CN109738030A - 压力位差式层流流量测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力位差式层流流量测量方法及装置。测量管路由两条管径相同并联支路组成，每条支路上串联长度不同的两个层流元件，两条支路上的层流元件两两相同安装位置交叉对称，构成除了长短层流元件相对位置不同，其它完全相同的两条支路。在每条支路上两个层流元件之间的取压腔室中间位置开取压孔，测量两个取压腔室之间的差压，称之为压力位差，此差压值大小正比于流经测量管路的体积流量，采用哈根‑伯肃叶定律由差压计算得到被测体积流量。具体实施时要求各层流元件中毛细管长度超过流动入口段长度且流动处于层流状态。该测量方法避免了传统层流流量计层流元件进出口压损和入口段流动压损的非线性影响，容易实现准确测量和更宽的量程。

Description

压力位差式层流流量测量方法及装置

技术领域

本发明涉及流量测量技术领域，具体为一种压力位差式层流流量测量方法及装置。

背景技术

层流流量计具有无可动部件、能够进行瞬时流量测量等优点，在微小气体流量测量和瞬时气体流量测量领域有较为广泛的应用。

层流流量计是基于流经层流元件的流量与压损的线性关系，即哈根-伯肃叶定律工作的。但是，流量与压损的线性关系只有在充分发展层流流动才成立。由于实际层流流量计层流元件进出口流动动能损失和毛细管内入口段流动阻力损失是非线性的，为了减小非线性压损占比以提高测量精度，毛细管长径比设计取值要求比较大，高精度测量时毛细管长径比需超过500。从流量计长度和压损考虑，普通的层流流量计毛细管长径比不会取这么大，其非线性影响采用流量系数修正的办法予以解决，但要达到好的修正结果往往比较困难或付出其他代价。

采用差分式层流流量测量方法可以在很大程度上将进出口动能损失和入口段流动损失的非线性影响抵消掉。这种方法的思路是采用串联两个长度不同的层流元件，取这两个层流元件两端差压之差，即差压差分。对于不可压缩流体，差压差分值严格正比于体积流量。但是，这种方法需要两个差压传感器，这样就引入了差压传感器之间性能差异导致的测量误差，也增加了成本。另外，对于可压缩的气体流动，差分式层流流量测量方法也不能将非线性成分完全抵消掉，有必要做进一步改进。

发明内容

为了克服层流流量计进出口毛细管流动损失和毛细管中入口段流动损失非线性影响，在差分式层流流量测量方法基础上进行改进，提出了本发明，即压力位差式层流流量测量方法及装置。具体如下：

测量管路由管径相同的支路一和支路二两条并联支路组成，管路上含有四个层流元件，层流元件内部毛细管直径和数量都相同，层流元件长度两两相同，即，层流元件一和层流元件四相同，长度为L₁，层流元件二和层流元件三相同，长度为L₂，L₂>L₁。层流元件一和层流元件三串联安装在支路一上，层流元件二和层流元件四串联安装在支路二上。

支路一和支路二上分别装有流动调整器一和流动调整器二，两个流动调整器规格和相对安装位置完全相同。此外，其余连接管路相对于测量管路进出口都是对称的。这样，整个测量管路从入口到出口除了长短层流元件相对位置交叉对称以外其他都相同，两条支路流动阻力(压力损失)特性相同。

每个支路上两个层流元件之间为取压腔室，两个支路上的取压腔室长度相同。取压腔室中间位置开有取压孔，层流元件一和层流元件三之间、层流元件二和层流元件四之间的取压孔引出的取压管分别接到差压传感器的正压和负压端子，读取两个取压腔室之间的差压，称之为压力位差。此差压值大小正比于流经测量管路的体积流量，于是可采用哈根-伯肃叶定律由差压计算得到被测流量。

流经两个支路的总体积流量为

其中，n--单个层流元件中的毛细管根数；

d--毛细管当量直径；

μ--流体的动力粘度；

ΔP--压力位差；

ΔL--两种长度层流元件中中毛细管长度之差，ΔL＝L₂-L₁。

C--流量系数。

使用这种测量方法时，还需注意几个技术要求或问题：

1)为了能够将流动入口段压力损失完全抵消掉，各层流元件中毛细管长度需超过流动入口段长度；

2)层流元件中毛细管内流动需处于层流状态。

3)对于不可压缩流体流量测量，毛细管进出口动能损失和毛细管中入口段流动损失两种非线性损失项都可以自动抵消掉，因此，流量系数C为常数；对于可压缩流体，例如进行气体流量测量时，考虑气体的可压缩性导致的沿途密度和体积流量变化，层流元件的毛细管出口压损和取压腔室内流动阻力损失不能完全抵消掉，非线性影响仍存在，流量系数C不是常数。两种情况下，流量系数C的数值都需要通过校准实验确定。

