CN106441468B - 一种可实现双向流量测量的文丘里流量计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现双向流量测量的文丘里流量计及其测量方法，稳定管一和稳定管二之间设置有结构相同的前缩管和后扩管，前缩管和后扩管之间设置有喉部，且前缩管和后扩管沿着其连线之间的中心对称设置，并且其端面较大的一端分别与对应的稳定管一或稳定管二连接为整体结构，端面较小的一端分别与喉部连接为整体结构，稳定管一、稳定管二和喉部均设置有测压接管，且测压接管分别与对应的稳定管一、稳定管二或喉部内部连通，测压接管连接有阀组，阀组连接有智能差压变送器。该流量计及方法能够直接用于管道内单相液体或者单相气体的双向流量测量，可实时准确测量双向流量，其结构简单、重复性好、测量精度高、流动压力损失小。

Description

一种可实现双向流量测量的文丘里流量计及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种文丘里流量计，具体涉及一种可实现双向流量测量的文丘里流量计。

背景技术

流量计是工业测量中重要的仪表之一，它被广泛适用于化工、石油、核能、冶金、电力、电子、交通、轻纺、食品等国民经济各个领域，是发展工农业生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具，在国民经济中占有重要的地位。为了适应各种用途，各种类型的流量计相继问世。文丘里管差压式流量计具有结构简单、结构稳定、使用年限长的优点，因此广泛用于单相液体和气体流量的测量。流体在流动过程中，在一定的条件下，流体的动能和静压能可以相互转换，并且利用这种转换关系可以来测量流体的流量。文丘里管就是根据动能和静压能转换关系而研制开发的一种流量测量装置。当流体流经文丘里管的喉部时，流速增加，静压力降低，于是在文丘里管喉颈前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。

现有的文丘里流量计都是单向测量，工业系统中大部分流量测量为单向流量测量。但是也有相当一部分装置需要双向流量测量。例如有些机械装置，工作时往外排水，启动时需要往里灌水，这就要求流量计具有双向流量测量的能力。另外有些工业流体系统容易出现流动不稳定性，尤其是自然循环系统容易流量振荡甚至反向流动。双向流量计对于这些系统的流量测量也是非常重要的。若要测量同一条管线上的双向流量，一般需要并联或者串联两台文丘里流量计，这样的做法一方面生产成本较高，另一方面占用空间较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有在测量同一条管线上的双向流量时需要设置两台以上的流量计，占据空间大而且使得生产成本高，测量结果不准确，提供了一种可实现双向流量测量的文丘里流量计及其测量方法，该流量计及方法能够直接用于管道内单相液体或者单相气体的双向流量测量，可实时准确测量双向流量，其结构简单、重复性好、测量精度高、流动压力损失小。

本发明通过下述技术方案实现：

一种可实现双向流量测量的文丘里流量计，包括用于保持流速稳定的稳定管一和稳定管二，所述稳定管一和稳定管二之间设置有前缩管和后扩管，前缩管和后扩管之间设置有喉部，且前缩管和后扩管沿着其连线之间的中心对称设置，前缩管和后扩管均为结构相同且内部呈圆锥体的管状结构，并且其端面较大的一端分别与对应的稳定管一或稳定管二连接为整体结构，端面较小的一端分别与喉部连接为整体结构，稳定管一、稳定管二和喉部均设置有测压接管，且测压接管分别与对应的稳定管一、稳定管二或喉部内部连通，测压接管连接有阀组，阀组连接有智能差压变送器。流体在流动过程中，在一定的条件下，流体的动能和静压能可以相互转换，并且利用这种转换关系可以来测量流体的流量。文丘里管就是根据动能和静压能转换关系而研制开发的一种流量测量装置。当流体流经文丘里管的喉部时，流速增加，静压力降低，于是在文丘里管喉颈前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。现有的文丘里流量计都是单向测量，工业系统中大部分流量测量为单向流量测量。但是也有相当一部分装置需要双向流量测量。例如有些机械装置，工作时往外排水，启动时需要往里灌水，这就要求流量计具有双向流量测量的能力。另外有些工业流体系统容易出现流动不稳定性，尤其是自然循环系统容易流量振荡甚至反向流动。双向流量计对于这些系统的流量测量也是非常重要的。若要测量同一条管线上的双向流量，一般需要并联或者串联两台文丘里流量计，这样的做法一方面生产成本较高，另一方面占用空间较大。因此发明可测量双向流量的流量计意义显著。本方案设计的能够进行双向测量的流量计，其在测量流量时，反向流量测量管的前缩管可以作为正向流量测量管的后扩管，同样，正向流量测量管的前缩管可以作为反向流量测量管的后扩管。正向流量测量管和反向流量测量管共用一个喉部，实际上是形成了一台文丘里流量计进行双向流量测量，其测量精度高、重复性好、流动压力损失小，用于管道内单相液体或者单相气体的双向流量测量。

