CN106768097A - 一种内外管式气体流量计及流量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种内外管式气体流量计及流量检测方法。所述内外管式气体流量计是在外管内设置与外管等长的内管，并在内管的两端设置支架，以保证测量过程中内管固定不动，减小内管的扰动现象；同时在内管的同一截面上均匀开四个测压孔，在相对的两个测压孔内嵌置正向应力的应变片，在另外两个测压孔内嵌置负向应力的应变片，四个应变片构成全桥差动结构，相当于在内管上内置压力传感器。当气体流过时，应变片由于应变效应阻值发生变化，在应变片上加载电压，通过信号采集与放大电路采集得到电压值，采集得到的电压值即反映了内外管间的差压信息，通过差压信息即可计算得出气体的流量。本发明结构简单，设计合理，最终测量结果准确、可靠。

Description

一种内外管式气体流量计及流量检测方法

技术领域

本发明涉及两相流检测技术领域，具体地说是一种内外管式气体流量计及流量检测方法。

背景技术

差压式流量计是两相流测量中应用最为广泛的流量计之一，是目前公认的在两相流各流型下都能稳定工作的一种流量计。

差压式流量计以分相或均相模型为基础，建立流量与压力降的关系。其中研究历史最长的为节流式差压流量计，差压式的方法基本都见于节流式差压流量计。该流量计具有安装方便、工作可靠等优点，并在多年的研究过程中形成了成熟的国际标准，目前很多厂家推出的多相流测量系统中都含有节流式差压流量计。广泛应用的节流式差压流量计有孔板、文丘里管以及V锥流量计。

对于孔板流量计，流体流经管道内的孔板节流装置，在孔板附近造成局部收缩，节流件前后便产生了压力降，即差压，差压信号与流量大小有关。在孔板流量计的设计上有过许多改进，日本SONIC公司设计开发了一种在流量计算机上对量程比的范围进行选择的孔板流量计，与传统孔板流量计相比，对测量范围进行了扩展；新研究的新型智能孔板流量计，将温度和压力信号直接送入现场流量计算机之中，根据流量变化对温度和压力自动作出补偿。

对于文丘里管流量计，北京航空航天大学的徐立军利用长喉颈文丘里管提出基于分相流模型的湿气测量模型；天津大学的张强等利用长喉径文丘里管用于气液两相流测量，建立了双差压湿气流量测量模型。利用一种节流装置配合其他传感器进行组合测量的方法也得到了大量的研究，黄志尧等采用文丘里管结合电容层析成像技术对油气两相流进行有效测量；徐英等利用内锥和文丘里组合的方式提出了湿气测量虚高模型。

V锥流量计是上世纪八十年代推出的一种新型的差压式流量计，与其他差压式流量计设计理念不同，V锥节流件将流体逐渐收缩到管壁，通过测量锥体前后差压对流体流量等进行测量。相对于孔板、文丘里管等传统差压式流量计，V锥流量计具有压损小、结构稳固、防积污、量程比宽等优点。但是其仍有一些缺点难以克服，例如，V锥流量计尾部为钝体结构，流体流动产生分离，形成大量漩涡并造成较大压力损失；与电磁流量计相比，其量程比相对较窄；L型悬臂结构在大流量时，可能产生振动等。

对于以上所述的孔板、文丘里管和V锥流量计来说，其节流方式都是通过改变流体总的流通面积来实现的，这样势必会对流体本身产生扰动，差压信号不稳定。因此设计内外管差压流量计，流量传感器中变径管的设计使得气液两相流在流经介质流通管时可在不改变流通面积的状况下获得差压；流量传感器在介质流通中的同一截面设置测压孔，因此消除了摩擦阻力对介质流动数据的影响，解决了现有技术在竖直管道上应用差压流量传感器所存在的引压问题。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种内外管式气体流量计，该流量计在现有内外管差压流量计的基础上进行优化设计，消除内管在实验过程中的扰动现象。

本发明的目的之二就是提供一种内外管式气体流量检测方法，该检测方法依赖于上述优化后的流量计，可准确取压，最终准确测出气体流量。

本发明的目的之一是这样实现的：一种内外管式气体流量计，包括：

外管，为水平设置的圆直管结构；

内管，置于所述外管内，且位于所述外管的轴心线上；所述内管包括依次连接的大口径管、收缩管和小口径管；所述大口径管和所述小口径管的端部分别与所述外管的两端对齐；在大口径管或小口径管上的同一横截面上均匀开设四个测压孔，在四个测压孔内分别嵌置一个可对测压孔封堵的圆形薄板；在其中两个相对的圆形薄板的内侧面分别贴附有正向应力的应变片，在另外两个相对的圆形薄板的内侧面分别贴附有负向应力的应变片；四个应变片通过导线与电源以及信号采集与放大电路相接；

