CN1216275C - 非插入式测量管内流体压力、流量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的非插入式测量管内流体压力、流量的方法是一种利用变形法原理，在测量设备不插入管壁的情况下进行管内流体压力、流量测量的方法。本发明所述的非插入式测量管内流体压力、流量的方法，管道外面安装有传感元件，传感元件通过信号线与高速动态数据采集系统相连；利用变形法原理在管外测量管壁的应变来反映管内流体的动态压力，由动态压力推算动态流量，从而实现管路内流体压力、流量的测量。本发明所述的非插入式测量管内流体压力、流量的方法可靠性好、量程较宽、使用方便，可满足现场多点、快速、无干扰测量的需要。

Description

非插入式测量管内流体压力、流量的方法

技术领域

本发明所述的非插入式测量管内流体压力、流量的方法是一种利用变形法原理测量管内流体压力、流量的方法。

背景技术

相对于机械传动，液压传动的状态不易被监测，因此对液压系统的状态监测和故障诊断的研究就显得尤为重要。压力测量尤其是流量测量的一般传统方法会对液体流动产生很大影响，大多数精密仪器都不允许这样做。目前，国内外普遍采用的流量测量方法是插入式测量方法，此方法一方面使系统的初装费用增加，另一方面又会使系统的可靠性下降，同时使系统的体积增大，效率降低。已开发的非插入式测量方法种类也较多，简述如下，测量流量的方法：1、超声波法，是一种很有发展前景的非插入式流量测量方法，但数字分析表明，管径越小，测量误差越大，液压工程中的大多数工况都不在该方法的测量范围内；2、热学法，该方法利用管内流体被加热后的温度和流量的关系来求流体流量，其普遍存在的问题是响应速度慢，输出量与流量间很少呈线性关系，并且要求被测管段为传热性能好的薄壁管，多数具体方法只能在小管径、小流量的工况下进行测量，对系统的干扰比较大(一般情况下，我们不希望对油进行加热)；3、压差法，该方法利用管段不稳定流的四端子模型，用动态压力来推导动态流量，它对压力传感器的动态特性要求较高，如何进一步提高可测带宽，是这个方法的关键问题；测量压力的方法：1、超声波法，此方法最大的缺陷是声速的决定因素之一——体积弹性模量——变化很大，这常使测量失去意义，并且设备也较庞大，使用不方便；2、变形法，已有成形技术出现，但现有技术中的测量系统惯量很大，故只能测量静态压力。以上两种方法都不能测量动态压力。针对现有技术所存在的问题来研制一种新的高可靠性、量程较宽的非插入式测量管内流体压力、流量的方法是十分必要的。

发明内容

鉴于现有技术所存在的问题来发明是为了提供一种不需插入管壁、可靠性好、量程较宽、使用方便的非插入式测量管内流体压力、流量的方法，以满足现场多点、快速、无干扰测量的需要。由于工程状况下的流动多为不稳定流，利用不稳定流中的压力和流量关系，可用瞬态压力来推知流量，对瞬态压力可用非插入式方法进行测量，从而实现压力和流量的非插入式测量。

本发明所述的非插入式测量管内流体压力、流量的方法，管道外面安装有传感元件，传感元件通过信号线与高速动态数据采集系统相连；利用变形法原理在管外测量管壁的应变来反映管内流体的动态压力，由动态压力推算动态流量，从而实现管路内流体压力、流量的测量。本发明所述的非插入式测量管内流体压力、流量的方法；其特征在于传感元件可以直接安装在被测管道外面，也可以通过支撑架体间接安装在管道外面。本发明所述的非插入式测量管内流体压力、流量的方法；其特征在于管外的应变值对应着管内压力值，根据压力，即可求出管内流体流量；压力-流量的动态关系如下：

$\left[\begin{array}{c}{P}_1\left(s\right)\\ Q_1\left(s\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{ch\Γ}\left(s\right)& Z_0\left(s\right)\mathrm{sh\Γ}\left(s\right)\\ \frac{1}{Z_0\left(s\right)}\mathrm{sh\Γ}\left(s\right)& \mathrm{ch\Γ}\left(s\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}_2\left(s\right)\\ Q_2\left(s\right)\end{array}\right]$

