CN114563050A - 一种流量计及流量测量方法 - Google Patents
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- G01F1/34—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure
Abstract
本发明涉及一种流量计及流量测量方法,流量计包括主管和电子反馈显示器,主管上设有相对主管对称弯曲的第一支管和第二支管,第一支管和第二支管两端与主管之间设有用于分流或汇流的分流部,第一支管和第二支管的弯曲处外侧分别对称设有与电子显示器连接的第一压力传感器和第二压力传感器,方法包括流体由主管的任意一端流入、分流进入第一支管和第二支管后汇流流出主管另一端,电子显示器的流量计算模型将流体视为质点运动,依据设定参数和压力数据计算流量并反馈显示,具有结构简单、体积偏小、价格低廉,几乎没有噪声及振动,可双向测量流量,可适用于各种管径及流速、适用范围广,流量计压损小、性能稳定、保证测量精度,测量速度快等优点。
Description
技术领域
本发明属于流量测量技术领域,具体涉及一种流量计及流量测量方法。
背景技术
流量计量对保证产品质量、提高生产效率和安全性、促进科学技术发展等都具有重要作用,流量计或流量表作为测量流体流量的仪表广泛应用于电力、石油、水处理、食品、制药、能源、冶金、纺织、纸浆造纸和建筑材料等行业。随着工业的发展,对流量测量的效率、准确度和范围要求越来越高。在石油工业生产中,从石油的开采、运输、炼冶加工直至贸易销售,流量计量贯穿于全过程中,任何一个环节都离不开流量计量,否则将无法保证石油工业的正常生产和贸易交往。在化工行业,流量计量不准确会造成化学成分分配比失调,无法保证产品质量,严重的还会发生生产安全事故。在电力工业生产中,对液体、气体、蒸汽等介质流量的测量和调节占有重要地位。流量计量的准确与否不仅对保证发电厂在最佳参数下运行具有很大的经济意义,而且随着高温高压大容量机组的发展,流量测量已成为保证发电厂安全运行的重要环节。如大容量锅炉瞬时给水流量中断或减少,都可能造成严重的干锅或爆管事故。这就要求流量测量装置不但应做到准确计量,而且要及时地发出报警信号。在钢铁工业生产中,炼钢过程中循环水和氧气(或空气)的流量测量是保证产品质量的重要参数之一。
工程上常用单位m3/h,它可分为瞬时流量(FlowRate)和累计流量(TotalFlow),瞬时流量即单位时间内过封闭管道或明渠有效截面的量,流过的物质可以是气体、液体、固体;累计流量即为在某一段时间间隔内(一天、一周、一月、一年)流体流过封闭管道或明渠有效截面的累计量,瞬时流量和累计流量之间可以相互转化。常见的流量计有:差压式流量计、转子流量计、容积式流量计、电磁流量计、超声波流量计等,差压式流量计大多在节流件上做出改变、测量精度普遍偏低且压损大;转子流量计虽压力损失较低,但只适用于小管径和低流速,耐压力低,有玻璃管易碎的较大风险;容积式流量计虽计量精度高,但结构复杂,体积庞大,且产生噪声及振动;电磁流量计只能测量导电介质的液体流量,不能测量非导电介质的流量,且电磁流量计与超声波流量计价格都十分昂贵。同时现有流量计大多只能单向测量,亟待改善。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一,本发明提供一种流量计及流量测量方法,结构简单、体积偏小、价格低廉,几乎没有噪声及振动,可双向测量流量,可适用于各种管径及流速、适用范围广,流量计压损小、性能稳定、保证测量精度,测量速度快。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种流量计,包括主管和电子显示器,所述主管上设有相对主管对称弯曲的第一支管和第二支管,所述第一支管和第二支管两端与主管之间设有用于分流或汇流的分流部,所述第一支管和第二支管的弯曲处外侧分别对称设有与电子显示器电连接的第一压力传感器和第二压力传感器,所述电子显示器用于设定参数、依据第一压力传感器和第二压力传感器的压力数据计算和反馈显示流量。
上述流量计,优选地,所述主管、第一支管和第二支管外设有外壳,所述外壳内设有与第一压力传感器和电子显示器或与第二压力传感器和电子显示器电连接的数据传输线,所述电子显示器连接于外壳外部。
上述流量计,优选地,所述分流部为与第一支管、第二支管和主管交接处相连的分流板,分流板用于对称分流或汇流。
