CN111504405B - 一种基于对流换热现象的管道流量测量装置及方法 - Google Patents

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    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters

Abstract

本发明公开了一种基于对流换热现象的管道流量测量装置及方法，所述的测量装置由管道、隔热层、加热器、温度传感器和数据采集分析系统组成，装置的管道内部加装隔热层，利用管道外置的加热器对管道进行局部快速加热；温度传感器安装于管道被加热区域，并且与单片机连接以控制；所述单片机通过分析温度传感器发送的数据获得管道内通过的液体流量。本发明所提供的测量装置操作简单，通过将流量测量转化成加热后管道的即时温度测量方法获取的测量数据可靠，也提高了流量测量的精度，广泛适用于工业、农业、环境等诸多领域的管道流量测定。

Description

一种基于对流换热现象的管道流量测量装置及方法
技术领域
本发明是属于管道流量的测定，具体涉及一种基于对流换热现象的管道流量测量装置及方法。
背景技术
随着工业技术的迅速发展，流量测量技术日益成熟，已经广泛应用于农田灌溉、水利工程、石油化工、冶金制药等领域。液体流量计目前常见的有容积式流量计、压差式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计等。然而，各行各业在使用管道液体流量计时，普遍存在不便拆卸，导致无法离线送检的问题，这就亟需一种测量结果准确、安装拆卸方便，价格经济的流量测定手段。
发明内容
发明目的：针对现有的管道液体流量计结构复杂和精度低问题，本发明的第一目的是提供一种使用方便的基于对流换热现象的管道流量测量装置；本发明的第二目的是提供一种基于对流换热现象的管道流量测量方法。
技术方案：一种基于对流换热现象的管道流量测量装置，包括管道、隔热层、加热器、温度传感器和单片机，所述管道被加热区域内置隔热层，底部安装加热器，对管道进行局部快速加热；所述温度传感器安装在管道被加热区域内并与所述单片机相连，所述单片机分析所述温度传感器发送的管道温度变化信息来实现管道流量测定。
所述管道流量测量装置中隔热层将流经管道的液体分为两个部分，其中一部分液体流经绝热薄壁圆管；另一部分液体流经管道，用于带走被加热管道的热量。
进一步的，所述隔热层由绝热薄壁圆管和绝热支架构成。所述绝热薄壁圆管内置在所述管道被加热区域内部，并由所述绝热支架支撑，使其固定在所述管道内部中央位置，保证管道内水流通过时，经过隔热层外侧的水流均匀分布。
进一步的，所述温度传感器为三个热电偶K型薄片测温传感器，所述热电偶K型薄片测温传感器分别粘贴在管道被加热区域以及该区域的上下游管道处，保证管道温度变化的精确测量，并反馈给单片机进行流量测定。
进一步的，所述温度传感器还包括非接触红外点阵测温模块，所述非接触红外点阵测温模块安装在管道被加热区域的一侧，监测管道被加热区域的温度垂直分布，实现检查管道中液体处于满流或非满流状态的功能。
基于上述管道流量测量装置，本发明还提供一种基于对流换热现象的管道流量测量方法，包括如下步骤：
(S1)检测前，首先针对所测量管道中的液体的导热性质，选取加热器对管道进行加热的适宜最高温度T，保证液体流经管道带走热量的时间满足测量过程需要；再利用加热器对安装隔热层的管道局部加热至温度T，并在管道内模拟流经液体的不同流量，温度传感器采集在不同流量下的管道温度变化信息并传递至单片机，所述单片机建立温度变化速率与液体流量相对应的数据库；
(S2)检测时，先关闭管道阀门，使管道中无液体通过，采用加热器对安装隔热层的管道局部加热至温度T，再打开阀门使液体流经管道带走热量，温度传感器采集管道在实际流量下的温度变化情况，并传送至单片机，单片机将所述温度变化情况与数据库相比对，得到与所述温度变化信息相对应的管道液体流量。
进一步的，步骤(S1)和步骤(S2)中，所述温度传感器为热电偶K型薄片测温传感器，所述热电偶K型薄片测温传感器将管道被加热区域以及该区域的上下游管道处温度信息传递给单片机，所述单片机依据内设程序可判断出三点温度值是否相等，从而确定管道整体温度恒定点。
进一步的，步骤(S1)和步骤(S2)中，所述单片机确定管道整体温度恒定点后，可以依据当液体流过时，管道从加热后的温度T降至恒定温度速率的快慢确定管道内流经液体的流量值。
附图说明
图1是本发明所述的管道流量测量装置结构示意图；
图2是实施例中所述的管道流量测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。
如图1～2所示，本发明所提供的一种基于对流换热现象的管道流量测量装置主要包括管道101、隔热层102、加热器103、温度传感器104、单片机105、绝热支架201、绝热薄壁圆管202、热电偶K型薄片测温传感器401和非接触红外点阵测温模块402。
本实施例的单片机105依据温度传感器104采集的管道101在模拟流量下的温度信息，建立该温度信息与模拟的管道流量相对应的数据库，并通过调用数据库分析温度传感器104采集的待诊断的温度变化信息来获得管道液体流量。本实施例中的管道101被加热区域内置隔热层，底部安装加热器103，对管道101进行局部快速加热；所述隔热层102由绝热薄壁圆管202和绝热支架201构成，所述绝热薄壁圆管202内置在所述管道101被加热区域内部，并由所述绝热支架201支撑，使其固定在所述管道101内部中央位置，保证管道内水流通过时，经过隔热层102外侧的水流均匀分布。
本实施例中的温度传感器104由三个热电偶K型薄片测温传感器401和非接触红外点阵测温模块402构成，并和单片机105连接，使单片机105收到热电偶K型薄片测温传感器401在管道被加热区域以及该区域的上下游管道处测得的温度变化信息后，可判定管道内液体流量大小；收到非接触红外点阵测温模块402传来的管道被加热区域侧面温度垂直分布信息后，实现检查管道中液体处于满流或非满流状态的功能。
整个装置使用前需要进行实地标定，标定过程需要先依据待测管道内液体物理性质设置管道被加热的适宜最高温度，保证液体流经管道带走热量的时间满足测量过程需要，避免因为液体比热容较大，而加热温度较低，造成管道流量测量结果的不准确。再利用单片机依据温度传感器传送的管道内液体在不同流量时产生的温度变化信息制定相应的参考数据库，实现管道内液体的待测流量和温度变化信息一一对应。
基于上述管道流量测量装置实施的管道流量测量方法，具体步骤如下：
(S1)使用前，首先针对所测量管道101中的液体的导热性质，选取加热器103对管道进行加热的适宜最高温度T，保证液体流经管道带走热量的时间满足测量过程需要；
(S2)利用加热器对安装隔热层102的管道局部加热至温度T，并在管道内模拟流经液体的不同流量，利用热电偶K型薄片测温传感器401传递的相应的温度变化信息，为单片机105提供一组可靠的管道温度变化参考信息：将管道阀门关闭，打开加热器103将管道含有隔热层102区域加热至适宜最高温度T,关闭加热器103，打开阀门，液体经过管道被加热区域带走热量使管道降温，调整阀门大小，重复上述步骤，使热电偶K型薄片测温传感器401记录下对应不同流量大小的温度变化情况并传递至单片机105作为温度变化参考信息；
(S3)使用时利用单片机105将管道温度变化信息与参考信息相比对，获取管道内流量数值；使用时还可以利用单片机105接收的非接触红外点阵测温模块402传来的管道被加热区域侧面温度垂直分布信息，检查管道中液体满流或非满流状态。

