CN1645063A - 容积式流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种容积式流量测量方法，特点是，适用于有一个或多个容积池，并有一个或多个泵从中抽取流动介质，通过校准泵流量曲线并测量液位，精确测量流入和流出的流量，其步骤为：测量容积池的容积；泵扬程与流量曲线的校准；泵功率与流量曲线的校准；流量的计算；本发明的有益效果是，长期使用有较高精度，现场条件变化时，可重新校准泵的扬程和流量曲线，不需要使用任何额外的测量设备，对现场的条件及对操作人员要求低，本发明的流量精度验证和泵校准过程同步，在使用过程中的任何时间都可以进行校准和验证，使得流量校准、测量和验证的过程简化，大大节约了采购专用流量测量设备的费用，同时测量的程序可以方便的集成在泵的自动监控系统中，维护简单。

Description

容积式流量测量方法

技术领域

本发明涉及一种容积式流量测量方法，适用于有一个或多个固定容积池，并有一个或多个泵从中抽取流动介质，通过校准泵流量曲线并测量液位，一系列补偿修正，而精确测量流入和流出的流量的容积式流量测量方法。

背景技术

在城市给排水和某些工业中间液体、废液排放中，通常需要知道液体流量，由此产生了对流量测量的需要，目前比较常用的有电磁流量计和超声波流量计。电磁流量计：是利用水在管道中的切割磁场，产生感应电势，其大小与切割速度成正比原理，测量出水的平均流速，从而达到测量的目的。超声波流量计利用水的流速改变超声波的传输速度或频率特性，通过检测出超声波传输速度的时差或频差，从而反映出水的平均流速，达到流量水计量的目的。这两种流量测量仪表优点是，精度高，抗干扰能力较强；但是价格贵，对现场的安装条件要求比较高，现场标定需要由专业人员和专业设备进行，对操作人员要求高，维护成本高。而在城市给排水的中间环节和某些工业中间液体、废液排放中，对流量的计量精度往往要求不高，其要求测量流量更多是管理或统计上的需要，而不是精确计量的需要。在这种情况下，使用专业流量测量仪表就不仅超出客户的需要，而且所费不菲。容积式液体流量测量方法是为这一类需要开发的，测量精度小于5％，不需要使用任何专用流量测量设备，实施成本相对采用专业流量测量仪表大为降低。特别适用于城市泵站、某些工业中间液体、过程液体排放的流量测量。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有容积式流量测量中用电磁流量计和超声波流量计的价格贵，对现场的安装条件要求比较高，现场标定需要由专业人员和专业设备进行，对操作人员要求高，维护成本高的缺点，提供一种不需要任何专用流量测量设备，只要通过泵流量的校正及一系列补偿修正就能精确测量瞬时流量和累积流量的容积式流量测量方法。

本发明的技术方案是：一种容积式流量测量方法，其特点是：用于有一个或多个固定容积池，并有一个或多个泵从中抽取流动介质，通过校准泵流量曲线并测量液位，从而可以精确测量流入和流出的流量，其具体步骤为：

1、测量容积池的容积：给出容积池横截面积和高度的函数关系S(h)，测量容积池的容积；

2、泵扬程与流量曲线的校准：待容积池内液体液位达到最高工作液位，关闭进水阀门，开任意一个泵抽取液体，直到达到最低工作液位，然后关泵并打开进水阀门，记录从关闭阀门到打开阀门这一段时间的液位、泵工作电流和电压数据，由液位的变化间接得出泵的瞬时流量，通过多项式拟合得出泵扬程与流量曲线，有多个泵的按照上述过程逐一操作；

3、泵功率与流量曲线的校准：使用步骤2中测量的泵工作时电压和电流，得出泵的瞬时功率，亦通过多项式拟合出泵功率和流量曲线，有多个泵的按照上述过程逐一操作；

4、流量的计算：(1)根据步骤2、3得出的泵扬程——流量曲线和泵功率——流量曲线；(2)准确测量液位值，得到瞬时扬程，根据瞬时扬程，由泵扬程——流量曲线获得该扬程下每个泵的瞬时流量；(3)瞬时流量还要经过泵功率——流量曲线的修正：具体的方法是根据测量得到的瞬时泵工作电流和电压算出其瞬时功率，由瞬时功率和功率——流量曲线可以获得泵功率——流量修正值，再用这个值修正经泵扬程——流量曲线获得的瞬时流量，总瞬时流出流量等于多个泵的瞬时流量的相加；

