CN113932866A - 一种管道内密度不固定的流体质量流量测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道内密度不固定的流体质量流量测量系统，包括标定装置和检测装置，标定装置利用超声波测流速原理和射线衰减原理检测流体在静止状态的声波传播速度和密度，并用标定装置标定出大量的管道内介质在不同密度下、静止状态下的声波传播速度；检测装置同理检测流体在流动状态下的声波传播速度和密度，然后对比静止状态声波传播速度，计算体积最后得到质量流量；还公开了一种流体质量流量测量方法。有益效果：针对非固定密度的流体进行质量测量，避免了现有技术中测量过程中，均需要与流体发生实质性接触才能测量的弊端，而且不受流体形态、粘性等因素的影响。

Description

一种管道内密度不固定的流体质量流量测量系统及其方法

技术领域

本发明涉及流体质量流量测量技术领域，具体涉及一种管道内密度不固定的流体质量流量测量系统及其方法。

背景技术

市场上常用的测量仪表，只能测量密度恒定的液体的质量流量。测量方式是：使用电磁、差压、涡街、霍尔效应等方式来测量流速，再通过管径换算出流量、体积，再用测量仪器测得的密度然后通过计算得出质量，也可以用科氏力等方式来测量质量流量。

但这些方式对密度变化流体是不适用的，特别是同一管道中流体密度差异较大的环境，按传统的、恒定密度测量仪计算出的数值差异就会非常巨大（比如粗煤气管道，每天的流量从质量上来算，是非常巨大的），这对于测量结果、生产管理来讲，是不精准的，模糊的。

在固液态混合物流体领域流体、纸浆、糖浆等在管道内，密度通常是一个变量。对于密度变化的流体，采用传统的体积测量原理的流量计，不能准确的测量管道内流体的质量流量，尤其是一些流体含有腐蚀性、结疤的情况，计算误差会更大；并且这些流体，对传统接触式仪表具有很强磨损性及腐蚀性，造成仪表的测量误差增大，仪表寿命减短，进而造成测量不准确、维修成本增大、仪表更换频繁。

测量流体流量的仪表统称为流量计。流量计是工业测量中重要的仪表之一，它被广泛适用于冶金、电力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、轻纺、食品、医药、农业、环境保护及人民日常生活等国民经济各个领域，是发展工农业生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具，在国民经济中占有重要的地位。为了适应各种用途，各种类型的流量计相继问世。按照目前最流行、最广泛的分类法，即分为：差压式流量计、涡街流量计、涡轮流量计、浮子流量计、数字靶式流量计、电磁流量计、超声波流量计。如上这些流量计使用的前提是，测量的流体密度是恒定不变的。我们都知道工业管道内的流体密度有时也是变化的。不能通过简单的测量流量来得到流体质量，并且对于流体在下游的管理来讲，是不精准的。

上述行业很多领域对其流体的测量管理，越来越受到重视。因其传统的、接触式的、恒定密度的测量，对于生产过程中非恒定密度流体的测量、管理，缺点暴露越来越明显，测量误差大，管理不精准；因接触测量，流体对仪表产生的磨损和腐蚀，增大了更换成本和维护成本等一系列的问题。

目前质量流量测量有热式质量流量计和科里奥利质量流量计。

a.热式质量流量计原理：

热式质量流量计，英文名称为Thermal Mass Flowmeters，简写TMF，又名热式流量计，是一种对流体质量流量进行检测的仪器仪表。其中有两种不同的测量原理，原理之一是对流体流经的部分管道进行回执，利用流体流经加热管道时的温度场的变化进行测量；原理之二是对流体本身进行加热，利用流体升温所需能量与流体质量间关系来进行测量。

