CN111157067B - 一种流体流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种流体流量测量方法，该方法包括以下步骤：采集待测流体的参量信号并获取流速数据；采集待测流体流经的管道的变截面信号并获取变截面数据；根据所述变截面数据及管道原始横截面参数获得变截面的面积；根据流体的流速和变截面的面积得到流体的体积流量，或结合待测流体的密度获得质量流量。解决现有技术中成本高、控制系统复杂、占用空间大等问题，实现提高量程比，减少测量管道和传感器，降低成本、控制系统和占用空间，并降低维护成本。

Description

一种流体流量测量方法

技术领域

本发明涉及流量测量领域，具体是一种通过在测量过程中改变流体管道横截面积以提高测量的量程比的流体流量测量方法。

背景技术

对于液体及气体的流量测量，通过在流体流经的管道上安装传感器，通过传感器测量电信号，通过该电信号能反映管道内部流体流动的压差，经过压差能计算出流体的流速，根据流体的密度ρ、流速v及横截面A与流量Q的关系即:Q＝ρ×v×A能获得质量流量或体积流量Q＝v×A；由于传感器测量范围的限制，能够感知的压差Δp在Δp_min～Δp_max之间，对于同一测量管道，流量的量程比：

在实际使用场景中，有些流动过程的量程比很大，单个的常规流量计不能满足全量程测量的要求，为了克服这种缺陷，现有技术通常采用多个流量测量装置并联，通过阀门切换或组合的方式进行全量程测量，这种方式需要针对不同的流动状态切换不同的阀门组合，一方面测量过程较为繁琐，控制程序复杂，也需要更多的执行元件配合才能完成测量装置的切换；另一方面使得测量成本提高了若干倍；最后多个测量装置需要更大的安装空间，对适用环境提出了更高的要求，相应也大大增加了安装、维护和检修成本。

发明内容

本发明提供一种流体流量测量方法，用于克服现有技术中成本高、控制流程复杂、需要安装空间较大等缺陷，通过在测量过程中改变流体管道横截面积以提高流量测量的量程比，大大减少了测量装置的数量，简化测量控制元件及程序，大大缩小了安装空间，并降低了安装、维护和检修成本。

为实现上述目的，本发明提供一种流体流量测量方法，用于变截面流量测量系统，所述变截面流量测量系统包括管道、测量端安装在所述管道内部的传感器、能够使得所述管道内部横截面产生变化的变截面装置；在待测流体流经管道内部时通过变截面装置的动作以改变待测流体的流动参数；包括以下步骤：

步骤1，采集待测流体的参量信号并获取流速数据；

步骤2，采集待测流体流经的管道的变截面信号并获取变截面数据；

步骤3，根据所述变截面数据及管道原始横截面参数获得变截面的面积；

步骤4，根据流体的流速和变截面的面积得到体积流量，或结合待测流体的密度获得质量流量。

本发明提供的流体流量测量方法，在测量过程中，根据流量检测量程范围需要，通过变截面装置在线动态改变流体流经管道的横截面积，使得压差传感器的检测信号处于正常检测范围，从而扩展流量测量系统的量程比，满足流量测量系统在复杂环境下的测量需求，减少了检测管道及传感器的数量及测量控制系统的规模，同时大大缩小了安装空间，并降低安装、维护和检修成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1a为发明实施例一提出的流体流量测量方法中传感器测量原理优选实施例一的示意图；

图1b为发明实施例一提出的流体流量测量方法中传感器测量原理优选实施例二的示意图；

图1c为发明实施例一提出的流体流量测量方法中传感器测量原理优选实施例三的示意图；

图2a为实施例一中信号传输流程图；

图2b为流速变化随压差的变化曲线图；

图3为本发明实施例中椭圆等效变截面数据计算原理图；

图4为本发明实施例中扁圆等效变截面数据计算原理图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

如附图1-4所示，本发明实施例提供一种流体流量测量方法，包括以下步骤：

步骤S1，采集待测流体的参量信号并获取流速数据；

这里给出三种获取待测流体流量的具体方式：

具体实施方式一，通过采集待测流体流经测量段的压差，通过计算获得流速。

参见图1a，通常通过两个压力传感器(测量端分别安装在检测管道变截面部位测得P2和检测管道入口端P1)或压差传感器(两个测量端分别安装在检测管道变截面部位和检测管道入口端)能够获取待测流体内部的压差信号，这里的压差信号通常是电信号，例如是电压信号或电流信号，通过电量与压力的换算关系能够获得流体流经管道检测段两端的压差，上述换算计算关系为公知技术，现有的传感器均能输出压差数据。例如流体的压差为Δp＝P1-P2。这里的Δp在下面区间内：Δp_min～Δp_max，其中：Δp_min为压差传感器有效量程最小值，Δp_max为压差传感器有效量程最大值。检测段具体参见图1中变截面装置作用箭头之间的细长部分。这种方式适用于管道在变截面轴向长度较短的情景。