上式中Q表示流量,S表示主管中水流截面面积,v表示分流前的流体流速,ρ表示流体密度,a1表示流体在第一支管内的加速度,a2表示流体在第二支管内的加速度,t表示流体由分流前到第一支管或第二支管弯曲处的时间,α表示第一支管或第二支管与水平方向的夹角,P1表示第一压力传感器检测的压力,P2表示第二压力传感器检测的压力,流量计算模型的设定参数包括S、ρ和α。
优选地,a1的计算公式为:a1=μ1gcosα+gsinα;
上式μ1表示第一支管中阻力系数,g表示重力加速度,流量计算模型的设定参数包括μ1和g。
优选地,a2的计算公式为:a2=μ2gcosα-gsinα;
上式中μ2表示第二支管中阻力系数,g表示重力加速度,流量计算模型的设定参数包括μ2和g。
优选地,所述主管为内径为D的圆管,S=πD2/4,流量计算模型的设定参数包括D。
上述流量计,优选地,所述第一压力传感器和第二压力传感器选用FlexiForce压力传感器。
上述流量计,优选地,所述主管两端设有法兰。
一种流量测量方法,基于上述任意一项所述流量计,其方法包括:使流体由主管的任意一端流入、分流进入第一支管和第二支管后汇流流出主管另一端;
将流体视为质点运动,设定电子显示器的参数,电子显示器基于第一支管和第二支管的径向和法向受力分析计算流体在第一支管和第二支管内的加速度;电子显示器采集第一压力传感器和第二压力传感器的压力数据,基于动压强计算流体在第一支管和第二支管弯曲处的流速;电子显示器基于流体速度与时间和加速度的关系计算流体分流前的速度,进而计算和反馈显示流量。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
采用一种与现有流量计设计截然不同的结构和方法,拓宽流量计设计思路,流体由主管的任意一端流入、分流进入第一支管和第二支管后汇流流出主管另一端,由第一压力传感器和第二压力传感器的分别检测压力,电子显示器的流量计算模型将流体视为质点运动,依据设定参数和压力数据计算流量并反馈显示;具有结构简单、体积偏小、价格低廉,几乎没有噪声及振动,可双向测量流量,可适用于各种管径及流速、适用范围广,流量计压损小、性能稳定、保证测量精度,测量速度快等优点。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是本发明实施例1的外观结构主视图;
图2是本发明实施例1的外观结构侧视图;
图3是本发明实施例1的内部结构示意图;
图4为实施例1的分流板形状及在主管中安装位置示意图;
图5是本发明实施例1的第一压力传感器或第二压力传感器的安装结构图;
图6是本发明实施例2的流程图;
图7为本发明第一支管和第二支管模拟所需的三维模型。
图8为本发明第一支管和第二支管模拟所需的网格。
图9为本发明第一支管和第二支管模拟结果流线及流速图。
图10为本发明第一支管和第二支管模拟结果压力分布等值线三维图。
图11为本发明第一支管和第二支管模拟结果压力分布等值线管道截面二维图。
图中:电子显示器1,外壳2,法兰3,主管4,分流部5,第一支管61,第二支管62,第一压力传感器71,第二压力传感器72,数据传输线8。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,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装置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。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上,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“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;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。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。
实施例1:
如图1-5所示,为本发明所述流量计的一种较佳实施方式,所述流量计包括包括主管4和电子显示器1,所述主管4上设有相对主管4对称弯曲的第一支管61和第二支管62,所述第一支管61和第二支管62两端与主管4之间设有用于分流或汇流的分流部5,所述第一支管61和第二支管62的弯曲处外侧分别对称设有与电子显示器1电连接的第一压力传感器71和第二压力传感器72,所述电子显示器1用于设定参数、依据第一压力传感器71和第二压力传感器72的压力数据计算和反馈显示流量。