两种测量流体质量的原理，都归结为加热。整体来说，都是通过流体与热源间热量的交换来实现对流体质量的检测。导致反应速度慢，接触式测量维护量大。

b.科里奥利质量计原理：

科里奥利质量流量计是一种直接测量流体质量的的仪表，同时可在线检测液体密度。

科里奥利质量计原理：是利用流体在直线运动的同时处与一种旋转体系中，产生与质量流量成正比的科里奥利效应的原理而制成的一种直接测量质量流量和流体密度的仪表。

科里奥里质量流量计：测量精度高；可测液体范围广泛，包括各种高粘度液体；对流体粘度不敏感，流体密度变化对测量值影响微小。

a.热式质量流量计劣势：反应速度慢；对于粘性液体、液固等流体，不易于测量；因其是接触式的，使用多次后，存在污垢，需要及时清理等缺点；一般用来测量气体；气体在管壁的沉垢会影响测量值，造成测量不精确，如果不定期清洗仪表会使得仪表更易堵塞；对于脉动流的测量也会受到限制。

b.科里奥里质量流量计缺点：零点不稳定形成零点漂移，影响其精确度；流体为气液混合态，流体中含气量超过某一限制会显著影响测量值；对外界振动干扰非常敏感，这对于安装固定要求非常高；不用用于大管径，目前尚局限于150mm以下；测量管内壁磨损腐蚀或沉积结垢会影响测量精度；价格昂贵。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种管道内密度不固定的流体质量流量测量系统，还提供了一种基于该流体质量流量测量系统的测量方法，针对流体的质量流量测量，提供了一种非接触式的测量系统和测量方法，针对非固定密度的流体进行质量测量，通过该方法原理的应用，避免了现有技术中测量过程中，均需要与流体发生实质性接触才能测量的弊端，而且不受流体形态、粘性等因素的影响。

本发明的目的是通过以下技术措施达到的：一种管道内密度不固定的流体质量流量测量系统，包括标定装置和检测装置，标定装置用于检测流体在静止状态的密度和声波传播速度；检测装置用于检测流体在流动状态下的密度和声波传播速度；所述标定装置包括筒体、第一超声波换能器、第二超声波换能器、第一放射源和第一射线接收器，第一超声波换能器和第二超声波换能器设置在筒体两侧或同侧，第一放射源和第一射线接收器位置相对的设置在筒体两侧；检测装置包括管道、第三超声波换能器、第四超声波换能器、第二放射源和第二射线接收器，第三超声波换能器和第四超声波换能器位置在管道两侧或同侧，第二放射源和第二射线接收器位置相对的设置在管道两侧。

进一步地，所述标定装置包括加热板、温度传感器和压力传感器，所述加热板设置在筒体的底部，所述温度传感器和压力传感器设置在筒体的侧壁上。

进一步地，所述标定装置包括支架、带座轴承、限位挡板和插销，所述支架对筒体支撑，筒体通过带座轴承与支架连接，限位挡板和插销用于限制或固定筒体在支架上的翻转。

进一步地，所述标定装置包括滚轮，所述滚轮设置在支架的底部，支架通过滚轮实现移动。

进一步地，所述标定装置包括筒盖，所述筒盖盖合筒体的顶部开口。

进一步地，所述检测装置包括数据处理控制运算单元，所述数据处理控制运算单元用于接收并处理第四超声波换能器和第二射线接收器的信息数据，所述数据处理控制运算单元用于数据的接收、存储、运算和输出。

一种密度不固定的流体质量流量测量方法，包括上述所述的质量流量测量系统的使用方法，还包括如下步骤：

1)通过射线衰减原理计算密度；

2)通过超声波测流速原理在相同的密度下计算流体的流速V；

3)通过步骤2）得到的流速计算体积流量；

4)通过步骤1）和步骤3）的值计算得出质量流量。

进一步地，在所述步骤2）中，所述流体的流速V根据流体在静止状态下的声波传播速度V1和流动状态下的声波传播速度V2计算得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种管道内密度不固定的流体质量流量测量系统，还提供了一种基于该流体质量流量测量系统的测量方法，针对流体的质量流量测量，提供了一种非接触式的测量系统和测量方法，针对非固定密度的流体进行质量测量，通过该方法原理的应用，避免了现有技术中测量过程中，均需要与流体发生实质性接触才能测量的弊端，而且不受流体形态、粘性等因素的影响。 本流体质量流量测量系统分为标定装置和检测装置，其工作原理是首先通过标定装置测量出流体静止状态下流体密度（利用第一放射源和第一射线接收器）及声波在其中的传播速度，经过大量数据标定，可以得出不同密度下声波传播速度数据库。再利用检测装置测量管道内某一动态下的流体密度（利用第二放射源和第二射线接收器）以及其密度下的声波传播速度(利用第三超声波换能器和第四超声波换能器)，在相同的密度值的前提下，分别取静止状态下该密度值对应的声波传播速度V1和流动状态下该密度值对应的声波传播速度V2，则该密度下的流体流速V= V2-V1，从而：