总瞬时流出流量为：

其中n为泵的台数，F(h)是泵的扬程和流量拟合曲线，ΔF_i为第i台泵的功率——流量修正值，p(i)是第i台泵的状态，工作时取1，

否则为0，f_out瞬时为求出的总瞬时流出流量；

泵功率——流量修正值ΔF_i本质上反映了功率的微小变化对真实流量的影响，该修正可以提高瞬时流量的准确性，弥补了根据扬程——流量曲线获得瞬时流量误差较大的缺点，其函数形式为：

       ΔF_i＝f(ΔP_i)                     (2)

其中ΔP_i为实际瞬时功率偏离泵功率——流量曲线的程度，函数f是根据实验获得的经验函数关系；

总瞬时流入流量为：

其中n为泵的台数，S(h)是容积池的截面积和高度的函数，h₁和h₂是间隔一个采样周期所测量的先后液位值，dt是采样周期，f_in瞬时为求出的瞬时流入流量；

累积流出流量为：

其中t₁和t₂是开始时间和结束时间，dt是采样周期，f_累积为求出的累积流出流量。

本发明的有益效果是，应用本方法测量流量，在长期使用条件下的仍有较高的测量精度，当测量精度下降时，可以方便地重新校准泵的扬程和流量曲线，不需要使用任何额外的测量设备，对现场的条件要求低，对操作人员无额外的技术要求，这会极大的方便使用者。采用任何一个流量测量设备，其流量测量精度的验证都需要在厂家特定设备条件下进行验证，本发明的流量精度验证和泵校准过程同步，在完成校准的同时，就可以知道其累积流量测量精度，在使用过程中的任何时间都可以进行校准和验证。本发明的显著特征就是使得流量校准、测量和验证的过程简化，大大节约了采购专用流量测量设备的费用，同时测量的程序可以方便的集成在泵的自动监控系统中，维护简单。

附图说明

图1为实施本方法的装置连接图；

图2为泵扬程和流量拟合曲线图；

图3为泵功率和流量拟合曲线图。

具体实施方式

本发明涉及到对有一个或多个连通的容积池，其容积是可以测量的，可得到高度和横截面的关系；有一个或多个进流管道并置有阀门，并有一个或多个潜水泵从中抽取流动介质，一个或多个出流管道，一个或多个液位计、阀门。液位计和泵通过输入/输出接口和可编逻辑控制器(PLC)或单片机相连接。通过出流管道排出流动介质，通过一套对潜水泵流量曲线校准的过程并测量液位，从而可以比较精确测量流入和流出的流量的过程。

具体实施的测量装置由图1所示，一个容积池为泵坑1，泵坑中有数台泵2(示例为4台)，泵坑进水处有进水阀门3，液位计4安装在泵坑上部，阀门、液位计和泵通过输入/输出接口和可编逻辑控制器(PLC)或单片机连接用于流量测量。

例如对一个有4台泵的泵站而言，具体的实施方式如下：

1.按本发明方法的第一步需进行如下准备工作

序号	准备事项	说明或数据来源
			1	泵坑体积数据	设计图纸和现场测量
2	泵坑体积修正	剔除泵坑内影响实际体积的因素，实测
			3	泵的出厂参数	泵的额定功率，电流，扬程、功率特性曲线，泵开停时的延迟参数
4	阀门	检查进水阀门的闭合性
			5	坐标系转换，计量单位统一	使泵坑内的标高和泵扬程曲线坐标一致；使用公制单位

2.泵的校准

按照步骤(2、3)所给定的过程，对所有泵逐台进行校准，每台泵校准后，系统会根据采集的数据自动进行拟合计算并给出泵的扬程——流量曲线和泵功率——流量曲线，数据采集的采样率范围界于10-1000毫秒，即每秒采集数据1-100次。

拟合方法采用多项式拟合，具体过程如下：

H＝a₁F²+b₁F+c₁                          (5)

P＝a₂F²+b₂F+c₂

式中H为扬程，F为瞬时流量，P为瞬时功率，a₁，b₁，c₁，a₂，b₂，c₂为待求的曲线参数。对扬程——流量曲线，用最小二乘法原理，回归系数a₁，b₁，c₁可由求解正规方程组而获得：

$\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i^4\right)a_1+\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i^3\right)b_1+\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i^2\right)c_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i{F}_i^2$

$\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i^3\right)a_1+\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i^2\right)b_1+\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\right)c_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i{F}_i---\left(6\right)$

$\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i^2\right)a_1+\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\right)b_1+n{c}_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i$

