CN110045144A - 一种封闭管道液体流速分布自动测量方法及装置 - Google Patents

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王灿
姚新红
宋进
沈琼
吴锦川
刘波
陈宇阳
许骏龙
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    • G01P5/14—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring differences of pressure in the fluid
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Abstract

本发明公开了一种封闭管道液体流速分布自动测量装置，包括流速测量装置和运动及支撑装置以及数据采集及处理机构，所述流速测量装置包括皮托管流速计和差压计；所述运动及支撑装置位于皮托管流速计的一侧，所述运动及支撑装置包括皮托管夹具以及支架，所述数据采集及处理机构包括计算机，所述数据采集及处理机构还包括数据采集卡，所述数据采集卡用于控制步进电机运动以及采集差压计读数；本发明公布了一种基于差压式皮托管流速计连续自动测量封闭管道内液体流速的方法及其装置，流速测量方法基于由伯努利方程导出的皮托管测速原理，可测量在封闭管道中同一径向上不同位置的实际流速，包括层流、絮流状态的液体流速均可精准测量。

Description

一种封闭管道液体流速分布自动测量方法及装置
技术领域
本发明属于液体流速测量技术领域，具体涉及一种封闭管道液体流速分布自动测量方法及装置。
背景技术
差压式皮托管流速计是通过测量位于封闭管道内的皮托管(皮托管总压孔与静压孔连线与封闭管道轴线平行)总压孔与静压孔之间的差压，同时结合被测液体密度与所使用皮托管标定系数，确定被测点流速的一种方法。目前皮托管流速计多用于烟气流速、航空器对地空速等气体流速的测量领域，尚未有文献或专利将差压式皮托管用于封闭管道液体流速测量，并动态自动连续地获得待测径向上的液体流速分布。此外基于速度面积法进行液体流量测量的流量仪表，大多未考虑到封闭管道内流速分布的不均匀性，所以该发明无论是从封闭管道单一径向液体流速分布测量还是从改进基于速度面积法流量计流量测量精度方面考虑，均有极大的应用价值
在封闭管道中实际液体的流速与流态相关。封闭管道内的流体流态主要分为层流与絮流。由于边界层效应，靠近管道壁的流速低，而管道中心的流速高，整体流速分布沿管道径向大致呈抛物线形状。而常规使用液体流量计只能获得一段时间内通过固定管道的液体体积流量，对于管道内的液体流速分布无从知晓。目前已知的应用于液体流速测量仪表主要是叶轮式流速仪表，多用于测量河流等公开水域的液体流速，对于封闭管道内的液体流速测量目前业界少有研究的问题，为此我们提出一种封闭管道液体流速分布自动测量方法及装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种封闭管道液体流速分布自动测量方法及装置，以解决上述背景技术中提出目前无法自动连续测量封闭管道指定径向各点液体流速进而获得指定径向液体流速分布的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种封闭管道液体流速分布自动测量装置，包括流速测量装置和运动及支撑装置以及数据采集及处理机构，所述流速测量装置包括皮托管流速计和差压计；所述运动及支撑装置位于皮托管流速计的一侧，所述运动及支撑装置包括皮托管夹具以及支架，所述数据采集及处理机构包括计算机。
优选的，所述数据采集及处理机构还包括数据采集卡，所述数据采集卡用于控制步进电机运动以及采集差压计读数，且所述运动及支撑装置还包括步进电机。
优选的，所述支架结构的外表面开设有螺纹，可供皮托管夹具做垂直运动。
优选的，所述计算机与数据采集卡之间通过电气连接。
优选的，所述支架与皮托管夹具以及皮托管流速计之间均相互紧密连接。