流体流速V×流体所在管道横截面积=体积流量

体积流量×该密度值=该密度下的质量流量

在检测装置中动态、实时的检测不同密度下的流体密度以及其密度下的声波传播速度。最终得出动态的不同密度下的质量流量，各密度下输出的质量流量加总，即得到非固定密度的流体的质量流量。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明中标定装置的结构示意图。

图2是本发明中检测装置的结构示意图。

其中，1.管道，2.被测流体，3.声波射线发射单元，4.声波射线接收单元，5.安装紧固附件，6.数据处理控制运算单元，7.第四超声波换能器，8.压力传感器，9.筒体，10.筒盖，11.温度传感器，12.插销，13.带座轴承，14.限位挡板，15.加热板，16.支架，17.滚轮，18.第三超声波换能器，19.第二放射源，20.第二射线接收器。

具体实施方式

如图1 至2 所示，一种管道内密度不固定的流体质量流量测量系统，包括标定装置和检测装置，标定装置用于检测流体在静止状态的密度和声波传播速度。检测装置用于检测流体在流动状态下的密度和声波传播速度；所述标定装置包括筒体9、声波射线发射单元3和声波射线接收单元4，声波射线发射单元3和声波射线接收单元4设置在筒体9的两侧或同侧，两侧时具体的设置在筒体9高度方向的两侧。检测装置包括管道1，同样在管道1的两侧分别设置有与筒体9相同的声波射线发射单元3和声波射线接收单元4，且声波射线发射单元3和声波射线接收单元4设置在管道1的两侧并通过安装紧固附件5与管道1固定安装。在管道1内是被测流体2，即流动的流体。具体的，标定装置的声波射线发射单元3包括第一超声波换能器和第一放射源，标定装置的声波射线接收单元4包括第二超声波换能器和第一射线接收器，第一超声波换能器和第二超声波换能器设置在筒体9两侧，第一放射源和第一射线接收器设置在筒体9两侧；检测装置的声波射线发射单元3包括第三超声波换能器18和第二放射源19，检测装置的声波射线接收单元4包括第二射线接收器20和第四超声波换能器7，第三超声波换能器18和第四超声波换能器7设置在管道1两侧，第二放射源19和第二射线接收器20位置相对的设置在管道1两侧。根据不同管道1工况，采取不同安装方案。当然第一超声波换能器与第二超声波换能器也可以安装在筒体9同侧，同理第三超声波换能器18和第四超声波换能器7也可以安装在管道1同侧。第一超声波换能器与第二超声波换能器在声波测速中，一个充当发生器，另一个充当接收器，比如当第一超声波换能器充当发生器时，第二超声波换能器充当接收器。具体的安装方法可以V法安装，也可以Z法安装。本发明针对流体的质量流量测量，提供了一种非接触式的测量系统和测量方法，通过该方法原理的应用，避免了现有技术中测量过程中，均需要与流体发生实质性接触才能测量的弊端，还可以针对非固定密度的流体进行质量测量，而且不受流体粘性、结疤、腐蚀性等因素的影响。具体如何实现非接触式测量的，下面将针对本发明中的测量系统和测量方法原理、过程进行解释：首先通过标定装置测量出流体静止状态下流体密度（利用第一放射源和第一射线接收器）及声波在其中的传播速度，经过大量数据标定，可以得到大量不同密度下声波传播速度数据库。再利用检测装置测量管道1内某一动态下的流体密度（利用第二放射源19和第二射线接收器20）以及其密度下的声波传播速度(利用第三超声波换能器18和第四超声波换能器7)，在相同的密度值的前提下，分别取静止状态下该密度值对应的声波传播速度V1和流动状态下该密度值对应的声波传播速度V2，则该密度下的流体流速V= V2-V1，从而：

流体流速V×流体所在管横截面积=体积流量

体积流量×该密度值=该密度下的质量流量

本质量流量测量系统利用声波测流速、射线在流体中的衰减来测定流体的流速、密度。适用于密度变化的流体，对于密度变化差异巨大的，也非常适用；其原理为声波测流速、射线在流体中的衰减，所以对流体的测量精度几乎没有影响，同理，外界振动对此仪器影响也非常微小。

