CN1527030A - 小管径小流量流体的多参数测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本装置竖直的测量管管壁上安装有上下两个压力传感器，测量管下部有带阀门的出口管。压力传感器A、B与采样卡、计算机连接。拟测流体从测量管顶部接入，出口管接出。本法先使拟测流体充入测量管，液面高度大于上压力传感器的高度，调节阀门，保持流体进出量基本平衡，阀门维持此开度；上下压力传感器测量即时的压力值；经采样卡转换为数字信号，送入计算机；得到结果。实现了质量流量、体积流量、密度多参数的动态即时测量；适用于小管径、小流量的流体测量，且对流体是否满管无要求；固态压力传感器测量精度高，响应快，无磨损；间接测量，不受流体状态影响；小波变换滤波处理，消除干扰，提高精度，结构简单，成本低；具有可扩展性、移植性。

Description

小管径小流量流体的多参数测量装置和方法

(一)技术领域

本发明涉及一种流体的测量装置和方法，特别是一种小管径小流量流体的多参数测量装置和方法。

(二)技术背景

现代工业，如化学工业生产工艺监控中，经常需要对流体的质量流量、体积流量、密度等多种参数进行测量。对于小管径、小流量流体参数测量，是流量测量中的难点。虽然涡轮式、浮子式、电磁式或热线式等流量计可用于小流量测量，但因这类流量计是采用机械部件测量通过仪表的流体的动力效应，或利用流动压差进行测量的连通管或薄膜、活塞等专用设备，不仅制作及安装均要求严格，其测量精度受到限制，无法满足现代工业生产要求。如中国专利申请98206185“微小流量测量装置”，为改进的文丘利管装置，同时形成前取压环室和喉部取压环室及连通喉部流道的窄缝。虽然该装置可适应于高温高压下小小流量的测量，但也与现有的多数流体测量仪表及所采用的测量方法相同，其测量结果与流体的密度、粘度等状态密切相关，其流体状态的改变将极大影响测量结果，这就难以适应工业生产过程中的复杂多变的各种情况。

超声波流量计可以实现检测装置与被测流体非接触测量，使用方便，适应面广，不受流体状态影响。但用于小管径小流量流体超声波流量计，价格昂贵。而且因管径小，超声波发射换能器与接受换能器的安装困难，小管径中产生的杂波干扰较大。由于管径小而产生声速温漂，也导致测量不准，必须再增加补偿或修正电路。中国专利申请88220240“小管径超声波流量计”设计增加集成电路构成的时间滤波电路和数字延时电路配合锁相环电路，以克服杂波干扰与声速温漂的问题。但小管径小流量流体测量的准确性仍达不到要求，而且装置更复杂，从而更加昂贵。

另外，现有的流量测量装置和方法所得的测量参数单一，若要同时测量多种参数，必须增加传感器，势必又进一步提高成本。

(三)发明内容

本发明的目的是设计一种新型的测量小管径小流量流体的结构简单的测量装置，其测量原理不同于现有的测量方法。

该测量方法是通过其装置将测量流体转换为液位，同时完成对密度的检测，实现流体体积流量，质量流量的测量。本测量结果与流体的除密度外的其它状态无关，并实现对小管径小流量流体的多参数动态测量。

本发明设计的小管径小流量流体的多参数测量装置包括测量管、压力传感器、采样卡和计算机数据处理系统。竖直的测量管管径大于拟测流体管的管径，在测量管管壁上安装有上下两个压力传感器A、B，测量管下部有出口管，出口管上安装有阀门。拟测流体管从测量管顶部接入，从下方出口管接出。压力传感器A、B与采样卡连接，采样卡与计算机相连接。

本发明设计的小管径小流量流体的多参数测量方法包括如下步骤：

①拟测流体管从本装置测量管顶端接入、从出口管接出；

②调节出口阀门，使拟测流体充入测量管，液面高度大于上压力传感

  器的高度，(H(t)＞H₀)，出口阀门维持此时的开启角度；

③上下压力传感器测量即时的压力值；

④采样卡将压力传感器测得的模拟信号转换为数字信号，送入计算

  机；

⑤计算机对检测结果处理，包括多传感器数据融合、SVM处理，得到

  流体密度、质量流量、体积流量的测量结果。

本发明小管径小流量流体的多参数测量装置的优点为：1、实现了小管径小流量流体的密度、体积流量、质量流量多参数的动态即时测量；2、适用于5～30毫米小管径、流量0～10升/分钟小流量的流体测量，且对于管道内的流体是否满管无要求；3、采用固态压力传感器，测量装置中的指示部件无运动零件，测量精度高，响应快，无磨损；4、流体的粘度、密度等状态对测量结果没有影响；5、结构简单，制造方便，成本低廉。