根据压差数据获得流体的流速；

根据伯努利方程，能获得流体的流速v：

其中，公式(1)中C为流出系数、β为直径比(r/R，其中R为检测管道半径，r为检测管道收到挤压变形后等效为圆形的半径)、ε为可膨胀系数、ρ为流体密度、Δp为压差,Δp＝P1-P2。

具体实施方式二，参见图1b，通过采集待测流体的总压P_总和静压P_静，获得压差Δp”＝P_总-P_静，进而通过压差计算获得流速。

在变截面管道中沿径向安装总压/静压组合传感器，管道内的测压点位置随变截面参数的变化可以通过流道截面的流体速度分布加以修正。总压与静压之差即为压差，获得流速v：

公式(2)中：Δp”＝P_总-P_静，ρ为流体密度；

这种方式适也用于管道在变截面轴向长度较短的情景。

具体实施方式三，参见图1c，通过涡街传感器测量待测流体的漩涡频率，具体将特定的(通常选用三角柱型)阻流件沿变截面管道径向安装，流速正对传感器其中一个侧面，流体以一定的速度流过时在阻流件的两侧就形成了交替变化的两排旋涡，这种旋涡被称为卡门涡街，通过旋涡频率与流道之间的关系能获得流速，具体计算公式如下：

其中：f为旋涡频率，v为流体流速，d为阻流件迎流面宽度，为已知量，St为斯特劳哈尔数，为无量纲，为已知常数，旋涡频率与流速成正比，检出频率就可获得流速。本方案适用于管道在变截面轴向长度较长的情景。

优选地，为了确保压差传感器采集的压差始终处于有效量程范围，通过变截面装置驱动管道的检测段横截面根据实际的量测值的变化而实时变化。具体参见图2b，为了利用压差与流速变化之间的函数关系，通过测量压差，进而计算获得流速，因此，对于压力传感器或压差传感器的有效量程进行了界定，即在Δp位于Δp_min～Δp_max之间时，满足上述公式(1)或公式(2)，在上述有效量程范围之外时，不满足上述公式的适用条件；并且随着测量精度的提高，上述Δp_min～Δp_max的范围还会在原有的范围内进一步缩小。

初始截面形状的选择：

由最大流量到最小流量单调变化时，流道截面由圆形变为椭圆形；

由最小流量到最大流量单调变化时，流道截面由椭圆形变为圆形；

由中间流量值双向变化时，截面由椭圆形安装长短轴比双向变化。

有效量程是指保证测量精度的测量量程，精度越高有效量程越小。

步骤S2，采集待测流体流经的管道的变截面信号并获取变截面数据；

可根据具体采用的变截面装置的不同将变截面信号分为电机转速信号、位移量信号或压力信号等，例如在本发明一实施例中，变截面装置采用电机驱动传动机构以带动执行部件移动对管道两侧挤压或释放挤压以实现对检测横截面积的改变，可将步进电机转过的角度进行采集并作为变截面信号输出，结合传动机构的传动比及传动比与进给行程之间的传动关系获得进给位移量，通过进给位移量及管道的形状参数(例如圆形管的半径、椭圆管的长短轴)获得检测过程中流体实际流经管道的横截面积并作为变截面数据输出。

例如在本发明另一实施例中，变截面装置采用气缸或液压油缸驱动执行部件移动对管道两侧挤压或释放挤压以实现对检测横截面积的改变，通过位移传感器能够感知执行部件移动的位移，可将执行部件移动的位移作为变截面信号输出，获得变截面数据的过程同上：通过执行部件的位移及管道的形状参数(例如圆形管的半径、椭圆管的长短轴)获得检测过程中流体实际流经管道的横截面积并作为变截面数据输出。