支架，设置在所述外管与所述内管之间的两端部位，用于对所述内管进行支撑和固定；所述支架包括箍带及设置在所述箍带外侧壁上的支撑肋板，所述箍带套接在所述内管两端的外侧壁上，所述支撑肋板的端部嵌接在所述外管的内壁上；

电源，用于给四个应变片提供工作电压；

信号采集与放大电路，用于采集四个应变片输出的电压信号并进行放大；以及

数据处理电路，用于将信号采集与放大电路输出的电压信号转化为差压信号，并根据差压信号计算气体的流量；

电压信号转化为差压信号的计算公式为：

式(1)中，ΔP为转化后的内、外管间的差压，C_S为修正系数，h为圆形薄板的厚度，E为应变片的杨氏模量，U_O为信号采集与放大电路输出的电压，K为应变片的应变灵敏系数，R为圆形薄板的半径，μ为圆形薄板的泊松系数，U为电源施加在应变片上的工作电压；

根据差压信号计算气体的流量，具体计算公式为：

式(2)中，Q_m是气体的质量流量，C为流出系数，ε为气体的可膨胀系数，β为节流比，A为外管内腔的横截面面积，ρ为上游气体的密度，ΔP为根据式(1)计算所得的内、外管间的差压。

优选的，四个测压孔均为椭圆形开口；当气体沿大口径管向小口径管方向流动时，四个测压孔均开设在大口径管上，四个测压孔距大口径管与收缩管交接处的距离大于且小于当气体沿小口径管向大口径管方向流动时，四个测压孔均开设在小口径管上，四个测压孔距小口径管与收缩管交接处的距离大于且小于D为外管的内径。

优选的，在所述内管的内壁上开有沿其轴向的导线引出槽，与应变片相连的导线通过所述导线引出槽与管道外部的电源和信号采集与放大电路相接。

优选的，在所述箍带的外侧壁上均布有三个支撑肋板。

优选的，所述大口径管的外壁与所述外管的内壁之间的距离大于1mm；节流比β大于0.4且小于0.7。

本发明在已有内外管差压流量计的基础上进行了优化设计，消除了内管节流件在实验过程中的扰动现象，并在优化后的内外管差压流量装置上进行气相动态试验，得到气相流量的测量模型。已有的内外管差压流量计中内管只能依靠两个取压孔进行固定，并不能使内管节流件在实际流量的测量过程中保持固定不动，这样就会使取压不准确；同时，内、外管间的流动通道不对称，也导致流动不稳定，本发明通过在内管节流件的气体流入与流出的端口位置，分别添加一个轴对称的支架，将内管节流件与外管通过支架固定，减小内管节流件的扰动现象，并且保证气体在内、外管间隙内，除进、出口处支架的阻碍外，可以得到充分流动；同时将内管的大口径管与小口径管延长至外管的端口处，使气体在进、出管段时，得到充分的过渡，流型转变更加平缓，减小流体冲击管壁带来的误差。测压孔由原有的圆形开口优化为椭圆形开口(或称扁平形开口)，该设计可以获得测压孔所在位置的平均压力，使测量更加准确。四个应变片通过圆形薄板嵌置在对应的四个测压孔内，而四个测压孔开设在大口径管或小口径管上，从而使得在内管内部实现取压，减小了取压过程中压力的损失，使取压结果更加灵敏、准确。本发明所提供的内外管式气体流量计可以消除来自于轴向与径向的加速度误差，也对来自于其他方向的加速度影响起到缓解甚至消除，使得测量结果更加准确。

