CN112945326A - 气体流量测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了气体流量测量装置及方法,该装置包括:多分支管、温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、前置放大器和信号处理器;多分支管包括主管和分布在主管侧壁上的若干空腔,主管的两端分别设置一个温度传感器和一个第一压力传感器,每一支空腔外侧各连接有一个第二压力传感器;各温度传感器、各第一压力传感器和各第二压力传感器分别通过前置放大器与信号处理器相连接;信号处理器用于处理多分支管内测得的数据以得到气体流速。本公开提供的气体流量测量装置结构简单,体积小,在满足气体质量流量测量精度和灵敏度的前提下,有效降低成本,测量装置便于装卸,方便进行周期维护与检修。

Description

气体流量测量装置及方法
技术领域
本公开涉及管道气体测量技术领域,尤其涉及气体流量测量装置及方法。
背景技术
单位时间内,流过管道某处横截面的质量或体积大小,成为流量。气体流量计种类繁多,主要可分为四大类:容积式流量计、差压流量计、速度式流量计和质量流量计。
容积式流量计优点是计量精度高、安装管道条件对计量精度没有影响以及范围度宽,但结构复杂、体积庞大、不适用于高、低温场合,且大部分仪表只使用洁净单相流体,对测试环境的条件要求严格,成本较高。差压流量计优点为结构简单、成本低、重复性好、标准化程度高,可用于如气固、气液、液固等的全部单相流体部分混相流,但压力损失大、量程范围窄且安装时需要较长的直管段。速度式流量计的输出与流速成正比,结构简单,体积小,成本低,但是小流量计量时准确度低。质量流量计可以测量流过管道的流体质量流量,主要有:科里奥利式质量流量计,直接测量流体在振管内产生的科氏力来获取流体质量流量;量热式质量流量计,测量流体在管道内上下游产生温度变化而得到质量流量计;冲量式质量流量计,采用直接测量物料在一定高度下落的冲量产生的力的方法而得到流体质量流量。
目前国内天然气管网中广泛使用的高压、大口径、大流量的流量计,多为超声、涡轮、涡街流量计和孔板流量计,普遍存在维护成本高,不易拆卸,难以进行周期检测的问题。
发明内容
本公开的目的是要提供气体流量测量装置及方法,可以解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
根据本公开的一个方面,提供了气体流量测量装置,包括多分支管、温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、前置放大器和信号处理器;多分支管包括主管和分布在主管侧壁上的若干空腔,主管的两端分别设置一个温度传感器和一个第一压力传感器,每一支空腔外侧各连接有一个第二压力传感器;各温度传感器、各第一压力传感器和各第二压力传感器分别通过前置放大器与信号处理器相连接;信号处理器用于处理多分支管内测得的数据以得到气体流速。
在一些实施方式中,多分支管为对称式多分支管,空腔沿主管管壁对称设置。
在一些实施方式中,第一压力传感器为静态压力传感器,第二压力传感器为压电式压力传感器。
在一些实施方式中,多分支管的两端通过焊接连接在待测气体管道上。
在一些实施方式中,多分支管的两端分别安装气体阀门。
在一些实施方式中,多分支管的两端通过法兰连接在待测气体管道上。
在一些实施方式中,多分支管两端分别安装扩张式消声器。
根据本公开的另一个方面,提供了气体流量测量方法,应用于上述任一产品权利要求,包括以下步骤,
测量气体在多分支管内的参考压强p0和参考温度T0,计算气体静态密度ρ及参考声速c0
根据波纹管空气动力学理论,得到气体在多分支管内振动并产生啸叫噪声时,啸叫频率f与气体流速U的关系曲线图;
测量气体在多分支管内的啸叫频率和声幅,根据啸叫频率f与气体流速U的关系曲线图,得到气体流速U;
计算气体的质量流量qm
