CN109855691B - 一种差分式层流流量测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种差分式层流流量测量方法及装置，属于流量测量技术领域。测量装置上设有测量管路，测量管路包括第一层流元件和第二层流元件、第一差压传感器和第二差压传感器，第一层流元件与第二层流元件长度不同；第一差压传感器测量第一层流元件两侧差压ΔP1，第二差压传感器测量第二层流元件两侧差压ΔP2，第一层流元件和第二层流元件中包含相同直径和数量的毛细管，长度分别为L1和L2，若L2>L1，则ΔP2>ΔP1，差压差分值ΔΔP＝ΔP2‑ΔP1；若L2<L1，则ΔP2<ΔP1，ΔΔP＝ΔP1‑ΔP2，ΔΔP正比于流经测量管路体积流量。流量正比于差压差分值，容易实现高准确度测量和更大的量程范围。
Description
技术领域
本发明涉及流量测量技术领域，具体涉及一种差分式层流流量测量方法及装置。
背景技术
对于管内充分发展层流流动，当其他参数不变时，流体流经一段管路的压力损失与体积流量成正比，即符合哈根-伯肃叶定律。据此原理，可以设计出层流流量计。
要保证流动为层流，雷诺数需小于临界值，一般要求管径很小，所以通常用毛细管制作层流元件。单根毛细管流量很小，为了实现较大流量测量，可采用多根毛细管并联的形式。无论是单根或者多根毛细管并联制作的层流元件，一般都需要前后两个取压腔室。因此，实际层流流量计测取的层流元件压损中包含了进出毛细管的局部流动动能损失，该项压力损失与流量不是线性关系。
另外，毛细管中不可避免地存在入口段流动，而入口段流动压力损失与流量之间也不满足线性关系，而且入口段长度随雷诺数或流量大小而变化。
为了减小非线性压损占比，提高测量精度，在准确度要求高的实验室测量应用中，毛细管长径比设计取值很大，一般超过500。如此设计带来两个问题，一是层流流量计长度方向尺寸很大，二是流动压损很大。对于一般使用的层流流量计毛细管长径比不会取这么大，二是采用流量系数修正的办法，但要达到好的修正结果是比较困难的，而且数据处理模型相对比较复杂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种差分式层流流量测量方法及装置，克服了层流流量计测取的差压项中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。
一种差分式层流流量测量装置，测量装置上设有测量管路，所述的测量管路包括第一层流元件和第二层流元件、第一差压传感器和第二差压传感器，所述第一层流元件与第二层流元件长度不同；所述第一差压传感器测量第一层流元件两侧差压ΔP1，第二差压传感器测量第二层流元件两侧差压ΔP2。
进一步的，所述的第一层流元件和第二层流元件包括直径和数量相同平行放置的毛细管，两个层流元件中毛细管长度不同，分别为L1和L2。
进一步的，所述的第一层流元件和第二层流元件串联在管路中，第一层流元件的上游安装流动调整器。
一种差分式层流流量测量方法，测量管路中串联安装长度不同的第一层流元件和第二层流元件，第一层流原件和第二层流原件包含相同直径和数量的毛细管，第一层流元件上游装有流动调整器，第一差压传感器和第二差压传感器分别测量两个层流元件的流动压损ΔP1和ΔP2；第一层流元件和第二层流元件中毛细管长度分别为L1和L2，ΔΔP为两个流动压损的差值，即差压差分值，流经管路的体积流量：
其中，n--毛细管根数；
d--圆形截面毛细管内径；
μ--流体的动力粘度；
ΔL—第一层流元件和第二层流元件中毛细管长度之差。
进一步的，若L2>L1，ΔL＝L2-L1，则ΔP2>ΔP1，计算两个流动压损的差值，ΔΔP＝ΔP2-ΔP1；若L2<L1，ΔL＝L1-L2，则ΔP2<ΔP1，计算两个流动压损的差值，ΔΔP＝ΔP1-ΔP2。
进一步的，所述第一层流元件和第二层流元件中毛细管长度需超过流动入口段长度，且流动处于层流状态。
进一步的，对于不可压缩流体，体积流量不需要修正；对于可压缩流体，体积流量根据校准实验数据进行修正，即
式中，C为流量修正系数，其数值通过校准实验获得。
本发明具有的有益效果是：
1)该测量方法中，通过取两个层流元件差压的差分，将层流元件中毛细管进口、出口压损，以及毛细管内入口段流动损失抵消掉。对于不可压缩流体，差压差分值完全正比于体积流量，可以采用哈根-伯肃叶定律计算流量，计算模型非常简单。即便对于可压缩流体，对于压力损失相对流体静压很小的情况，通过差分也可大大减少非线性成分，使得修正更加容易。
2)采用这种测量方法，流量正比于差压差分值，容易实现高准确度测量和更大的量程范围。
附图说明
图1差分式层流流量测量管路示意图；
图2测量管路中各段压损示意图；
其中：1-流动调整器；2-第一层流元件；3-第二层流元件；4-第一差压传感器；5-第二差压传感器。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
