CN110737877A - 一种基于介质粘度的流速修正方法及系统 - Google Patents

一种基于介质粘度的流速修正方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于介质粘度的流速修正方法及系统，属于计量领域，包括运行速度修正函数α1对介质流速进行修正，直至α1v测≤v临，其中，v测表示介质的实测流速，v临表示介质的流速临界值，该流速临界值为该介质临界雷诺数的平均速度；获取介质的实测温度T测和临界温度T临，并判断是否满足T测＞T临；若是，保留所述修正函数α1对介质流速进行修正的结果；若否，运行速度修正函数α2对介质流速进行二次修正。利用本方案能够消除计量仪表在低温低速工况下因为介质粘性对流速修正精度带来的影响。

Description

一种基于介质粘度的流速修正方法及系统
技术领域
本发明涉及计量技术领域，特别涉及一种基于介质粘度的流速修正方法及系统。
背景技术
影响流动介质计量精度的主要因素有两点：一是测量介质的流场分布是否稳定，二是电子仪表的信号捕捉误差。其中影响测量介质的流场的因素主要有测量结构和介质物性，前者决定进入测量区域的流动介质的抗来流干扰性，后者为介质属性对速度分布的影响。前者可通过优化结构改善，后者通过结构改善有限，因此常采用数学方法解决后者影响。
根据流体力学基本原理，雷诺数的大小直接影响流速的分布，流体的雷诺数是表征流体粘性影响的无量纲相似准则数，在流速较低(雷诺数＜2300)时，流体的粘性力对流体的运动状态起主要作用，而流体的粘性由温度决定，所以针对流体的这种特性，势必需要捕捉不同温度下以及不同流量下的速度分布规律，总结出补偿机制来进行误差补偿。
传统的基于流速测量的计量设备所采用的补偿机制多为通过多温度点多流量点的实验测试数据拟合补偿，补偿机制的优越性直接影响测量设备的量程比和测量精度。但基于传统的补偿机制在精度误差允许范围内存在较大的补偿极值，如果介质流速较低，且温度较低时，由于流体的粘性导致的速度分布急剧变化，该补偿机制将丧失作用，无法精确补偿，导致无法保证计量精度误差在允许的范围内。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足或缺陷，以提高低流速、低温介质的流速修正精度。
为实现以上目的，一方面，采用一种基于介质粘度的流速修正方法，包括如下步骤：
运行速度修正函数α1对介质流速进行修正，直至α1v测≤v临，其中，v测表示介质的实测流速，v临表示介质的流速临界值，该流速临界值为该介质临界雷诺数的平均速度；
获取介质的实测温度T测和临界温度T临，并判断是否满足T测＞T临；
若是，保留所述修正函数α1对介质流速进行修正的结果；
若否，运行速度修正函数α2对介质流速进行二次修正；
其中，α1和α2均是关于无温差速度修正函数k＝f(v)与温差速度修正函数ω＝f(t)的偶合结果，v表示介质速度，t表示介质温度，为离散值。
进一步地，所述速度修正函数α1和α2为：
Figure BDA0002225489130000021
其中，ω1函数为不考虑介质粘性的影响进行速度修正，ω2函数为针对介质粘性的影响进行二次速度修正。
进一步地，所述ω2函数针对粘度影响的二次速度修正关系为：
Figure BDA0002225489130000022
其中，ε为修正系数，介质粘度关于温度的连续函数μ＝f(T)，l表示测量区域特征长度，d表示测量区域直径，T表示介质温度。
进一步地，在所述介质为气体时，所述介质粘度关于温度的函数为：
Figure BDA0002225489130000023
其中，B＝110.4K，μ0为参考粘度，T0为参考温度。
进一步地，在所述介质为液体时，所述介质粘度关于温度的函数为：
进一步地，所述临界温度T临为所述介质粘度拐点时的温度。
第二方面，采用一种基于介质粘度的流速修正系统，包括第一流速修正模块、温度获取模块和第二流速修正模块，其中：
第一流速修正模块用于运行速度修正函数α1对介质流速进行修正，直至α1v测≤v临，其中，v测表示介质的实测流速，v临表示介质的流速临界值，该流速临界值为该介质临界雷诺数的平均速度；
温度获取模块用于获取介质的实测温度T测和临界温度T临，并判断是否满足T测＞T临；
在T测＞T临时，保留所述修正函数α1对介质流速进行修正的结果；；
