CN105675066A - 流量测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种流量测量装置，包括水泵、压差传感器以及数据处理器；所述压差传感器的高度高于所述水泵的进水口和出水口的高度；所述压差传感器用于获取所述水泵的进水口和出水口处的压差信号，并将获取的压差信号发送至所述数据处理器；通过设置的压差传感器的高度高于水泵的进出口的高度，水中的泥沙等杂质由于重力作用不容易进入到压差传感器中，避免了水中的杂质对测量装置的影响，从而提高测量精度。所述数据处理器用于根据接收的压差信号以及映射关系确定所述水泵的流量数据，所述映射关系为流量和压差之间的对应关系，这样测得的流量数据误差小，并且计算速度快。

Description

流量测量方法及装置

技术领域

本发明涉及流体测量技术领域，尤其涉及一种流量测量方法及装置。

背景技术

地下水超采问题已经严重影响了社会发展和生态文明建设。随着地下水储量减少，区域供水安全得不到有效地保障。另外，一些地区由于长期超采地下水，引发了一系列生态环境问题。尤其是在华北地区，由于多年的地下水超采，华北平原已经成为世界上最大的“漏斗区”，其中最大的一个漏斗面积达8800多平方公里。这严重制约了我国东部地区经济、生态的可持续发展。可见，在开采地下水时，及时检测开采的流量(也就是通过水泵的流量)则显得格外重要。

一般情况下，测量水泵流量的主要仪器有节流式流量计、电磁流量计、涡轮流量计等。地下水中常常含有较多泥沙或污垢，如果采用上述流量计容易在电极上积聚污垢，甚至损坏流量计内部元器件，影响流量计精确度。并且，以上流量计价格昂贵，不利于广泛使用。

因此，提供一种测量精度高、成本低的流量测试装置的急需解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种测量精度高、成本低的流量测试装置。

(二)技术方案

第一方面，为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种流量测量装置，包括水泵、压差传感器以及数据处理器；

