CN1303000A - 一种测量含尘气流流量的方法及其在线监测装置 - Google Patents

Abstract

一种测量含尘气流流量的方法及其在线监测装置,通过测量探针支管上的静压差来代替传统的探针的差压,由于探针支管中流动的是清洁流体,探针支管与静压取压孔不会发生堵塞,实现含尘气流流量的在线监测。本方法简单易行,测量准确可靠。整个测量装置结构简单,制造成本低,安装维护方便,运行可靠。

Description

一种测量含尘气流流量的方法及其在线监测装置

本发明属于测量领域，具体涉及一种测量含尘气流流量的方法及其在线监测装置。

目前，在工程应用中，对于含尘气流的速度测量尚无准确可靠的方法，其难度主要在于气流中的粉尘极易粘污测量一次元件，造成测量过程出现错误，使得测量误差太大，失去测量的意义。比如采用节流流量计(孔板、喷嘴、文丘里管等)或动压管(皮托管、靠背管、笛形管等)测量，因为传压孔暴露在含尘气体环境中，很快就会被堵塞，造成测量装置输出差压失真，无法正常测量；一般只能采用不易堵塞的一次测量元件(如靠背管等)伸入含尘气流中进行短时间测量，难以实现长时间连续监测。尽管当粉尘浓度较小时，可以采用间歇吹扫等方法来防止堵塞，但当粉尘浓度较大时，实现连续的流量监测基本不可能。

本发明的目的在于找到一种能够适用粉尘环境的测量手段，防止传压孔堵塞，保证准确可靠的测量，实现对含尘气流流量测量的方法及其在线监测装置，并且该测量装置对被测气流不造成额外的阻力损失。

实现该方法的步骤如下：

1)取两支几何形状相同，进出口阻力系数、摩擦阻力系数相等的探针支管1组成动压探头，伸向含尘气流管道内的端部制成楔形，其中迎向气流的一支测量气流的全压p，背向气流的一支测量气流的背压p_s，探针头部所感应到的含尘气流动压为Δp=p-p_s；

2)在两支探针支管1的头部附近各开有一个静压取压孔5，由传压管将此处的静压传送到压力变送器3，测量到两个静压取压孔的静压差为Δp′=p₁-p₂；

3)探针支管尾部伸入缓冲箱2内，高压清洁气体经过导管6进入缓冲箱2内；

4)高压清洁气体在缓冲箱2内形成较稳定的压力p₀，该压力远大于被测管道内含尘气流的全压p，经过两个探针支管1喷入含尘气流中。两探针支管1的进口处在压力p₀相同的环境中，出口压力分别为含尘气流的全压p和背压p_s，造成两个探针支管中的气流速度不同分别为w₁和w₂；

5)设探针支管的长度为l，在距离探针支管1的出口l′处静压取压孔5处的静压分别为p₁、p₂，探针支管的直径为d，探针支管的入口阻力系数为ξ′，支管的磨擦阻力系数为λ，根据阻力计算公式得出静压差Δp′与动压Δp呈线性关系，即： $\mathrm{\Δ}{p}^{\′}=p_1-p_2=(1-\frac{\mathrm{\λ}\frac{l^{\′}}{d}}{\mathrm{\λ}\frac{l}{d}+{\mathrm{\ξ}}^{\′}})\×(p-p_s)=(1-\frac{\mathrm{\λ}\frac{l^{\′}}{d}}{\mathrm{\λ}\frac{l}{d}+{\mathrm{\ξ}}^{\′}})\×\mathrm{\Δp}$

因此可以采用静压差Δp′代替探针头部所感应到的含尘气流动压Δp作为测量信号，且该信号与高压清洁气流的压力无关。

6)采用等截面法标定出探针静压差Δp′和气流速度的关系，得到流量系数k，标定的具体方法是：

利用标准测风元件——皮托管采用等截面法测量断面上的平均气流动压Δp_d，同时测量探针静压差Δp′，则： $k=\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}{p}_d}{\mathrm{\Δ}{p}^{\′}}}$ 采用下式计算气流流量： $Q=k\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δ}{p}^{\′}}{\mathrm{\ρ}}}\×A\×3600---m^3/h$

