CN202304903U - 一种准确的风量测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种准确的风量测量系统，其包括多点流速计、流动整流器、流量计算机、自动吹扫装置以及用于检定该风量测量系统的三维流速标定装置。所述的多点流速计在整个横截面上具有数个多点风量测量传感器；所述流动整流器覆盖整个气体管道的截面，消除风量测量的不利因素；所述的流量计算机具有差压变送器、压力变送器、流量演算显示、自动吹扫控制、自诊断校准、差压变送器自动归零、上位机通讯等功能；所述的自动吹扫装置具有定时、手动、遥控、自动吹扫，保值等功能，以压缩空气为气源对现场运行的多点流速计进行在线吹扫，保护流速计长期运行不堵塞；所述的三维流速标定是一个独立的系统，采用计算机三维立体数据对风量测量系统进行冷、热态实验标定，专门为鉴定在线的风量测量系统的准确度之用。

Description

一种准确的风量测量系统

技术领域

本实用新型涉及大管道内流量测量领域，尤其涉及一种准确的风量测量系统，具体地说，根据现场复杂工况采取多项措施，以达到准确、可靠地测量流量的目的。

背景技术

规模产生效益，工业的现代化就意味着工程规模的扩大，工程中的管道口径也随之急剧加大，当前工业中口径大至数米已并不罕见，如火电厂的风量管道口径已大至5～6米，烟气脱硫风管达到10米以上。而且不少情况下管道截面为矩形(如火电、暖通、空调行业)，加上地价的昂贵，直管段长度往往不足1～2D(D为管内径)；而国内外相关的流量仪表安装规范均要求直管段长度应不小于20D～30D，否则就达不到必要的测量准确度。管道的直管段长度不足带来的问题主要为流体在阻力件(阀门、弯头……)后，流速分布十分复杂，不仅没有规律，且常伴有漩涡、二次流。

几十年来，对于大管道中的复杂流动状况均未引起生产厂家足够的认识，而是自欺欺人地假定管内的流速分布是“理想”的，认为只要测出管道上某截面上的流速，再乘上截面面积就可知流量，由于流量仪表的体积与重量一股与管径D的三次方成正比，因此，当管径大于02米后，多采用插入式流量计，这类流量计本质上就是流速计，如皮托管、双文丘利管、插入式涡轮、插入式涡街、热式单点流量计等等，这类流量计在上世纪末期的近三十年内，也曾风行一时。现在人们已普遍认为到这一类“流量计”的结构虽然简单、成本低、安装维修都简而易行，但管道内的流速不可能是常数(即直匀流)，即使具有较长的直管段、其流速分布也是充分发展紊流(其特点是当直管段长度达到30D后，无论在什么阻力件后，都可呈现这种流动状态而且不再变化)，这时等速线是对称于轴线的同心圆，因此，只要测直径上几点的流速就可能较充分地反映整个截面的流速分布，这就意味着可以准确地测量。因此，在上世纪七十年代初期，由美国(Dieterich Standard Co)公司首先推出了一种用总静压差法测管道内多点流速的插入式流量计，该公司称为Annubar，我国译为均速管流量计。国外也因其它基于皮托管测速原理而命名为AveragingPitot的。均速管这类流量计问世40年以来，不少国内外厂家都在检测杆形状上不遗余力地做文章，种类多达十余种，如圆形、菱形、弹头形、椭圆形、T形等，这些形状对于提高流量准确度当然会有一些效果，但仅是次要的，决不是厂商所宣传的那么神奇，真正影响均速管准确度的是它的应用条件，因为应用均速管的条件要求直管段至少应不少于15D，对于大口径管道来说，一股都达不到，所以其测量误差将远大于厂商所宣称的±1％，但据业内专家估计，误差大多在±30％以上。如果在流动十分复杂的情况下(存在漩涡，二次流)，输出差压有可能在某一流量范围内不正比流量，这说明即使用于工控也是不可能的。

面对21世纪，全球都面临能源资源日益匮乏、环境污染已成为世界所关注的课题，准确的流量测量是评价促进节能减排的重要手段，如火电厂的风量测量，烟气流量测量是改善锅炉燃烧、减少有害气体排放、提高锅炉效率的重要手段，但它又不可能提供上述各种流量仪表所必需的直管段长度。根据节能减排的严峻形势，迫切需要提供一种准确的大管道风量测量方法。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述存在的问题，正视而不是回避现实的实际情况，有的放矢、因地制宜地提供一种准确的风量测量系统，主动改善测量条件，形成一个完整的系统装置，以达到准确测量大管道风量的目的。