本发明的目的之二是这样实现的：一种内外管式气体流量检测方法，包括如下步骤：

a、在外管内的轴心线上设置内管；所述外管为水平放置的圆直管结构；所述内管包括依次连接的大口径管、收缩管和小口径管；所述大口径管和所述小口径管的端部分别与所述外管的两端对齐；在大口径管或小口径管上的同一横截面上均匀开设四个测压孔，在四个测压孔内分别嵌置一个可对测压孔封堵的圆形薄板；在其中两个相对的圆形薄板的内侧面分别贴附正向应力的应变片，在另外两个相对的圆形薄板的内侧面分别贴附负向应力的应变片；四个应变片通过导线与电源以及信号采集与放大电路相接；

b、在内管的两端设置用于对内管进行支撑和固定的支架；所述支架包括箍带及设置在所述箍带外侧壁上的支撑肋板，所述箍带套接在所述内管两端的外侧壁上，所述支撑肋板的端部嵌接在所述外管的内壁上；

c、使气体自外管的一端流入，并由电源向四个应变片施加工作电压；对于在大口径管上开测压孔的情形，气体自大口径管向小口径管方向流动；对于在小口径管上开测压孔的情形，气体自小口径管向大口径管方向流动；

d、由信号采集与放大电路采集四个应变片输出的电压信号并进行放大，放大后的电压信号输出给数据处理电路；

e、数据处理电路首先将信号采集与放大电路输出的电压信号转变为内、外管间的差压信号，再根据差压信号计算气体的流量；

将信号采集与放大电路输出的电压信号转变为内、外管间的差压信号的计算公式为：

式(1)中，ΔP为转变后的内、外管间的差压，C_S为修正系数，h为圆形薄板的厚度，E为应变片的杨氏模量，U_O为信号采集与放大电路输出的电压，K为应变片的应变灵敏系数，R为圆形薄板的半径，μ为圆形薄板的泊松系数，U为电源施加在应变片上的工作电压；

根据差压信号计算气体的流量，具体计算公式为：

式(2)中，Q_m是气体的质量流量，C为流出系数，ε为气体的可膨胀系数，β为节流比，A为外管内腔的横截面面积，ρ为上游气体的密度，ΔP为根据式(1)计算所得的内、外管间的差压。

式(2)中气体的可膨胀系数ε的计算公式为：

式(3)中，τ为压力修正系数，计算公式为：

式(4)中，P_b为气体流量测量过程中的背景压力，P₀为一个标准大气压。

式(2)中流出系数C的计算公式为：

C＝0.73145+0.01023(ΔP·K′)-0.00304(ΔP·K′)²+2.70121×10⁴(ΔP·K′)³ (5)

式(5)中，K′为修正系数，计算公式为：

K′＝ΔP/P_b+T/T₀ (6)

式(6)中，P_b为气体流量测量过程中的背景压力，T为气体流量测量过程中的背景温度，T₀为标况温度。

式(2)中节流比β的具体计算公式为：

式(7)中，K₁为大口径管和外管之间的环隙面积与小口径管和外管之间的环隙面积之比，K₂为大口径管内腔横截面面积与小口径管内腔横截面面积之比；节流比β大于0.4且小于0.7。

所述收缩管为圆台状结构；所述收缩管的收缩角满足如下公式：

式(8)中，d₁为大口径管的内径，d₂为小口径管的内径，L为内管的长度，L₁为大口径管的长度，L₂为小口径管的长度；收缩管的收缩角大于11°且小于21°。

本发明是在理论分析及前期工作经验的基础上，根据气相流动机理，对内外管差压流量计进行管道机构设计，优化的设计方案。通过对气相的流动状态的测试，提取有价值的信号，并进行信号特征提取，研究内外管式气体流量计测量装置的测量方法，验证管道的合理性与可行性。具体是：通过在外管内设置与外管等长的内管，并在内管两端的端口处设置轴对称的支架，支架套嵌在内管外侧壁处并与外管内侧壁相连，对内管进行支撑，可保证测量过程中内管保持固定不动，从而使取压结果准确，保证了后期计算的可靠性；在内管上开有四个测压孔，在每个测压孔内嵌置圆形薄板，并在其中两个相对的圆形薄板的内侧贴正向应力的应变片，在另外两个相对的圆形薄板的内侧贴负向应力的应变片，四个应变片形成全桥差动结构，相当于在内管上内置压力传感器。当气体流过时，应变片由于应变效应，应变片阻值发生变化，在应变片上加载电压，通过信号采集与放大电路采集得到应变片输出的电压值，采集得到的电压值即反映了内、外管间的差压信息，通过差压信息即可计算得出气体的流量。

附图说明

图1是本发明所提供的内外管式气体流量计的结构示意图。

图2是图1中出口端支架的结构示意图。

图中：1、外管，2、大口径管，3、收缩管，4、小口径管，5、入口端支架，6、出口端支架，6-1、箍带，6-2、支撑肋板，7、第一应变片，8、第二应变片，9、第三应变片。