在T测≤T临时，利用所述第二流速修正模块运行速度修正函数α2对介质流速进行二次修正
其中，α1和α2均是关于无温差速度修正函数k＝f(v)与温差速度修正函数ω＝f(t)的偶合结果，v表示介质速度，t表示介质温度，为离散值。
进一步地，所述速度修正函数α1和α2为：
Figure BDA0002225489130000031
其中，ω1函数为不考虑介质粘性的影响进行速度修正，ω2函数为针对介质粘性的影响进行二次速度修正。
进一步地，所述ω2函数针对粘度影响的二次速度修正关系为：
Figure BDA0002225489130000032
其中，ε为修正系数，介质粘度关于温度的连续函数μ＝f(T)，l表示测量区域特征长度，d表示测量区域直径，T表示介质温度。
进一步地，在所述介质为气体时，所述介质粘度关于温度的函数为：
Figure BDA0002225489130000033
其中，B＝110.4K，μ0为参考粘度，T0为参考温度。
在所述介质为液体时，所述介质粘度关于温度的函数为：
Figure BDA0002225489130000034
第三方面，采用一种基于介质粘度的计量系统，包括圆管计量腔体、温度传感器和如上所述的流速修正系统，圆管计量腔体用于测量介质流速，其末端安装有温度传感器，温度传感器的输出端与流速修正系统连接。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：考虑到传统的流速修正机制不适用于低流速低温介质的流速修正，其修正范围受温度影响较大。本发明通过根据介质温度与粘性关系对流速修正函数中的温差速度修正函数进行二次修正，得到用于速度修正函数α2，并在介质的实测温度小于或等于临界温度时，利用速度修正函数α2对介质流速进行修正。利用本方案能够消除计量仪表在低温低速工况下因为介质粘性对流速修正精度带来的影响。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1是一种基于介质粘度的流速修正方法的流程示意图；
图2是一种基于介质粘度的流速修正系统的结构示意图；
图3是一种基于介质粘度的计量系统的结构示意图。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。
如图1所示，本实施例公开了一种基于介质粘度的流速修正方法，包括如下步骤S1至S4：
S1、运行速度修正函数α1对介质流速进行修正，直至α1v测≤v临，其中，v测表示介质的实测流速，v临表示介质的流速临界值，该流速临界值为该介质临界雷诺数的平均速度；
需要说明的是，本实施例方案是基于测流速的计量设备，比如超声波表，则基于时差法测得流速；流速临界值，根据雷诺数的计算公式来确定，临界雷诺数根据具体介质来确定。
S2、获取介质的实测温度T测和临界温度T临，并判断是否满足T测＞T临，若是则执行步骤S3，若否则执行步骤S4；
需要说明的是，介质的实测温度可以利用传统的流速修正机制即通过多温度点多流量点的实验测试数据拟合修正得到；临界温度为该介质粘度拐点时的温度值。
S3、保留所述修正函数α1对介质流速进行修正的结果；
S4、运行速度修正函数α2对介质流速进行二次修正；
其中，α1和α2均是关于无温差速度修正函数k＝f(v)与温差速度修正函数ω＝f(t)的偶合结果，v表示介质速度，t表示介质温度，为离散值。
需要说明的是，所获取的介质的实测温度T测为离散值，对实测温度T测进行拟合，得到拟合曲线，拟合曲线上的各点即为t表示。
需要说明的是，无温差速度修正函数k＝f(v)与温差速度修正函数ω＝f(t)的偶合结果为α＝f(k,ω)，即认为有如下关系式：
αv测＝v均
其中，v均为介质的平均流速。
本实施例中的速度修正函数α1等效于偶合结果α＝f(k,ω)，但是由于ω函数在低温低流速工况下变化剧烈，故α修正函数针对低温低流速介质不适用。本实施例针对ω函数进行二次修正，得到最终偶合修正函数存在如下关系：
Figure BDA0002225489130000051
其中，ω1函数为不考虑介质粘性的影响进行速度修正，ω2函数为针对介质粘性的影响进行二次速度修正。
需要说明的是，定义以下工况为临界工况，Re临为临界雷诺数，介质处于层流运动状态，T临为临界温度(临界温度取决于介质粘性与温度的关系，粘度在温差10℃的变化率为20％的值)，其他物理量同理。