阀组优选为五阀组，五阀组分别与对应的测压接管和智能差压变送器连接，主要作用对脉冲管内的流体进行排气、智能差压变送器调零以及隔离差压信号等；在阀组和测压接管之间设置有引压管，引压管分别与对应的阀组和测压接管连接。测压接管为三根，其中两根测压接管中每根各自与对应的稳定管一或稳定管二内部连通，另一根与喉部内部连通，与稳定管一内部连通的测压接管连通引压管、与喉部内部连通的测压接管连通引压管后同时与阀组连通再与智能差压变送器连接；与稳定管二内部连通的测压接管连通引压管、与喉部内部连通的测压接管连通引压管后同时与阀组连通再与智能差压变送器连接。管道的差压信号通过测压接管和脉冲管引入智能压力变送器，测压接管管座焊接在稳定管或喉部上，测压接管出口端外侧加工有外螺纹，用于与压紧螺母连接，便于拆卸。出口端内加工成倒锥形结构，便于与脉动管接头实现锥形密封。脉冲管端头焊接球形结构，通过拧紧压紧螺母，实现脉冲管与测压接管的球面密封，并且可以灵活拆卸。

稳定管一和稳定管二上均套合有接管螺纹法兰，且接管螺纹法兰分别套合在稳定管一或稳定管二远离喉部的一端的外壁上。本方案通过接管螺纹法兰可以与不同管径的管道连接实现流量测量，可现场灵活拆卸。

一种可实现双向流量测量的测量方法，当流体从稳定管一向着稳定管二方向流动时，通过测量该方向流量在稳定管一与喉部的压差即能够计算该方向流动流量，计算公式如下：

其中：

G：质量流量kg/h，

α：流量系数，通过流量计标定获得，

d：喉径，mm，

ρ：流体密度流量kg/m³，

ΔP：压差；

上述过程中的流体经喉部后进入后扩管再进入到稳定管二，通过与稳定管二连接的智能差压变送器测量到稳定管二处的差压信号值A，与稳定管一连接的智能差压变送器测量到稳定管一处的差压信号值B，比较差压信号值A和差压信号值B的大小，A小于B，判定流体是从稳定管一流向稳定管二；

当流体从稳定管二向着稳定管一方向流动时，通过测量该方向流量在稳定管二与喉部的压差即能够计算该方向流动流量，计算公式如下：

其中：

G：质量流量kg/h，

α：流量系数，通过流量计标定获得，

d：喉径，mm，

ρ：流体密度流量kg/m³，

ΔP：压差；

上述过程中的流体经喉部后进入前缩管再进入到稳定管一，通过与稳定管一连接的智能差压变送器测量到稳定管一处的差压信号值C，与稳定管二连接的智能差压变送器测量到稳定管二处的差压信号值D，比较差压信号值C和差压信号值D的大小，C小于D，判定流体是从稳定管二流向稳定管一。

本发明具有结构简单、工艺成熟和成本较低等特点，尤其是当液体或者气体在管道中形成正向和反向流动时，通过将前缩段和后扩段相互利用，且共用喉颈。这样的设计能够实现实时准确测量双向流量，而且能够重复使用，其测量精度大大提高，流动压力损失最小，满足单相液体和气体双向流量测量的需求。此外本发明中的管道可以通过螺纹法兰与不同管径的管道连接，测压管座通过球面密封和压紧螺母实现与测压脉冲管的连接，因此本发明中的管道拆装非常方便。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过在流体双向流动时将前缩段和后扩段相互利用，且共用喉颈，可实时准确测量双向流量；