具体实施方式

实施例1，一种内外管式气体流量计。

如图1所示，本发明所提供的内外管式气体流量计包括外管1、内管、支架、由四个应变片组成的全桥差动结构、电源、信号采集与放大电路、数据处理电路。

外管1为水平放置的圆柱形直管结构；外管1的内径用D来表示，长度用L来表示。内管为节流件，内管设置在外管1内，且内管位于外管1的轴心线上，即外管1轴心线与内管轴心线重合。内管长度与外管1长度L相同，且内管的两端分别与外管1的两端对齐。内管包括依次连接的大口径管2、收缩管3和小口径管4。大口径管2和小口径管4均为直管结构，大口径管2的内径用d₁来表示，长度用L₁来表示；小口径管4的内径用d₂来表示，长度用L₂来表示；收缩管3连接大口径管2和小口径管4，收缩管3为圆台状管，收缩管3的水平长度(即收缩管3轴心线的长度)即为(L-L₁-L₂)，收缩角用来表示，收缩角一般在11°至21°之间收缩角的计算公式如下：

本发明中内管和外管1等长，使得气体在流进收缩管3前以及流出收缩管3后，都具有充分的流动空间，使流型变化更加平缓，减小气体对内管节流件的冲击现象。

支架设置在外管1与内管之间的两端部位，支架包括轴对称的入口端支架5和出口端支架6，通过两个支架可实现对内管的支撑和固定，以便在测量过程中使内管保持不动，减小内管节流件的扰动现象。当气体流过内、外管的间隙处时，两个支架对气体流动的阻碍作用也较小。入口端支架5和出口端支架6的结构相同，以出口端支架6为例进行说明。如图2所示，出口端支架6包括箍带6-1及均匀设置在箍带6-1外侧壁上的三个支撑肋板6-2，三个支撑肋板6-2分别垂直于与各自相接的箍带6-1的外侧壁。箍带6-1套接在小口径管4外侧壁的端部，箍带6-1的外侧壁与小口径管4的外侧壁齐平，具体可通过在小口径管4外侧壁的端部开与箍带6-1厚度相同的缺口来实现。三个支撑肋板6-2的端部嵌接在外管1的内壁上，可在外管1的内壁上开三个与支撑肋板6-2对应的凹槽，使三个支撑肋板6-2分别嵌入对应的凹槽内。每一个凹槽均从外管1的端部开设，从而使得出口端支架6可从气体流出端套接在内管的小口径管4上，并使三个支撑肋板6-2的端部正好卡接在外管1内壁的三个凹槽内。入口端支架5与出口端支架6的结构相同，不再赘述。

在内管的大口径管2或小口径管4上的同一横截面上均匀开设四个大小一致的椭圆形的测压孔，在每个测压孔内嵌置一个圆形薄板，四个圆形薄板的半径均相同，厚度也相同，圆形薄板的厚度一般为内管壁厚的1/3～1/2，圆形薄板的半径大于椭圆形测压孔的长半轴，即：圆形薄板嵌置在测压孔内将测压孔完全封堵。在其中相对的两个圆形薄板的内侧分别贴正向应力的应变片(即当压力增加时，电阻值变大)，在另外两个相对的圆形薄板的内侧分别贴负向应力的应变片(即当压力增加时，电阻值变小)，四个应变片的大小与椭圆形测压孔的大小相同。四个应变片构成一个全桥差动结构，相当于在内外管式气体流量计上内置了一个压力传感器。四个应变片一般设置成上、下、前、后的结构形式，如图1所示，图中示出了上面的第一应变片7、下面的第二应变片8以及前面的第三应变片9。四个应变片处于大口径管2或小口径管4的同一横截面上，可消除摩擦阻力的影响。同时四个应变片均匀嵌在内管中，这种放置方式可以消除与流动方向垂直的各个径向的重力加速度的影响，使得测量结果更加精确。

四个应变片通过导线与电源和信号采集与放大电路相连。电源用于向四个应变片提供工作电压，电源同时还为信号采集与放大电路提供工作电压。当气体流过应变片时，应变片由于应变效应，其阻值发生变化，在应变片上加载电压，通过信号采集与放大电路可采集得到应变片输出的电压值，采集得到的电压值即反映了内、外管间的差压信息，通过差压信息即可计算得出气体的流量。

测量气体流量时，气体可从外管1的一端流入，沿内管的大口径管2向小口径管4方向流动(如图1中箭头所示方向)；也可自外管1的另一端流入，沿内管的小口径管4向大口径管2方向流动(与图1中箭头所示方向相反)。为防止颗粒物阻塞管道，大口径管2的外侧壁与外管1的内侧壁间的间隙应大于1mm，即满足：