本发明小管径小流量流体的多参数测量方法的优点为：1、实现了小管径小流量流体的密度、体积流量、质量流量多参数的动态即时测量；2、对流量为间接测量，测量结果不受粘度等流体状态的影响，对流体是否充满管也无严格要求；3、采用了小波变换滤波处理，消除干扰，提高测量精度；4、SVM技术处理可同时得到密度、体积流量、质量流量等流体主要参数；5、具有在线自适应校正功能，保证测量的准确度；6、检测结果可在屏幕显示，也可输出文本结果或动态变化的曲线图；7、检测结果处理程序可方便地嵌入控制软件中，具有可扩展性、移植性。

(四)附图说明

图1为本发明小管径小流量流体的多参数测量装置结构示意图；

图2为本发明小管径小流量流体的多参数测量方法流程框图。

(五)具体实施方式

如图1所示，本发明设计的小管径小流量流体的多参数测量装置包括测量管2、压力传感器5、8、采样卡6和计算机数据处理系统7。竖直的测量管2管壁上安装有上压力传感器A9、下压力传感器B5，测量管2下部有出口管3，出口管3上安装有阀门4。出口管3的高度等于下压力传感器B5的高度，即二者的中心线在同一水平面上。上压力传感器A9、下压力传感器B5与采样卡6连接，采样卡6与计算机7相连接。拟测流体管1从测量管2顶部接入从下方出口管3接出。

上压力传感器A9、下压力传感器B5为固态传感器。

上压力传感器A9、下压力传感器B5之间的高度差为H₀，上压力传感器A9与测量管2顶端的高度差为H₁。H₁等于H₀的1/4～1。在流量波动时，测量管2上部有足够空间，允许测量管2内的所测流体液面上下波动。

在测量的开始根据流量的大小，决定阀门的开度。待测量管2内的待测流体液面高度H(t)维持基本稳定于大于上压力传感器A9高度后，阀门4开度保持不变，测量过程中也不再变。

如图2所示，本发明设计的小管径小流量流体的多参数测量方法包括如下步骤：

①拟测流体管1从本装置测量管2顶端接入、从出口管3接出；

②调节出口阀门4，拟测流体充入测量管2，当拟测流体液面高度H(t)

  在高于上压力传感器A9高度的某点上下浮动时，出口阀门4维持

  此时的开度；

③上压力传感器A9、下压力传感器B5测量即时的该点压力值，测量

  所得结果信号送入采样卡6；

④采样卡6将压力传感器A9、B5测得的模拟信号转换为数字信号，送

  入计算机7；

⑤计算机7对检测结果处理，包括多传感器数据融合、SVM处理，得到流体密度、质量流量、体积流量测量结果；

⑥计算机与显示器或打印机8相连接，检测结果可在屏幕显示，或在打印机输出。

对于不同的流量只要调节出口阀门4，使之出口管径不同，即可使在测量管2中的流体液面保持一定的高度H(t)＞H₀。

P₁(t)、P₂(t)分别为压力传感器A9、B5所测得的即时压力值。即时密度ρ与测量管2内流体的量即液面高度H之间有函数的关系：

ρgH₀＝P₁(t)-P₂(t)    (1)式中g为万有引力常数由上式(1)求得待测流体即时密度

$\mathrm{\ρ}=\frac{P_2\left(t\right)-P_1\left(t\right)}{{\mathrm{gH}}_0}---\left(2\right)$

即流体即时密度ρ可根据压力传感器A9、B5所测得的即时压力值P₁(t)、P₂(t)计算得出。流体即时体积流量Q与即时压力P之间存在一定的关系：Q＝f(p₁，p₂，p₃……)＝f(P)，其中P为向量；因此可通过测量压力来计算流量。由质量守衡定律可知

$Q_{\mathrm{in}}\left(t\right)-Q_{\mathrm{out}}\left(t\right)=S\frac{\mathrm{dH}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

式中：Q_in(t)为待测流体的即时体积流量，即流入测量管2的即时流量；

      Q_out(t)为出口管3即时体积流量；

      H(t)为液面高度；

      S为测量管2管内横截面积；

由式(3)可得

$Q_{\mathrm{in}}\left(t\right)=Q_{\mathrm{out}}\left(t\right)+S\frac{\mathrm{dH}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

Q_out(t)由H(t)、阀门开度的大小α、待测流体的密度ρ决定。当某种流体确定后其密度ρ基本确定，液面基本稳定后α也基本确定，Q_out(t)主要取决于H(t)。由实验和计算可得：

