CN114812708B - 一种自带整流的测量管结构及超声波计量表 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自带整流的测量管结构及超声波计量表，包括测量管本体，所述测量管本体内通过整流装置形成两组沿该测量管本体轴向布置的同心流体通道，该同心流体通道包括位于中间的用于超声波测量区域的测量通道，以及与测量管本体内壁接触的外围通道。同时通过截取一部分相对稳定流体作为测量区域，使得测量区域流场受外界变化影响减小，达到测量更稳定、更精确、更大量程比效果，更重要是这种稳定流场可以通过函数方程对全速域参数进行修正。

Description

一种自带整流的测量管结构及超声波计量表

技术领域

本发明涉及超声波计量技术领域，具体涉及一种自带整流的测量管结构及超声波计量表。

背景技术

目前超声波计量表整流结构研究集中在测量区域前端，只横向研究某一流量下测量区域流场稳定性，忽略了随着来流流速增加纵向考虑全速域测量区域流场分布对仪表测量精度、稳定性、量程比、参数修正影响，尤其是流体的流动会为层流、过渡区、湍流，都会对检测结果带来影响。另外，测量区域前端整流效果仅决定进入测量区域瞬间流场分布，测量区域流场由于测量管结构不同，导致速度边界层、温度边界层产生差异，会直接决定测量结果。

发明内容

本发明主要解决基于流速测量的仪表在计量全流速、温度10-60℃(根据介质而定)介质时的稳定性问题，解决此问题有助于在提升计量精度的同时提高计量的量程比，本发明是在测量区域前段整流后基础上，对流场进行二次整流，使得计量量程更大，计量结果更稳定精确，同时方便后端通过函数方程对全速域参数进行修正。具体技术方案如下：

一种自带整流的测量管结构，包括测量管本体，所述测量管本体内通过整流装置形成两组沿该测量管本体轴向布置的同心流体通道，该同心流体通道包括位于中间的用于超声波测量区域的测量通道，以及与测量管本体内壁接触的外围通道。

优选地，所述测量通道与外围通道的管径之比为3:8～1:2。

优选地，所述外围通道被均分为至少两部分。

进一步地，所述整流装置包括沿测量管本体轴向布置的整流管，以及位于整流管两端用于将该整流管与测量管本体内壁连接的整流片。

优选地，位于整流管任一端的所述整流片包括至少一组共线薄片，位于整流管两端的共线薄片对称设置。

本发明还提供一种超声波计量表，其包括上述的测量管结构。所述测量管结构与前后反射镜同轴布置。

由以上技术方案可知，本发明将测量管分成两组同心流体通道，使得测量区域实行分离流，分离流使得测量区域流场变化相对更稳定，消除表体边界层处速度梯度对测量结果影响，达到整流效果方便后端通过函数方程对全速域参数进行修正。

附图说明

图1为流体的雷诺数与时均速度的关系示意图；

图2为本发明超声波计量表中测量管结构示意图；

图3为本发明测量管结构的径向剖视图；

图4为本发明测量管结构的轴向剖视图；

图5为参数组合坐标点落在流量参数曲线之间时，取距离参数组合坐标点最近交点做切线的示意图；

图6为取得实际质量流量Q_m实际的临近Q_m效率绝对值|K|的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明，在详细说明本发明各实施例的技术方案前，对所涉及的名词和术语进行解释说明，在本说明书中，名称相同或标号相同的部件代表相似或相同的结构，且仅限于示意的目的。

影响流动介质计量精度的主要因素有两点，一是测量介质的流场分布是否稳定，二是电子仪表的信号捕捉误差。其中，影响测量介质的流场的因素又有两点，一是测量结构，二是介质物性，前者决定进入测量区域的流动介质的抗來流干扰性，后者为介质属性对速度分布的影响，本发明主要应用一种新型自带整流的测量管结构优化改善测量区域流场分布，从而提高仪表精度、稳定性、量程比。

流体的流动可根据雷诺数区分为层流、过渡区、湍流，流体在圆管内的速度分布是指流体流动时管截面上质点的速度随半径的的变化关系，无论是层流、湍流，管壁处质点流速均为零，越靠近管中心流速越大，到管中心处速度为最大，具体说明如下：

1)根据流体力学基本原理，雷诺数表示为

式中ρ为介质密度，v为介质平均流速，l为测量区域特征长度，μ为介质粘度，

其中介质粘度受温度影响而变化。

Re＜2300：层流；4000＞Re＞2300：过渡区；Re＞4000：湍流。同一介质，同一测量结构，同一测量环境，测量区域流速决定Re大小，从而决定流体流动状态。