2、本发明具有结构简单、重复性好、测量精度高、流动压力损失小等特点，满足在核领域以及其它工业领域进行测量的需求；

3、本发明通过螺纹法兰可与不同管径的管道连接实现流量测量，可现场拆卸，从而便于重复使用，降低成本以及扩大使用范围；

4、本发明中设计的测压接管的结构简单，易于与脉冲管实现密封和灵活连接，缩短安装周期。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为引压管和测压管的连接示意图；

图3为阀组的内部结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-稳定管一，2-稳定管二，3-喉部，4-测压接管一，5-测压接管二，6-测压接管三，7-接管螺纹法兰，8-引压管，9-阀组，10-智能差压变送器一，11-智能差压变送器二，13-平衡阀，14-排气阀一，15-排气阀二，16-隔离阀一，17-隔离阀二，18-后扩管，19-前缩管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1、图2、图3所示，一种可实现双向流量测量的文丘里流量计，其可以用于正反向流量同时出现的工业流体系统管道中，目前已成功用于自然循环系统流动不稳定性实验研究中。它包括用于保持流速稳定的稳定管一1和稳定管二2，所述稳定管一1和稳定管二2之间设置有结构相同的前缩管19和后扩管18，前缩管19和后扩管18均为内部呈圆锥体的管状结构，前缩管19和后扩管18之间设置有喉部3，且前缩管19和后扩管18沿着其连线之间的中心对称设置，并且其端面较大的一端分别与对应的稳定管一1或稳定管二2连接为整体结构，端面较小的一端分别与喉部3连接为整体结构，稳定管一1、稳定管二2和喉部3均设置有测压接管，测压接管为三根，依次命名为测压接管一4、测压接管二5和测压接管三6，测压接管一4穿过稳定管一1的外壁且与稳定管一1内部连通，测压接管二5穿过喉部3外壁且与喉部3内部连通，测压接管三6穿过稳定管二2的外壁且与稳定管二2内部连通，智能差压变送器的数量为两个，并依次命名为智能差压变送器一10和智能差压变送器二11，测压接管一4远离稳定管一1的一端连接一根引压管8，并且该引压管8与测压接管二5远离喉部3的一端连通后连接一个五阀组再与智能差压变送器一10连接，测压接管三6远离稳定管二2的一端连接一根引压管8，并且该引压管8与测压接管二5远离喉部3的一端连通后连接一个五阀组再与智能差压变送器二11连接，管道的差压信号通过测压接管和脉冲管引入智能压力变送器。测压接管管座焊接在管道上，测压接管出口端外侧加工有外螺纹，用于与压紧螺母连接，便于拆卸。出口端内加工成倒锥形结构，便于与脉动管接头实现锥形密封。脉冲管端头焊接球形结构，通过拧紧压紧螺母，实现脉冲管与测压接管的球面密封，并且可以灵活拆卸。脉冲管进入智能差压变送器前经过五阀组，五阀组是将五个阀组合连接后，主要作用对脉冲管内的流体进行排气、智能差压变送器调零以及隔离差压信号等。其内部含有排气阀一14、排气阀二15、平衡阀13、隔离阀一16和隔离阀二17，并且均互相连通，如图3所示，排气时，排气阀一14、排气阀二15、平衡阀13、隔离阀一16和隔离阀二17都处于开启状态；排气结束后排气阀一14、排气阀二15关闭；平衡阀13、隔离阀一16和隔离阀二17处于开启状态；智能差压变送器调零状态时排气阀一14、排气阀二15关闭；平衡阀13、隔离阀一16和隔离阀二17处于开启状态；正常工作模式时排气阀一14、排气阀二15、平衡阀13关闭；隔离阀一16和隔离阀二17处于开启状态；在智能差压变送器检修状态时排气阀一14、排气阀二15、平衡阀13、隔离阀一16和隔离阀二17都处于关闭状态；平衡阀13在智能差压变送器调零过程中处于开启状态，信号测量工程中一直处于关闭状态。隔离阀一16和隔离阀二17在信号测量过程中一直处于开启状态，智能差压变送器需要检修或者更换时处于关闭状态。

