CN110823297B - 振动环境下的动态流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种振动环境下的动态流量测量方法和装置。该流量测量装置包括加速度传感器，用于测量管道的振动加速度；压力传感器，用于测量流体的压强；以及流量解算控制器，基于流固耦合模型，根据振动加速度和压强，求解得到流体的流量。该流量测量方法包括：测量管道的振动加速度；测量流体的压强；以及基于流固耦合模型，根据振动加速度和压强，求解得到流体的流量。

Description

振动环境下的动态流量测量装置及方法

技术领域

本公开涉及一种流量测量装置及方法，尤其涉及一种在振动环境中流体流量的非侵入式动态测量方法。

背景技术

流量测量的方法一般有：压差式、涡轮式、涡阶式、超声波式、激光等，但这些方法均存在一定的缺陷。压差式、涡轮式、涡阶式等流量测量方法需要在管道中设置节流孔、涡轮或涡阶发生器，会给管道中流动的流体带来节流损失，对流体的流动形态带来影响。同时，涡轮或涡阶发生器方法测量流体流量的精度受到涡轮齿数的精度限制，无法对流体的动态流量进行精确测量。超声波与激光等方法则对环境中的振动有着较大的要求，在环境存在振动的情况下将会引入较大的误差。

发明内容

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种振动环境下的动态流量测量方法和装置。

根据本公开的第一方面，一种振动环境下的动态流量测量方法，包括：测量管道的振动加速度；测量流体的压强；以及基于流固耦合模型，根据振动加速度和压强，求解得到流体的流量；其中，流固耦合模型包括偏微分方程，其包括2个流体偏微分方程和2个管道轴线振动偏微分方程；偏微分方程的变量包括流体的流量和压强、管道的轴向振动速度和轴向力，变量在所述偏微分方程中相互耦合。

根据本公开的至少一个实施方式，流量测量方法还包括利用特征线法将偏微分方程转换为具有约束的线性方程组，进而通过差分求解方式获得流体流量的计算公式，并设计流量解算算法。

根据本公开的至少一个实施方式，振动加速度通过加速度传感器测量，压强通过压力传感器测量；以及流量测量方法还包括测量加速度传感器之间和压力传感器之间的距离。

根据本公开的至少一个实施方式，流量测量方法还包括设置管道与流体的参数、划分算法网格以及设置算法运算时间步长。

根据本公开的至少一个实施方式，流量测量方法还包括在正式测量前，测量一次管道的振动加速度，用于初始化管道各个空间点的振动加速度；测量一次流体的压强，用于初始化管道各个空间点的流体的压强；以及将管道各个空间点的流量初始化为零。

根据本公开的第二方面，一种振动环境下的动态流量测量装置，包括：加速度传感器，用于测量管道的振动加速度；压力传感器，用于测量流体的压强；以及流量解算控制器，基于流固耦合模型，根据振动加速度和压强，求解得到流体的流量；其中，流固耦合模型包括偏微分方程，其包括2个流体偏微分方程和2个管道轴线振动偏微分方程；偏微分方程的变量包括流体的流量和压强、管道的轴向振动速度和轴向力，变量在偏微分方程中相互耦合。

根据本公开的至少一个实施方式，流量解算控制器还用于利用特征线法将偏微分方程转换为具有约束的线性方程组，进而通过差分求解方式获得流体的流量的计算公式，并设计流量解算算法。

根据本公开的至少一个实施方式，流量测量装置包括至少两个加速度传感器和至少两个压力传感器；以及流量解算控制器还用于记录加速度传感器之间和压力传感器之间的距离。

根据本公开的至少一个实施方式，流量解算控制器还用于设置管道与流体的参数、划分算法网格以及设置算法运算时间步长。

根据本公开的至少一个实施方式，流量解算控制器还用于根据振动加速度初始化管道各个空间点的振动加速度；根据压强初始化管道各个空间点的流体的压强；以及将管道各个空间点的流量初始化为零值。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开至少一个实施方式的振动环境下的动态流量测量装置的架构示意图。

