CN115144042B - 非满管道流量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非满管道流量的测量方法，包括：采用超声波流量仪测定非满管道流量的预测流量Q_测的步骤以及，根据修正系数对预测流量进行修正得到非满管道流量的准确流量Q_准的步骤。本发明测量得到的非满管道流量值准确度高，测量方法简单，实操性强。

Description

非满管道流量的测量方法

技术领域

本发明涉及管道流量测量领域。更具体地说，本发明涉及一种非满管道流量的测量方法。

背景技术

便携式超声波流量仪，是一种非侵入式流量测量仪器，常用于各类液体输送管道的非固定式流量测量，其测量流程如下：首先调查待测管道的材质，测量管道周长（通常仪器提供输入周长或者输入外径这两种方式来确认管道尺寸，因周长更易通过围尺测量获得，故多用周长参数）、壁厚等参数；将上述参数输入流量仪，同时选择测量方式，确定两枚收发探头安置的相对位置及距离；此距离依照管道材质、周长、壁厚等影响超声波传输速度、路径长度等因素，以及测量探头本身的超声波发射角度、两枚探头相对位置等因素计算得出。此距离条件下，发射探头发射的超声波信号或由另一枚探头直接接收，或是以管道内壁和管内液体的接触面作为反射面，将超声波信号反射入接收探头，超声波信号的传输效果最优。将两枚测量探头按照该距离安置在管道侧壁（优选安置在与管道轴心线同一水平高度位置，尽量避开管顶位置，以避免管道内液体可能含有的气泡聚集后在管顶处形成空腔，影响超声波信号的传输）。再通过仪器主机操控，使探头进行超声波信号的发射和接收。通过测定叠加有管道内液体流速的超声波信号的传输时间，结合超声波信号的传输距离，计算得出管道内液体流速；同时，仪器利用输入的管道周长，壁厚等参数，计算出管道内壁横截面面积，利用公式Q=V·S计算得出流量结果并显示出来。公式中Q为流量（m³/s），V为液体流速（m/s），S为管道内截面面积（㎡）。

上述流量测量方法在非满管道条件下应用时，测量准确性欠佳，以下将分两种情况论述其准确性低的原因：

1、当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长小于管道外壁周长的一半时，即管道内液体截面面积大于1/2管道内壁横截面面积时，贴在管道侧壁的探头在发射、接收超声波信号时，超声波的传输路径不经过管道上方空腔，信号传输不受空腔影响，探头能够进行良好的超声波信号发射、接收，仪器仍能够顺利获得管道内液体的流速并按照管道内壁横截面面积计算出流量数据，但是此时管道内实际液体横截面面积要小于管道内壁横截面面积，导致测量数据偏大。

2、当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长大于、等于管道外壁周长的一半时，小于、等于即管道内液体截面面积小于、等于1/2管道内壁横截面面积时，若按照实测的周长、壁厚等参数设置仪器、安设探头，无论两枚探头如何安装，超声波信号的传输路径都必然要经过管道内空腔，导致信号传播受阻，无法测定管道内液体的流速，更无法计算流量。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种非满管道流量的测量方法，其测量得到非满管道的流量值准确度高。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种非满管道流量的测量方法，包括：

采用超声波流量仪测定非满管道流量的预测流量Q_测步骤以及，

根据修正系数对预测流量进行修正得到非满管道流量的准确流量Q_准；

其中Q_准=K

Q_测；

Q_准为非满管道准确流量，m³/s；

K为修正系数；

Q_测为非满管道超声波流量仪预测流量，m³/s。

优选的是，当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长小于非满管道外壁周长的一半时，修正系数K根据公式1计算得到；

K=

公式1

其中，

L为非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长，m；

C为非满管道外壁周长，m。

进一步地，当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长小于非满管道外壁周长的一半时，非满管道超声波流量仪预测流量Q_测是将超声波流量仪置于管道外壁处测得的，其安置在管道外壁与管道轴心线位于同一水平高度的位置处，以保证流量仪探头在发射、接收超声波信号时，超声波的传输路径不经过管道上方空腔，信号传输不受空腔影响，探头能够进行良好的超声波信号发射、接收。

进一步地，将超声波流量仪置于管道外壁进行预测流量Q_测测量时，测量参数选用非满管道外壁周长值。

优选的是，当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长大于、等于非满管道外壁周长的一半时，修正系数K根据公式2计算得到；