上述流量计,优选地,所述主管4、第一支管61和第二支管62外设有外壳2,所述外壳2内设有与第一压力传感器71和电子显示器1或与第二压力传感器72和电子显示器1电连接的数据传输线8,所述电子显示器1连接于外壳2外部,使整体结构紧凑,便于整体安装应用。
优选地,所述电子显示器1不限于安装在外壳2上,多个流量计的第一压力传感器71和第二压力传感器72的压力数据能够通过有线或无线传输方式输入相当于电子显示器1的管理系统进行监管。
优选地,所述第一支管61和第二支管62均包括弯管段、与弯管段两端相连的直管段,便于制造、减小压损。
如图2-4所示,上述流量计,优选地,所述分流部5为与第一支管61、第二支管62和主管4交接处相连的分流板。
优选地,分流板用于对称分流或汇流,分流板在远离第一支管61和第二支管62的一端呈尖头结构,便于分流。
上式中Q表示流量,S表示主管4中水流截面面积,v表示分流前的流体流速,ρ表示流体密度,a1表示流体在第一支管61内的加速度,a2表示流体在第二支管62内的加速度,t表示流体由分流前到第一支管61或第二支管62弯曲处的时间,由于第一支管61和第二支管62呈相对主管4的上下对称结构,α既可以表示第一支管61与水平方向的夹角,也可以表示为或第二支管62与水平方向的夹角,P1表示第一压力传感器71检测的压力,P2表示第二压力传感器72检测的压力,流量计算模型的设定参数包括S、ρ和α。
优选地,a1的计算公式为:a1=μ1gcosα+gsinα;
上式μ1表示第一支管61中阻力系数,g表示重力加速度,流量计算模型的设定参数包括μ1和g。
优选地,a2的计算公式为:a2=μ2gcosα-gsinα;
上式中μ2表示第二支管62中阻力系数,g表示重力加速度,流量计算模型的设定参数包括μ2和g。
优选地,所述主管4为内径为D的圆管,S=πD2/4,流量计算模型的设定参数包括D,便于制造和计算。
优选地,所述电子显示器1包括设置流量计算模型的处理器和连接处理器反馈显示流量的电子屏幕。
上述流量计,优选地,所述第一压力传感器71和第二压力传感器72选用FlexiForce压力传感器,Flexiforce是一种超薄和挠性印刷电路,可很方便集成多种运用,比其它薄膜测力产品有更好的特性、线性、磁滞、飘移、温度灵敏度,可弯曲和测力特性可用于第一支管61和第二支管62上的压力传感检测。
如图5所示,优选地,FlexiForce压力传感器选择100Ibs,传感的有效区域是传感器末端的圆,由两层衬底构成,这种衬底由聚脂纤维薄膜组成,高温传感器用的是聚酰亚胺构成。在每一层上运用一种导体材料银,再加一层对压力敏感的墨水,然后用粘合剂把两层衬底压在一起,形成了传感器,墨水外的银边表示了对压力敏感的区域,从敏感区域引出两个银线作为导线。第一压力传感器71贴合在第一支管61外壁面,第二压力传感器72贴合在第二支管62外壁面。
上述流量计,优选地,所述主管4两端设有法兰3,主管4与法兰3采用焊接连接,用于通过法兰3将主管4连接应用在管道中。
实施例2:
如图6所示,为本发明所述流量测量方法的一种较佳实施方式,基于实施例1所述流量计,其方法包括:使流体由主管4的任意一端流入、分流进入第一支管61和第二支管62后汇流流出主管4另一端;
将流体视为质点运动,设定电子显示器1的参数,电子显示器1基于第一支管61和第二支管62的径向和法向受力分析计算流体在第一支管61和第二支管62内的加速度;电子显示器1采集第一压力传感器71和第二压力传感器72的压力数据,基于动压强计算流体在第一支管61和第二支管62弯曲处的流速;电子显示器1基于流体速度与时间和加速度的关系计算流体分流前的速度,进而计算和反馈显示流量。
上述流量测量方法的具体步骤为:
S1:将主管4接入流体管道中,主管4内径D、流体密度ρ、第一支管61或第二支管62与水平方向的夹角α、第一支管61中阻力系数μ1、重力加速度g和第二支管62中阻力系数μ2作为设定参数输入电子显示器1;
S2:使流体由主管4的任意一端流入、经一端分流板分流进入第一支管61和第二支管62后、经另一端分流板汇流流出主管4另一端,第一压力传感器71和第二压力传感器72感受到水压后将两组压力信号经数据传输线8传给电子显示器1,第一压力传感器71检测的压力计为P1,第二压力传感器72检测的压力计为P2;
S3:电子显示器1将步骤S2的两组压力模拟信号经处理器的模/数转换模块转换为数字量并传送给流量计算模型进行流量计算;
S301:将流动当做二维流动进行计算,将流体视为质点运动,对第一支管61和第二支管62的径向和法向受力分析;
第一支管61径向的法向:F1=m1gcosα(1);
