CN103292848A - 圆形截面管道内流体差压式流量测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于过程参数检测技术领域的一种圆形截面管道内流体差压式流量测量装置及测量方法。该装置由在一次装置两端连接被测管道，压差发生器焊接在一次装置内壁，在压差发生器通过引压管经三阀组接到差压变送器，两台差压变送器、两路I/V转换器、两路A/D转换器及微机控制与信号处理系统依次连接构成。本测量装置将流量测量范围分成两段量程，分别按GB/T2624.1-2006“要求安装在圆形截面管道中，作为彼此独立的流量测量装置”；采用两台差压变送器测量同一个“一次装置”的输出差压，由微机控制与信号处理系统根据当前工作差压的示值，确定是否切换工作差压变送器；本发明将流量测量的量程比由4：1扩展到了12：1。

Description

圆形截面管道内流体差压式流量测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于过程检测技术领域，特别涉及一种圆形截面管道内流体差压式流量测量装置及测量方法。

技术背景

流量是工业过程检测的主要参数之一，与设备的安全性及运行的经济性直接相关。在现有的速度式流量测量方法中，诸如涡轮流量计、电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计以及皮托管、阿纽巴管等流量检测装置，其输出信号与输入信号之间的对应关系，均需实液标定，即在投运前，用实验的方法建立输出信号与被测流体流量之间的函数关系。这就导致这些仪表的使用受到一定程度的制约。

在文献《GB/T2624.1-2006ISO5161-1：2003》中的“用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量”，给出了用标准孔板、标准喷嘴（包括长颈喷嘴和文丘里喷嘴）、经典文丘里管（即GB/T2624.1-2006中所称“一次装置”，包括取压装置）测量流量的方法，GB/T2624.1-2006是建立在大量试验数据基础之上完善的方法，按照GB/T2624.1-2006设计流量测量装置，“一次装置”的流出系数、输入的流量信号与输出的差压信号的对应关系以及其不确定度可以直接计算确定，免去了繁复的实液标定。由于具有上述特性，使得该类装置在流量测量领域的使用更加方便和普及。这类流量测量装置的“一次装置”输出差压Δp与管流流量q_m之间关系由（1）式表征：

$q_m=\frac{C}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\·\frac{\mathrm{\π}}{4}\·\mathrm{\ϵ}{\·d}^2\sqrt{2\mathrm{\Δp}{\mathrm{\ρ}}_1}---\left(1\right)$

（1）式中，C：“一次装置”的流出系数

ε：被测流体的可膨胀系数

d：“一次装置”的开孔直径

D：被测管道的内径

β：“一次装置”的开孔直径比，即

从（1）式可知，流体的流量q_m与“一次装置”输出差压Δp的平方根成正比。用差压变送器实现对Δp进行测量，差压变送器将差压Δp线性地转换成直流电流信号，Δp从0～Δp_max对应q_m从0～q_mmax，q_mmax是流量的测量的上限值。差压变送器将输入的差压Δp从0～Δp_max成正比地转化成4～20mADC电流。在差压变送器的精度等级确定后，Δp测量的允许误差δ_yu与差压变送器的量程有关。当流量q_m较小时，流体流动引起的“一次装置”输出差压Δp也较小，在Δp较小时所包含的允许误差δ_yu开方后被放大，使得与之对应的q_m测量值的精度受到影响；为保证流量q_m测量的准确性，当某一流量q_mmin对应“一次装置”输出差压Δp_min加上Δp测量的允许误差δ_yu开方后的引用误差

大于设定的q_m的测量相对允许误差γ_yu时，对流量q_m的测量失效，在低压测量管段内差压测量的允许误差

与信号差压Δp的比值

过大，γ为仪表的精度等级，而使整套系统的相对测量误差过大，导致流量测量准确度不高。即当流量q_m小于q_mmin时的流量测量值因超出设定的允许误差而不具有效性，此时的q_mmax：q_mmin称为量程比，流量测量的量程A=q_mmax-q_mmin；对于GB/T2624.1-2006q_mmax：q_mmin至多为4：1。故用按GB/T2624.1-2006“用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量”设计出的流量测量装置量程比小。