其中A为管道面积，m³；ρ为气流密度，kg/m³，可由气流的温度t、静压p_s以及当地大气压力p_a计算得到： $\mathrm{\ρ}=1.293\×\frac{273}{273+t}\×\frac{\mathrm{Pa}+\mathrm{Ps}}{101325}---\mathrm{kg}/m^3$

7)将测量到的静压差Δp′由差压变送器转换为电流信号送到流量显示仪表4中，在流量显示仪表中采用流量标定系数k、气流温度t、气流静压p_s等参数进行计算，显示出测量的含尘气流的流量Q。

根据上述方法而设计的装置，包括探针支管1、缓冲容器2、差压变送器3、流量显示仪表4、高压清洁气体管道6、传压管7，其特征在于两个探针支管1组成动压探头，伸向含尘气流管道内的端部制作成楔形，一支探针支管迎向含尘气流，另一支背向气流，两个探针支管1的尾部与缓冲箱2连通，在两个探针支管1伸向含尘气流的端部分别开有静压取压孔5，通过传压管7分别与差压变送器3连接，差压变送器3与流量显示仪表4电连接；高压清洁气体经高压清洁气体管道6进入缓冲容器内，再经过探针支管喷入含尘气流中。

本发明具有以下优点：

1)本方法的原理在于采用与含尘气流流量相关的清洁气体的压差来代

  替普通探针所测量的压差，所测量的替代压差与含尘气流动压的关

  系稳定，不受气流速度、高压清洁气体压力等因素的影响，测量的

  准确性高，避免了一般探针传压孔堵塞的缺陷，实现了含尘气流的

  在线监测，保证了流量的连续测量和测量值的可靠性；

2)整个测量系统结构简单，制造成本低，安装方便，运行可靠；

3)即使在浓度较大的含尘气流中，传压孔也不会堵塞；正常运行时，

  可以实现免维护；

4)测量装置对被测气流不造成额外的阻力损失。

本发明的实施例参见下列各图。

图1为该方法的系统原理图

图2为该方法用探针支管中的压力分布图

图3为采用该方法测量含尘气流流量时的系统框图

如附图1、3所示，所述的装置包括探针支管1、差压变送器3、流量显示仪表4，两个探针支管1并在一起组成动压探头，伸向含尘气流管道内的端部制作成楔形，一支探针支管迎向含尘气流，另一支背向气流，两个探针支管1的尾部伸向缓冲箱内与缓冲箱2连通，在两个探针支管1伸向含尘气流的端部分别开有静压取压孔5，通过传压管7分别与差压变送器3连接，差压变送器3与流量显示仪表4电连接。