例如在本发明又一实施例中，与上述实施例的不同之处在于，通过安装在管道内壁的距离传感器能够感知管道在被挤压或被释放的过程中，管道产生形变方向的距离或位移，例如在圆形管道被挤压过程中，通过在产生压缩的方向上安装距离传感器或位移传感器，时刻检测该方向的距离或位移，通过该距离或位移及圆形管道的半径能够获得检测过程中流体实际流经管道的横截面积并作为横截面数据输出。为了计算更为简化，也可以同时在管道扩张方向安装距离传感器，将同时获得该两个方向的距离作为变截面数据输出，通过上述两个方向的距离及圆形管道的半径能够获得检测过程中流体实际流经管道的横截面积并作为横截面数据输出。

步骤S3，根据所述变截面数据及管道原始横截面参数获得变截面的面积；

步骤S31，例如管道横截面为圆形，在挤压后变形量小于或等于管道直径的0.67倍时，横截面形状可等效为椭圆形，参见图3，具体按照如下过程计算椭圆面积：

圆形挤压变形成椭圆后,周长不变,所以有：

2π×R＝π×(a+b) (4)

其中,R为圆的半径,2a,2b分别为椭圆的长轴和短轴，于是椭圆面积A'：

A'＝π×a×b (5)

其中2a,2b中至少有一个可以通过传感器检测直接或间接获得,通过上述椭圆面积计算公式获得变截面的面积。

下面对半径为1的圆形管道的变形进行了仿真实验，具体数据如下：

从上述数据可以看出，通过压扁检测管道，能够使得最后的面积缩小到原来管道横截面积的1/2，由此，可将流量检测量程扩到到原来的两倍，此时，压缩变形率约为0.3376。

步骤S32，在挤压变形量大于管道直径的0.85倍时，横截面形状可等效为矩形，具体按照如下过程计算矩形面积：

圆形挤压变形成矩形后,周长不变,所以有：

2π×R＝2×(c+d) (6)

其中,R为圆的半径,c,d分别为矩形的长和宽，于是矩形面积A'：

A'＝c×d (7)

其中c,d中至少有一个可以通过传感器检测直接或间接获得,通过上述矩形面积计算公式获得变截面的面积。

步骤S33，在挤压变形量大于管道直径的0.67倍且小于0.85倍时，横截面形状可等效为图4所示的扁圆形，具体按照如下过程计算扁圆形面积：

圆形挤压变形成扁圆形后,周长不变,所以有：

2π×R＝2×(X+l_x) (8)

其中,R为圆的半径,X为扁圆形直边长，l_x为扁圆形弧边长，Δr为挤压变形量，于是扁圆形面积A'：

其中r为扁圆形弧边对应的半径，x为扁圆形弧边对应的弦长，α为扁圆形弧边对应的圆心角的一半，x1为扁圆形弧边圆心与管道圆心之间的距离。

步骤S4，根据流体的流速和变截面的面积及待测流体的密度获得流体的流量。根据下面的公式：

Q＝ρ×v×A (12)

其中流体的密度ρ为已知、流速v可根据上述公式(1)，横截面A可根据上述公式(2)～(3)、(4)～(5)或(6)～(11)获得，带入上述公式(12)即可获得流量。

在本发明优选实施例一中，在步骤S1采集待测参数信号(本实施例中为压差数据)之后还包括以下步骤：

S101a，在待测流体的压差数据Δp小于压差有效量程下限值时，驱动变截面装置动作以减小待测流体流经的管道的横截面积；

S102a，直到待测流体压差数据在压差有效量程范围内，停止驱动变截面装置动作。

例如在流量较小时，压差相应也较小，当小于传感器的阈值时，显示在数据输出上为0，因此需要对检测段管道干预使得其横截面积变小，随着横截面积的减小，Δp会发生变化，在横截面积变化到一定程度时，能使得压差传感器测量数据Δp'处于有效量程范围内，以满足正常测量需要，实现对小于Q_min进行测量，以提高流量量程比。

在本发明优选实施例二中，所述步骤S1采集待测参数信号(本实施例中为压差数据)之后还包括以下步骤：

S101b，在待测流体的压差数据大于压差有效量程上限值时，驱动变截面装置动作以增加待测流体流经的管道的横截面积；

S102b，直到待测流体压差数据在压差有效量程范围内，停止驱动变截面装置动作。

例如在流量较大时，压差相应也较大，大于传感器的测量上限时会导致输出饱和甚至传感器损坏，因此需要对检测段管道干预使得其横截面积变大，使得压差传感器测量数据处于有效量程范围内，以满足正常测量需要，实现对大于Q_max进行测量，以提高流量量程比。例如采用方管或椭圆形管进行检测，通过变截面装置使其横截面形状趋于圆形，进而实现横截面积的变大。