所述压差传感器的高度高于所述水泵的进水口和出水口的高度；

所述压差传感器，用于获取所述水泵的进水口和出水口处的压差信号，并将获取的压差信号发送至所述数据处理器；

所述数据处理器，用于接收压差传感器发送的压差信号，并根据接收的压差信号以及映射关系确定所述水泵的流量数据，所述映射关系为流量和压差之间的对应关系。

优选地，所述装置还包括与所述数据处理器相连的显示器：

所述显示器，用于将所述水泵的流量数据进行显示。

优选地，所述装置还包括与所述数据处理器相连的数据发送器；

所述数据发送器还用于将所述水泵的流量数据发送至预设终端。

优选地，所述装置还包括进水管和出水管；

所述进水管和所述水泵的进水口相连，所述出水管和所述水泵的出水口相连；

所述压差传感器的第一输入端和所述进水管靠近所述水泵的进水口的一端相连；

所述压差传感器的第二输入端和所述出水管靠近所述水泵的出水口的一端相连。

第二方面，为解决上述技术问题，本发明的技术方案还提供了一种基于上述装置的流量测量方法，其特征在于，所述方法包括：

压差传感器获取水泵的进水口和出水口处的压差信号，并将获取的压差信号发送至数据处理器；

所述数据处理器接收压差传感器发送的压差信号，并根据接收的压差信号以及映射关系确定所述水泵的流量数据，所述映射关系为流量数据和压差信号之间的对应关系。

优选地，所述方法还包括：

显示器将所述水泵的流量数据进行显示。

优选地，所述方法还包括：

所述数据发送器将所述水泵的流量数据发送至预设终端。

优选地，所述数据处理器接收压差传感器发送的压差信号，并根据接收的压差信号以及映射关系确定所述水泵的流量数据，所述映射关系为流量数据和压差信号之间的对应关系包括：

所述数据处理器接收压差传感器发送的压差信号并根据所述压差信号得到所述水泵的进水口和出水口处的压差值；

所述数据处理器根据所述水泵的流量-扬程曲线得到所述水泵的流量-压差曲线；

所述数据处理器根据所述水泵的进水口和出水口处的压差值以及所述水泵的流量-压差曲线得到所述水泵的流量数据。

优选地，所述数据处理器根据所述水泵的流量-扬程曲线得到所述水泵的流量-压差曲线，包括：

所述数据处理器根据所述水泵的流量-扬程曲线得到n组流量值以及每个流量值对应的压差值；

将所述n组流量值以及每个流量值对应的压差值拟合成曲线，得到所述水泵的流量-压差曲线。

优选地，所述数据处理器根据所述水泵的进水口和出水口处的压差值以及所述水泵的流量-压差曲线得到所述水泵的流量数据，包括：

所述数据处理器根据所述水泵的进水口和出水口处的压差值以及所述水泵的流量-压差曲线得到所述水泵的当前流量，并记录所述水泵的当前流量；

绘制所述水泵的流量-时间曲线；

根据所述水泵的流量-时间曲线得到预设时间段内的积累流量；

所述流量数据包括所述水泵的当前流量以及预设时间段内的积累流量。

(三)有益效果

本发明提供的流量测量装置，包括水泵、压差传感器以及数据处理器，通过设置的压差传感器的高度高于水泵的进出口的高度，水中的泥沙等杂质由于重力作用不容易进入到压差传感器中，避免了水中的杂质对测量装置的影响，从而提高测量精度，并且，数据处理器通过压差传感器测得的压差信号以及映射关系确定水泵的流量数据，这种测量方法误差小，计算速度快。

附图说明

图1是本发明实施方式提供的一种流量测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施方式提供的一种流量测量方法的示意图；

图3是本发明实施方式提供的另一种流量测量方法的示意图；

图4是本发明实施方式提供的另一种流量测量方法的示意图；

图5是本发明实施方式提供的离心泵的流量-扬程曲线的示意图；

图6是本发明实施方式提供的离心泵的流量-压差的拟合曲线；

图7是本发明实施方式提供的离心泵的流量-时间曲线；

其中，101：水泵；102：压差传感器；103：数据处理器；104：显示器；105：进水管；106：出水管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明实施方式提供的一种流量测量装置的结构示意图，包括水泵101、压差传感器102以及数据处理器103；

所述压差传感器102的高度高于所述水泵101的进水口和出水口的高度；

所述压差传感器102用于获取所述水泵101的进水口和出水口处的压差信号，并将获取的压差信号发送至所述数据处理器103；

所述数据处理器103，用于接收压差传感器102发送的压差信号，并根据接收的压差信号以及映射关系确定所述水泵的流量数据，所述映射关系为流量和压差之间的对应关系。

本实施方式提供的流量测量装置，通过设置的压差传感器的高度高于水泵的进出口的高度，水中的泥沙等杂质由于重力作用不容易进入到压差传感器中，避免了水中的杂质对测量装置的影响，从而提高测量精度，并且，数据处理器通过压差传感器测得的压差信号以及映射关系确定水泵的流量数据，这种测量方法误差小，计算速度快。

在具体实施时，上述压差传感器可以通过导线和上述数据处理器相连，从而通过有线的方式将压差信号发送给数据处理器，也可以通过无线的方式将压差信号发送给数据处理器。

在具体实施时，上述水泵可以为离心泵、轴流泵、混流泵等。

在具体实施时，上述压差传感器获取的压差信号可以为一个4-20mA的电流信号，可以通过设置一个标准电阻和上述压差传感器串联，通过测量标准电阻两端的电压值以及已知的标准电阻的电阻值得到该电流信号的值，该标准电阻的阻值优选为250Ω。

数据处理器可以根据所述压差传感器的电流信号的值以及该压差传感器的压差和电流信号的关系得到该水泵的进水口和出水口处的压差值。

在实际应用时，也可以通过电流计直接测量压差传感器的电流信号的值，但是这种测量方式得到的结果不如采用标准电阻间接测量的结果准确。

优选地，所述装置还可以包括与所述数据处理器103相连的显示器104：

所述显示器104，用于将所述水泵101的流量数据进行显示。

这样的好处是，可以通过显示器获得水泵当前的流量以及积累流量，可以对水泵进行实时控制。

优选地，所述装置还可以包括图中未示出的数据发送器，该数据发送器与所述数据处理器103相连；

所述数据发送器还用于将所述水泵101的流量数据发送至预设终端。

通过数据发送器可以将水泵的流量数据发送至预设终端，可以实现对水泵流量的远程监测。

在具体实施时，该数据发送器可以是无线发送装置。

在实际应用中，上述预设终端可以为手机、电脑、平板等终端。

优选地，所述装置还可以包括进水管105和出水管106；

所述压差传感器的第一输入端和所述进水管105靠近所述水泵的进水口的一端相连；

所述压差传感器的第二输入端和所述出水管106靠近所述水泵的出水口的一端相连。

在实际应用中，如果上述进水管或出水管为水平放置，则上述压差传感器和进水管或出水管连接的位置设置在水管比较高的位置处，从而进一步防止泥沙进入到压差传感器中。

本实施方式提供的流量测量装置，通过设置的压差传感器的高度高于水泵的进出口的高度，水中的泥沙等杂质由于重力作用不容易进入到压差传感器中，避免了水中的杂质对测量装置的影响，从而提高测量精度，并且，数据处理器通过压差传感器测得的压差信号以及映射关系确定水泵的流量数据，这种测量方法误差小，计算速度快。