所述的流量显示仪表4为市售产品。

本发明的原理是采用与被测气流动压相关的高压清洁气体的静压差代替传统探针的动压，从而避免了传统探针测量含尘气流时容易堵塞的缺点，该方法称之为差压替代法。

提出了一种采用差压替代法设计的用于含尘气流流量测量的探针，很好地解决了传压管堵塞、信号失真的问题，主要包括以下部分：

1)两支探针支管1，其几何条件完全相同，进出口阻力系数、摩擦阻力

  系数相等，探针的两个支管组成动压探头，迎向气流的一支测量气

流的全压，背向气流的一支测量气流的背压；

2)探针尾部设有缓冲箱，压力远高于被测管道内气流全压的高压清洁

气体经过高压清洁气体管进入缓冲箱内，再以相同的压力进入探针

的两个支管，经过探针支管连续喷入含尘气流中；

3)在探针两个支管的头部分别设有静压取压孔5，来感应此处高压清洁

气体的静压，采用传压管7将静压取压孔的差压引至差压变送器3，

该差压与被测含尘气流在当地的动压相关，经过标定后由该差压即

可计算出含尘气流流量；

本方法的特征在于：

1)高压清洁气体进入缓冲箱后，使得缓冲箱中的压力提高，该压力远

大于被测管道内的全压；高压清洁气体经过探针支管进入含尘气流

中，采用探针支管上的静压取压孔的静压差来代替探针的动压；

2)所述的方法通过如下计算得出的：

设防堵探针支管的直径为d，长度为l，静压取压孔与出口的距离为l′，两个支管中，出口端的静压分别为p和ps，静压取压孔的静压分别为p₁、p₂，入口端的静压分别为p₃和p₄，两个支管中的速度分别为w₁和w₂，缓冲箱中的压力为p₀，则根据阻力计算公式可以得到以下各式：设支管的入口阻力系数为ξ’，则两个支管的入口损失分别为： $\mathrm{\Δ}{p}_1^{\′}=p_0-p_3={\mathrm{\ξ}}^{\′}\left(\frac{\mathrm{\ρ}{w}_1^2}{2}\right)---\left(1\right)$ $\mathrm{\Δ}{p}_2^{\′}=p_0-p_4={\mathrm{\ξ}}^{\′}\left(\frac{\mathrm{\ρ}{w}_2^2}{2}\right)---\left(2\right)$ 设支管的磨擦阻力系数为λ，则两个支管的磨擦阻力损失分别为： $p_3-p=\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{\ρ}{w}_1^2}{2}\×\frac{l}{d}---\left(3\right)$ $p_4-p_s=\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{\ρ}{w}_2^2}{2}\×\frac{l}{d}---\left(4\right)$ 同样，取压点的静压与出口静压有如下关系： $p_1-p=\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{\ρ}{w}_1^2}{2}\×\frac{l^{\′}}{d}---\left(5\right)$ $p_2-p_s=\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{\ρ}{w}_2^2}{2}\×\frac{l^{\′}}{d}---\left(6\right)$ 由入口阻力损失(2)、(1)两式相减可以计算得到： $p_3-p_4={\mathrm{\ξ}}^{\′}\×\frac{\mathrm{\ρ}}{2}(w_2^2-w_1^2)---\left(7\right)$ (3)减去(4)可得： $(p_3-p_4)-(p-p_s)=\mathrm{\λ}\×\frac{l}{d}\×\frac{\mathrm{\ρ}}{2}(w_1^2-w_2^2)---\left(8\right)$ 同样式(5)减去(6)可得： $(p_1-p_2)-(p-p_s)=\mathrm{\λ}\×\frac{l^{\′}}{d}\×\frac{\mathrm{\ρ}}{2}(w_1^2-w_2^2)---\left(9\right)$ 式(7)代入(8)得出： $w_2^2-w_1^2=\frac{p-p_s}{\frac{p}{2}(\mathrm{\λ}\frac{l}{d}+{\mathrm{\ξ}}^{\′})}---\left(10\right)$ 将(10)代入(9)可以得到： $\mathrm{\Δ}{p}^{\′}=p_1-p_2=(1-\frac{\mathrm{\λ}\frac{l^{\′}}{d}}{\mathrm{\λ}\frac{l}{d}+{\mathrm{\ξ}}^{\′}})\×(p-p_s)=(1-\frac{\mathrm{\λ}\frac{l^{\′}}{d}}{\mathrm{\λ}\frac{l}{d}+{\mathrm{\ξ}}^{\′}})\×\mathrm{\Δp}---\left(11\right)$

差压Δp′与探针头部所感应到的气流动压Δp成正比的关系，且与缓冲箱中的压力无关，该比例关系仅取决于系统本身的结构及相关阻力系数，图2中表示了沿探针长度方向静压的变化，可以直观地看出Δp′与Δp的关系。