在一些实施方式中,计算气体静态密度ρ及参考声速c0的公式如下,
Figure BDA0002949004720000021
Figure BDA0002949004720000022
式中,p0表示气体在多分支管内的参考压强,M表示气体的摩尔质量,R表示理想气体常数,T0表示气体在多分支管内的参考温度,κ表示开尔文常数。
在一些实施方式中,计算气体的质量流量qm的公式如下,
qm=ρ∫AU dA
式中,ρ表示气体静态密度,U表示气体流速,A表示待测气体管道的有效截面积。
本公开提供的气体流量测量装置及方法,通过多分支管的空腔以保证声波的压力波节点能够位于空腔处,通过温度传感器、第一压力传感器获取多分支管内的参考压强和参考温度,通过在各空腔外侧设置第二压力传感器获取多分支管内的啸叫频率和声幅,利用信号处理器对各传感器获取的数据进行处理,从而计算出气体的质量流量。本公开提供的气体流量测量装置结构简单,体积小,在满足气体质量流量测量精度和灵敏度的前提下,有效降低成本,测量装置便于装卸,方便进行周期维护与检修。
另外,在本公开技术方案中,凡未作特别说明的,均可通过采用本领域中的常规手段来实现本技术方案。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本公开的一些实施例,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获得其他的附图。
图1为本公开一实施例提供的气体流量测量装置的结构示意图。
图2为本公开另一实施例提供的气体流量测量装置的结构示意图。
图3为本公开另一实施例提供的气体流量测量装置的结构示意图。
图4为图1所示的气体流量测量装置的A部分的放大图。
图5为本公开一实施例提供的气体流量测量方法的流程图。
图6为本公开一实施例提供的气体流量测量方法中多分支管内啸叫频率f与气体流速U的关系曲线图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本公开实施例中的附图,对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本公开一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例,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,都属于本公开保护的范围。
实施例1:
在本实施例中,参考说明书附图1,提供了一种气体流量测量装置,包括,多分支管1、温度传感器2、第一压力传感器3、第二压力传感器4、前置放大器5和信号处理器6;多分支管1包括主管11和分布在主管11侧壁上的若干空腔7,主管11的两端分别设置一个温度传感器2和一个第一压力传感器3,每一支空腔7外侧各连接有一个第二压力传感器4;各温度传感器2、各第一压力传感器3和各第二压力传感器4分别通过前置放大器5与信号处理器6相连接;信号处理器6用于处理多分支管1内测得的数据以得到气体流速。
由此,通过多分支管1的空腔7以保证声波的压力波节点能够位于空腔7处,通过温度传感器2、第一压力传感器3获取多分支管1内的参考压强和参考温度,通过在各空腔7外侧设置第二压力传感器4获取多分支管1内的啸叫频率和声幅,利用信号处理器6对各传感器获取的数据进行处理,从而计算出气体的质量流。
在可选的实施例中,多分支管1为对称式多分支管,空腔7沿主管11管壁对称设置。
在可选的实施例中,第一压力传感器3为静态压力传感器,第二压力传感器4为压电式压力传感器。
在可选的实施例中,多分支管1每一段的温度传感器2和第一压力传感器3可以分离设置,也可以设置在同一位置。
在可选的实施例中,多分支管1两端的温度传感器2和第一压力传感器3可以使用温压一体传感器,由此,减少部件个数,进一步简化装置。
在可选的实施例中,信号处理器6可以设置在PC端,用于处理各传感器所获得的数据并计算气体流量。