根据流体力学基本原理，雷诺数表示为：
Figure BDA0002225489130000061
式中，临界雷诺数的定义区间为Re临＝[2000,2300]，ρ为介质密度，v均为介质平均流速，l为测量区域特征长度，μ为介质粘度，其中介质粘度受温度影响而变化。
应当说明的是，不同介质的流体在不同工况下临界雷诺数有所区别，临界雷诺数不是一个恒定值，本申请涉及的流体介质在这个区间范围内，本领域技术人员也可以根据实际介质流体，设置不同的临界雷诺数。
同等流量不同温度工况，测量区域恒定(横截面为圆形)，那么介质的实测流速必然相等，但是受介质粘性影响，速度分布发生变化，实测流速相差较大，若定义如下转换关系，将介质的粘性影响转换为流速的差异，认为有如下关系：
Figure BDA0002225489130000062
其中，v测为实测流速，ε为修正系数，μ表示介质粘度，l表示测量区域特征长度，d表示测量区域直径。
特别地，本实施例中，修正系数ε的取值区间为[0.6，0.9]。
进一步地，根据介质温度与粘性关系新增α2修正函数，ω2函数针对粘度影响的二次速度修正关系为：
Figure BDA0002225489130000063
其中，ε为修正系数，介质粘度关于温度的连续函数μ＝f(T)，l表示测量区域特征长度，d表示测量区域直径，T表示介质的实时实测温度，为连续值。
进一步地，在所述介质为气体时，所述介质粘度关于温度的函数为：
Figure BDA0002225489130000071
其中，B＝110.4K，μ0为参考粘度，T0为参考温度。
进一步地，在所述介质为液体时，所述介质粘度关于温度的函数为：
Figure BDA0002225489130000072
如图2所示，本实施例公开了一种基于介质粘度的流速修正系统，包括第一流速修正模块10、温度获取模块20和第二流速修正模块30，其中：
第一流速修正模块10用于运行速度修正函数α1对介质流速进行修正，直至α1v测≤v临，其中，v测表示介质的实测流速，v临表示介质的流速临界值，该流速临界值为该介质临界雷诺数的平均速度；
温度获取模块20用于获取介质的实测温度T测和临界温度T临，并判断是否满足T测＞T临；
在T测＞T临时，保留所述修正函数α1对介质流速进行修正的结果；；
在T测≤T临时，利用所述第二流速修正模块30运行速度修正函数α2对介质流速进行二次修正；
其中，α1和α2均是关于无温差速度修正函数k＝f(v)与温差速度修正函数ω＝f(t)的偶合结果，v表示介质速度，t表示介质温度，为离散值。
所述速度修正函数α1和α2为：
Figure BDA0002225489130000073
其中，ω1函数为不考虑介质粘性的影响进行速度修正，ω2函数为针对介质粘性的影响进行二次速度修正；
所述ω2函数针对粘度影响的二次速度修正关系为：
Figure BDA0002225489130000081
其中，ε为修正系数，介质粘度关于温度的连续函数μ＝f(T)，l表示测量区域特征长度，d表示测量区域直径，T表示介质温度，为连续值；
其中，在所述介质为气体时，所述介质粘度关于温度的函数为：
Figure BDA0002225489130000082
其中，B＝110.4K，μ0为参考粘度，T0为参考温度。
在所述介质为液体时，所述介质粘度关于温度的函数为：
Figure BDA0002225489130000083
如图3所示，本实施例还公开了一种基于介质粘度的计量系统，包括圆管计量腔体1、温度传感器2和如上实施例所述的流速修正系统3，圆管计量腔体1用于测量介质流速，其末端安装有温度传感器2，温度传感器2的输出端与流速修正系统3连接。
需要说明的是，以超声波测流原理计量仪表为例，采用一对以上超声波信号收发器，超声波通过至少一个等径圆管计量腔体1，圆管末端有一温度传感器2，计量腔体外设置有如上所述流速修正系统3，温度传感器2的输出端与流速修正系统3连接，即可实现本方案在超声波仪表上的运用。
应当理解的是，本方案可拓展应用到流量或流速测量的仪器仪表，比如基于超声波测量原理的计量仪表，基于电磁感应原理的计量仪表等。