图2是根据本公开至少一个实施方式的振动环境下的动态流量测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

在本公开的至少一个实施方式中，本公开提供了一种振动环境下的动态流量测量方法和装置。

如图1所示，本公开提供的振动环境下的动态流量测量装置，包括流量解算控制器1、加速度传感器2和压力传感器3。其中，加速度传感器2用于测量管道4的振动加速度；压力传感器3用于测量流体的压强；以及流量解算控制器1，基于流固耦合模型，根据振动加速度和压强，求解得到流体的流量。

流固耦合模型描述了管道与流体之间的相互作用对系统的影响，其包括偏微分方程，基本方程包括2个流体偏微分方程和2个管道轴线振动偏微分方程；偏微分方程的变量包括流体的流量和压强、管道的轴向振动速度和轴向力，变量在所述偏微分方程中相互耦合流固耦合模型。

根据本公开的至少一个实施方式，流量测量装置包括至少两个加速度传感器2和至少两个压力传感器3。

利用本公开提供的流量测量装置能够进行流量的实时测量，如图2所示，包括以下步骤：

S11：测量管道4的振动加速度；

S12：测量流体的压强；

S2：基于流固耦合模型，根据振动加速度和压强，求解得到流体的流量。

在测试过程中，被测流体将从由加速度传感器2、压力传感器3、流量解算控制器1与测试管道4组成的基于加速度和压力的管路动态流量测量装置中流过。采集加速度传感器2的信号与压力传感器3的信号，输入到流量解算控制器1中。流量解算控制器1内置流量解算算法，其核心是内建的流固耦合模型。根据该模型，可利用流体的压力信息与管道4的加速度信息，计算得到管路内流体的流量。

具体地，在开始阶段，需要测量以下物理量：

1)获得加速度传感器2和压力传感器3在管道4上的位置分布，测量加速度传感器2之间和压力传感器3之间的距离，并保存至流量解算控制器1；

2)流量解算控制器1设置管道与流体的参数、划分算法网格以及设置算法运算时间步长。

接着，进行流量解算控制器1的初始化，具体包括：

1)流量解算控制器1采集一次加速度传感器2信号，解算出测试管道4的振动加速度的分布情况，初始化测试管道4各个空间点的振动加速度；

2)流量解算控制器1采集一次压力传感器3信号，解算出测试管道4中被测量流体的压强初始分布情况，初始化测试管道4各个空间点流体的压强；

3)将测试管道4各个空间点的流量初始化为零值。

在正式测量时，流量解算控制器1根据当前时刻加速度传感器2和压力传感器3的信号，解算出被测量流体当前时刻的流量值，具体包括：

1)采集当前时刻加速度传感器2的信号，并转换为管道4的振动加速度值；

2)采集当前时刻压力传感器3的信号，并转换为被测量流体的压强值；

3)流量解算控制器1基于管道流固耦合模型，将流固耦合偏微分方程转换为具有约束的线性方程组；进而通过差分求解方式获得流体的流量的计算公式，并设计流量解算算法，其中，特征线法是一种将偏微分方程求解为全微分方程的求解方法；

4)流量解算控制器1将采集到的加速度和压强数值，做适当的转换，作为边界条件代入方程组进行求解，得出管道4中被测量流体当前时刻的流量值。

重复以上步骤，即可获取测试管道4中被测量流体的实时流量值，直至从流量解算控制器1中退出测量。

本公开提出的在振动环境中基于振动加速度和压力的管路动态流量测量方法与装置，其结构简单，非侵入式，能在振动环境中准确实现高精度、高动态的测量。此方法通过测量管道不同位置的管道的振动加速度与流体的压强分布，利用基于流固耦合模型的流量解算算法求解管路流体方程，从而计算得到管内流体的实时动态流量，无需在管道中布置其他元件。安装于管道上的加速度传感器、及安装于管壁上的压力传感器，不侵入管内流场，因此对管内流体流动没有干扰影响。对于具有振动环境的场合，该测量方法也能够实现对流量的精确测量。流量解算算法不依赖流量初始值，不需要额外的流量传感器做辅助。该装置能够实时解算流体的流量，输出的流量结果具有实时特性。