第一支管61的径向:μF1+m1gsinα=m1a1(2);
上式(1)和式(2)中F1表示流体在第一支管61弯曲处的作用力,μ1表示第一支管61中阻力系数,m1表示流体在第一支管61弯曲处的质量,g表示重力加速度,α表示第一支管61与水平方向的夹角,推导出
a1=μ1gcosα+gsinα(5),
依据设定参数计算流体在第一支管61内的加速度a1;
第一支管61径向的法向:F2=m2gcosα(3);
第一支管61的径向:μF2-m2gsinα=m2a2(4);
上式3和式4中F2表示流体在第二支管62弯曲处的作用力,μ2表示第二支管62中阻力系数,m2表示流体在第二支管62弯曲处的质量,g表示重力加速度,α表示第二支管62与水平方向的夹角,推导出a2=μ2gcosα-gsinα(6),依据设定参数计算流体在第二支管62内的加速度a2;
S302:在弯曲部分,第一支管61与重力方向相反的速度头由于弯管的限制转换为压力头,得到
上式(7)中ρ表示流体密度,v1表示流体在第一支管61弯曲处的流速,α表示第一支管61与水平方向的夹角,P1表示第一压力传感器71检测的压力,依据设定参数和P1计算v1;
在弯曲部分,第二支管62与重力方向相反的速度头由于弯曲的限制转换为压力头,得到
上式(8)中ρ表示流体密度,v2表示流体在第二支管62弯曲处的流速,α表示第二支管62与水平方向的夹角,依据设定参数和P2计算v2;
S303:由于第一支管61与第二支管62为上下对称结构,在主管4径向上的受力等因素并无区别,所以到达弯曲处的时间一致,基于流体速度与时间和加速度的关系有:
v1=v-a1t1(9);
v2=v-a2t2(10);
t1=t2=t(11);
上式(9)、(10)、(11)中,a1、a2由步骤S301求得,v1、v2由步骤S302求得,t表示流体到弯曲处的时间,t1表示流体由分流前到第一支管61处的时间,t2表示流体由分流前到第二支管62处的时间,v表示分流前的流体流速,依据式(9)、(10)、(11)计算t,进而计算得到v;
S304:依据步骤S303得到的v计算
Q=vS=πvD2/4(12),
上式(12)中Q表示流量,S表示主管4中水流截面面积,D表示主管4内径,计算得到流量Q;
S4:电子显示器1将步骤S305的流量Q反馈显示在电子屏幕上。
优选地,通过时间积分能够将瞬时流量Q转换为累计流量。
本发明采用仿真建模软件COMSOL Multiphysics 5.4对弯管段流速及压力变化进行模拟分析,对90°弯管进行建模模拟,其他角度也存在相同规律,分析步骤如下:
F1:如图7所示,建立第一支管61和第二支管62的弯曲处三维模型,建立90°弯管模型,管径0.1m,弯管段两侧直管段长度均为0.5m;
F2:添加材料Water,liquid,材料属性默认;
F3:物理场选择Turbulent Flow,k-ω,并选择所有域,设置物理模型可压缩性为不可压缩流动,参考压力水平perf设置为1atm,参考温度Tref设置为293.15K,流体温度、密度、动力粘度均来自材料;
Wall选择除管道截面外其他面,壁条件设置为无滑移,Inlet选择左端第一支管61和第二支管62的截面,边界条件设置为充分发展的流动,设置充分发展的流动平均速度Uav=16.5m/s,Outlet选择右端第一支管61和第二支管62的截面,边界条件设置为充分发展的流动,设置充分发展的流动平均压力pav=0Pa;
F4:添加体积力,域选择所有域,体积力在x方向上设置为0N/m3,在y方向设置为g_const*rho*sin(pi/4)N/m3,在z方向上设置为-g_const*rho*cos(pi/4)N/m3;
F5:构建网格,序列类型选择物理场控制网格,单元大小较粗化,网格Mesh1如图8所示;
F6:设置稳态求解器,物理场接口勾选Turbulent Flow,k-ω(spf),其他参数均由物理场控制,点击计算;
F7:自动生成三维绘图组,标签为Velocity(spf)与Pressure(spf),在Velocity(spf)中添加流线,流线定位在Inlet所选的两个截面,数量设置为40,线样式设置为带,宽度表达因子设置1,如图9所示,Pressure(spf)图如图10所示;
F8:在结果中添加二维绘图组,并在其中添加等值线,表达式设为p,单位Pa,水平定义方法水平数,总数设置为40,等值线类型选择线,绘制如图11所示。
从图9、10、11中可以明显看出,第一支管61与第二支管62之间存在压差,水流流经弯曲外侧时,流速快速下降,压力迅速上升,且在第二支管62中这种现象更为明显,证明实施例1和实施例2能够用于流量测量。