参照图2，本发明还提供了一种流量测量方法，应用于上述装置，所述方法包括：

S21：压差传感器获取水泵的进水口和出水口处的压差信号，并将获取的压差信号发送至数据处理器；

S22：所述数据处理器接收压差传感器发送的压差信号，并根据接收的压差信号以及映射关系确定所述水泵的流量数据，所述映射关系为流量数据和压差信号之间的对应关系。

本实施方式提供的一种流量测量方法，通过数据处理器根据压差传感器获取的压差信号以及该水泵的流量和压差的关系得到该水泵的流量数据，测量精度高、成本低。

优选地，该方法还可以包括：

显示器将所述水泵的流量数据进行显示。

优选地，该方法还可以包括：

所述数据发送器将所述水泵的流量数据发送至预设终端。

通过数据发送器将水泵的流量数据发送至预设终端，可以实现对水泵流量的远程监测。

优选地，上述步骤S22,可以具体包括：

S221：所述数据处理器接收压差传感器发送的压差信号并根据所述压差信号得到所述水泵的进水口和出水口处的压差值；

S222：所述数据处理器根据所述水泵的流量-扬程曲线得到所述水泵的流量-压差曲线；

S223：所述数据处理器根据所述水泵的进水口和出水口处的压差值以及所述水泵的流量-压差曲线得到所述水泵的流量数据。

这样的好处是，数据处理器通过水泵的流量-扬程曲线得到水泵的流量-压差曲线，再结合水泵的进水口和出水口的压差值得到水泵的流量数据，采用这种方式得到的数据结果准确、测量精度高。

在具体实施时，上述压差传感器获取到的水泵进水口和出水口的压差信号为一个4-20mA的电流信号，可以通过设置一个标准电阻和上述压差传感器串联，通过测量标准电阻两端的电压值以及已知的标准电阻的电阻值得到该电流信号的值；在实际应用中，可以使用基于Android系统的电压测量器测量标准电阻两端的电压值，也可以将上述数据处理器集成于该Android系统中，方便数据处理，以及将数据处理后得到的流量数据发送给同样是Android系统的远程数据接收器，避免了不同系统之间数据的转换过程，传输速度快。

数据处理器可以根据所述压差传感器的电流信号的值以及该压差传感器的压差和电流信号的关系得到该水泵的进水口和出水口处的压差值。

在实际应用时，也可以通过电流计直接测量压差传感器的电流信号的值，但是这种测量方式得到的结果不如采用标准电阻间接测量的结果准确。

优选地，上述步骤S222可以包括：

所述数据处理器根据所述水泵的流量-扬程曲线得到n组流量值以及每个流量值对应的压差值；

将所述n组流量值以及每个流量值对应的压差值拟合成曲线，得到所述水泵的流量-压差曲线。

举例来说，在实际应用中，上述数据处理器根据所述流量-扬程曲线得到n组流量值以及每个流量值对应的压差值，具体包括：

在流量-扬程曲线上取n个点，根据公式(1)得到每一个点的流量值和扬程值；

$H=\frac{\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{V_2^2-V_1^2}{2g}+(Z_2-Z_1)---\left(1\right)$

其中，H是该泵的扬程，单位：m；△P是泵进出口压差，△P＝P₂-P₁，单位：Pa；ρ是液体的密度，单位：kg/m³；Z₁和Z₂分别是该离心泵进口高度和出口高度，单位：m。

水泵进出口流速的计算公式：

$\begin{array}{c}{V}_1=\frac{4Q}{{{\mathrm{\πD}}_1}^2}\\ V_2=\frac{4Q}{{{\mathrm{\πD}}_2}^2}\end{array}---\left(2\right)$

其中，Q是流量值，单位：m³/s；D₁和D₂分别是离心泵进口管径和出口管径，单位：m。

将(2)式代入(1)式，得：

$H=\frac{\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\ρ}g}+Q^2(\frac{16}{{\mathrm{\π}}^2{D_2}^4}-\frac{16}{{\mathrm{\π}}^2{D_1}^4})/2g+(Z_2-Z_1)---\left(3\right)$