K=

公式2；

进一步地，当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长大于、等于非满管道外壁周长的一半时，非满管道超声波流量仪预测流量Q_测是将超声波流量仪置于管道外壁最低点测得的。

进一步地，将超声波流量仪置于管道外壁最低点进行测量时，测量对象为以管道内液体最大深度加两个管道壁厚为直径的等效管道，在超声波流量仪中输入的测量参数为等效管道的直径值。

优选的是，非满管道液面上方空腔对应的外壁弧长L的测量方法包括：

第一步、分别找出位于非满管道外壁上的两条对称测试线；一侧测试线和管道内液体与空腔的一侧分界线平行且轴心线、分界线以及测试线位于同一平面上；

第二步、利用围尺跨过管顶测量出两条测试线之间的距离，记作非满管道液面上方空腔对应的外壁弧长L。

优选的是，第一步中位于非满管道外壁两条对称的测试线是通过感应式液位标定装置获得的，所述感应式液位标定装置包括：

一对液位计，其探头分别设置在非满管道外壁上同一条测试线上，一对液位计的探头感应点连线与测试线重合；

连接杆，其设置连接一对液位计的探头，所述连接杆上设有开槽，所述开槽与测试线重合。

优选的是，所述液位计为感应式液位计。

本发明至少包括以下有益效果：

其一、本发明提供的非满管道流量的测量方法适用于对封闭式非满管道进行非固定式的流量测量；

其二、本发明提供的非满管道流量的测量方法可准确测量非满管道的真实流量；

其三、本发明提供的非满管道流量的测量方法既非侵入式的，也非固定式的，配合便携式超声波流量计，可迅速得到非满管道的准确流量，测量方法简单。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明一个技术方案中所述感应式液位标定装置的结构示意图；

图2为本发明另一个技术方案中所述感应式液位标定装置的安装位置；

图3为本发明另一个技术方案中当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长小于非满管道外壁周长的一半时的截面示意图；

图4为本发明另一个技术方案中当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长大于、等于非满管道外壁周长的一半时的截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本发明提供一种非满管道流量的测量方法，包括：

采用超声波流量仪测定非满管道流量的预测流量Q_测步骤以及，

根据修正系数对预测流量进行修正得到非满管道流量的准确流量Q_准；

其中，Q_准=K

Q_测；

Q_准为非满管道准确流量，m³/s；

K为修正系数；

Q_测为非满管道超声波流量仪预测流量，m³/s。

在其中一个技术方案中，当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长小于非满管道外壁周长的一半时，修正系数K根据公式1计算得到；

K=

公式1

其中，L为非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长，m；C为非满管道外壁周长，m。

如图3所示，在上述技术方案中，定义非满管道的截面圆心点为O点，非满管道截面圆的外壁半径为R，非满管道外壁周长为C，非满管道的壁厚为t，非满管道截面圆的内壁半径为r，非满管道内液位线AB与非满管道内壁交于A、B两点，过圆心O，分别向AB引直线并延长，直线与非满管道外壁交于M、N两点，MN之间弧长为L，过圆心O向液位线AB做垂线，垂足为D，∠_AOB= α rad，S_内为非满管道内壁横截面面积，S_液为非满管道内液体横截面面积，S_扇AOB为扇形AOB的面积，S_△AOB为三角形AOB的面积，

S_空为管道顶部空腔横截面面积，Q_测为非满管道超声波流量仪预测流量，Q_准为非满管道准确流量，V_液为管道内液体流速。则上述参数之间存在如下关系：

C = 2πR，

，

R= r + t，

OA=OB=r，

OM=ON=R，

S_内=πr²，

Q_测=V_液×S_内，

Q_准=V_液×S_液，

S_内= S_液+ S_空，

S_空=S_扇AOB－S_△AOB，

S_扇AOB= S_内×

，

S_△AOB = S_△AOD+ S_△DOB=2 S_△AOD，

S_△AOD=

×AD×OD，

AD = r × sin

，

OD = r × cos

，

将上述关系联立，可得

Q_准 =

× Q_测

则K=

=

。

在上述技术方案中，可以看出，K为关于C和L的表达式，K值与

相关。即可利用管道外壁周长C和管道外壁液位线间的跨管顶弧长L计算出K值，同时利用包括但不限于本发明所述的超声波流量仪的常规方法测量获得Q_测，进一步的，利用公式

Q_准= K×Q_测计算出管道内液体准确流量。

在上述技术方案中，当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长小于非满管道外壁周长的一半时，即L