在可选的实施例中,参考说明书附图2,当待测气体管道8口径较大时,多分支管1的两端可以通过焊接连接在待测气体管道8上。
在可选的实施例中,多分支管1的两端分别安装气体阀门12。由此,便于气体流量测量装置进行检修,同时不影响待测气体管道的正常工作。
在可选的实施例中,参考说明书附图3,当待测气体管道8口径较小时,多分支管1的两端可以通过法兰9连接在待测气体管道8上。
在可选的实施例中,多分支管1两端分别安装扩张式消声器10。由此,在不引入阻力的情况下,吸收多分支管共振产生的噪声,减少测量干扰,进一步提高测量结果的精度和灵敏度。
在可选的实施例中,通过对多分支管1的几何参数进行设置,可以满足在实际测量中使不同速度或模态下声波的压力波节点位于空腔处的需求。具体的,参考说明书附图4,多分支管1的几何参数可以包括,主管3的长度L与直径D之比、空腔7的高度H与宽度W之比和空腔7之间的间距LP与空腔7宽度W之比等等。
本公开提供的气体流量测量装置,结构简单,体积小,在满足气体质量流量测量精度和灵敏度的前提下,有效降低成本,测量装置便于装卸,方便进行周期维护与检修。
实施例2:
在本实施例中,参考说明书附图5,提供了一种气体流量测量方法,应用于上述产品实施例中任一的气体流量测量装置,包括以下步骤:
S101:测量气体在多分支管内的参考压强p0和参考温度T0,计算气体静态密度ρ及参考声速c0
具体的,将气体通入多分支管1内,待气流流速平稳后,信号处理器6获取温度传感器2、第一压力传感器3的测量数据,即多分支管1内的参考压强p0和参考温度T0,并计算气体静态密度ρ及参考声速c0
在可选的实施例中,步骤S101中,计算气体静态密度ρ及参考声速c0的公式如下,
Figure BDA0002949004720000061
Figure BDA0002949004720000062
式中,p0表示气体在多分支管内的参考压强,M表示气体的摩尔质量,R表示理想气体常数,T0表示气体在多分支管内的参考温度,κ表示开尔文常数。
S102:根据波纹管空气动力学理论,得到气体在多分支管内振动并产生啸叫噪声时,啸叫频率f与气体流速U的关系曲线图;
具体的,根据波纹管空气动力学理论,当气体在多分支管1内振动并产生啸叫噪声时,啸叫频率f与气体流速U的关系曲线图参考说明书附图6所示。需要说明的是,说明书附图6仅示意性地说明了啸叫频率f与气体流速U之间存在的普遍关系,在实际测量中根据各参数的不同,关系曲线图可能存在差异。
图中,H/D表示多分支管空腔的高度与多分支管主管的直径之比;右侧纵轴表示赫姆霍兹数He,横轴表示马赫数Ma,左侧纵轴表示啸叫幅度。
其中,赫姆霍兹数He,其表达式为He=fL/ceff,式中,L为多分支管主管长度;ceff表示气体在多分支管内流动时的声速。
ceff的计算公式如下,
Figure BDA0002949004720000063
式中,c0为气体在待测管道中的参考声速,Vc为多分支管的空腔的体积,Sp为多分支管的主管的截面积。
Pt的计算公式如下,
Pt=rup+W+Lp
式中,rup表示上游内沿半径,参考说明书附图4;W表示空腔宽度;Lp表示空腔之间的间距。
马赫数Ma,其表达式Ma=U/c0,式中,c0为气体在待测管道中的参考声速。
啸叫幅度,其表达式|u'|/U,其中U表示气体流速,u'为空腔处声速。
如说明书附图6所示,赫姆霍兹数He随马赫数Ma分段式增长,每一分段对应着待测气体管道的某一纵向模态,该模态下的频率为锁定频率,其平均增长近似线性平台。
啸叫峰值对应的锁定频率通过斯特劳哈尔数Sr来表述,其表达式为Sr=fLc/U,式中,Lc为特征长度,Lc的表达式为LC=W+rup,其中W表示空腔的宽度,rup表示上游内沿半径。
S103:测量气体在多分支管1内的啸叫频率和声幅,根据啸叫频率f与气体流速U的关系曲线图,得到气体流速U;
具体的,信号处理器6利用压力传感器4测得的啸叫频率和声幅,以及上一步骤中获得的啸叫频率f与气体流速U的关系曲线图,得到对应的气体流速U。