经变形得到：

$\mathrm{\Δ}P=\mathrm{\ρ}gH-\frac{8{\mathrm{\ρQ}}^2}{{\mathrm{\π}}^2}(\frac{1}{D_2^4}-\frac{1}{D_1^4})-\mathrm{\ρ}g(Z_2-Z_1)---\left(4\right)$

根据公式(4)得到每一个流量值对应的压差值△P。

在具体实施时，可以利用最小二乘法将n组流量值和压差值拟合成曲线，得到流量-压差曲线。

采用最小二乘法对曲线进行拟合，精确度高，可以尽量减小误差。

优选地，上述步骤S223可以包括：

所述数据处理器根据所述水泵的进水口和出水口处的压差值以及所述水泵的流量-压差曲线得到所述水泵的当前流量，并记录所述水泵的当前流量；

绘制所述水泵的流量-时间曲线；

根据所述水泵的流量-时间曲线得到预设时间段内的积累流量；

所述流量数据包括所述水泵的当前流量以及预设时间段内的积累流量。

本实施方式提供的一种流量测量方法，通过水泵的流量-扬程曲线得到水泵的流量-压差曲线，再结合水泵的进水口和出水口的压差值可以得到水泵的流量数据，测量精度高、成本低。并且，通过记录水泵的流量，并绘制水泵的流量-时间曲线，计算水泵的积累流量，可以实现自动化收集流量数据，此外，通过显示器显示水泵的流量数据或者将水泵的流量数据发送至远程数据接收器，从而实现对水泵流量的实时监控。

参照图4，以4BA-8型号的单级单吸悬臂式离心泵为例，结合上述方法对数据处理器的数据处理过程作进一步详细描述。

步骤S301：数据处理器获取该离心泵的流量-扬程曲线；

参照图1，连接好装置，4BA-8型号的单级单吸悬臂式离心泵的流量扬程值，见表1。进水口直径0.100m，出水口直径0.080m。

表14BA-8型号的单级单吸悬臂式离心泵的流量-扬程数值

根据表1，绘制出该离心泵的流量-扬程曲线，如图5所示。

步骤S302：数据处理器根据该离心泵的流量-扬程曲线得到该离心泵的流量-压差曲线；

扬程的计算公式为：

$H=\frac{\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{V_2^2-V_1^2}{2g}+(Z_2-Z_1)---\left(1\right)$

其中，H是该泵的扬程，单位：m；△P是泵进出口压差，△P＝P₂-P₁，单位：Pa；ρ是液体的密度，单位：kg/m³；Z₁和Z₂分别是该离心泵进口高度和出口高度，单位：m。

离心泵进出口流速的计算公式：

$\begin{array}{c}{V}_1=\frac{4Q}{{{\mathrm{\πD}}_1}^2}\\ V_2=\frac{4Q}{{{\mathrm{\πD}}_2}^2}\end{array}---\left(2\right)$

其中，Q是流量值，单位：m³/s；D₁和D₂分别是离心泵进口管径和出口管径，单位：m。

将(2)式代入(1)式，得：

$H=\frac{\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\ρ}g}+Q^2(\frac{16}{{\mathrm{\π}}^2{D_2}^4}-\frac{16}{{\mathrm{\π}}^2{D_1}^4})/2g+(Z_2-Z_1)---\left(3\right)$

经变形得到：

$\mathrm{\Δ}P=\mathrm{\ρ}gH-\frac{8{\mathrm{\ρQ}}^2}{{\mathrm{\π}}^2}(\frac{1}{D_2^4}-\frac{1}{D_1^4})-\mathrm{\ρ}g(Z_2-Z_1)---\left(4\right)$

然后运用公式(4)计算出上述每个流量情况下的压差值△P，计算结果见表2。

表24BA-8型号的单级单吸悬臂式离心泵的流量-压差数值

然后运用最小二乘法对流量和压差的数据拟合曲线，如图6所示。

该流量-压差曲线的表达式为：

ΔP＝-0.0043Q³-0.0437Q²-0.2787Q+627.3211(5)

步骤S303：数据处理器根据压差传感器的压差信号分析得到离心泵进水口和出水口的压差值；

压差传感器的压差信号为4-20mA的标准电流信号，可以通过设置一个标准电阻和上述压差传感器串联，通过测量标准电阻两端的电压值以及已知的标准电阻的电阻值得到该电流信号的值；