本公开提出的在振动环境中基于加速度和压力信号的流量测量方法与装置具有测量精度高、动态响应快的优点，并可应用于具有较大振动、对流体流量有高动态要求的场合。该流量测量方法与装置作为一种新型的流体流量测量装置，能够在航空、汽车、热电厂、石油、矿山、冶金、机械、医疗等涉及到流体流量测量的领域中得到广泛的应用。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (2)

1.一种振动环境下的动态流量测量方法，其特征在于，所述流量测量方法包括：

通过加速度传感器测量管道的振动加速度；

通过压力传感器测量流体的压强；

获得加速度传感器和压力传感器在管道上的位置分布，测量加速度传感器之间和压力传感器之间的距离，并保存至流量解算控制器；

流量解算控制器设置管道与流体的参数、划分算法网格以及设置算法运算时间步长；

进行流量解算控制器的初始化，包括：

流量解算控制器采集一次加速度传感器信号，解算出测试管道的振动加速度的分布情况，初始化测试管道各个空间点的振动加速度；

流量解算控制器采集一次压力传感器信号，解算出测试管道中被测量流体的压强初始分布情况，初始化测试管道各个空间点流体的压强；以及

将测试管道各个空间点的流量初始化为零值；以及

基于流固耦合模型，根据所述振动加速度和所述压强，求解得到所述流体的流量，包括：

采集当前时刻加速度传感器的信号，并转换为管道的振动加速度值；

采集当前时刻压力传感器的信号，并转换为被测量流体的压强值；

流量解算控制器基于管道流固耦合模型，将流固耦合偏微分方程转换为具有约束的线性方程组；进而通过差分求解方式获得流体的流量的计算公式，并设计流量解算算法，其中，特征线法是一种将偏微分方程求解为全微分方程的求解方法；

流量解算控制器将采集到的加速度和压强数值进行转换，作为边界条件代入方程组进行求解，得出管道中被测量流体当前时刻的流量值；以及

重复以上步骤，获取测试管道中被测量流体的实时流量值，直至从流量解算控制器中退出测量。

2.一种振动环境下的动态流量测量装置，其特征在于，所述流量测量装置包括：

加速度传感器，所述加速度传感器用于测量管道的振动加速度；

压力传感器，所述压力传感器用于测量流体的压强；以及

流量解算控制器，所述流量解算控制器基于流固耦合模型，根据所述振动加速度和所述压强，求解得到所述流体的流量，包括：

获得加速度传感器和压力传感器在管道上的位置分布，测量加速度传感器之间和压力传感器之间的距离，并保存至流量解算控制器；

流量解算控制器设置管道与流体的参数、划分算法网格以及设置算法运算时间步长；

进行流量解算控制器的初始化，包括：

流量解算控制器采集一次加速度传感器信号，解算出测试管道的振动加速度的分布情况，初始化测试管道各个空间点的振动加速度；

流量解算控制器采集一次压力传感器信号，解算出测试管道中被测量流体的压强初始分布情况，初始化测试管道各个空间点流体的压强；以及

将测试管道各个空间点的流量初始化为零值；以及

基于流固耦合模型，根据所述振动加速度和所述压强，求解得到所述流体的流量，包括：

采集当前时刻加速度传感器的信号，并转换为管道的振动加速度值；

采集当前时刻压力传感器的信号，并转换为被测量流体的压强值；

流量解算控制器基于管道流固耦合模型，将流固耦合偏微分方程转换为具有约束的线性方程组；进而通过差分求解方式获得流体的流量的计算公式，并设计流量解算算法，其中，特征线法是一种将偏微分方程求解为全微分方程的求解方法；

流量解算控制器将采集到的加速度和压强数值进行转换，作为边界条件代入方程组进行求解，得出管道中被测量流体当前时刻的流量值；以及

重复以上步骤，获取测试管道中被测量流体的实时流量值，直至从流量解算控制器中退出测量。

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