发明内容

本发明的目的是提供一种圆形截面管道内流体差压式流量测量装置及测量方法，由“一次装置”、引压管路、手动三阀组、两个常闭电磁阀、一个常开电磁阀、两台差压变送器、两路I/V转换器、两路A/D转换器及微机控制与信号处理系统组成，其特征在于，在一次装置2两端连接被测管道1，压差发生器3焊接在一次装置2内壁，在压差发生器3的P+端焊接正压侧引压管4，在压差发生器3的P-端焊接负压侧引压管5，正、负压侧引压管的一路经三阀组接到DP₂差压变送器12的正负压室；一路经正压侧电磁阀9（常闭）、负压侧电磁阀10（常闭）、平衡电磁阀13（常开）接到DP₁差压变送器13的正负压室；正压侧电磁阀9和负压侧电磁阀10分别与微机控制与信号处理系统16连接，与正压侧电磁阀9连接的平衡电磁阀11跨接在DP₁差压变送器13两边；DP₁差压变送器13通过第14I/V转换器、第15A/D转换器与微机控制与信号处理系统16连接，DP₂差压变送器12通过第18I/V转换器、第19A/D转换器与微机控制与信号处理系统16连接，微机控制与信号处理系统16与显示器17连接。

所述三阀组为手动平衡阀8两端分别手动正压阀6、手动负压阀7连接，两个公共节点再连接在DP₁差压变送器13两边。

一种圆形截面管道内流体差压式流量测量方法，其特征在于，包括：

1）将流量测量范围0～q_mmax分成

两段量程，分别按GB/T2624.1-2006“要求安装在圆形截面管道中，作为彼此独立的流量测量装置；

2）用DP₁差压变送器和DP₂差压变送器两台差压变送器测量同一个“一次装置”的输出差压，微机控制与信号处理系统根据当前工作差压的示值，确定是否切换工作差压变送器；

3）按

两段量程分别独立测量：第一段流量测量范围

对应“一次装置”的输出差压

由差压变送器DP₁测量；第二段流量测量范围

对应“一次装置”输出的差压为

经过引压管路将Δp引入DP₂差压变送器的正负压室；流量测量第一段与第二段有量程重合段

其目的是使变送器切换过程判定逻辑合理，避免电磁阀频繁切换导致设备损坏。

所述在

两段量程内的流体因雷诺数Re_D不同，导致了同一“一次装置”的流出系数C不同，在相应的量程内，流量测量装置根据当前工作差压变送器的输出电流值，由微机控制与信号处理系统按当前工作差压变送器选择与之相对应测流出系数C。

本发明的有益效果是：

1．提供了一种按GB/T2624.1-2006设计出量程比高于4：1的流量测量装置的方法。

2．提供了一种按GB/T2624.1-2006“用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量”设计的流量测量装置，具有大于4：1的量程比

3.提供了一种用差压装置测量流量的解决方案，与现有技术相比，除具有GB/T2624.1-2006完全相同的可靠性准确性之外，本流量测量装置量程比明显高于4：1；在流量测量精度满足GB/T2624.1-2006要求的条件下，将流量测量的量程比由4：1扩展到了12：1。

附图说明

图1是圆形截面管道内流体差压式流量测量装置的原理框图。

具体实施方式

本发明提供一种圆形截面管道内流体差压式流量测量装置及测量方法。下面由最佳实施例结合附图进一步说明。

如图1所示，被测管道1内的流体流经“一次装置”2，在差压发生装置3前后产生的差压Δp=p₊-p_-，由正压侧引压管4、负压侧引压管5引出后分成两路：一路是经由三阀组即手动正压阀6、手动负压阀7、手动平衡阀8，接入DP₂差压变送器12的正负压室；另一路由正压侧电磁阀（常闭）9、负压侧电磁阀（常闭）10、平衡电磁阀（常开）11，接入DP₁差压变送器13。设管道流体流量实际变化范围是0～q_mmax，将量程分成