为实现上述目的，所述准确的风量测量系统的特点是：包括多点流速计、流动整流器、流量计算机、自动吹扫装置以及用于检定该风量测量系统的三维流速标定装置。所述的多点流速计为横截面的多点风量测量传感器；所述流动整流器覆盖整个气体管道的截面，消除风量测量的不利因素；所述的流量计算机具有差压变送器、压力变送器、流量演算显示、自动吹扫控制、自诊断校准、差压变送器自动归零、上位机通讯等功能；所述的自动吹扫装置具有定时、手动、遥控、自动吹扫，保值等功能，以压缩空气为气源对现场运行的多点流速计进行在线吹扫，保护流速计长期运行不堵塞；所述的三维流速标定装置是一个独立的系统，采用计算机三维立体数据对风量测量系统进行冷热态实验标定，专门为鉴定在线的风量测量系统的准确度之用。所述准确的风量测量系统，在现场流场较恶劣的情况下，可以改善测量条件，形成一个完整的系统装置，可准确、可靠地测量大管道的气体流量。

优选的是，所述流动整流器包括多个具有一定轴向长度的呈蜂窝形状的单元孔。

优选的是，所述流动整流器的宽度e与单元孔中心到任意一边的距离a的比值e/a的取值范围为3～10。

优选的是，所述多点流速计包括总压管和静压管，彼此独立的总压管和静压管均为圆管，总压管和静压的位置设置需满足：在流场情况较好且测点较少时，总、静压管间距20～30mm并排安装；在流场情况较差且测点较多时，静压管紧贴总压管之后设置；并且，总压管的内径为10～50mm，壁厚为1～5mm，长度为0.1～10m；静压管的内径为10～40mm，壁厚为1～5mm，长度为0.1-10m；在整个截面上总压孔设置的数量为10～200个，静压孔设置的对数为10～200个，所述总压孔正对流体的流向设置，静压孔的设置需满足：在流场情况较为理想且流速较高时，两个静压孔处于静压管正前方±30°～40°；在流场情况较为复杂且流速较低时，静压孔处于静压管正后方±30°～60°。

优选的是，当总压管的管壁较厚时，所述总压孔锪成内孔；若总压管的管壁较薄难以锪孔时，在总压孔上嵌入导流咀；并且，总压孔的大小为1.5～8mm，各总压管上总压孔的数量为3～60个，间距20～200mm；静压孔的大小为1～4mm，每只静压管上的静压孔的数量为3～60对，间距20～300mm。

优选的是，所述的准确的风量测量系统，还包括加强管道刚性的圆管或对称翼型管，所述圆管或对称翼型管为总压管或静压管的输出汇管。

优选的是，所述的流量计算机中的差压变送器为微差压变送器，该微差压变送器的最低量程为10Pa，有多种量程选择的微差压变送器可自动归零。

优选的是，所述三维流速标定探头的端部为菱形，菱形各坡面的坡度均为45°，在每个坡面上设置有一个垂直于所在坡面且孔径为2mm的测压孔；所述菱形中间有一个平面，平面正中设置有一个测压孔；所述探头顶部粘贴有一用于测量温度的薄膜铂电阻。

优选的是，所述准确的风量测量系统还包括防止多点流速计堵塞的自动吹扫机，与多点流速计相连的所述自动吹扫机的每次吹扫时间、以及相邻两次吹扫动作的间隔时间可根据气体的粉尘含量进行调控，在线吹扫时并对工况运行参数进行自保持以及吹扫完毕恢复在线工况数据。

本实用新型有别于当前国内所用风量测量仪表，显著的效果在于，所述准确的风量测量系统，根据现场情况，改善测量条件，形成一个完整的系统装置，不会产生测量流速计、变送器、吹扫机等多个生产厂家的产品出现在一个测量系统中，从而导致多个厂家标准不一，系统不配套的现象。只有一个厂家系统校验的设备才能极大地保证准确、可靠地测量大管道的流量。

附图说明

图1示出了本实用新型所述的准确的风量测量系统的结构示意图。

图2示出了本实用新型所述的准确的风量测量系统的原理方框图。

图3示出了矩形管道风量测量系统的布局图。

图4示出了圆形管道风量测量系统的布局图。

图5示出了矩型管道的分隔示意图。

图6示出了巨型管道中总压汇管与静压汇管的示意图。

图7示出了各种形状的整流器。

图8示出了总压孔的形状与位置。

图9示出了静压孔的形状与位置。

图10示出了三维流速标定探头的结构示意图。

图11示出了自动吹扫机与多点流速计的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明：

如图1和图2所示，所述准确的风量测量系统，包括沿气流的流向顺次设置的流动整流器1和多点流速计2；所述流动整流器1覆盖整个气体管道的截面，所述多点流速计2经差压变送器传输检测信号再经流量计算机运算后通过仪表面板显示或上传到DCS。所述三维流速标定探头6是独立的一个标定校验系统，与其他标准仪器成套使用，对在线使用的风量测量系统现场进行冷、热态实流标定，解决了由于大管道流量测量不能在实验室进行标定的难题，从而保证了大管道准确的风量测量。