当气体在外管1内自大口径管2向小口径管4方向流动时，应保证四个测压孔开设在大口径管2的同一横截面上，且四个测压孔距大口径管2与收缩管3相接处的距离大于且小于(这样设置测压孔，是为了在测压之前，保证气体在管道内能得到充分的流动)；并在大口径管2的内壁沿其轴向开导线引出槽，与四个应变片相接的导线通过导线引出槽与管道外部的电源和信号采集与放大电路相接。当气体在外管1内自小口径管4向大口径管2方向流动时，应保证四个测压孔开设在小口径管4的同一横截面上，且四个测压孔距小口径管4与收缩管3相接处的距离大于且小于并在小口径管4的内壁沿其轴向开导线引出槽，与四个应变片相接的导线通过导线引出槽与管道外部的电源和信号采集与放大电路相接。

信号采集与放大电路用于采集四个应变片输出的电压信号并进行放大，放大后的电压信号输出给数据处理电路，数据处理电路首先将信号采集与放大电路输出的电压信号转化为内、外管间的差压信号，然后再根据差压信号计算气体的流量。

将信号采集与放大电路输出的电压信号转化为内、外管间的差压信号的计算公式为：

式(1)中，ΔP为转化后的内、外管间的差压，C_S为修正系数，无量纲，通过实验确定，保证了公式的准确性；h为圆形薄板的厚度，E为应变片(即弹性元件)的杨氏模量，U_O为信号采集与放大电路输出的电压，K为应变片的应变灵敏系数，R为圆形薄板的半径，μ为圆形薄板的泊松系数，U为电源施加在应变片上的工作电压。

根据差压信号计算气体的流量，具体计算公式为：

式(2)中，Q_m是气体的质量流量(单位为Kg/s)，C为流出系数，靠实验来确定；ε为气体的可膨胀系数，一般对于气体、蒸汽等这些可压缩的流体，ε＜1；β为节流比，本发明中β在0.4至0.7之间；A为外管内腔的横截面面积，ρ为工况压力下，节流件上游气体的密度(单位Kg/m³)；ΔP为根据式(1)计算所得的内、外管间的差压(或称压力差，单位是Pa)。

节流比β的具体计算公式为：

上式中，K₁为大口径管2和外管1之间的环隙面积与小口径管4和外管1之间的环隙面积之比，K₂为大口径管2内腔横截面面积与小口径管4内腔横截面面积之比。K₁和K₂的具体计算公式如下：

实施例2，一种内外管式气体流量检测方法。

如图1～图2所示，本发明所提供的内外管式气体流量检测方法包括如下步骤：

a、在外管1内的轴心线上设置内管。

外管1为水平放置的圆直管结构。在外管1内的轴心线上设置内管；内管包括依次连接的大口径管2、收缩管3和小口径管4；收缩管3为圆台状结构；大口径管2和小口径管4的端部分别与外管1的两端对齐，即：内管与外管1等长。大口径管2的外壁与外管1的内壁之间的距离大于1mm。在内管的大口径管2或小口径管4上的同一横截面上均匀开设有四个大小一致的椭圆形测压孔，在每个测压孔内嵌置一个圆形薄板，四个圆形薄板的半径均相同，厚度也相同，圆形薄板的半径大于椭圆形测压孔的长半轴。在其中相对的两个圆形薄板的内侧分别贴正向应力的应变片，在另外两个相对的圆形薄板的内侧分别贴负向应力的应变片，四个应变片的大小与椭圆形测压孔的大小相同。四个应变片构成一个全桥差动结构，相当于在内外管式气体流量计上内置了一个压力传感器。四个应变片通过导线与电源和信号采集与放大电路相连。

b、在内管的两端设置用于对内管进行支撑和固定的支架。

支架包括对称分布的入口端支架5和出口端支架6。入口端支架5和出口端支架6的结构相同。如图2所示，出口端支架6包括箍带6-1及均匀设置在箍带6-1外侧壁上的三个支撑肋板6-2，箍带6-1套接在小口径管4外侧壁的端部，箍带6-1的外侧壁与小口径管4的外侧壁齐平，三个支撑肋板6-2的端部嵌接在外管1内壁的凹槽上。