$Q_{\mathrm{out}}\left(t\right)=K\sqrt{H\left(t\right)}---\left(5\right)$

式中K为本装置仪表系数，为动态变化值，通过智能计算可得。由式(4)和(5)可得

$Q_{\mathrm{in}}\left(t\right)=K\sqrt{H\left(t\right)}+S\frac{\mathrm{dH}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

而P(t)＝ρgH(t)           (7)

故可得

$Q_{\mathrm{in}}\left(t\right)=K\sqrt{\frac{P\left(t\right)}{\mathrm{\ρg}}}+\frac{S}{\mathrm{\ρg}}\frac{\mathrm{dP}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(8\right)$

即待测流体的即时体积流量Q_in(t)根据压力传感器A9、B5所测得的即时压力值P₁(t)、P₂(t)和测量管内管截面积S、仪表系数K及即时流体密度ρ计算得出。

待测流体的即时质量流量Q’_in(t)为其即时体积流量Q_in(t)与密度ρ的乘积，易计算。

测量过程中，拟测流体液面高度在高于上压力传感器A9高度的某点上下浮动，流入测量管2的流体对拟测流体液面的冲击，对上压力传感器A9、下压力传感器B5的测量值有一定影响，采用小波变换滤波处理的方法，对压力信号进行动态处理，消除干扰影响，实现对装置参数的在线识别和修正，提高了测量精度，也降低了对装置结构与安装的要求。

检测结果可在与计算机7相连接的显示器或打印机8上屏幕显示或打印，也可输出不同的表格、文本结果或动态变化的曲线图；检测结果处理程序可方便地嵌入控制软件中，具有可扩展性、移植性。

Claims (8)

1 一种小管径小流量流体的多参数测量装置，其特征为：

包括测量管(2)、上压力传感器A(9)、下压力传感器B(5)、采样卡(6)和计算机数据处理系统(7)；竖直的测量管(2)管壁上安装有上压力传感器A(9)、下压力传感器B(5)，测量管(2)下部有出口管(3)，出口管(3)上安装有阀门(4)；出口管(3)的高度等于下压力传感器B(5)的高度；上压力传感器A(9)、下压力传感器B(5)与采样卡(6)连接，采样卡(6)与计算机(7)相连接；拟测流体管(1)从测量管(2)顶部接入，从下方出口管(3)接出。

2 根据权利要求1所述的小管径小流量流体的多参数测量装置，其特征为：

上压力传感器A(9)、下压力传感器B(5)为固态传感器。

3 根据权利要求1或2所述的小管径小流量流体的多参数测量装置，其特征为：

上压力传感器A(9)、下压力传感器B(5)之间的高度差为H₀，上压力传感器A(9)与测量管(2)顶端的高度差为H₁；H₁等于H₀的1/4～1。

4 一种小管径小流量流体的多参数测量方法，采用权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征为包括如下步骤：

①拟测流体管(1)从本装置测量管(2)顶端接入、从出口管(3)接出；

②调节出口阀门(4)，拟测流体充入测量管(2)，当拟测流体液面H(t)高度在高于上压力传感器A(9)高度的某点上下浮动时，出口阀门(4)维持此时的开度；

②上压力传感器A(9)、下压力传感器B(5)测量即时的该点压力值，测量所得结果信号送入采样卡(6)；

③采样卡(6)将压力传感器A(9)、B(5)测得的模拟信号转换为数字信号，送入计算机(7)；

④计算机(7)对检测结果处理，包括多传感器数据融合、SVM处理，得到流体密度、质量流量、体积流量测量结果。

5 如权利要求4所述的小管径小流量流体的多参数测量方法，其特征为：

即时流体密度ρ根据压力传感器A(9)、B(5)所测得的即时压力值P₁(t)、P₂(t)计算得出，

$\mathrm{\ρ}=\frac{P_2\left(t\right)-P_1\left(t\right)}{g{H}_0}$

式中g为万有引力常数。

6 如权利要求4或5所述的小管径小流量流体的多参数测量方法，其特征为：

待测流体的即时体积流量Q_in(t)根据压力传感器A(9)、B(5)所测得的即时压力值P₁(t)、P₂(t)和测量管(2)内管载面积S、仪表系数K及流体密度计算得出，

$Q_{\mathrm{in}}\left(t\right)=K\sqrt{\frac{P\left(t\right)}{\mathrm{\ρg}}}+\frac{S}{\mathrm{\ρg}}\frac{\mathrm{dP}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

7 如权利要求4～6中任一项所述的小管径小流量流体的多参数测量方法，其特征为：

采用小波变换的方法，对压力信号进行动态处理，消除干扰影响。

8 如权利要求4～7中任一项所述的小管径小流量流体的多参数测量方法，其特征为：

计算机(7)与显示器或打印机(8)相连接，检测结果可在屏幕显示，或在打印机输出。

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