优选的，所述该方法使用差压式皮托管流速计测量，涉及的流速测量表达式为：
其中，v是皮托管总压孔所在点的被测液体沿管道轴线流速；K是使用的差压式皮托管的系数；Δp是差压计测得的皮托管总压孔与静压孔的差压；ρ是被测流体密度。
在管道径向上垂直移动皮托管，可以连续的测得该径向上足够多点的液体流速，将足够多点的液体流速利用三次样条插值方法进行拟合，便可得到该径向上的液体流速分布曲线。
一种封闭管道液体流速分布自动测量方法，包括如下步骤，包括如下步骤，先使用皮托管流速计测量管道内某径向上的一点，可以是中心点也可以是最接近管壁的一点的流速，计算机通过差压计直接获得差压信号，通过流速计算获得该点流速，再通过皮托管运动控制机构控制皮托管流速计在被测封闭管道同一径向上的连续移动，得到该径向上所有待测点的流速，进而得到该径向上的液体流速分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明公布了一种基于差压式皮托管流 速计连续自动测量封闭管道内液体流速的方法及其装置，流速测量方法基于由伯努利方程 导出的皮托管测速原理，可测量在封闭管道中实际液体的不同流态的流 速，使得封闭管道液体流速分布的连续自动测量成为可能，将以前多用于气体流速测量的 差压式皮托管流速计创新的应用于液体流速测量。并且该类型流速计的流速测量精度较以 往的主要应用于开放水域流速测量的叶轮式流速计，测量精度大幅度提高。对研究大口径 液体管道边界层效应、大口径液体管道各种流速下管道内的分层流态都大有益处。此外该 也对传统的基于流速面积法的流量计测量精度会带来大幅提升。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明控制与信息获取方框图；
图3为本发明液体流速分布测量流程图；
图4为本发明实际测量v1~vn数据图；
图5为本发明流速分布图；
图中：1、支架；2、皮托管夹具；3、皮托管流速计；4、差压计；5、计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图5，本发明提供一种技术方案：一种封闭管道液体流速分布自动测量装置，包括流速测量装置和运动及支撑装置以及数据采集及处理机构，所述流速测量装置包括皮托管流速计3和差压计4；所述运动及支撑装置位于皮托管流速计3的一侧，所述运动及支撑装置包括皮托管夹具2以及支架1，所述数据采集及处理机构包括计算机5，且数据采集及处理机构还包括数据采集卡，所述数据采集卡用于控制步进电机运动以及采集差压计4读数，且所述运动及支撑装置还包括步进电机。
本实施例中，优选的，支架结构1的外表面开设有螺纹，可供皮托管夹具2做垂直运动。
本实施例中，优选的，该方法使用差压式皮托管流速计3测量，涉及的流速测量表达式为：
其中，v是皮托管总压孔所在点的被测液体沿管道轴线流速；K是使用的差压式皮托管的系数；Δp是差压计4测得的皮托管总压孔与静压孔的差压；ρ是被测流体密度。
在管道径向上垂直移动皮托管，可以连续的测得该径向上足够多点的液体流速，将足够多点的液体流速利用三次样条插值方法进行拟合，便可得到该径向上的液体流速分布曲线。
本发明的工作原理及测量方法：该流量测量方法如下：
在有液体流动的封闭管道内，垂直于管道轴向放置的皮托管，根据伯努利公式，其所在位置的流速可由（1）式求得：
其中，v是皮托管总压孔前端稳定流场处的被测液体沿管道轴线流速；
K是使用的差压式皮托管的标定系数
Δp是差压计测得的皮托管总压孔与静压孔的差压
ρ是被测流体密度。
连续测得同一径向上不同被测点的液体流速v1、v2……vn，通过计算机三次样条插值拟合，便可获得该径向上的液体流速分布。