c、使气体自外管1的一端流入，并由电源向四个应变片施加工作电压。

气体在外管1内流动时，可沿大口径管2向小口径管4方向流动，也可自小口径管4向大口径管2方向流动。当气体在外管1内自大口径管2向小口径管4方向流动时，应保证四个测压孔开设在大口径管2的同一横截面上，且四个测压孔距大口径管2与收缩管3相接处的距离大于且小于当气体在外管1内自小口径管4向大口径管2方向流动时，应保证四个测压孔开设在小口径管4的同一横截面上，且四个测压孔距小口径管4与收缩管3相接处的距离大于且小于

d、由信号采集与放大电路采集四个应变片输出的电压信号并进行放大，放大后的电压信号输出给数据处理电路。

e、数据处理电路首先将信号采集与放大电路输出的电压信号转变为内、外管间的差压信号，再根据差压信号计算气体的流量。

将信号采集与放大电路输出的电压信号转变为内、外管间的差压信号的计算公式为：

式(1)中，ΔP为转化后的内、外管间的差压，C_S为修正系数，无量纲，通过实验确定，保证了公式的准确性；h为圆形薄板的厚度，E为应变片(即弹性元件)的杨氏模量，U_O为信号采集与放大电路输出的电压，K为应变片的应变灵敏系数，R为圆形薄板的半径，μ为圆形薄板的泊松系数，U为电源施加在应变片上的工作电压。

根据差压信号计算气体的流量，具体计算公式为：

式(2)中，Q_m是气体的质量流量(单位为Kg/s)，C为流出系数，靠实验来确定；ε为气体的可膨胀系数，一般对于气体、蒸汽等这些可压缩的流体，ε＜1；β为节流比，本发明中β在0.4至0.7之间；A为外管内腔的横截面面积，ρ为工况压力下，节流件上游气体的密度(单位Kg/m³)；ΔP为根据式(1)计算所得的内、外管间的差压(或称压力差，单位是Pa)。

本发明中，经CFD仿真及实验测试数据拟合，得到式(2)中气体的可膨胀系数ε的计算公式为：

式(3)中，τ为压力修正系数，计算公式为：

式(4)中，P_b为气体流量测量过程中的背景压力，ΔP为根据式(1)计算所得的内、外管间的差压，P₀为一个标准大气压。

本发明中节流比β、内外管的结构尺寸满足如下条件：

式(5)中，D为外管1的内径，d₁为大口径管2的内径，d₂为小口径管4的内径，L为管道总长度(即外管、内管的长度)，L₁为大口径管2的水平长度，L₂为小口径管4的水平长度，为收缩管3的收缩角，K₁为大口径管和外管之间的环隙面积与小口径管和外管之间的环隙面积之比，K₂为大口径管内腔横截面面积与小口径管内腔横截面面积之比。一般要求大口径管2的长度L₁和小口径管4的长度L₂均大于10cm。

实施例3，节流比β以及收缩角的优选实施例。

根据经验理论及总管道尺寸的考虑，将收缩管的收缩角定为15°，然后求取不同节流比下大口径管内径值及小口径管内径值，再根据确定的结构尺寸在入口速度为10.27m/s的情况下进行仿真，根据仿真结果得到流量计多处压力值，具体是：①得出内、外管间的差压，②得出外管(或内管)流入端前10D(D即为外管内径)处与流出端后5D处的压力差，此即为压力损失。用压力损失除以差压即得压损比。最终发现当节流比β为0.5892时，差压大、压力损失小，压损比小。

本发明中气体在外管1内可有两种不同的流动方向，经CFD仿真得出，无论气体从大口径管向小口径管方向流动，还是从小口径管向大口径管方向流动，气体流体均不受重力加速度的影响。但是，从仿真结果可以看出，气体从小口径管向大口径管方向流动相比气体从大口径管向小口径管方向流动而言，获得的差压大，压损小，压损比小。用户可根据实际需求选择合适的流动方式及相应的结构尺寸。

根据仿真结果还发现，随着L₁、L₂的增加，内、外管间的差压值加大，但是相应的压力损失也随之增加，在符合公式(5)的前提下，L₁和L₂可以根据实际情况取值。

实施例4，流出系数C的确定。

按照实施例2中的公式(2)求取流出系数C。公式(2)中可膨胀系数ε、节流比β(节流比β按0.5892计算)、外管内腔横截面积A及气体密度ρ均为固定已知量，因此利用差压ΔP(可通过公式(1)求得)及流量值Q_m求取流出系数C。下面在四个流量点(一个流量点即对应一个流量值)下进行计算。在每个流量点下利用差压值求取该流量点下的流出系数，得到四个不同的值。首先利用求平均值的方式对流出系数进行确定，然后利用求均值后得出的流出系数求取质量流量，将所求得的质量流量与已知的流量进行比较，发现误差较大。故不能用此方法来求流出系数C。