S104:计算气体的质量流量qm
在可选的实施例中,计算气体的质量流量qm的公式如下,
qm=ρ∫AU dA
式中,ρ表示气体静态密度,U表示气体流速,A表示待测气体管道的有效截面积。
本公开通过多分支管1的空腔7以保证声波的压力波节点能够位于空腔7处,通过温度传感器2、第一压力传感器3获取多分支管1内的参考压强和参考温度,通过在各空腔7外侧设置第二压力传感器4获取多分支管1内的啸叫频率和声幅,利用信号处理器6对各传感器获取的数据进行处理,从而计算出气体的质量流。气体流量测量装置结构简单,体积小,在满足气体质量流量测量精度和灵敏度的前提下,有效降低成本,测量装置便于拆卸,方便进行周期维护检修。
以上所述仅是本公开的可选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本公开原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本公开的保护范围。

Claims (10)

1.气体流量测量装置,其特征在于,包括,
多分支管(1)、温度传感器(2)、第一压力传感器(3)、第二压力传感器(4)、前置放大器(5)和信号处理器(6);
所述多分支管(1)包括主管(11)和分布在所述主管(11)侧壁上的若干空腔(7),所述主管(11)的两端分别设置一个所述温度传感器(2)和一个所述第一压力传感器(3),每一支所述空腔(7)外侧各连接有一个所述第二压力传感器(4);
各所述温度传感器(2)、各所述第一压力传感器(3)和各所述第二压力传感器(4)分别通过所述前置放大器(5)与所述信号处理器(6)相连接;
所述信号处理器(6)用于处理所述多分支管(1)内测得的数据以得到气体流速。
2.根据权利要求1所述的气体流量测量装置,其特征在于,所述多分支管(1)为对称式多分支管,所述空腔(7)沿所述主管(11)管壁对称设置。
3.根据权利要求1所述的气体流量测量装置,其特征在于,所述第一压力传感器(3)为静态压力传感器,所述第二压力传感器(4)为压电式压力传感器。
4.根据权利要求1所述的气体流量测量装置,其特征在于,所述多分支管(1)的两端通过焊接连接在待测气体管道(8)上。
5.根据权利要求4所述的气体流量测量装置,其特征在于,所述多分支管(1)的两端分别安装气体阀门(12)。
6.根据权利要求1所述的气体流量测量装置,其特征在于,所述多分支管(1)的两端通过法兰(9)连接在待测气体管道(8)上。
7.根据权利要求4-6任一所述的气体流量测量装置,其特征在于,所述多分支管(1)两端分别安装扩张式消声器(10)。
8.气体流量测量方法,其特征在于,应用于上述权利要求1-7任一所述的气体流量装置,包括以下步骤,
测量气体在多分支管内的参考压强p0和参考温度T0,计算气体静态密度ρ及参考声速c0
根据波纹管空气动力学理论,得到气体在多分支管内振动并产生啸叫噪声时,啸叫频率f与气体流速U的关系曲线图;
测量气体在所述多分支管内的啸叫频率和声幅,根据所述啸叫频率f与气体流速U的关系曲线图,得到气体流速U;
计算气体的质量流量qm
9.根据权利要求8所述的气体流量测量方法,所述计算气体静态密度ρ及参考声速c0的公式如下,
Figure FDA0002949004710000021
Figure FDA0002949004710000022
式中,p0表示气体在所述多分支管内的参考压强,M表示气体的摩尔质量,R表示理想气体常数,T0表示气体在所述多分支管内的参考温度,κ表示开尔文常数。
10.根据权利要求8所述的气体流量测量方法,所述计算气体的质量流量qm的公式如下,
qm=ρ∫AUdA
式中,ρ表示气体静态密度,U表示气体流速,A表示待测气体管道的有效截面积。
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