时，其对应的部分K值如表1所示。

在上述技术方案中，为便于计算，对公式1中的非满管道外壁周长C用非满管道外壁半径R（m）来等效替换是本领域技术人员容易想到的，公式1的等效变形形式如公式3所示。

K=

公式3

进一步地，当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长小于非满管道外壁周长的一半时，非满管道超声波流量仪预测流量Q测是将超声波流量仪置于管道外壁测得的，其安置在管道外壁与管道轴心线位于同一水平高度的位置处，以保证流量仪探头在发射、接收超声波信号时，超声波的传输路径不经过管道上方空腔，信号传输不受空腔影响，探头能够进行良好的超声波信号发射、接收。

进一步地，将超声波流量仪置于管道外壁进行预测流量Q_测测量时，测量参数选用非满管道外壁周长值。

在其中一个技术方案中，当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长大于、等于非满管道外壁周长的一半时，修正系数K根据公式2计算得到；

K=

公式2。

如图4所示，在上述技术方案中，定义非满管道的截面圆心点为O点，非满管道截面圆的外壁半径为R，非满管道外壁周长为C，非满管道的壁厚为t，非满管道截面圆的内壁半径为r，非满管道内液位线AB与非满管道内壁交于A、B两点，过圆心O，分别向AB引直线并延长，直线与非满管道外壁交于M、N两点，MN之间弧长为L，L对应的圆心角为α rad，过圆心O向液位线AB做垂线，垂足为D；∠_AOB=（2π-α）rad；

延长OD与管道内壁相交于E点，记DE中点为O’以O’为圆心，DE/2为半径作圆，该圆与管道内壁相切于E，与管道内液位线AB相切于D，以O’为圆心，t+ DE/2为半径作圆，该圆与管道外壁相切，该圆即为等效管道9的横截面圆。此时以O’为圆心所作的两个圆可视作以t为壁厚，以2t+ DE为外径的等效管道9的横截面；由于此液位状态下，使用常规方式测量，超声波信号的传输路径都必然要经过管道内空腔，导致信号传播受阻，无法测定管道内液体的流速，更无法计算流量。因此需改变流量计测量方式，将流量计两枚探头安置在管道最低处，按照等效管道的外径、壁厚等参数进行仪器设置和测量。按照此种方法测量，超声波探头与管道内液面处于垂直正对位置，超声波信号的传输是由一枚探头发射，经管道内液体与空气的接触面（液位面）反射后，由另一枚探头接收完成的。为便于描述，定义d_等效为等效管道外径；S_液为非满管道内液体横截面面积；S_扇AOB为扇形AOB（以∠_AOB为圆心角）的面积；S_△AOB为三角形AOB的面积；S_内为管道内壁横截面面积；Q_测为非满管道超声波流量仪预测流量，Q_准为非满管道准确流量，V_液为管道内液体流速，S_内等效为等效管道内壁横截面面积；则上述参数之间存在如下关系：

C = 2πR，

，

R= r + t，

OA=OB=OE=r，

OM=0N=R，

S_内等效=π(

)²，

d_等效=DE+2t，

Q_测=V_液×S_内等效，

Q_准=V_液×S_液，

S_扇AOB= S_液+ S_△AOB，

S_扇AOB= S_内×

，

S_△AOB = S_△AOD+ S_△DOB=2 S_△AOD，

S_△AOD=

×AD×OD，

AD = r × sin

，

OD = r × cos

，

，

则Q_准 =

× Q_测，

K=

。

在上述技术方案中，可以看出， K为关于C和L的表达式，K值与

相关。即可利用管道外周长C和管道外壁液位线间的跨管顶弧长L计算出K值，进一步的，利用公式

Q_准= K×Q_测计算出管道内液体准确流量。

在上述技术方案中，当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长大于、等于非满管道外壁周长的一半时，即L

时，其对应的部分K值如表2所示。

在上述技术方案中，为便于计算，对公式2中的非满管道外壁周长C用非满管道外壁半径R（m）来等效替换是本领域技术人员容易想到的，公式2的等效变形形式如公式4所示。

K=

公式4

进一步地，当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长大于、等于非满管道外壁周长的一半时，非满管道超声波流量仪预测流量Q_测是将超声波流量仪置于管道外壁最低点测得的。