由于上面在每个流量点下求流出系数时，只有差压一个变量，因此流出系数与差压存在一定的数量关系，所以本发明中对差压与流出系数进行公式拟合，得到拟合公式见公式(6)，拟合优度达0.994。

C＝0.73145+0.01023(ΔP·K′)-0.00304(ΔP·K′)²+2.70121×10⁴(ΔP·K′)³ (6)

式(6)中，K′为修正系数，计算公式为：

K′＝ΔP/P_b+T/T₀ (7)

式(7)中，P_b为气体流量测量过程中的背景压力，T为气体流量测量过程中的背景温度，T₀为标况温度(即标准状况下的温度，273.15K)，考虑了温度和压力的影响。

利用公式(6)得到拟合后的流出系数。根据拟合得到的流出系数进行流量的计算，结果发现误差在0.7％以内。具体数值见表1。

表1流出系数计算表

Claims (10)

1.一种内外管式气体流量计，其特征是，包括：

外管，为水平设置的圆直管结构；

内管，置于所述外管内，且位于所述外管的轴心线上；所述内管包括依次连接的大口径管、收缩管和小口径管；所述大口径管和所述小口径管的端部分别与所述外管的两端对齐；在大口径管或小口径管上的同一横截面上均匀开设四个测压孔，在四个测压孔内分别嵌置一个可对测压孔封堵的圆形薄板；在其中两个相对的圆形薄板的内侧面分别贴附有正向应力的应变片，在另外两个相对的圆形薄板的内侧面分别贴附有负向应力的应变片；四个应变片通过导线与电源以及信号采集与放大电路相接；

支架，设置在所述外管与所述内管之间的两端部位，用于对所述内管进行支撑和固定；所述支架包括箍带及设置在所述箍带外侧壁上的支撑肋板，所述箍带套接在所述内管两端的外侧壁上，所述支撑肋板的端部嵌接在所述外管的内壁上；

电源，用于给四个应变片提供工作电压；

信号采集与放大电路，用于采集四个应变片输出的电压信号并进行放大；以及

数据处理电路，用于将信号采集与放大电路输出的电压信号转化为差压信号，并根据差压信号计算气体的流量；

电压信号转化为差压信号的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}P=C_S\frac{8h^2{\mathrm{EU}}_O}{3{\mathrm{KR}}^2(1-{\mathrm{\μ}}^2)U}---\left(1\right)$

式(1)中，ΔP为转化后的内、外管间的差压，C_S为修正系数，h为圆形薄板的厚度，E为应变片的杨氏模量，U_O为信号采集与放大电路输出的电压，K为应变片的应变灵敏系数，R为圆形薄板的半径，μ为圆形薄板的泊松系数，U为电源施加在应变片上的工作电压；

根据差压信号计算气体的流量，具体计算公式为：

$Q_m=\frac{{\mathrm{C\ϵ\β}}^{2}A}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\×\sqrt{2\mathrm{\Δ}P\×\mathrm{\ρ}}---\left(2\right)$

式(2)中，Q_m是气体的质量流量，C为流出系数，ε为气体的可膨胀系数，β为节流比，A为外管内腔的横截面面积，ρ为上游气体的密度，ΔP为根据式(1)计算所得的内、外管间的差压。

2.根据权利要求1所述的内外管式气体流量计，其特征是，四个测压孔均为椭圆形开口；当气体沿大口径管向小口径管方向流动时，四个测压孔均开设在大口径管上，四个测压孔距大口径管与收缩管交接处的距离大于且小于当气体沿小口径管向大口径管方向流动时，四个测压孔均开设在小口径管上，四个测压孔距小口径管与收缩管交接处的距离大于且小于D为外管的内径。

3.根据权利要求1所述的内外管式气体流量计，其特征是，在所述内管的内壁上开有沿其轴向的导线引出槽，与应变片相连的导线通过所述导线引出槽与管道外部的电源和信号采集与放大电路相接。

