CN108957027B - 一种非接触式流体速度测量工具及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式流体速度测量工具，用于测量实验段出口管道的流速，包括依次连接的流体转接仪、稳流管和变频水泵，所述流体转接仪与实验段出口管道连通，外界流体从实验段出口管道流出后，依次流进流体转接仪、稳流管和变频水泵，再经变频水泵流出；所述变频水泵用于平衡稳流管与实验段出口管道的流量，使得稳流管的流速与实验段出口管道的流速基本保持一致；所述稳流管的中部安装有测速仪，用于测量稳流管的流体流速，从而通过等效实验段出口管道与稳流管的流速间接得出实验段出口管道的流体流速。与现有技术比较，本发明具有对原始流动区域无干扰，有效将测量值逼近真实值；且简单易行，经济适用，准确度较高的有益效果。

Description

一种非接触式流体速度测量工具及其测量方法

技术领域

本发明涉及流体测量仪器及测量领域，更具体地，涉及一种非接触式流体速度测量工具及其测量方法。

背景技术

科学研究和工程施工上经常需要对目标区域进行流速测量，但是由于在某些场合下，流动区域内无法加装测速仪或加装测速仪后会极大影响原始流动状态，检测元件会扰乱原流场而影响测量精度，还造成压力损失，导致流动区域速度无法测量或测量值与原始值相差太大，这使得测量工作无法进行或测量结果准确度难以保证；而对于目前常见的非接触式测量方法，如电磁流量计，超声波流量计，涡街流量计等又存在安装与调试复杂，抗干扰能力差，可靠性、精度等级不高，重复性差，使用寿命短及价格较高等局限性。

发明内容

为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种能在不干扰区域流动的情况下对流体速度进行流速测量，且操作简单、经济适用、测量准确度较高的非接触式流体速度测量工具及其测量方法。

为实现本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：

一种非接触式流体速度测量工具，用于测量实验段出口管道的流速，包括依次连接的流体转接仪、稳流管和变频水泵，所述流体转接仪与实验段出口管道连通，外界流体从实验段出口管道流出后，依次流进流体转接仪、稳流管和变频水泵，再经变频水泵流出；所述变频水泵用于平衡稳流管与实验段出口管道的流量，使得稳流管的流速与实验段出口管道的流速基本保持一致；所述稳流管的中部安装有测速仪，用于测量稳流管的流体流速，从而通过等效实验段出口管道与稳流管的流速间接得出实验段出口管道的流体流速。

本发明的工作原理是：在变频水泵提供额外负压的作用下，在流体转接仪的出口处构造出一个与实验段管道出口处相同的流态，通过测量流体转接仪出口处流量间接获得实验段出口流量，实现非接触式流体流量的测量。本发明提供的非接触式流体速度测量工具能在不干扰区域流动的情况下对流体速度进行测量，解决了特定流体区域无法加装测速工具或加装测速工具后影响测量结果的问题，特别地，对于区域内为稳态流动的情况，本发明提供了一种精确、稳定的测量方案，通过等效实验段出口管道与稳流管两流动区域内的流体流量，间接获得实验段出口管道区域内流体流量，且对实验段出口管道流动区域的流体无干扰。

进一步地，外界流体从实验段出口管道流出后，经流体转接仪的流体进口流入，再经流体转接仪的流体出口流出进入稳流管，所述稳流管的内径与流体转接仪流体出口的内径一致，所述流体转接仪呈流体进口宽、流体出口窄的漏斗状结构，且流体转接仪流体进口的内径不小于实验段出口管道的内径，流体转接仪流体出口的内径不大于实验段出口管道的内径。

流体转接仪呈流体进口宽、流体出口窄的漏斗状结构，且最好流体转接仪的流体进口面积大于实验段出口管道的面积，有利于流体转接仪收集上游来流，减少流量损失。流体转接仪的流体出口的内径不大于实验段出口管道的内径，且最好是流体转接仪流体出口的面积等于或略小于实验段出口管道的面积，一是为了尽可能保证流体转接仪流体出口的流体流态与实验段出口管道的流态保持一致，二是从流体力学原理的角度,收缩有利于调制出稳定的流动，更有利于保证流体从流体转接仪流经稳流管的的流态与流体在实验段出口管道的流态保持一致。