为了可以与不同管径的管道连接实现流量测量，可现场灵活拆卸，在稳定管一1和稳定管二2上均套合有接管螺纹法兰7，且接管螺纹法兰7分别套合在稳定管一1或稳定管二2远离喉部3的一端的外壁上。

在进行流体的双向流量测量时，如图1所示，当密度为850kg/m³的流体从稳定管一1向着稳定管二2方向流动时，此时将向着该方向流动定义为正向，即图1中从左往右流动定义为正向流动，在正向流量从稳定管一1到前缩管19的流动过程中，流道截面积减小，流速增加，动压逐渐增大，而静压反而不断减小。在喉部3处静压最低，选定此处喉径为30mm，通过流量计标定获得的流量系数为2，通过测量正向流量在稳定管一1与喉部3的压差ΔP为0.578，即能够计算该方向流动流量，

计算公式如下：

其中：

G：质量流量kg/h，

α：流量系数，通过流量计标定获得，

d：喉径，mm，

ρ：流体密度流量kg/m³，

ΔP：压差；

测得该方向流动流量为157.626kg/h。

上述步骤的流体经喉部3后进入后扩管18再进入到稳定管二2，流速逐渐增加到原来的速度，静压也逐渐恢复到最大，但是不能恢复到前缩管19前的静压值，这是所有节流式流量计不可避免的永久性压力损失。本结构的流量计相对其它类型的节流式流量计而言，同等条件下的永久性压力损失小。因为压损的存在，通过与稳定管二2连接的智能差压变送器二11测量到稳定管二2处的差压信号值A为1.20KPA，与稳定管一1连接的智能差压变送器一10测量到稳定管一1处的差压信号值B为13.20KPA，比较差压信号值A和差压信号值B的大小，A小于B，则判定流体是从稳定管一1流向稳定管二2，差压信号进入智能差压变送器一10和智能差压变送器二11，差压值不仅通过显示屏可以实时显示，而且可以传输至数采系统进行实时流量计算。

将密度为850kg/m³的流体从稳定管二2向着稳定管一1方向进行反向流动时，即图1中从右往左流动定义为反向流动，与上述步骤类似，此时流体是先通过后扩管18，前缩管19和后扩管18沿着其连线之间的中心对称设置，流体在此方向流动是与稳定管二2连接的后扩管18起着正向流动时前缩管19的结构和作用，与稳定管一1连接的前缩管19起着后扩管18的结构和作用，在稳定管二2向着后扩管18的流动过程中，流道截面积减小，流速增加，动压逐渐增大，而静压反而不断减小。在喉部3处静压最低，选定此处喉径为30mm，通过流量计标定获得的流量系数为2，通过测量稳定管二2与喉部3的压差ΔP为0.578可以计算该方向流动流量，计算公式如下：

其中：

G：质量流量kg/h，

α：流量系数，通过流量计标定获得，

d：喉径，mm，

ρ：流体密度流量kg/m³，

ΔP：压差；

测得该方向流动流量为157.626kg/h。

流体经喉部3后进入前缩管19，流速逐渐增加到原来的速度，静压也逐渐恢复到最大，但是不能恢复到后扩管18前的静压值，这是所有节流式流量计不可避免的永久性压力损失。本方案的结构相对其它类型的节流式流量计而言，同等条件下的永久性压力损失小。因为压损的存在，通过与稳定管一1连接的智能差压变送器一10测量到稳定管一1处的差压信号值C为1.20KPA，与稳定管二2连接的智能差压变送器二11测量到稳定管二2处的差压信号值D为13.20KPA，比较差压信号值C和差压信号值D的大小，C小于D，则判定流体是从稳定管二2流向稳定管一1。

