，以电磁流量计的精度为最高，达0.2～0.5%，为满足精度校准的要求，采用精度为0.2%的涡轮流量计作为标准流量计实现对大口径流量计的在线校准；

步骤二：旁路管道的设计

画出总管道与旁路管道图，将涡轮流量计放置于旁路管道即支路的中间位置，Q₀表示A点与B点之间总管道的流量，L₀表示A点与B点之间总管道的长度，D₀表示总管道的管径，Q_x表示旁路管道的流量，L₁表示涡轮流量计上游管道的长度，L₃表示涡轮流量计下游管道的长度，D₁、D₃表示上游管道、下游管的管径，D₂表示涡轮流量计的公称通径，L₂表示涡轮流量计的安装管道长度；

式（1）表示流体力学中总流能量方程，式中下标1、2代表断面A与B，z₁、z₂表示流体的位能，p₁、p₂表示断面A与B的压强，g表示重力加速度，一般取值9.8m/s²,ρ表示流体的密度，V₁、V₂表示流体在断面A与B处的平均流速，α₁、α₂表示动能修正系数，在流速分布均匀的情况下取值为0.1，h_w表示水头损失；由于各支路在分流点A与汇合点B之间的压强差是相同的，得式（2）即水头损失恒等式；

$z_1+\frac{p_1}{\mathrm{g\ρ}}+\frac{{\mathrm{\α}}_1{V_1}^2}{2g}=z_2+\frac{p_2}{\mathrm{g\ρ}}+\frac{{\mathrm{\α}}_2{V_2}^2}{2g}+h_w---\left(1\right)$

h_f1+h_f2+h_f3=h_f0    （2）

将公式谢齐系数和曼宁公式

代入式（2），其中λ为阻滞系数，n为粗糙系数，与管壁的凸起物、粗糙程度有关，假设旁路管道与总管道采用同一材料，则n值相同，得出关系表达式（3）

$\frac{L_1{Q_x}^2}{{D_1}^{16/3}}+\frac{L_2{Q_x}^2}{{D_2}^{16/3}}+\frac{L_3{Q_x}^2}{{D_3}^{16/3}}=\frac{L_0{Q_0}^2}{{D_0}^{16/3}}---\left(3\right)$

设定 $\left\{\begin{array}{c}{L}_1=L_3=a{L}_2\\ D_1=D_3=b{D}_2\end{array}\right.,$ 式中a、b表示比例系数，代入式（3），得出：

$(2\mathrm{\δ}-\frac{2}{b^{16/3}})a=1-\mathrm{\δ}---\left(4\right)$

其中

若使旁路管道尺寸设计达到最小，即a和b的值最小，则应选取最大的δ值；

为求得旁路管道的几何尺寸，综合考虑以下几点：（1）根据现场实际测试环境的不同，选取相应型号的涡轮流量计，获得涡轮流量计的公称通径的大小；（2）结合实际情况，a和b的值均应大于0；（3）涡轮流量计在安装使用时，要求上、下游侧应分别有与涡轮流量计相同公称通径的长度不少于20DN和5DN的直管段；

将以上三个条件代入公式（4）中，即得出旁路管道的几何尺寸；

步骤三：涡轮流量计的安装

在确定涡轮流量计型号和旁路管道的尺寸后，将涡轮流量计安装至旁路管道内，安装过程中应保证流量计轴线应与管道轴线同心，流向一致，且确保管道内壁光滑清洁，无明显的凹痕、积垢和起皮缺陷，当流体中含有杂质时，应加装过滤器，保证涡轮流量计在使用过程中的测量精度；

步骤四：方法性能评估

在通过理论建模与仿真分析相结合的基础上，初步建立旁路管道流量和总管道流量间的函数关系，然后进行大量的实测工作，作好各项参数的统计和记录，通过实际测试的结果修正理论建立的模型，以确保该测试方法精度要求和实现对大口径流量计的在线校准。

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