进一步地，将超声波流量仪置于管道外壁最低点进行测量时，测量对象为以管道内液体最大深度加两个管道壁厚为直径的等效管道，在超声波流量仪中输入的测量参数为等效管道的直径值。

在其中一个技术方案中，非满管道液面上方空腔对应的外壁弧长L的测量方法包括：

第一步、分别找出位于非满管道外壁上的两条对称测试线；一侧测试线和管道内液体与空腔的一侧分界线平行且轴心线、分界线以及测试线位于同一平面上；

第二步、利用围尺跨过管顶测量出两条测试线之间的距离，记作非满管道液面上方空腔对应的外壁弧长L。

如图1和图2所示，在其中一个技术方案中，第一步中位于非满管道外壁两条对称的测试线是通过感应式液位标定装置获得的，所述感应式液位标定装置包括：

一对液位计，其探头1分别设置在非满管道8外壁7上同一条测试线上，一对液位计的探头感应点3连线与测试线重合；

连接杆2，其设置连接一对液位计的探头1，所述连接杆2上设有开槽，所述开槽与测试线重合。

在上述技术方案中，附图标记4为液位计的探头1和液位计主机之间的连接线，所述液位计的探头1设置在非满管道8的外壁7上，非满管道8的内壁标记为6，管道内液位与横截面相交的线标记为5，使用时，将装置帖在管道外壁，上下移动探测液位位置，当两枚探头均位于所探测到的液体与空腔的分界位置，用笔透过连接杆2上的开槽，在管道外壁画出一条直线，该直线即为测试线。在管道另外一侧进行相同操作，画出另外一条测试线，利用围尺跨过管顶测量出两条测试线之间的距离，记作弧长L，待用。

利用感应式液位标定装置测量得到管道内液面上方空腔对应外壁弧长的工作原理如下：由于感应式液位计探头表面为平面，而管道外表面为柱面，因此感应式液位计在管道外壁是以垂直于管道外壁方向进行探测，该方向沿径向方向。感应式液位计能够感知探测方向上是否存在液体，在上述的工作条件下，从截面来看，利用感应式液位计探测出此径向线上管道内液体与空腔的交界点，交界点沿径向方向延伸至管道外壁的点为测试点，以此获取管道顶部两侧对称的两条测试线的位置，从立面来看，利用感应式液位计探测出此径向线上管道内液体与空腔的交界线，测试线位于轴心线和交界线所确定的平面与管道外壁柱面相交所确定的唯一直线上，绕管顶测得两条测试线间的距离，即为管道内液面上方空腔对应的外壁弧长。如图3所示，当管道内液位高于管道轴心线时，测试线位置高于管道内液位；当管道内液位等于管道轴心线时，测试线位置等于管道内液位；如图4所示，当管道内液位低于管道轴心线时，测试线位置低于管道内液位。

在其中一个技术方案中，所述液位计为感应式液位计，感应式液位计使用时，将装置帖在管道外壁，可上下移动直接探测液位位置。

实施例1

实施例1位于内蒙古锡林郭勒盟多伦县某化工厂某工艺生产区，该生产区设置多处输水管道。依照原工艺设计，输水管道全路为正压满管输水，后因工厂技改，部分输水分流他用，导致该生产区管道输水量大幅减少，部分水平管段以常压非满管状态输水。选定的试验管道包含竖直管段、水平管段及水平管段末端开口（出水口），其中，竖直管段（满管输水，输水方向由下至上）设置有电磁流量计，可读取管道内实际流量，水平管段末端开口可观察确认水平管段内是以非满管状态输水。该处试验点既符合本申请方法的适用条件，也具备可信的实际数流量数据获取条件，便于开展对照试验。

选择在上述管道输水稳定且水平管道内液体横截面积大于1/2管道横截面积时（由水平管段末端开口处观察确认）开展试验工作，此时管道内液面上方空腔对应的外壁弧长小于管道外壁周长的一半，即