2)直管内定常层流流动时的速度分布：

式中μ为介质粘度，p为压力，l为圆管长度，R为圆管当量直径，r为截面处不同位置计算半径。上式表明，在圆管充分发展的定常层流中，圆管截面上的速度分布为旋转抛物面。

3)直管内定常湍流流动时的速度分布：

湍流流场划分为粘性底层、过渡层以及湍流核心区，时流体质点的运动较层流复杂的多，截面上某一固定点的流体质点在沿管轴向前运动同时，还有径向的运动，使得速度矢量一直在变化。湍流流动速度分布根据实验及理论分析可分为三个阶段：粘性底层、过渡层、湍流核心区。分布方程如下所示：

式中u_max为核心区域最大速度，n为与Re相关指数，R为圆管当量直径，r为截面处不同位置计算半径。

在湍流阶段，由于粘性力多了一部分雷诺应力，使得流体之间产生相互剪切力，使得流体形成漩涡，从而将圆管中心高速的动量迅速向管壁补充，最终导致湍流管壁处的速度梯度较层流小，最后的速度分布类似于一个梯形(只是像梯形，圆管中心高速区的速度较均衡)。从物理观念上说，由于雷诺数大，流体的粘性力相对于惯性力产生的影响较小，粘性力导致的速度梯度没有层流大。通俗的说，流速大，粘性力还没来得及作用，圆管中心附近的流体就被惯性往前带，所以就导致最后速度分布类似于梯形，雷诺数越大，时均速度分布越趋向均匀，如图1所示。

申请人通过分析层流和湍流速度分布，发现测量管管轴中心附近流场较稳定；随着速度增加，中心轴附近流速梯度减小，而测量管管壁边界层处速度相对于管轴中心处较小；超声波测量过程中，由于受安装角度及环境影响，声波经过测量区域不能保证沿着中心轴走，随着来流流速及计量表体外径增大，测量区域速度变化极不稳定，导致测量误差增大同时给后端对全速域修正补偿带来困难。

如图2和图4所述，本发明超声波计量表1能够在测量管本体2中对流体进行二次整流，该测量管本体内通过整流装置3形成两组沿该测量管本体轴向布置的同心流体通道。同心流体通道包括位于中间的测量通道41，以及与测量管本体内壁接触的外围通道42。其中，测量通道41是用于超声波的测量区域，随着雷诺数及计量表体外径增大，这种分流结构减少了测量区域流体流量，抽取中间相对稳定来流流体作为测量域，使计量更稳定，同时方便后端通过函数方程对全速域参数进行补偿修正。

本发明可以通过调整内外管径之比，实现小流量高流速的效果，提高对小流量情况下的测量稳定性，具体地，所述测量通道41与外围通道42的管径之比为3:8～1:2。

所述整流装置3包括沿测量管本体轴向布置的整流管31，以及位于整流管两端用于将该整流管与测量管本体内壁连接的整流片32。所述整流管内形成了测量通道41，整流管与测量管本体之间形成了外围通道42，该外围通道通过整流片进行流道分割，位于整流管任一端的所述整流片包括至少一组共线薄片321，位于整流管两端的共线薄片对称设置，当然这个共线薄片也可以一直沿着测量管轴向延伸。如图3所示，本实施例中，整流管31两端各采用两组共线薄片321，与整流管一起将测量管在轴向截面上分成五个区域，其中测量通道为超声波测量的通道五，四周为表体边界层附近流体通道一、二、三和四。此结构达到二次整流效果，同时通过截取一部分相对稳定流体作为测量区域，使得测量区域流场受外界变化影响减小，达到测量更稳定、更精确、更大量程比效果，更重要是这种稳定流场可以通过函数方程对全速域参数进行修正。

超声波计量表，在表体结构确定前提下，把质量流量Q_m看做时间差Δt、水温T的二元n次函数，即Q_m＝f(Δt，T)。

通过实验测试分析，可以得到类似图5的曲线，把图5曲线参数化，后端程序直接通过识别时间差Δt、水温T来计算质量流量Q_m；若时间差加上水温参数组合正好落在Qm曲线上，可直接读取；若时间差加上水温参数组合落在Qm1和Qm2之间，则根据附近区域Qm1、Qm2斜率变化情况，通过等时间差线或等温线估算求得；

参照图5和图6，本发明中全速域参数修正方法为：

步骤一、根据超声波计量表常用流量、极限流量及常用温度、极限温度，通过实验测试得到全速域参数曲线，其中全速域参数曲线的横坐标为Δt，全速域参数曲线的纵坐标为水温T；