两段，选定一次装置的形式后，在雷诺数满足规定要求的前提下，按GB/T2624.1-2006给出的方法设计出量程段为

对应的ε、β、C，其中 $\mathrm{\β}=\frac{d}{D}.$ 由 ${\left(\frac{{q_m}_1}{{q_m}_2}\right)}^2=\frac{{\mathrm{\Δp}}_1}{{\mathrm{\Δp}}_2}$ 可知，

对应“一次装置”的输出差压为

由正压侧引压管4、负压侧引压管5经手动三阀组接入DP₂差压变送器12，DP₂的量程定为0～Δp_max，则对应“一次装置”的

差压范围，DP₂输出电流相应为5～20mADC；根据上述方法设计出的“一次装置”β，

设工质温度压力不变，在

测量段，DP₂差压变送器器12输出的电流信号I₂<5mADC时，信号处理系统将其视为小信号切除，显示系统不显示

工况以下所对应的流量。

在流量范围内，用DP₁差压变送器13测量低流量时即

时“一次装置”输出的差压。DP₁的量程可设为对应输出电流I₁，I₁的变化范围4～20mADC。同时注意到，低流量下，管内流体的雷诺数Re_D发生了变化

${\mathrm{Re}}_D=\frac{D\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{v}}{\mathrm{\&upsi;}}=\frac{{4q}_m}{\mathrm{\&pi;\&mu;D}}---\left(2\right)$

（2）式中的υ流体的运动粘度μ流体的动力粘度，ρ流体的密度。

“一次装置”的流出系数C与雷诺数有关，由于“一次装置”的形式已选定，流束可膨胀系数ε、开孔直径比及其在

下的流出系数C已按GB/T2624.1-2006的规定计算得出，且

无法更改，故在小流量工况如

范围内，取

$q_m=\frac{1}{2}(\frac{1}{3}{q}_{m\max }-0)=\frac{1}{6}{q}_{m\max }$

对应的

表征的雷诺数Re_D′，

及代入GB/T2624-2006给出的相应的经验公式，求得小流量工况下的流出系数C′及流体的可膨胀系数ε′，由公式

$q_m^{\&prime;}=\frac{C^{\&prime;}}{\sqrt{1-{\mathrm{\&beta;}}^4}}{\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{d}^2\sqrt{2{\mathrm{\&Delta;p\&rho;}}_1}---\left(3\right)$

表征流量变化范围内管流流量q′_m与“一次装置”输出差压Δp之间的函数关系，其中满足GB/T2624-200规定精度要求的范围是

当流量在

之间时，流体流动引起的“一次装置”输出的差压由DP₁转化成电流I₁，此时，I₁<5mADC被认为是

量程范围内的小信号被信号处理系统切除。

因此DP₁差压变送器13的差压量程为

差压对应的管流流量

本装置流量测量下限是 $\frac{1}{4}\left(\frac{1}{3}{q}_{\mathrm{m\; mqx}}\right)=\frac{1}{12}{q}_{m\max },$ 量程比为 $1:\frac{1}{12}=12:1.$

本发明的微机控制与信号处理系统从DP₂差压变送器12数据输入通道接收的模拟电压值低于某一设定值（如U≤1.25VDC）时，指令系统发出顺序控制信号，使DP₁差压变送器13正压侧电磁阀9（常闭）打开，平衡电磁阀11（常开）关断，DP₂差压变送器12负压侧电磁阀10（常闭）打开，将小流量测量范围对应的差压变送器13DP₁投入到测量状态，输出电流I₁经I/V转换器14转化为1-5VDC信号，再经A/D转换器15转换成相应的数字量，微机控制与信号处理系统16根据公式（3）计算出差压对应的流量q_m值，显示器17显示流量值。