图1为差分式层流流量测量装置示意图。测量装置上设有测量管路，测量管路主要由流动调整器1、第一层流元件2、第二层流元件3、第一差压传感器4、第二差压传感器5组成。其中，第一层流元件2和第二层流元件3串联在测量管路中，第一层流元件2和第二层流元件3内部含有相同直径和数量的毛细管，毛细管长度不同，分别为L1和L2，如图2所示，第一层流元件和第二层流元件中毛细管长度均需超过流动入口段长度，且毛细管内流动需处于层流状态。在第一层流元件2的入口之前管路里安装流动调整器1，使得第一层流元件2和第二层流元件3的入口流动条件比较接近，减小测量误差。第一差压传感器4测量第一层流元件2两侧差压ΔP1，第二差压传感器5测量第二层流元件3两侧差压ΔP2，假设L2>L1，取这两个差压的差值，ΔΔP＝ΔP2-ΔP1，称之为差压差分值。若L2<L1，则ΔΔP＝ΔP1-ΔP2。对于不可压缩流动，流经测量管路的体积流量Q完全符合哈根-伯肃叶定律，如公式(1)，即Q与ΔΔP完全成正比：
其中，n--毛细管根数；
d--圆形截面毛细管内径；
μ--流体的动力粘度；
ΔL--两个层流元件中毛细管长度之差，若L2>L1，ΔL＝L2-L1；若L2<L1，ΔL＝L1-L2。
下面结合图2测量管路中各段压损示意图可以更加方便地说明本测量方法的工作原理，以下均假设L2>L1，对工作原理进行说明，L2<L1情况工作原理相同。
图2为测量管路中各段压损示意图。如图2所示，第一层流元件2两端的压差ΔP1可分为5项，即
ΔP1＝ΔP11+ΔP12+ΔP13+ΔP14+ΔP15 (2)
其中，ΔP11--取压腔室内取压孔到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。
将第二层流元件3分为两部分，第一部分与第一层流元件长度相同，即L2＝L21+ΔL，其中L21＝L1。第二层流元件3两端的压差ΔP2可分为6项，即
ΔP2＝ΔP21+ΔP22+ΔP23+ΔP24+ΔP25+ΔP26 (3)
其中，ΔP21--取压腔室内部取压孔到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。
当第一层流元件2和第二层流元件3入口流动条件一样时，对于不可压缩流体，ΔP11＝ΔP21，ΔP12＝ΔP22，ΔP13＝ΔP23，ΔP14＝ΔP24，ΔP15＝ΔP25，即图中细虚线和细实线部分分别对应相等，可完全抵消，则差压差分值ΔΔP＝ΔP2-ΔP1＝ΔP26。第二层流元件3中毛细管后半段内已经为充分发展段流动，因此其流体粘性引起的沿程摩擦阻力损失完全符合哈根-伯肃叶定律，即ΔΔP＝ΔP26与体积流量Q成线性关系，将ΔΔP代入公式(1)。
需要说明的是，L1应大于毛细管内流动入口段长度，否则ΔΔP中还存在入口段分线性成分。
最后，对于可压缩流体，考虑气体的可压缩性引起的沿途密度变化和体积流量变化，非线性项不能完全抵消，应采用如下公式计算流量，
式中，C为流量修正系数，其数值通过校准实验获得。但是对于压力损失相对于流体静压小的多情况，所剩余的非线性成分已经很小，比较容易修正。
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)
1.一种差分式层流流量测量装置，其特征在于测量装置上设有测量管路，所述测量管路包括第一层流元件(2)和第二层流元件(3)、第一差压传感器(4)和第二差压传感器(5)，所述第一层流元件(2)与第二层流元件(3)长度不同；所述第一差压传感器(4)测量第一层流元件(2)两侧差压ΔP1，第二差压传感器(5)测量第二层流元件(3)两侧差压ΔP2；所述的第一层流元件(2)第二层流元件(3)包括直径和数量相同平行放置的毛细管，两个层流元件中毛细管长度不同，分别为L1和L2。
2.根据权利要求1所述的一种差分式层流流量测量装置，其特征在于所述的第一层流元件(2)和第二层流元件(3)串联在管路中，第一层流元件(2)的上游安装流动调整器(1)。
3.一种差分式层流流量测量方法，其特征在于测量管路中串联安装长度不同的第一层流元件(2)和第二层流元件(3)，第一层流元件(2)和第二层流元件包含相同直径和数量的毛细管，第一层流元件(2)上游装有流动调整器(1)，第一差压传感器(4)和第二差压传感器(5)分别测量两个层流元件的流动压损ΔP1和ΔP2；第一层流元件和第二层流元件中毛细管长度分别为L1和L2，ΔΔP为两个流动压损的差值，即差压差分值，流经管路的体积流量：
其中，n--毛细管根数；
d--圆形截面毛细管内径；
μ--流体的动力粘度；
ΔL—第一层流元件和第二层流元件中毛细管长度之差。
4.根据权利要求3所述的一种差分式层流流量测量方法，其特征在于若L2>L1，ΔL＝L2-L1，则ΔP2>ΔP1，计算两个流动压损的差值，ΔΔP＝ΔP2-ΔP1；若L2<L1，ΔL＝L1-L2，则ΔP2<ΔP1，计算两个流动压损的差值，ΔΔP＝ΔP1-ΔP2。
5.根据权利要求3所述的一种差分式层流流量测量方法，其特征在于第一层流元件(2)和第二层流元件(3)中毛细管长度需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3所述的一种差分式层流流量测量方法，其特征在于对于不可压缩流体，体积流量不需要修正；对于可压缩流体，体积流量根据校准实验数据进行修正，
式中，C为流量修正系数，其数值通过校准实验获得。
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