4.根据权利要求1所述的内外管式气体流量计，其特征是，在所述箍带的外侧壁上均布有三个支撑肋板。

5.根据权利要求1所述的内外管式气体流量计，其特征是，所述大口径管的外壁与所述外管的内壁之间的距离大于1mm；节流比β大于0.4且小于0.7。

6.一种内外管式气体流量检测方法，其特征是，包括如下步骤：

a、在外管内的轴心线上设置内管；所述外管为水平放置的圆直管结构；所述内管包括依次连接的大口径管、收缩管和小口径管；所述大口径管和所述小口径管的端部分别与所述外管的两端对齐；在大口径管或小口径管上的同一横截面上均匀开设四个测压孔，在四个测压孔内分别嵌置一个可对测压孔封堵的圆形薄板；在其中两个相对的圆形薄板的内侧面分别贴附正向应力的应变片，在另外两个相对的圆形薄板的内侧面分别贴附负向应力的应变片；四个应变片通过导线与电源以及信号采集与放大电路相接；

b、在内管的两端设置用于对内管进行支撑和固定的支架；所述支架包括箍带及设置在所述箍带外侧壁上的支撑肋板，所述箍带套接在所述内管两端的外侧壁上，所述支撑肋板的端部嵌接在所述外管的内壁上；

c、使气体自外管的一端流入，并由电源向四个应变片施加工作电压；对于在大口径管上开测压孔的情形，气体自大口径管向小口径管方向流动；对于在小口径管上开测压孔的情形，气体自小口径管向大口径管方向流动；

d、由信号采集与放大电路采集四个应变片输出的电压信号并进行放大，放大后的电压信号输出给数据处理电路；

e、数据处理电路首先将信号采集与放大电路输出的电压信号转变为内、外管间的差压信号，再根据差压信号计算气体的流量；

将信号采集与放大电路输出的电压信号转变为内、外管间的差压信号的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}P=C_S\frac{8h^2{\mathrm{EU}}_O}{3{\mathrm{KR}}^2(1-{\mathrm{\μ}}^2)U}---\left(1\right)$

式(1)中，ΔP为转变后的内、外管间的差压，C_S为修正系数，h为圆形薄板的厚度，E为应变片的杨氏模量，U_O为信号采集与放大电路输出的电压，K为应变片的应变灵敏系数，R为圆形薄板的半径，μ为圆形薄板的泊松系数，U为电源施加在应变片上的工作电压；

根据差压信号计算气体的流量，具体计算公式为：

$Q_m=\frac{{\mathrm{C\ϵ\β}}^{2}A}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\×\sqrt{2\mathrm{\Δ}P\×\mathrm{\ρ}}---\left(2\right)$

式(2)中，Q_m是气体的质量流量，C为流出系数，ε为气体的可膨胀系数，β为节流比，A为外管内腔的横截面面积，ρ为上游气体的密度，ΔP为根据式(1)计算所得的内、外管间的差压。

7.根据权利要求6所述的内外管式气体流量检测方法，其特征是，式(2)中气体的可膨胀系数ε的计算公式为：

$\mathrm{\ϵ}=-3.83532e^{-\frac{\mathrm{\τ}}{0.27314}}+4.12437---\left(3\right)$

式(3)中，τ为压力修正系数，计算公式为：

$\mathrm{\τ}=\frac{P_b-\mathrm{\Δ}P+P_0}{P_b+P_0}---\left(4\right)$

式(4)中，P_b为气体流量测量过程中的背景压力，P₀为一个标准大气压。

8.根据权利要求6所述的内外管式气体流量检测方法，其特征是，式(2)中流出系数C的计算公式为：

C＝0.73145+0.01023(ΔP·K′)-0.00304(ΔP·K′)²+2.70121×10⁴(ΔP·K′)³ (5)

式(5)中，K′为修正系数，计算公式为：

K′＝ΔP/P_b+T/T₀ (6)

式(6)中，P_b为气体流量测量过程中的背景压力，T为气体流量测量过程中的背景温度，T₀为标况温度。

9.根据权利要求6所述的内外管式气体流量检测方法，其特征是，式(2)中节流比β的具体计算公式为：

$\mathrm{\β}=\sqrt[4]{\frac{1}{K_2^2-K_1^2+1}}---\left(7\right)$

式(7)中，K₁为大口径管和外管之间的环隙面积与小口径管和外管之间的环隙面积之比，K₂为大口径管内腔横截面面积与小口径管内腔横截面面积之比；节流比β大于0.4且小于0.7。

10.根据权利要求6所述的内外管式气体流量检测方法，其特征是，所述收缩管为圆台状结构；所述收缩管的收缩角满足如下公式：

式(8)中，d₁为大口径管的内径，d₂为小口径管的内径，L为内管的长度，L₁为大口径管的长度，L₂为小口径管的长度；收缩管的收缩角大于11°且小于21°。