本发明中的密度测量原理，由第一放射源或第二放射源19发射出固定强度的射线信号。信号穿过流体，流体会使得发射信号在传播过程中衰减，衰减的幅度与流体的密度、传播长度（即管道1直径）有关。由于射线的传播速度接近光速，所以，其衰减的幅度几乎不受流体流速的影响，而流体的密度对于衰减影响较大。第一射线接收器或第二射线接收器20测量到的射线信号，计算出信号衰减值，通过相应的计算方法，就可以计算出流体的密度。

本发明中的声波传播速度测量原理，比如在标定装置中，由第一超声波换能器发出一个声波脉冲，记录第二超声波换能器收到此脉冲的延时时间T，测量第一超声波换能器和第二超声波换能器之间的直线距离L，则声波脉冲的传播速度等于直线距离L与延时时间T的比值，以此类推。

所述标定装置包括加热板15、温度传感器11和压力传感器8，所述加热板15设置在筒体9的底部，所述温度传感器11和压力传感器8设置在筒体9的侧壁上。加热板15的设置可以为筒体9内提供不同的温度，在不同温度下，密度会产生相应的变化，即为标定装置提供更多的流体密度值。不同流体密度下，流体的声波传播速度是不同的，即流体在静止状态下的不同的V1。最终在标定装置的作用下，建立流体在静止状态中，流体声波传播速度与密度值的对应关系，即建立标定数据库。压力传感器8可以检测不同密度下，对应的流体压力值。压力传感器8和温度传感器11的目的是要调整标定装置中的温度、压力与检测装置中实际检测管道1中的温度和压力一致。

所述标定装置包括支架16、带座轴承13、限位挡板14和插销12，所述支架16对筒体9支撑，筒体9通过带座轴承13与支架16连接，限位挡板14和插销12用于限制或固定筒体9在支架16上的翻转。支架16的作用1是可以为加热板15的加热提供安全保障，加热板15的离地距离提升。支架16的作用2是为筒体9在带座轴承13的辅助下实现可翻转，方便筒体9的清洗修理等。限位挡板14和插销12的配合是为了在筒体9标定过程中保持固定不动，保证标定的效果准确。整个筒体9可翻转，以便于在测试标定完一种混合物流体参数后，进行清除清洗以及让筒体9内的介质密度更加均匀等。筒体9一侧安装有插销12，可插入筒体9转轴孔内，以便需要固定筒体9位置时（如运输时）固定筒体9位置，防止其翻转。当需要排出混合物流体清洗时，拔出插销12，筒体9即可进行翻转。在需要翻转时，进行翻转，翻转的目的是让流体的密度更加均匀。

所述标定装置包括滚轮17和筒盖10，所述滚轮17设置在支架16的底部，支架16通过滚轮17实现移动，所述筒盖10设于筒体9的顶部，所述筒盖10完全覆盖筒体9的顶部开口。滚轮17的设置是为了方便标定装置的快捷移动。滚轮17为带闸万向脚轮，便于整套标定装置移动。筒盖10是为了保障筒体9内流体处于一个相对密封的状态，以便使加热过程中的流体和实际检测流体的温度相同，同时加压到和实际检测管道1压力相同，上下温度不至于出现较大温差。进行标定时，打开筒盖10，将流体倒入筒体9后盖上筒盖10即可。

所述检测装置包括数据处理控制运算单元6，所述数据处理控制运算单元6用于接收并处理第四超声波换能器7和第二射线接收器20的信息数据，所述数据处理控制运算单元6用于数据的接收、存储、运算和输出。

通过标定装置标定出大量不同密度对应的声波在筒体9内静止的流体中声波传播速度，并建立数据库。当数据处理控制运算单元6检测到流体介质密度信号后，立即从数据库中找出对应的静止状态下声波在流体中的声波传播速度，同时与第三超声波换能器18、第四超声波换能器7实际测得的声波传播速度进行比对计算，得出所测管道1中流体实际流速，再根据管道1截面积、密度，计算出质量流量。