式中：P₁—管内入口压力的拉氏变换形式

      P₂—管内出口压力的拉氏变换形式

      Q₁—管内入口流量的拉氏变换形式

      Q₂—管内出口流量的拉氏变换形式

      Г(s)—传播算子

      Z₀(s)—特性阻抗

在计算被测系统的综合体积弹性模量时，可利用波速法求解，也可以先求出整个管路系统的传递函数，再利用曲线拟合法求出系统的综合体积弹性模量，然后将结果带入四端子模型。本发明利用变形法的原理，采用动态应变测量技术，在满足测量频宽的前提下，利用压差法的数据处理方法，实现压力、流量的非插入式测量。

本发明所述的非插入式测量管内流体压力、流量的方法，精度足够，可靠性好、量程较宽、使用方便，可满足现场多点、快速、无干扰测量的需要。只要管道的内压力导致的管壁变形落入本发明的测量范围，该管道的压力、流量便可使用本方法来测量，本发明可广泛用于液压工程、化工领域等。

附图说明

本发明共有两张附图，其中：

图1为非插入式测量管内流体压力、流量的方法的工作原理示意图

图2为利用应变片直接测量管内流体压力、流量的结构示意图

图3为利用应变片间接测量管内流体压力、流量的结构示意图

图4为利用压电感应元件间接测量管内流体压力、流量的结构示意图

图中：1、传感元件  2、高速动态数据采集系统  3、管道  4、应变片组5、调整螺栓  6、压电感应元件  7、弹性片装置  8、刚性框  9(10)、固定块  11、保护装置  12(13)、连接螺栓  14(15)、紧固螺母

具体实施方式

实施例1

本发明所述的非插入式测量管内流体压力、流量的方法的具体实施方式如附图2所示，用应变片直接测量：把应变片组4直接贴在被测管道3外面，进行测量。利用变形法原理测量管外的应变来反映管内的压力，由动态压力推算动态流量。采用简化计算法，在频率较高或流体粘度较小的情况下，可忽略阻抗进行计算，计算流程如下：开始—输入管长、管径、壁厚、管材的弹性模量、油的粘度、密度等—输入测量的压力信号—求压力波的波速—用上述各步的结果求流量值—换算结果—输出。若要达到较高计算精度，可应用已开发的专门的管路动态防真软件进行计算。

实施例2

本发明所述的非插入式测量管内流体压力、流量的方法的具体实施方式如附图3所示，用应变片间接测量：用应变片组4粘贴在一弹性片装置7上，再把该装置固定安装在被测管道3外面，调整螺栓5可用来调整应变片组成的电桥电路的输出电压初始值。测量与计算过程同实施例1。弹性片装置也可以由两个相组装的半圆片代替。

实施例3

本发明所述的非插入式测量管内流体压力、流量的方法的具体实施方式如附图4所示，用压电感应元件间接测量：在管道外安装一刚性框8，调整螺栓5与两固定块9、10将刚性框8与管道3固定连接起来；压电感应元件6装于刚性框8和固定块9之间，调整螺栓5可以调节压电感应元件6的初始值。利用变形法原理测量管外的应变来反映管内的压力，由动态压力推算动态流量。测量与计算过程同实施例1。

Claims (3)

1、一种非插入式测量管内流体压力、流量的方法；其特征在于管道(3)外面安装有传感元件，传感元件(1)通过信号线与高速动态数据采集系统(2)相连；利用变形法原理在管外测量管壁的应变来反映管内流体的动态压力，由动态压力推算动态流量，从而实现管路内流体压力、流量的测量。

2、根据权利要求1所述的非插入式测量管内流体压力、流量的方法；其特征在于传感元件(1)可以直接安装在被测管道(3)外面，也可以通过支撑架体间接安装在管道(3)外面。

3、根据权利要求1所述的非插入式测量管内流体压力、流量的方法；其特征在于管外的应变对应着管内压力的变化，根据压力，即可求出管内流体流量；压力-流量的动态关系如下：

$\left[\begin{array}{c}{P}_1\left(s\right)\\ Q_1\left(s\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{ch\Γ}\left(s\right)& Z_0\left(s\right)\mathrm{sh\Γ}\left(s\right)\\ \frac{1}{Z_0\left(s\right)}\mathrm{sh\Γ}\left(s\right)& \mathrm{ch\Γ}\left(s\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}_2\left(s\right)\\ Q_2\left(s\right)\end{array}\right]$

式中：P₁-管内入口压力的拉氏变换形式

      P₂-管内出口压力的拉氏变换形式

      Q₁-管内入口流量的拉氏变换形式

      Q₂-管内出口流量的拉氏变换形式

      Γ(s)-传播算子

      Z₀(s)-特性阻抗。

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