需要说明的是，传统的流速修正机制不适用于低流速低温介质的流速修正，其修正温度受温度影响较大，仅适用于量程比不大，精度在2级以下且介质工作温度较高的工况。而本申请所公开的方案通过数学方法解决了介质粘性在低温低流速工况下对计量精度的影响，有助于提高基于测速原理计量仪表的量程比，大大提高了计量精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于介质粘度的流速修正方法，其特征在于，包括：
运行速度修正函数α1对介质流速进行修正，直至α1v测≤v临，其中，v测表示介质的实测流速，v临表示介质的流速临界值，该流速临界值为该介质临界雷诺数的平均速度；
获取介质的实测温度T测和临界温度T临，并判断是否满足T测＞T临；
若是，保留所述修正函数α1对介质流速进行修正的结果；
若否，运行速度修正函数α2对介质流速进行二次修正；
其中，α1和α2均是关于无温差速度修正函数k＝f(v)与温差速度修正函数ω＝f(t)的偶合结果，v表示介质速度，t表示介质温度，为离散值。
2.如权利要求1所述的基于介质粘度的流速修正方法，其特征在于，所述速度修正函数α1和α2为：
Figure FDA0002225489120000011
其中，ω1函数为不考虑介质粘性的影响进行速度修正，ω2函数为针对介质粘性的影响进行二次速度修正。
3.如权利要求2所述的基于介质粘度的流速修正方法，其特征在于，所述ω2函数针对粘度影响的二次速度修正关系为：
Figure FDA0002225489120000012
其中，ε为修正系数，介质粘度关于温度的连续函数μ＝f(T)，l表示测量区域特征长度，d表示测量区域直径，T表示介质温度。
4.如权利要求3所述的基于介质粘度的流速修正方法，其特征在于，在所述介质为气体时，所述介质粘度关于温度的函数为：
Figure FDA0002225489120000013
其中，B＝110.4K，μ0为参考粘度，T0为参考温度。
5.如权利要求3所述的基于介质粘度的流速修正方法，其特征在于，在所述介质为液体时，所述介质粘度关于温度的函数为：
Figure FDA0002225489120000021
6.如权利要求1-5任一项所述的基于介质粘度的流速修正方法，其特征在于，所述临界温度T临为所述介质粘度拐点时的温度。
7.一种基于介质粘度的流速修正系统，其特征在于，包括第一流速修正模块、温度获取模块和第二流速修正模块，其中：
第一流速修正模块用于运行速度修正函数α1对介质流速进行修正，直至α1v测≤v临，其中，v测表示介质的实测流速，v临表示介质的流速临界值，该流速临界值为该介质临界雷诺数的平均速度；
温度获取模块用于获取介质的实测温度T测和临界温度T临，并判断是否满足T测＞T临；
在T测＞T临时，保留所述修正函数α1对介质流速进行修正的结果；；
在T测≤T临时，利用所述第二流速修正模块运行速度修正函数α2对介质流速进行二次修正；
其中，α1和α2均是关于无温差速度修正函数k＝f(v)与温差速度修正函数ω＝f(t)的偶合结果，v表示介质速度，t表示介质温度，为离散值。
8.如权利要求7所述的基于介质粘度的流速修正系统，其特征在于，所述速度修正函数α1和α2为：
Figure FDA0002225489120000022
其中，ω1函数为不考虑介质粘性的影响进行速度修正，ω2函数为针对介质粘性的影响进行二次速度修正；
所述ω2函数针对粘度影响的二次速度修正关系为：
Figure FDA0002225489120000023
其中，ε为修正系数，介质粘度关于温度的连续函数μ＝f(T)，l表示测量区域特征长度，d表示测量区域直径，T表示介质温度。
9.如权利要求8所述的基于介质粘度的流速修正系统，其特征在于，在所述介质为气体时，所述介质粘度关于温度的函数为：
Figure FDA0002225489120000031
其中，B＝110.4K，μ0为参考粘度，T0为参考温度。
在所述介质为液体时，所述介质粘度关于温度的函数为：
Figure FDA0002225489120000032
10.一种基于介质粘度的计量系统，其特征在于，包括圆管计量腔体、温度传感器和如权利要求7～9任一项所述的流速修正系统，圆管计量腔体用于测量介质流速，其末端安装有温度传感器，温度传感器的输出端与流速修正系统连接。
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