步骤二、若实测时间差Δt和水温T的坐标点落在任一Qm曲线上，直接读取质量流量Q_m；若坐标点落在相邻两个Qm曲线之间，则根据临近Qm效率绝对值|K|大小来判断，若|K|≥1,如图5的点1、线L1所示(Qm1与Qm2之间)，则根据坐标点(点1)的等温线取得Qm1与Qm2的两个时间差Δt_a、Δt_b，利用线性关系估算点1流量值；若|K|＜1,如图5点2、线L2所示(Qm1与Qm2之间)，则根据等时间差线取得Qm1与Qm2的两个温度T_c、T_d,同样方法估算流量值。

获得临近Q_m效率绝对值|K|的方法如下：

分别过参数组合坐标点做一条等T线、一条等Δt线，并与相邻两个流量参数曲线Q_m产生四个交点，取距离参数组合坐标点最近交点做切线；

判断切线效率绝对值|K|的大小，若|K|≥1，则根据参数组合坐标点的等T线取得相邻两个流量参数曲线Q_m的两个时间差Δt_a、Δt_b，利用线性关系计算得到实际质量流量Q_m实际：

其中，Q_m1和Q_m2为相邻的两个流量参数曲线，Δt_实际为实测时间差；

若|K|＜1，则根据参数组合坐标点的等Δt线取得相邻两个流量参数曲线Q_m的两个温度T_c、T_d,利用线性关系计算得到实际质量流量Q_m实际：

其中，Q_m1和Q_m2为相邻的两个流量参数曲线，T_实际为实测温度。

本发明还提供一种超声波计量表，其包括上述的测量管结构。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种自带整流的测量管结构，包括测量管本体，其特征在于，所述测量管本体内通过整流装置形成两组沿该测量管本体轴向布置的同心流体通道，该同心流体通道包括位于中间的用于超声波测量区域的测量通道，以及与测量管本体内壁接触的外围通道；

所述整流装置包括沿测量管本体轴向布置的整流管，以及位于整流管两端用于将该整流管与测量管本体内壁连接的整流片；位于整流管任一端的所述整流片包括至少一组共线薄片，位于整流管两端的共线薄片对称设置；

所述整流管内形成了测量通道，整流管与测量管本体之间形成了外围通道，测量通道的稳定流场通过函数方程对全速域参数进行修正；

所述全速域参数修正方法为：

步骤一、质量流量Q_m看做时间差Δt、水温T的二元n次函数，即Q_m＝f(Δt，T)，根据超声波计量表常用流量、极限流量及常用温度、极限温度，通过实验测试得到全速域参数曲线，其中全速域参数曲线的横坐标为Δt，全速域参数曲线的纵坐标为水温T；

步骤二、若实测时间差Δt和水温T的坐标点落在任一Q_m曲线上，直接读取质量流量Q_m；若坐标点落在相邻两个Q_m曲线之间，则根据临近Q_m效率绝对值|K|大小来判断，若|K|≥1,则根据坐标点的等温线取得Q_m1与Q_m2的两个时间差Δt_a、Δt_b，利用线性关系计算坐标点流量值；若|K|＜1,则根据等时间差线取得Q_m1与Q_m2的两个温度T_c、T_d,同样方法计算流量值；

获得临近Q_m效率绝对值|K|的方法如下：

分别过参数组合坐标点做一条等T线、一条等Δt线，并与相邻两个流量参数曲线Q_m产生四个交点，取距离参数组合坐标点最近交点做切线；

判断切线效率绝对值|K|的大小，若|K|≥1，则根据参数组合坐标点的等T线取得相邻两个流量参数曲线Q_m的两个时间差Δt_a、Δt_b，利用线性关系计算得到实际质量流量Q_m实际：

其中，Q_m1和Q_m2为相邻的两个流量参数曲线，Δt_实际为实测时间差；

若|K|＜1，则根据参数组合坐标点的等Δt线取得相邻两个流量参数曲线Q_m的两个温度T_c、T_d,利用线性关系计算得到实际质量流量Q_m实际：

其中，Q_m1和Q_m2为相邻的两个流量参数曲线，T_实际为实测温度。

2.根据权利要求1所述的测量管结构，其特征在于，所述测量通道与外围通道的管径之比为3:8～1:2。

3.根据权利要求1所述的测量管结构，其特征在于，所述外围通道被均分为至少两部分。

4.一种超声波计量表，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的测量管结构。

5.根据权利要求4所述的超声波计量表，其特征在于，所述测量管结构与前后反射镜同轴布置。

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