进一步地，所述流体转接仪流体进口的内径与实验段出口管道的内径之比≥5:1；所述流体转接仪流体出口的内径与实验段出口管道的内径之比为0.9-1:1。

流体转接仪流体出口的内径略小于实验段出口管道的内径，有利于聚集流体，与流体的收缩效应相适应，并由于流体转接仪的流体出口变窄，流体从流体转接仪流出的速度会略小于流体从实验段出口管道流出的速度，从而保证转接段内存在一定液位高度。

进一步地，所述流体转接仪的侧壁标有刻度线，每相邻两刻度线之间代表相同的体积量。

由于流体转接仪呈漏斗状结构，同体积的流体在流体转接仪的不同位置处于的高度不同，因此流体转接仪侧壁所标的刻度线是不均匀刻度线，用来标记流体转接仪内流体的液面高度。不均匀的每两个刻度之间代表了相同的体积量，便于比较计算。

进一步地，所述流体转接仪的内壁为光滑的渐缩截面。

流体转接仪的内壁为光滑的渐缩截面，一方面有利于聚集流体，使流体具有收缩效应；另一方面也能减少仪器对流体的能量消耗以及对流体速度的影响。

进一步地，所述流体转接仪内的流体液面存在一定的液位高度。

流体转接仪内存在一定液位高度可以用来补充流体出口处的水量，保证实验段出口处的流量与流体转接仪流体出口处流量一致；即保证流体在流体转接仪内的液位变化始终维持在同一液面或变化范围始终维持在规定的刻度范围内。流体转接仪的液位高度可以用来标定水位，在液位稳定的时候保证上下游出口处流量一致；可以减小上游来流对转接段出口处流态的影响，保证出口流态稳定。

进一步地，所述流体转接仪内的流体液面高度至少是流体转接仪高度的一半。

进一步地，所述流体转接仪、稳流管和变频水泵之间无缝连接、一体成型。

进一步地，所述测速仪为涡轮转子流量计或电磁流量计。

一种适用于上述非接触式流体速度测量工具的测量方法，包括以下测量步骤：

S1：测量实验段出口管道的内径并估算实验段出口管道的流量大小，根据流体转接仪的流体出口内径与实验段出口管道内径的比例确定流体转接仪的流体出口内径、稳流管的管道内径以及变频水泵的实际工作流量，从而选出合适的流体转接仪、稳流管和变频水泵；

S2：将步骤S1中选出的流体转接仪、稳流管和变频水泵依次无缝连接为一整体，并在稳流管的中部安装测速仪；

S3:将步骤S2中流体转接仪的流体进口与实验段出口管道配合放置，使外界流体从实验段出口管道流出就完全流进流体转接仪内；

S4：调节变频水泵保证流体转接仪内的流体液位变化范围始终维持在规定的刻度范围内；

S5：将测速仪通过导线外接到显示终端，显示终端显示出流体经过稳流管时的瞬时速度值、峰值和采样时均值；显示终端所显示出的流体瞬时速度值即为实验段出口管道流体的瞬时速度值。

步骤S1中，可根据不同的实验段出口管道内径而选用不同的流体转接仪和稳流管，首先先测量实验段出口管道的内径，然后根据流体转接仪流体进口的内径与实验段出口管道内径的比例(0.9-1:1)选出合适的流体转接仪，根据流体转接仪流体进口的内径与稳流管的内径一致的原则选出合适的稳流管。通过测量实验段出口管道的流量确定变频水泵的实际工作流量，通过变频水泵提供额外负压的情况下，使得变频水泵的实际工作流量与实验段出口管道的流量保持一致。

步骤S5中，通过等效实验段出口管道与稳流管的流量，使得在实验段出口管道的流速与稳流管的流速基本保持一致，通过测量稳流管的流体速度，从而间接获得实验段出口管道的流体流速，从而实现在不干扰原始流动区域的情况下测得原始流动区域的流速的目的，且可以保证较高的准确度。

与现有技术比较，本发明的技术方案具有以下有益效果：通过等效两流动区域内流体流量，间接获得目标区域内流体流量，对原始流动区域无干扰，最大限度地将测量值逼近真实值；相对于其他PIV等非接触式测量方法，本方案简单易行，经济适用，且可以保证较高的准确度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中非接触式速度测量工具内流体体积分数图。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

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，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细地说明。