数据处理器可以根据所述压差传感器的电流信号的值以及该压差传感器的压差和电流信号的关系得到该离心泵的进水口和出水口处的压差值。

在实际应用时，也可以通过电流计直接测量压差传感器的电流信号的值，但是这种测量方式得到的结果不如采用标准电阻间接测量的结果准确。

步骤S304：数据处理器根据该离心泵的流量-压差曲线和该离心泵的进水口和出水口的压差值得到该离心泵的流量数据，并通过显示器显示该离心泵的流量数据；

根据步骤S303测得的该离心泵进水口和出水口的压差值以及该离心泵的流量-压差曲线计算出对应的流量值Q，即为离心泵流量。例如，测得的压差值△P＝500kPa，则通过计算得出当前流量Q＝27.2718L/s。

数据处理器对每一秒的流量值进行实时记录，绘制出流量随时间变化的曲线，通过对某个时间段的流量进行积分，得出该时间段中所抽取的累积流量，例如，假设通过以上方法测量出0～10s内的流量值如表3所示。

表30-10s内实时测量的流量值

可以得到流量随时间变化的曲线，如图7所示，并对该曲线在0-10s内进行积分，易得Q_积累＝255.2L，则说明在这段时间内累积有255.2L水被抽出。

步骤S305：数据处理器将所述水泵的流量数据发送至所述远程数据接收器。

该流量数据包括该离心泵的当前流量以及预设时间段内的积累流量。

这样可以对该离心泵的流量进行远程监控。

本实施方式提供的一种流量测量方法，通过水泵的流量-扬程曲线得到水泵的流量-压差曲线，再结合水泵的进水口和出水口的压差值可以得到水泵的流量数据，测量精度高、成本低。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种流量测量装置，其特征在于，包括水泵、压差传感器以及数据处理器；

所述压差传感器的高度高于所述水泵的进水口和出水口的高度；

所述压差传感器，用于获取所述水泵的进水口和出水口处的压差信号，并将获取的压差信号发送至所述数据处理器；

所述数据处理器，用于接收压差传感器发送的压差信号，并根据接收的压差信号以及映射关系确定所述水泵的流量数据，所述映射关系为流量和压差之间的对应关系。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述数据处理器相连的显示器：

所述显示器，用于将所述水泵的流量数据进行显示。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述数据处理器相连的数据发送器；

所述数据发送器还用于将所述水泵的流量数据发送至预设终端。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括进水管和出水管；

所述进水管和所述水泵的进水口相连，所述出水管和所述水泵的出水口相连；

所述压差传感器的第一输入端和所述进水管靠近所述水泵的进水口的一端相连；

所述压差传感器的第二输入端和所述出水管靠近所述水泵的出水口的一端相连。

5.一种基于权利要求1-4中任一项所述的装置的流量测量方法，其特征在于，所述方法包括：

压差传感器获取水泵的进水口和出水口处的压差信号，并将获取的压差信号发送至数据处理器；

所述数据处理器接收压差传感器发送的压差信号，并根据接收的压差信号以及映射关系确定所述水泵的流量数据，所述映射关系为流量数据和压差信号之间的对应关系。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

显示器将所述水泵的流量数据进行显示。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

数据发送器将所述水泵的流量数据发送至预设终端。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述数据处理器接收压差传感器发送的压差信号，并根据接收的压差信号以及映射关系确定所述水泵的流量数据，所述映射关系为流量数据和压差信号之间的对应关系包括：

所述数据处理器接收压差传感器发送的压差信号并根据所述压差信号得到所述水泵的进水口和出水口处的压差值；

所述数据处理器根据所述水泵的流量-扬程曲线得到所述水泵的流量-压差曲线；

所述数据处理器根据所述水泵的进水口和出水口处的压差值以及所述水泵的流量-压差曲线得到所述水泵的流量数据。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述数据处理器根据所述水泵的流量-扬程曲线得到所述水泵的流量-压差曲线，包括：

所述数据处理器根据所述水泵的流量-扬程曲线得到n组流量值以及每个流量值对应的压差值；

将所述n组流量值以及每个流量值对应的压差值拟合成曲线，得到所述水泵的流量-压差曲线。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述数据处理器根据所述水泵的进水口和出水口处的压差值以及所述水泵的流量-压差曲线得到所述水泵的流量数据，包括：

所述数据处理器根据所述水泵的进水口和出水口处的压差值以及所述水泵的流量-压差曲线得到所述水泵的当前流量，并记录所述水泵的当前流量；

绘制所述水泵的流量-时间曲线；

根据所述水泵的流量-时间曲线得到预设时间段内的积累流量；

所述流量数据包括所述水泵的当前流量以及预设时间段内的积累流量。