当差压变送器13DP₁的输出电流I₁=20mADC时，与之对应的I/V转换器14输出电压为V₁=5VDC时，A/D转换器15转化成的数字量由微机控制与信号处理系统16读取后判断出此时的流量q_m已达到差压变送器13DP₁测量的差压上限，微机系统发出下列顺序控制指令：关闭差压变送器13DP₁的正压侧电磁阀9（常闭），关闭差压变送器13DP₁负压侧电磁阀10（常闭），开启差压变送器13DP₁平衡电磁阀11，差压变送器13DP₁输出电流I₁变为4mADC，微机控制与信号处理系统停止从DP₁差压变送器13对应的信号输入通道读取数据，转向从与DP₂差压变送器12相应的数据输入通道读取数据，按公式（1）求得当前时刻流体流量q_m。

本发明在流量测量精度满足GB/T2624.1-2006要求的条件下，将流量测量的量程比由4：1扩展到了12：1。

Claims (4)

1.一种圆形截面管道内流体差压式流量测量装置，由“一次装置”、引压管路、手动三阀组、两个常闭电磁阀、一个常开电磁阀、两台差压变送器、两路I/V转换器、两路A/D转换器及微机控制与信号处理系统组成，其特征在于，在一次装置2两端连接被测管道1，压差发生器3焊接在一次装置2内壁，在压差发生器3的P+端焊接正压侧引压管4，在压差发生器3的P-端焊接负压侧引压管5，正、负压侧引压管的一路经三阀组接到DP₂差压变送器12的正负压室；一路经正压侧电磁阀9（常闭）、负压侧电磁阀10（常闭）、平衡电磁阀13（常开）接到DP₁差压变送器13的正负压室；正压侧电磁阀9和负压侧电磁阀10分别与微机控制与信号处理系统16连接，与正压侧电磁阀9连接的平衡电磁阀11跨接在DP₁差压变送器13两边；DP₁差压变送器13通过第14I/V转换器、第15A/D转换器与微机控制与信号处理系统16连接，DP₂差压变送器12通过第18I/V转换器、第19A/D转换器与微机控制与信号处理系统16连接，微机控制与信号处理系统16与显示器17连接。

2.根据权利要求1所述圆形截面管道内流体差压式流量测量装置，其特征在于，所述三阀组为手动平衡阀8两端分别手动正压阀6、手动负压阀7连接，两个公共节点再连接在DP₁差压变送器13两边。

3.一种圆形截面管道内流体差压式流量测量方法，其特征在于，包括：

1）将流量测量范围0～q_mmax分成

两段量程，分别按GB/T2624.1-2006“要求安装在圆形截面管道中，作为彼此独立的流量测量装置；

2）用DP₁差压变送器和DP₂差压变送器两台差压变送器测量同一个“一次装置”的输出差压，微机控制与信号处理系统根据当前工作差压的示值，确定是否切换工作差压变送器；

3）按

两段量程分别独立测量：第一段流量测量范围对应“一次装置”的输出差压

由差压变送器DP₁测量；第二段流量测量范围

对应“一次装置”输出的差压为经过引压管路将Δp引入DP₂差压变送器的正负压室；流量测量第一段与第二段有量程重合段

其目的是使变送器切换过程判定逻辑合理，避免电磁阀频繁切换导致设备损坏。

4.根据权利要求3所述圆形截面管道内流体差压式流量测量方法，其特征在于，其特征在于，所述在

两段量程内的流体因雷诺数Re_D不同，导致了同一“一次装置”的流出系数C不同，在相应的量程内，流量测量装置根据当前工作差压变送器的输出电流值，由微机控制与信号处理系统按当前工作差压变送器选择与之相对应测流出系数C。

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