Claims (3)

1一种测量含尘气流流量的方法，其步骤如下：

1)取两支几何形状相同，进出口阻力系数、摩擦阻力系数相等的探针支管(1)组成动压探头，伸向含尘气流管道内的端部制成楔形，其中迎向气流的一支测量气流的全压p，背向气流的一支测量气流的背压p_s，探针头部所感应到的含尘气流动压为Δp=p-p_s；

2)在两支探针支管(1)的头部附近各开有一个静压取压孔5，静压分别为p₁、p₂，由传压管(7)将此处的静压传送到压力变送器(3)，测量到两个静压取压孔的静压差为Δp′=p₁-p₂；

3)探针支管尾部伸入缓冲箱(2)内，高压清洁气体经过导管(6)进入缓冲箱(2)内；

4)高压清洁气体在缓冲箱(2)内形成较稳定的压力p₀，该压力远大于被测管道内含尘气流的全压p，经过两个探针支管(1)喷入含尘气流中，两探针支管(1)的进口处在压力p₀相同的环境中，出口压力分别为含尘气流的全压p和背压p_s，造成两个探针支管中的气流速度不同分别为w₁和w₂；

5)设探针支管的长度为l，在距离探针支管(1)的出口为l′处静压取压孔(5)，探针支管的直径为d，探针支管的入口阻力系数为ξ′，支管的磨擦阻力系数为λ，根据阻力计算公式得出静压差Δp′与动压Δp呈线性关系，即： $\mathrm{\Δ}{p}^{\′}=p_1-p_2=(1-\frac{\mathrm{\λ}\frac{l^{\′}}{d}}{\mathrm{\λ}\frac{l}{d}+{\mathrm{\ξ}}^{\′}})\×(p-p_s)=(1-\frac{\mathrm{\λ}\frac{l^{\′}}{d}}{\mathrm{\λ}\frac{l}{d}+{\mathrm{\ξ}}^{\′}})\×\mathrm{\Δp}$

因此可以采用静压差Δp′代替探针头部所感应到的含尘气流动压Δp作为测量信号，且该信号与高压清洁气流的压力、探针支管中的速度无关；

6)采用等截面法标定出探针静压差Δp′和气流速度的关系，得到流量系数k，标定的具体方法是：

利用标准测风元件——皮托管采用等截面法测量断面上的平均气流动压Δp_d，同时测量探针静压差Δp′，则流量系数k为： $k=\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}{P}_d}{\mathrm{\Δ}{P}^{\′}}}$ 采用下式计算气流流量： $Q=k\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δ}{p}^{\′}}{\mathrm{\ρ}}}\×A\×3600---m^3/h$

其中A为管道面积，m³；ρ为气流密度，kg/m³，可由气流的温度t、静压p_s以及当地大气压力p_a计算得到： $\mathrm{\ρ}=1.293\×\frac{273}{273+t}\×\frac{\mathrm{Pa}+\mathrm{Ps}}{101325}---\mathrm{kg}/m^3$

7)将测量到的静压差Δp′由差压变送器转换为电流信号送到流量显示仪表(4)中，在流量显示仪表(4)中显示出测量的含尘气流的流量Q。

2．一种根据上述方法而设计的在线监测装置，包括探针支管(1)、差压变送器(3)、流量显示仪表(4)，其特征在于两个探针支管(1)组成动压探头，伸向含尘气流管道内的端部制作成楔形，一支探针支管迎向含尘气流，另一支背向气流，两个探针支管(1)的尾部与缓冲箱(2)连通，在两个探针支管(1)伸向含尘气流的端部分别开有静压取压孔(5)，通过传压管(7)分别与差压变送器(3)连接，差压变送器(3)与流量显示仪表(4)电连接。

3．根据权利要求2所述的装置，其特征在于高压清洁气体经高压清洁气体管道(6)进入缓冲容器内，再经过探针支管喷入含尘气流中。

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