在本发明优选实施例三中，所述步骤S1采集待测参数信号(本实施例中为压差数据)之后还包括以下步骤：

S101c，在待测流体的压差数据介于压差有效量程上限值与压差有效量程下限值之间时，驱动变截面执行装置保持锁定状态对待测流体流经的管道的横截面积不做改变；

S102c，此时变截面数据为上一个状态值。

例如在流量适中时，压差相应也适中，管道半径选择合适时，压差传感器感知到的测量数据正常，因此不需要对检测段管道干预，其横截面积不产生任何变化，压差传感器测量数据处于正常量程范围内。

在本发明的另外实施例中，步骤S1采集待测参数信号为漩涡频率，具体实施步骤同上。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种流体流量测量方法，其特征在于，用于变截面流量测量系统，所述变截面流量测量系统包括管道、测量端安装在所述管道内部的传感器、能够使得所述管道内部横截面产生变化的变截面装置；在待测流体流经管道内部时通过变截面装置的动作以改变待测流体的流动参数；包括以下步骤：

步骤1，采集待测流体的参量信号并获取流速数据；

步骤2，采集待测流体流经的管道的变截面信号并获取变截面数据；

步骤3，根据所述变截面数据及管道原始横截面参数获得变截面的面积；

步骤4，根据流体的流速和变截面的面积得到体积流量，或结合待测流体的密度获得质量流量；

在步骤1中所述待测流体的参量信号包括压差数据或漩涡频率中任一个；

采集待测流体的参量信号之后还包括以下步骤：

在待测流体的压差数据小于压差有效量程下限值或漩涡频率小于频率有效量程下限时，驱动变截面装置动作以减小待测流体流经的管道的横截面积；直到待测流体压差数据在压差有效量程范围内或漩涡频率在频率有效量程范围内时，停止驱动变截面装置动作；

所述变截面数据包括所述管道在压缩方向和/或扩张方向的变形位移量；

所述管道中的流体满足伯努利方程。

2.如权利要求1所述的流体流量测量方法，其特征在于，在步骤1中所述待测流体的参量信号包括压差数据或漩涡频率中任一个；

采集待测流体的参量信号之后还包括以下步骤：

在待测流体的压差数据大于压差有效量程上限值或漩涡频率大于频率有效量程上限时，驱动变截面装置动作以增加待测流体流经的管道的横截面积；直到待测流体压差数据在压差有效量程范围内或漩涡频率在频率有效量程范围内时，停止驱动变截面装置动作。

3.如权利要求1所述的流体流量测量方法，其特征在于，在步骤1中所述待测流体的参量信号包括压差数据或漩涡频率中任一个；

采集待测流体的参量信号之后还包括以下步骤：

在待测流体的压差数据介于压差有效量程上限值与压差量程下限值之间或漩涡频率介于频率有效量程范围内时，驱动变截面执行装置保持锁定状态对待测流体流经的管道的横截面积不做改变；此时变截面数据为上一时刻状态值。

4.如权利要求1～3任一项所述的流体流量测量方法，其特征在于，所述变截面数据包括用于驱动变截面装置动作的电机转动的转角、用于驱动变截面装置动作的液压作动器或气压作动器的行程。

5.如权利要求4所述的流体流量测量方法，其特征在于，根据电机转动的转角、液压作动器或气压作动器的行程和传动机构的传动比及待测流体流经的管道的形状和尺寸获得压缩方向的位移量或扩张方向的变形位移量变化。

6.如权利要求1所述的流体流量测量方法，其特征在于，所述管道为圆形管道，其半径为R，管道在压缩方向的距离为x，则根据R、x及变化后横截面积的形状获得变化后的管道横截面积A'，并作为变截面数据输出，其中：A'＝f(x)。

7.如权利要求1所述的流体流量测量方法，其特征在于，所述变截面数据包括所述管道在压缩方向和/或扩张方向变形位移量的变化值。

8.如权利要求7所述的流体流量测量方法，其特征在于，所述管道为圆形管道，其半径为R，管道在压缩方向距离的变化值为Δr，则根据R、Δr及变化后横截面积的形状获得变化后的管道横截面积A'，并作为变截面数据输出，其中：A'＝f(Δr)。

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