一种密度不固定的流体质量流量测量方法，包括上述所述的质量流量测量系统的使用方法，还包括如下步骤：

1）通过射线衰减原理计算密度；

2）通过超声波测流速原理计算流体的流速V；通过标定装置大量标定声波在静止的、不同密度的流体中的声波传播速度，形成大量数据，并把该数据存入检测装置的数据处理控制运算单元6。检测装置在实际管道1中测出密度值的同时，调出存储在数据处理控制运算单元6中存储的声波对应该密度的、静止的声波传播速度，同时比对检测装置测出的声波传播速度，得出实际流体的流速V。

3）通过步骤2）得到的流速计算体积流量；

4）通过步骤1）和步骤3）的值计算得出质量流量。

在所述步骤2）中，所述流体的流速V根据流体在静止状态下的声波传播速度V1和流动状态下的声波传播速度V2计算得到。

在所述步骤2）中，计算流体的流速V时，在密度相同的前提下，取其静止状态下的声波传播速度V1和流动状态下的声波传播速度V2。

本发明主要是用来测量密度变化流体的流速、密度等，同时，它还可以测量质量流量，特别适用于流体密度、流体速度不均匀的流体管测量。如石油行业、化工行业、矿山行业、食品行业、药品制造行业、液态药品生产测量、造纸行业、纸浆的测量、纺织印染行业、能源输送测量、液化气测量、环保行业，如污水处理、脱硫过程测浆液密度。密度变化流体在管内的流量或质量流量测量系统，对于工艺过程中快速多变的密度及流量的测量及控制、以及产品的质量监控等方面，能够发挥相当有效的作用。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“外”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种管道内密度不固定的流体质量流量测量系统，其特征在于：包括标定装置和检测装置，标定装置用于检测流体在静止状态的密度和声波传播速度；检测装置用于检测流体在流动状态下的密度和声波传播速度；

所述标定装置包括筒体、第一超声波换能器、第二超声波换能器、第一放射源和第一射线接收器，第一超声波换能器和第二超声波换能器设置在筒体两侧或同侧，第一放射源和第一射线接收器位置相对的设置在筒体两侧；

检测装置包括管道、第三超声波换能器、第四超声波换能器、第二放射源和第二射线接收器，第三超声波换能器和第四超声波换能器设置在管道两侧或同侧，第二放射源和第二射线接收器位置相对的设置在管道两侧。

2.根据权利要求1所述的管道内密度不固定的流体质量流量测量系统，其特征在于：所述标定装置包括加热板、温度传感器和压力传感器，所述加热板设置在筒体的底部，所述温度传感器和压力传感器设置在筒体的侧壁上。

3.根据权利要求1或2所述的管道内密度不固定的流体质量流量测量系统，其特征在于：所述标定装置包括支架、带座轴承、限位挡板和插销，所述支架对筒体支撑，筒体通过带座轴承与支架连接，限位挡板和插销用于限制或固定筒体在支架上的翻转。

4.根据权利要求3所述的管道内密度不固定的流体质量流量测量系统，其特征在于：所述标定装置包括滚轮，所述滚轮设置在支架的底部，支架通过滚轮实现移动。

5.根据权利要求3所述的管道内密度不固定的流体质量流量测量系统，其特征在于：所述标定装置包括筒盖，所述筒盖设于筒体的顶部。

6.根据权利要求1所述的管道内密度不固定的流体质量流量测量系统，其特征在于：所述检测装置包括数据处理控制运算单元，所述数据处理控制运算单元用于接收并处理第四超声波换能器和第二射线接收器的信息数据，所述数据处理控制运算单元用于数据的接收、存储、运算和输出。

7.一种管道内密度不固定的流体质量流量测量方法，包括上述权利要求1-5任一项所述的质量流量测量系统的使用方法，还包括如下步骤：

1）通过射线衰减原理计算密度；

2）通过超声波测流速原理在相同的密度下计算流体的流速V；

3）通过步骤2）得到的流速计算体积流量；

4）通过步骤1）和步骤3）的值计算得出质量流量。

8.根据权利要求7所述的管道内密度不固定的流体质量流量测量方法，其特征在于：在所述步骤2）中，所述流体的流速V根据流体在静止状态下的声波传播速度V1和流动状态下的声波传播速度V2计算得到。

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