式中n是采样的点数，F_i和H_i是第i个采样点的瞬时流量和扬程。

拟合的结果如图2所示。

采用同样的方法可以求得泵功率——流量曲线，见图3。

经过以上校准过程，可以获得泵真实的扬程——流量和功率——流量曲线。有了这些特性曲线，可以在给定扬程时，反过来计算泵的瞬时流量。

在长期运行条件下，泵叶片磨损或机械性能会逐渐发生变化，使得泵的特性曲线偏移；当泵经过维护或修理，其安装条件或机械性能也会发生变化，使得泵的特性曲线偏移；当流动介质的温度或平均密度发生变化，也会使得泵的扬程和流量曲线偏移。这些偏移都会影响测量的精度。为了提高长期使用条件下的测量精度，可以定期或当出现上述情况时，应重新校准泵的特性曲线。

3.流量计算

按本方法步骤(4)中公式1-4所给定的方法，可以求得每台泵的瞬时流量和累计流量，也可以求得总流入流量和流出流量。根据大量的现场实验，本方法测得的瞬时流量和累积流量精度完全可以控制在5％以内。

4.流量计算精确度验证过程

待容积池内液体液位达到最高工作液位，关闭进水阀门，开任意一个泵抽取液体，直到达到最低工作液位，然后关泵并打开进水阀门。记录从关闭阀门到打开阀门这一段时间的时钟、液位、泵工作电流和电压数据，通过本方法计算得出累积流量，比较容积池实际液位的变化，比较上述两个结果，从而可以验证本方法的测量精度。

Claims (3)

1、一种容积式流量测量方法，其特征在于，有一个或多个固定容积池，并有一个或多个泵从中抽取流动介质，通过一套泵流量校准的过程并测量液位，从而可以精确测量流入和流出的流量，其具体步骤为：

(1)量容积池的容积：给出容积池横截面积和高度的函数关系S(h)，剔除掉容积池内所占物体的体积，测量容积池的容积；

(2)泵扬程与流量曲线的校准：待容积池内液体液位达到最高工作液位，关闭进水阀门，开任意一个泵抽取液体，直到达到最低工作液位，然后关泵并打开进水阀门，采集从关闭阀门到打开阀门这一段时间的液位、泵工作电流和电压数据，由液位的变化间接得出泵的瞬时流量，通过多项式拟合得出泵扬程与流量曲线，有多个泵的按照上述过程逐一操作；

(3)泵功率与流量曲线的校准：使用步骤2中测量的泵工作时电压和电流，得出泵的瞬时功率，亦通过多项式拟合出泵功率和流量曲线，有多个泵的按照上述过程逐一操作；

(4)流量的计算：(1)根据步骤2、3得出的泵扬程——流量曲线和泵功率——流量曲线；(2)准确测量液位值，得到瞬时扬程，根据瞬时扬程，由泵扬程——流量曲线获得该扬程下每个泵的瞬时流量；(3)瞬时流量还要经过泵功率——流量曲线的修正：具体的方法是根据测量得到的瞬时泵工作电流和电压算出其瞬时功率，由瞬时功率和功率一一流量曲线可以获得泵功率——流量修正值，再用这个值修正经泵扬程——流量曲线获得的瞬时流量，总瞬时流出流量等于多个泵的瞬时流量的相加；

总瞬时流出流量为：

其中n为泵的台数，F(h)是泵的扬程和流量拟合曲线，ΔF_i为第i台泵的功率——流量修正值，p(i)是第i台泵的状态，工作时取1，否则为0，f_out瞬时为求出的总瞬时流出流量；

泵功率——流量修正值ΔF_i本质上反映了功率的微小变化对真实流量的影响，该修正可以提高瞬时流量的准确性，弥补了根据扬程——流量曲线获得瞬时流量误差较大的缺点，其函数形式为：

ΔF_i＝f(ΔP_i)                             (2)

其中ΔP_i为实际瞬时功率偏离泵功率——流量曲线的程度，函数f是根据实验获得的经验函数关系；

总瞬时流入流量为：

其中n为泵的台数，S(h)是容积池的截面积和高度的函数，h₁和h₂是间隔一个采样周期所测量的先后液位值，dt是采样周期，f_in瞬时为求出的瞬时流入流量；

累积流出流量为：

其中t₁和t₂是开始时间和结束时间，dt是采样周期，f_累积为求出的累积流出流量。

2、一种为实现容积式流量测量方法的装置，它包括一个或多个连通的容积池，一个或多个进流管并置有进水阀门，一个或多个从容积池中抽取流动介质潜水泵，一个或多个流出管道，其特征在于，装置置有一个或多个液位计，液位计和泵通过输入/输出接口和可编逻辑控制器(PLC)或单片机相连接。

3、根据权利要求1所述的容积式流量测量方法，其特征在于，所述的采集从关闭阀门到打开阀门这一段时间的液位、泵工作电流和电压数据的采样率范围界于10-1000毫秒，即每秒采集数据1-100次。

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