实施例

如图1所示，一种非接触式流体速度测量工具，用于测量实验段出口管道A的流速，包括依次连接的流体转接仪1、稳流管2和变频水泵3，所述流体转接仪1与实验段出口管道A连通，外界流体从实验段出口管道A流出后，依次流进流体转接仪1、稳流管2和变频水泵3，再经变频水泵3流出；所述变频水泵3用于平衡稳流管2与实验段出口管道A的流量，使得稳流管2的流速与实验段出口管道A的流速基本保持一致；所述稳流管2的中部安装有测速仪4，用于测量稳流管2的流体流速，从而通过等效实验段出口管道A与稳流管2间的流速间接获得实验段出口管道A的流体流速。

本实施例中，外界流体从实验段出口管道A流出后，经流体转接仪1的流体进口流入，再经流体转接仪1的流体出口流出进入稳流管2，稳流管2的内径与流体转接仪1流体出口的内径一致，所述流体转接仪1呈流体进口宽、流体出口窄的漏斗状结构，且流体转接仪1流体进口的内径大于实验段出口管道A的内径，流体转接仪1流体出口的内径略小于实验段出口管道A的内径。

其中，所述流体转接仪1流体进口的内径与实验段出口管道A的内径之比≥5:1；流体转接仪1流体出口的内径与实验段出口管道A的内径比例在0.9-1:1的范围内。由于流体转接仪1流体进口的内径大于实验段出口管道A的内径，使得流体从实验段出口管道A流出时，能全部流进流体转接仪1内，并尽可能地减少仪器对流体的能量消耗以及对流体速度的影响。

所述流体转接仪1的侧壁标有刻度线，每相邻两刻度线之间代表相同的体积量。由于流体转接仪1呈漏斗状结构，同体积的流体在流体转接仪1的不同位置处于的高度不同，因此流体转接仪1侧壁所标的刻度线是不均匀刻度线，用来标记流体转接仪1内流体的液面高度。不均匀的每两个刻度之间代表了相同的体积量，便于比较计算。所述流体转接仪1的内壁为光滑的渐缩截面，一方面有利于聚集流体，使流体具有收缩效应；另一方面也能减少仪器对流体的能量消耗以及对流体速度的影响。所述流体转接仪1内的流体液面存在一定的液位高度，流体液面高度至少是流体转接仪高度的一半。流体转接仪1内的流体液面存在一定的液位高度可以用来补充流体出口处的水量，保证实验段出口处A的流量与流体转接仪1流体出口处流量一致；即保证流体在流体转接仪1内的液位变化始终维持在同一液面或变化范围始终维持在规定的刻度范围内。

本实施例中非接触式流体速度测量工具的测量方法，包括以下测量步骤：

S1：测量实验段出口管道A的内径并计算实验段出口管道的流量大小，根据流体转接仪1的流体出口内径与实验段出口管道A内径的比例确定流体转接仪1的流体出口内径、稳流管2的管道内径以及变频水泵3的实际工作流量，从而选出合适的流体转接仪1、稳流管2和变频水泵3；

S2：将步骤S1中选出的流体转接仪1、稳流管2和变频水泵3依次无缝连接为一整体，并在稳流管2的中部安装测速仪4；

S3:将步骤S2中流体转接仪1的流体进口与实验段出口管道A配合放置，使外界流体从实验段出口管道A流出就完全流进流体转接仪1内；

S4：调节变频水泵3保证流体转接仪1内的流体液位变化范围始终维持在规定的刻度范围内；

S5：将测速仪4通过导线外接到显示终端，显示终端显示出流体经过稳流管2时的瞬时速度值、峰值和采样时均值；显示终端所显示出的流体瞬时速度值即为实验段出口管道A流体的瞬时速度值。

步骤S1中，可根据实验段出口管道A内径而选用合适的流体转接仪1和稳流管2，首先先测量实验段出口管道A的内径，然后根据流体转接仪流体1进口的内径与实验段出口管道A内径的比例选出合适的流体转接仪1，根据流体转接仪1流体进口的内径与稳流管2的内径一致的原则选出合适的稳流管2。通过测量实验段出口管道A的流量确定变频水泵3的实际工作流量，通过变频水泵3提供额外负压的情况下，使得变频水泵3的实际工作流量与实验段出口管道A的流量保持一致。