本发明具有的有益效果是：

1)该测量方法中，通过构造两个流阻特性相同的并联支路，测量两个支路中上游层流元件出口腔室之间的差压，即压力位差，从而得到流量。对于不可压缩流体，层流元件中毛细管进口、出口压损、毛细管内入口段流动损失、取压腔室内的流动阻力损失等非线性成分被自动抵消掉，不体现在压力位差中，因此该差压与体积流量严格成正比。即便对于可压缩气体流动，层流元件毛细管进口动能损失和入口段粘性摩擦阻力损失也可被抵消掉，毛细管出口压损和取压腔室内流动阻力损失大部分可被抵消掉，对于压力损失相对流体静压比较小的情况，差压中非线性成分已经大为减少，使得后续修正更加容易。

2)采用这种测量方法，流量正比于压力位差值，流量测量数学模型极为简单，容易实现高准确度测量和更大的量程范围。

3)基于这种方法工作的流量计，每个支路中上游的层流元件相当于增加了一个流动调整器，能够克服各种流态的影响，具有更好的流动适应性。

4)基于这种方法工作的流量计，如果有灰尘等沉积在层流元件前半段，只要两个元件中污染情况相同，对测量结果不会产生影响，因此流量计抗脏污能力强，长期稳定性好。

附图说明

图1是本发明的压力位差式层流流量测量管路示意图；

图2压力位差式层流流量测量管路主要尺寸示意图；

图3测量管路中压力损失示意图；

图中：100-支路一；200-支路二；1-流动调整器一；2-流动调整器二；3-层流元件一；4-层流元件二；5-层流元件三；6-层流元件四；7-差压传感器。

具体实施方式

下面通过附图对本发明进行进一步描述。

如图1所示，本发明压力位差式层流流量测量装置的测量管路由管径相同的支路一100和支路二200两条并联支路组成，每条支路上串联两个长度不同层流元件，层流元件一3和层流元件三5串联安装在支路一100上，层流元件二4和层流元件四6串联安装在支路二200上。层流元件内部毛细管直径和数量都相同，并且两条支路上的层流元件长度两两相同，即，长度较短的层流元件一3和层流元件四6相同，长度较长的层流元件二4和层流元件三5相同。各支路上两个层流元件之间为取压腔室，两个支路的取压腔室长度相同。支路一100和支路二200上分别装有流动调整器一1和流动调整器二2，两个流动调整器规格和相对安装位置完全相同。此外，其余连接管路相对于测量管路进出口都是对称的。这样，两条支路流动阻力(压力损失)特性相同。

在每条支路上两个层流元件之间的取压腔室中间位置开有取压孔，层流元件一3和层流元件三5之间、层流元件二4和层流元件四6之间的取压孔引出的取压管分别接到差压传感器7的正压和负压端子，读取两个取压腔室之间的差压，即压力位差ΔP。

如图2所示，层流元件一3和层流元件四6长度相等，为L₁；层流元件二4和层流元件三5长度相等，为L₂；L₂>L₁。层流元件一3和层流元件二4的长度之差，ΔL＝L₂-L₁。两个支路上取压腔室长度相同，为e，e一般为取压腔室的内径的1-2倍。两个支路中流动调整器到层流元件入口的距离为e'，e'为管道内径的1倍左右。

图3为测量管路中层流元件一3和层流元件二4的压力损失示意图。如图所示，假设流动调整器到层流元件之间腔室中间位置的压力为P₀，支路一上取压腔室取压点位置的压力为P₁，支路二上取压腔室取压点位置的压力为P₂，两条支路层流元件一3和层流元件二4两端的压力损失分别为：ΔP₁＝P₀-P₁，ΔP₂＝P₀-P₂。

ΔP₁可分为5项，即

ΔP₁＝ΔP₁₁+ΔP₁₂+ΔP₁₃+ΔP₁₄+ΔP₁₅ (1)

其中，ΔP₁₁--流动调整器一1与层流元件一3之间腔室中间点到层流元件一3毛细管入口的沿程摩擦损失；

ΔP₁₂--毛细管进口流动动能损失；

ΔP₁₃--毛细管内沿程摩擦损失；

ΔP₁₄--毛细管出口流动动能损失；

ΔP₁₅--取压腔室内毛细管出口到取压孔的沿程摩擦损失。

将层流元件二4分为两部分，L₂＝L₂₁+ΔL，其中L₂₁与L₁相同。则，ΔP₂可分为6项，即

ΔP₂＝ΔP₂₁+ΔP₂₂+ΔP₂₃+ΔP₂₄+ΔP₂₅+ΔP₂₆ (2)