。为减少误差，试验采用沿管道轴向，在管道外壁选择不同位置进行多次试验的方式进行，试验数据见表3。

从表3可知，5次试验获得的预测流量Q_测的平均值Q_测均为108.99 m³/h，利用K值计算所得的准确流量Q_准的平均值Q_准均为76.34 m³/h，试验同期由电磁流量计记录的流量数据均值Q_实际为73.44 m³/h。在本次试验条件下，Q_准均、Q_测均相对于Q_实际的误差率分别为3.95%、48.41%，利用本申请方法计算所得流量数据更接近实际流量数据。并且可以预见的是，水平管道内液体横截面积越接近1/2管道横截面积（非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧越趋近于管道外壁周长的一半），本申请方法越能够体现技术优势。

实施例2

选择在上述管道输水稳定且水平管道内液体横截面积小于1/2管道横截面积时（由水平管段末端开口处观察确认）开展试验工作，此时管道内液面上方空腔对应的外壁弧长大于管道外壁周长的一半，即

。为减少误差，试验采用沿管道轴向，在管道外壁最低处选择不同位置进行多次试验的方式进行。首先利用管道外壁周长、壁厚及管道内液面上方空腔对应的外壁弧长等数据，根据d_等效公式计算等效管道直径，计算数据见表4。

在计算获得d_等效的基础上，将超声波流量计探头设置在管道外壁最低位置处开展试验，试验数据见表5。

从表5可知，5次试验中，利用预测流量Q_测和K值计算所得的准确流量Q_准的平均值Q_准均为42.38 m³/h，试验同期由电磁流量计记录的流量数据均值Q_实际为40.34 m³/h，在本次试验条件下，Q_准均相对于Q_实际的误差率为5.06%。在非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长大于非满管道外壁周长一半的条件下，常规超声波流量计测量方式无法测得流量数据，但利用本申请方法，则可以测得相近精度的流量数据。

如上所述，根据本发明，本发明至少包括以下有益效果：

其一、本发明提供的非满管道流量的测量方法适用于对封闭式非满管道进行非固定式的流量测量；

其二、本发明提供的非满管道流量的测量方法可准确测量非满管道的真实流量；

其三、本发明提供的非满管道流量的测量方法既非侵入式的，也非固定式的，配合便携式超声波流量计，可迅速得到非满管道的准确流量，测量方法简单。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.非满管道流量的测量方法，其特征在于，包括：

采用超声波流量仪测定非满管道流量的预测流量Q_测的步骤以及，

根据修正系数对预测流量进行修正得到非满管道流量的准确流量Q_准；

其中，Q_准=K

Q_测；

当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长小于非满管道外壁周长的一半时，修正系数K根据公式1计算得到，此时非满管道超声波流量仪预测流量Q_测是将超声波流量仪置于管道外壁测得的，其安置在管道外壁与管道轴心线位于同一水平高度的位置处，将超声波流量仪置于管道外壁进行预测流量Q_测测量时，超声波流量仪中输入的测量参数选用非满管道外壁周长值；

K=

公式1

当非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长大于、等于非满管道外壁周长的一半时，修正系数K根据公式2计算得到，此时非满管道超声波流量仪预测流量Q_测是将超声波流量仪置于管道外壁最低点测得的，此时测量对象为以管道内液体最大深度加两个管道壁厚为直径的等效管道，在超声波流量仪中输入的测量参数为等效管道的直径值；

K=

公式2 ；

Q_准为非满管道准确流量，m³/s；

K为修正系数；

Q_测为非满管道超声波流量仪预测流量，m³/s；

L为非满管道内液面上方空腔对应的外壁弧长，m；

C为非满管道外壁周长，m。

2.如权利要求1所述的非满管道流量的测量方法，其特征在于，非满管道液面上方空腔对应的外壁弧长L的测量方法包括：

第一步、分别找出位于非满管道外壁上的两条对称测试线；一侧测试线和管道内液体与空腔的一侧分界线平行且轴心线、分界线以及测试线位于同一平面上；

第二步、利用围尺跨过管顶测量出两条测试线之间的距离，记作非满管道液面上方空腔对应的外壁弧长L。

3.如权利要求2所述的非满管道流量的测量方法，其特征在于，第一步中位于非满管道外壁上两条对称的测试线是通过感应式液位标定装置获得的，所述感应式液位标定装置包括：

一对液位计，其探头分别设置在非满管道外壁上同一条测试线上，一对液位计的探头感应点连线与测试线重合；

连接杆，其设置连接一对液位计的探头，所述连接杆上设有开槽，所述开槽与测试线重合。

4.如权利要求3所述的非满管道流量的测量方法，其特征在于，所述液位计为感应式液位计。

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