步骤S5中，通过等效实验段出口管道A与稳流管2的流量，使得在实验段出口管道A的流速与稳流管2的流速基本保持一致，通过测量稳流管2的流体速度，从而间接获得实验段出口管道A的流体流速，从而实现在不干扰实验段出口管道A流动区域的情况下测得实验段出口管道A流动区域的流速的目的，且可以保证较高的准确度。

如图2所示为本发明在模拟工具及模拟数据下得到的流体体积分数图。其中模拟实验段出口管道A的内径为5mm，稳流管内径为3mm，流体入口速度为0.6m/s，模型下端出口处设置一定大小的负压用以调节流动。当模拟进行到25s后，流动处于稳定状态，由图2可知，液体由实验段出口管道A流出后全部进入稳流管1内，即实验段出口管道A的流量等于稳流管2内的流量，这时由稳流管2内所测得的流量即为实验段出口管道A的流体流量，由稳流管2流量计测得的流体速度即为实验段出口管道A的流体速度。从而可以证明本发明的正确性及准确性。

Claims (9)

1.一种非接触式流体速度测量工具，用于测量实验段出口管道的流速，其特征在于，包括依次连接的流体转接仪、稳流管和变频水泵，所述流体转接仪与实验段出口管道连通，外界流体从实验段出口管道流出后，依次流进流体转接仪、稳流管和变频水泵，再经变频水泵流出；所述变频水泵用于平衡稳流管与实验段出口管道的流量，使得稳流管的流速与实验段出口管道的流速基本保持一致；所述稳流管的中部安装有测速仪，用于测量稳流管的流体流速，从而通过等效实验段出口管道与稳流管的流速间接得出实验段出口管道的流体流速；

所述流体转接仪内的流体液面存在一定的液面高度，流体转接仪流体进口的内径不小于实验段出口管道的内径，流体转接仪流体出口的内径不大于实验段出口管道的内径。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式流体速度测量工具，其特征在于，外界流体从实验段出口管道流出后，经流体转接仪的流体进口流入，再经流体转接仪的流体出口流出进入稳流管，所述稳流管的内径与流体转接仪流体出口的内径一致，所述流体转接仪呈流体进口宽、流体出口窄的漏斗状结构。

3.根据权利要求2所述的一种非接触式流体速度测量工具，其特征在于，所述流体转接仪流体进口的内径与实验段出口管道的内径之比≥5:1；所述流体转接仪流体出口的内径与实验段出口管道的内径之比为0.9-1:1。

4.根据权利要求2所述的一种非接触式流体速度测量工具，其特征在于，所述流体转接仪的侧壁标有刻度线，每相邻两刻度线之间代表相同的体积量。

5.根据权利要求2所述的一种非接触式流体速度测量工具，其特征在于，所述流体转接仪的内壁为光滑的渐缩截面。

6.根据权利要求1所述的一种非接触式流体速度测量工具，其特征在于，所述流体转接仪内的流体液面高度至少是流体转接仪高度的一半。

7.根据权利要求1所述的一种非接触式流体速度测量工具，其特征在于，所述流体转接仪、稳流管和变频水泵之间无缝连接、一体成型。

8.根据权利要求1所述的一种非接触式流体速度测量工具，其特征在于，所述测速仪为涡轮转子流量计或电磁流量计。

9.一种适用于权利要求1-8任一项所述的非接触式流体速度测量工具的测量方法，其特征在于，包括以下测量步骤：

S1：测量实验段出口管道的内径并计算实验段出口管道的流量大小，根据流体转接仪的流体出口内径与实验段出口管道内径的比例确定流体转接仪的流体出口内径、稳流管的管道内径以及变频水泵的实际工作流量，从而选出合适的流体转接仪、稳流管和变频水泵；

S2：将步骤S1中选出的流体转接仪、稳流管和变频水泵依次无缝连接为一整体，并在稳流管的中部安装测速仪；

S3:将步骤S2中流体转接仪的流体进口与实验段出口管道配合放置，使外界流体从实验段出口管道流出后完全流进流体转接仪内；

S4：调节变频水泵保证流体转接仪内的流体液位变化范围始终维持在规定的刻度范围内；

S5：将测速仪通过导线外接到显示终端，显示终端显示出流体经过稳流管时的瞬时速度值、峰值和采样时均值；显示终端所显示出的流体瞬时速度值即为实验段出口管道流体的瞬时速度值。

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