其中，ΔP₂₁--流动调整器二2与层流元件二4之间腔室中间点到层流元件一毛细管入口的沿程摩擦损失；

ΔP₂₂--毛细管进口流动动能损失；

ΔP₂₃--毛细管前半段L₂₁长度内沿程摩擦损失；

ΔP₂₄--毛细管出口流动动能损失；

ΔP₂₅--取压腔室内毛细管出口到取压孔的沿程摩擦损失；

ΔP₂₆--毛细管后半段ΔL长度内沿程摩擦损失。

对于不可压缩流体，ΔP₁₁＝ΔP₂₁，ΔP₁₂＝ΔP₂₂，ΔP₁₃＝ΔP₂₃，ΔP₁₄＝ΔP₂₄，ΔP₁₅＝ΔP₂₅，即图中压力损失虚线和细实线部分分别对应相等，可完全抵消，则压力位差值

ΔP＝P₁-P₂＝(P₁-P₀)-(P₂-P₀)＝ΔP₂-ΔP₁＝ΔP₂₆ (3)

层流元件二4中毛细管后半段内已经为充分发展段流动，因此流体粘性引起的沿程摩擦阻力损失ΔP₂₆完全符合哈根-伯肃叶定律，即ΔP＝ΔP₂₆与体积流量Q成线性关系，由差压计算体积流量的公式为

其中，n--单个层流元件中的毛细管根数；

d--毛细管当量直径；

μ--流体的动力粘度；

ΔP--压力位差；

ΔL--两种长度层流元件中中毛细管长度之差，ΔL＝L₂-L₁。

C--流量系数。

需要说明的是，L₁应大于毛细管内流动入口段长度，否则ΔP中非线性成分不能完全去除。

另外，对于不可压缩流体流量测量，毛细管进出口动能损失和毛细管中入口段流动损失两种非线性损失项都可以自动抵消掉，因此，流量系数C为常数；对于可压缩流体，例如进行气体流量测量时，考虑气体的可压缩性导致的沿途密度和体积流量变化，层流元件的毛细管出口压损和取压腔室内流动阻力损失不能完全抵消掉，非线性影响仍存在，流量系数C不是常数。两种情况下，流量系数C的数值都需要通过校准实验确定。当然，对于压力损失相对流体静压比较小的情况，差压ΔP中非线性成分已经大为减少，使得后续修正非常容易。

以上所述仅为本发明的基本思路和方法，并不用以限制本发明，凡在本发明的思路和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种压力位差式层流流量测量装置，包括测量管路，其特征在于：所述测量管路由管径相同、进出口连接管对称的支路一100)和支路二(200)两条并联支路组成，支路一(100)上依次设置流动调整器一(1)、层流元件一(3)和层流元件三(5)；支路二(200)上依次设置流动调整器二(2)、层流元件二(4)和层流元件四(6)，每条支路上两个层流元件之间的取压腔室中间位置开有取压孔，层流元件一(3)和层流元件三(5)之间、层流元件二(4)和层流元件四(6)之间的取压孔引出的取压管分别接到差压传感器(7)的正压和负压端子。

2.根据权利要求1所述的一种压力位差式层流流量测量装置，其特征在于：所述层流元件一(3)、层流元件二(4)、层流元件三(5)、层流元件四(6)内部毛细管直径和根数相同，较短的层流元件一(3)和层流元件四(6)长度相同，长度为L₁，较长的层流元件二(4)与层流元件三(5)长度相同，长度为L₂，L₂>L₁。

3.根据权利要求1所述的一种压力位差式层流流量测量装置，其特征在于：两条支路上的流动调整器一(1)和流动调整器二(2)规格和相对安装位置完全相同。

4.一种压力位差式层流流量测量方法，采用权利要求1-3之一所述的压力位差式层流流量测量装置，其特征在于：流经两个支路的总体积流量可采用哈根-伯肃叶定律由差压计算，计算公式为

其中，n--单个层流元件中的毛细管根数；

d--毛细管当量直径；

μ--流体的动力粘度；

ΔP--压力位差；

ΔL--两种长度层流元件中中毛细管长度之差，ΔL＝L₂-L₁，较短的层流元件一(3)和层流元件四(6)长度相同，长度为L₁，较长的层流元件二(4)与层流元件三(5)长度相同，长度为L₂，L₂>L₁；

C--流量系数。

5.根据权利要求4所述的一种压力位差式层流流量测量方法，其特征在于：各层流元件中毛细管长度超过流动入口段长度，且流动处于层流状态。

6.根据权利要求4所述的一种压力位差式层流流量测量方法，其特征在于：对于不可压缩流体，流量系数C为常数；对于可压缩流体，流量系数C不是常数；流量系数C的数值通过校准实验确定。