Claims (7)

1.一种基于对流换热现象的管道流量测量装置，其特征在于：包括管道(101)、隔热层(102)、加热器(103)、温度传感器(104)和单片机(105)，所述管道(101)的被加热区域内置隔热层(102)，底部安装加热器(103)，对管道(101)进行局部快速加热；所述温度传感器(104)安装在管道(101)的被加热区域内并与所述单片机(105)相连，所述单片机(105)处理由温度传感器(104)发送的管道温度变化信息来实现管道流量测定；所述隔热层(102)由绝热薄壁圆管(202)和绝热支架(201)构成；所述绝热薄壁圆管(202)内置在管道(101)被加热区域内部，并由绝热支架(201)支撑，且固定在管道(101)内部中央位置，使得管道内水流通过时，经过隔热层(102)外侧的水流均匀分布。
2.根据权利要求1所述的基于对流换热现象的管道流量测量装置，其特征在于：所述温度传感器(104)包括3个热电偶K型薄片测温传感器(401)，所述热电偶K型薄片测温传感器(401)分别粘贴在管道(101)被加热区域以及该区域的上下游管道处，用于检测管道温度变化量，并将测量数据反馈给单片机(105)进行流量测定。
3.根据权利要求2所述的基于对流换热现象的管道流量测量装置，其特征在于：所述温度传感器(104)还包括非接触红外点阵测温模块(402)，所述非接触红外点阵测温模块(402)安装在管道(101)被加热区域的一侧，监测管道被加热区域的温度垂直分布，实现检查管道中液体处于满流或非满流状态的功能。
4.根据权利要求1所述基于对流换热现象的管道流量测量装置，其特征在于：所述管道流量测量装置中隔热层将流经管道的液体分为两个部分，其中一部分液体流经绝热薄壁圆管(202)；另一部分液体流经管道(101)，用于带走被加热管道的热量。
5.实施如权利要求1所述管道流量测量装置的一种基于对流换热现象的管道流量测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
(S1)检测前，首先根据所测量管道中的液体的导热性质，选取加热器(103)对管道(101)进行加热的适宜最高温度T，使得液体流经管道带走热量的时间满足测量过程需要；再利用加热器(103)对安装隔热层(102)的管道局部加热至温度T，并在管道内模拟流经液体的不同流量，温度传感器(104)采集在不同流量下的管道温度变化信息并传递至单片机(105)，所述单片机(105)建立温度变化速率与液体流量相对应的数据库；
(S2)检测时，先关闭管道阀门，使管道中无液体通过，采用加热器(103)对安装隔热层(102)的管道(101)局部加热至温度T，再打开阀门使液体流经管道带走热量，温度传感器(104)采集管道在实际流量下的温度变化情况，并传送至单片机(105)，单片机(105)将温度变化信息与数据库相比对，得到与温度变化信息相对应的管道液体流量。
6.根据权利要求5所述基于对流换热现象的管道流量测量方法，其特征在于：所述方法中，温度传感器为热电偶K型薄片测温传感器，热电偶K型薄片测温传感器将管道被加热区域以及该区域的上下游管道处温度信息传递给单片机，单片机通过判断三点温度值是否相等，从而确定管道整体温度恒定点。
7.根据权利要求6所述基于对流换热现象的管道流量测量方法，其特征在于：所述方法中，单片机确定管道整体温度恒定点后，根据液体流过时，管道从加热后的温度T降至恒定温度速率的快慢确定管道内流经液体的流量值。
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