上述流量计和测量方法采用流体由主管4的任意一端流入、分流进入第一支管61和第二支管62后汇流流出主管4另一端,由第一压力传感器71和第二压力传感器72的分别检测压力,电子显示器1的流量计算模型依据设定参数和压力数据计算流量并反馈显示,采用一种与现有流量计设计截然不同的结构和方法,拓宽流量计设计思路,较现有技术具有以下优点:
(1)结构简单,体积偏小,价格低廉,几乎没有噪声及振动,避免了容积式流量计结构复杂,体积庞大,且产生噪声及振动的问题;
(2)流体可以由主管4的任意一端流入,可双向测量流量,避免了现有流量计只能单向测量的问题;
(3)可适用于各种管径及流速,适用范围广;避免了电磁流量计只能测量导电介质的液体流量,不能测量非导电介质的流量和转子流量计只适用于小管径和低流速的问题。
(4)流量计压损小,性能稳定,保证了测量精度;避免了差压式流量计测量精度普遍偏低且压损大的问题;
(5)流体分流进入对称弯曲的第一支管61和第二支管62,在弯曲处压力上升、流速下降并存在压差,由电子显示器1的流量计算模型将流体视为质点运动,基于第一支管61和第二支管62的径向和法向受力分析计算流体在第一支管61和第二支管62内的加速度;基于动压强计算流体在第一支管61和第二支管62弯曲处的流速;基于流体速度与时间和加速度的关系计算流体分流前的速度,进而计算和反馈显示流量,计算测量速度快。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明,它们并非用以限制本发明的保护范围,凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种流量计,其特征在于,包括主管(4)和电子显示器(1),所述主管(4)上设有相对主管(4)对称弯曲的第一支管(61)和第二支管(62),所述第一支管(61)和第二支管(62)两端与主管(4)之间设有用于分流或汇流的分流部(5),所述第一支管(61)和第二支管(62)的弯曲处外侧分别对称设有与电子显示器(1)电连接的第一压力传感器(71)和第二压力传感器(72),所述电子显示器(1)用于设定参数、依据第一压力传感器(71)和第二压力传感器(72)的压力数据计算和反馈显示流量。
2.根据权利要求1所述的一种流量计,其特征在于,所述主管(4)、第一支管(61)和第二支管(62)外设有外壳(2),所述外壳(2)内设有与第一压力传感器(71)和电子显示器(1)或与第二压力传感器(72)和电子显示器(1)电连接的数据传输线(8),所述电子显示器(1)连接于外壳(2)外部。
3.根据权利要求1所述的一种流量计,其特征在于,所述分流部(5)为与第一支管(61)、第二支管(62)和主管(4)交接处相连的分流板,分流板用于对称分流或汇流。
5.根据权利要求4所述的一种流量计,其特征在于,a1的计算公式为:a1=μ1gcosα+gsinα,上式μ1表示第一支管(61)中阻力系数,g表示重力加速度,流量计算模型的设定参数包括μ1和g。
6.根据权利要求4所述的一种流量计,其特征在于,a2的计算公式为:a2=μ2gcosα-gsinα,上式中μ2表示第二支管(62)中阻力系数,g表示重力加速度,流量计算模型的设定参数包括μ2和g。
7.根据权利要求4所述的一种流量计,其特征在于,所述主管(4)为内径为D的圆管,S=πD2/4,流量计算模型的设定参数包括D。
8.根据权利要求1所述的一种流量计,其特征在于,所述第一压力传感器(71)和第二压力传感器(72)选用FlexiForce压力传感器。
9.根据权利要求1所述的一种流量计,其特征在于,所述主管(4)两端设有法兰(3)。
10.一种流量测量方法,其特征在于,基于权利要求1~9任意一项所述流量计,其方法包括:使流体由主管(4)的任意一端流入、分流进入第一支管(61)和第二支管(62)后汇流流出主管(4)另一端;
将流体视为质点运动,设定电子显示器(1)的参数,电子显示器(1)基于第一支管(61)和第二支管(62)的径向和法向受力分析计算流体在第一支管(61)和第二支管(62)内的加速度;电子显示器(1)采集第一压力传感器(71)和第二压力传感器(72)的压力数据,基于动压强计算流体在第一支管(61)和第二支管(62)弯曲处的流速;电子显示器(1)基于流体速度与时间和加速度的关系计算流体分流前的速度,进而计算和反馈显示流量。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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