综上，通过比较与稳定管一1连接的智能差压变送器一10和稳定管二2连接的智能差压变送器二11的差压信号值，可以判断流体的流动方向和计算流体的流量。

本发明具有结构简单、工艺成熟和成本较低等特点，尤其是利用稳定管一的前缩段可以作为稳定管二的后扩段，稳定管二的前缩段可以作为稳定管一的后扩段，相互利用，且共用喉颈。这样的设计不仅可以实时准确测量双向流量，而且具有结构简单、重复性好、测量精度高、流动压力损失小等特点，满足单相液体和气体双向流量测量的需求。这种设计大大降低了流动压力损失。此外本发明中的稳定管可以通过螺纹法兰与不同管径的管道连接，测压管座通过球面密封和压紧螺母实现与测压脉冲管的连接，因此本发明中的管道拆装非常方便。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可实现双向流量测量的文丘里流量计，其特征在于：包括用于保持流速稳定的稳定管一(1)和稳定管二(2)，所述稳定管一(1)和稳定管二(2)之间设置有结构相同的前缩管(19)和后扩管(18)，前缩管(19)和后扩管(18)之间设置有喉部(3)，且前缩管(19)和后扩管(18)沿着其连线之间的中心对称设置，并且其端面较大的一端分别与对应的稳定管一(1)或稳定管二(2)连接为整体结构，端面较小的一端分别与喉部(3)连接为整体结构，稳定管一(1)、稳定管二(2)和喉部(3)均设置有测压接管，且测压接管分别与对应的稳定管一(1)、稳定管二(2)或喉部(3)内部连通，测压接管连接有阀组(9)，阀组(9)连接有智能差压变送器；所述阀组(9)为五阀组，五阀组分别与对应的测压接管和智能差压变送器连接；所述前缩管(19)和后扩管(18)均为内部呈圆锥体的管状结构；

(I)当流体从稳定管一(1)向着稳定管二(2)方向流动时，通过测量该方向流量在稳定管一(1)与喉部(3)的压差即能够计算该方向流动流量，计算公式如下：

其中：

G：质量流量kg/h，

α：流量系数，通过流量计标定获得，

d：喉径，mm，

ρ：流体密度流量kg/m³，

ΔP：压差；

(II)步骤(1)中的流体经喉部(3)后进入后扩管(18)再进入到稳定管二(2)，通过与稳定管二(2)连接的智能差压变送器测量到稳定管二(2)处的差压信号值A，与稳定管一(1)连接的智能差压变送器测量到稳定管一(1)处的差压信号值B，比较差压信号值A和差压信号值B的大小，A小于B，判定流体是从稳定管一(1)流向稳定管二(2)；

(III)当流体从稳定管二(2)向着稳定管一(1)方向流动时，通过测量该方向流量在稳定管二(2)与喉部(3)的压差即能够计算该方向流动流量，计算公式如下：

其中：

G：质量流量kg/h，

α：流量系数，通过流量计标定获得，

d：喉径，mm，

ρ：流体密度流量kg/m³，

ΔP：压差；

(IV)步骤(3)中的流体经喉部(3)后进入前缩管(19)再进入到稳定管一(1)，通过与稳定管一(1)连接的智能差压变送器测量到稳定管一(1)处的差压信号值C，与稳定管二(2)连接的智能差压变送器测量到稳定管二(2)处的差压信号值D，比较差压信号值C和差压信号值D的大小，C小于D，判定流体是从稳定管二(2)流向稳定管一(1)。

2.根据权利要求1所述的一种可实现双向流量测量的文丘里流量计，其特征在于，所述阀组(9)和测压接管之间设置有引压管(8)，引压管(8)分别与对应的阀组(9)和测压接管连接。

3.根据权利要求1所述的一种可实现双向流量测量的文丘里流量计，其特征在于，所述稳定管一(1)和稳定管二(2)上均套合有接管螺纹法兰(7)，且接管螺纹法兰(7)分别套合在稳定管一(1)或稳定管二(2)远离喉部(3)的一端的外壁上。

4.根据权利要求1所述的一种可实现双向流量测量的文丘里流量计，其特征在于，所述测压接管为三根，其中两根测压接管中每根各自与对应的稳定管一(1)或稳定管二(2)内部连通，另一根与喉部(3)内部连通，与稳定管一(1)内部连通的测压接管连通引压管、与喉部(3)内部连通的测压接管连通引压管后同时与阀组(9)连通再与智能差压变送器连接；与稳定管二(2)内部连通的测压接管连通引压管、与喉部(3)内部连通的测压接管连通引压管后同时与阀组(9)连通再与智能差压变送器连接。