该计算机5获得封闭管道某一径向流速分布测量命令后，通过数据采集卡控制步 进电机运动，进而带动皮托管夹具2沿支撑结构螺纹垂直运动至某位置，进而带动皮托管运 动至封闭管道内被测径向上某点，使用皮托管流速计3测量管道内某径向上的一点，距离管 壁最远流速被测点或该被测径向中点，作为第一被测点，此时，计算机5发送数据采集命令， 差压计4的读数通过数据采集卡被计算机5读取，计算机5通过差压计4直接获得差压信号， 使用电子在线密度计或机械式密度计人工或自动读取当前封闭管道内液体密度，输入计算 机5，计算机5通过计算出该被测点的液体流速并存储，再通过计算机5发送 命令通过运动控制机构控制皮托管流速计3在被测封闭管道同一径向上的连续移动，在封 闭管道该被测径向上运动至第二被测点、第三被测点……直至第n被测点，即管道另一边壁 的流速被测点，将所有n个液体流速被测点的数据采用三次样条插值方法进行拟合，便可在 计算机5上得到封闭管道被测径向上的液体流速分布，如图3 所示，实施例中使用的标准皮 托管流速计的标定系数K为1.03，使用密度计测得封闭管道内液体密度ρ为0.995*103 kg/ m3。通过计算机控制3皮托管流速计，运动至6封闭管道的最下方流速测量点，通过5计算机 读取到4差压计测得的该位置的差压Δpi为1.97Pa，结合皮托管系数与被测管道液体密度， 可以算得封闭管道最下方第一个测点的液体流速为2.05 m/s。在皮托管该测量径向上以 3cm为间隔均匀分布10个测点，实施例中所测量的液体流速分布管道为DN300口径，即所测 管道直径为30cm，管道最下方第一个测点流速获得后，控制皮托管在同一被测径向上依次 移动至其余9个测点，计算机采集其余9个测点的Δp2~Δp9，并使用相同的皮托管流速计标 定系数1.03与液体密度0.995*103kg/m3，计算得到该被测径向上其余9个测点的流速v2~ v9，图4中将上述被测径向的10个点的流速使用三次样条插值拟合方法，即获得如图4所示 的该径向上的流速分布曲线，即可对封闭管道液体流速分布的进行连续自动测量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种封闭管道液体流速分布自动测量装置，其特征在于：包括流速测量装置和运动及支撑装置以及数据采集及处理机构，所述流速测量装置包括皮托管流速计（3）和差压计（4）；所述运动及支撑装置位于皮托管流速计（3）的一侧，所述运动及支撑装置包括皮托管夹具（2）以及支架（1），所述数据采集及处理机构包括计算机（5）。
2.根据权利要求1所述的一种封闭管道液体流速分布自动测量装置，其特征在于：所述数据采集及处理机构还包括数据采集卡，且所述运动及支撑装置还包括步进电机。
3.根据权利要求1所述的一种封闭管道液体流速分布自动测量装置，其特征在于：所述支架结构（1）的外表面开设有螺纹。
4.根据权利要求1或2所述的一种封闭管道液体流速分布自动测量装置，其特征在于：所述计算机（5）与数据采集卡之间通过电气连接。
5.根据权利要求1所述的一种封闭管道液体流速分布自动测量装置，其特征在于：所述支架（1）与皮托管夹具（2）以及皮托管流速计（3）之间均相互紧密连接。
6.根据权利要求1所述的一种封闭管道液体流速分布自动测量方法，其特征在于：所述该方法使用差压式皮托管流速计（3）测量，涉及的流速测量表达式为：
其中，v是皮托管总压孔所在点前端稳定流场处的被测液体沿管道轴线流速；K是使用的差压式皮托管的系数；Δp是差压计（4）测得的皮托管总压孔与静压孔的差压；ρ是被测流体密度;在管道径向上垂直移动皮托管，可以连续的测得该径向上足够多点的液体流速，将足够多点的液体流速利用三次样条插值方法进行拟合，便可得到该径向上的液体流速分布曲线。
7.根据权利要求1~5所述权利的一种封闭管道液体流速分布自动测量方法，其特征在于：包括如下步骤，先使用所述皮托管流速计（3）测量管道内某径向上的一点，可以是中心点也可以是最接近管壁的一点的流速，所述计算机（5）通过所述差压计（4）直接获得差压信号，通过流速计算获得该点流速，再通过皮托管运动控制机构控制所述皮托管流速计（3）在被测封闭管道同一径向上的连续移动，得到该径向上所有待测点的流速，对所有点流速进行三次样条插值拟合，进而得到该径向上的液体流速分布。
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