通过各种阀门等阻力件后的流体的流动变得十分复杂，会产生漩涡及二次流，流量定义为单位时间内通过管道中某一截面的流体容积或质量，而上述漩涡或二次流的存在会干扰流量测量，从而无法得到正确的流量值，并且由于硬件条件的限制，也不可能通过增加直管段长度来消除漩涡或二次流。通过本实用新型所采用的流动整流器1可克服漩涡及二次流的影响，具体地：

如图7所示，所述流动整流器1包括多个具有一定轴向长度的呈蜂窝形状的单元孔，构成流动整流器1的各单元孔正对气流方向，该流动整流器1应覆盖整个气体管道的截面。所述单元孔的形状可以选为如图6所示的圆形、正六边形(蜂窝形状)、三角形或正方形，优选为正六边形的蜂窝形状，经验表明以蜂窝状的单元孔构成的流动整流器1的整流效果最好，压损最低，从工艺角度来说，正方形、三角形和圆形形状的单元孔易于生产，但效果略为逊色。将蜂窝形状的单元孔的中心点到任意一边的垂直距离a定为中心单元孔的特征尺寸，所述流动整流器1的宽度e与该特征尺寸的比值e/a的取值范围为3～10，此值过小整流效果差，过大则压损太大。此外，该单元孔的板厚为0.1～2mm，单元孔的大小为5～20mm。这样，所述流动整流器1犹如一把“梳子”，将流体的各方向的流动整合为平行于管道轴向的流动。

流经所述流动整流器1的流体的流向基本上平行于管道轴线方向，没有横向流动(即位流)，这说明在整个截面上静压基本相等，也就没有必要与总压一一对应测量。测取与总压同样数量的静压点，可以减少静压管22的数量。这样做不仅可以减少成本而且可以降低阻塞比。L·A·Salami的研究表明，采用速度面积法测流量，增加流速点可提高测量准确度，而增大插入的流速计的数目，其效果远远优于增加单支上的测量孔的数目，基于上述考虑，本实用新型中所述多点流速计2的实施要点如下：

如图3、4、5、6、8和9所示，总压管21和静压管22均采用圆管，且各自独立；总压管21的内径为10～50mm，壁厚1～5mm，长度0.1～10m；为减少对流向的影响，总压孔的形状锪成内孔212，若管壁较薄，可嵌入导流咀213；总压孔的大小1.5～8mm，每支总压管21上总压孔的数量为3-60个，间距20～200mm。静压管22的内径10～40mm，壁厚1～5mm，长度0.1～10m；静压孔的大小为1～4mm，每只静压管22上的静压孔的数量为3～60个，间距20～300mm。

总压管21上总压孔的方向原则上正对流体的流向，在调试中也可偏离流体的流向±20°。静压孔在静压管22上的位置可以有两种方式，在流场情况较为理想且流速较高时，两个静压孔处于正前方±30°～40°；在流场情况较为复杂且流速较低时，静压孔处于正后方±30°～60°。总压管21和静压管22相距的位置也可以有两种方式：①在流场情况较好，测点较少时，总、静压管21、22并排安装，间距20～30mm；②在流场情况较差，测点较多时，为减小阻塞比，静压孔处于上述在流场较为复杂且流速较低的情况下所述的位置，静压管22可紧贴总压管21之后。

在管道极大的情况下(例如4m以上时)，由于管道一股均由厚4mm的薄钢板加工，为加强刚性，多采用角铁槽钢做支撑，以加强刚性，这些支撑将破坏流场，本实用新型采用圆管23(或剖面为对翼型的管)代替角铁或槽钢，而且这些圆管21或对翼型的管又可以成为总压管21、静压管22的输出汇管211、221，一举二得，既减少了阻塞比，又不破坏流场。另外，总压孔与静压孔的数量可以进行如下设置，在整个截面上，总压管21上设置不少于30～120个总压孔，静压管22上设置不少于20～60个静压孔。

本实用新型采用了一种灵敏度极高的微差压变送器3，最低量程可达10Pa，相当于空气流速4m/s，由于量程低，易受零点漂移影响；此外，所述微差压变送器3有多种量程选择，并具有自动归零的功能，以确保测量的准确度。

流量是一个集长度、时间及质量的推导物理参数，且受外界影响较大，为保证流量测量的准确度，一股需在试验室中进行校验，取得流量系数，其条件是管径应相同，流场应相似。但对于矩形大管道的流量而言，几乎不可能有如此大的试验室进行校验，而且试验室也不可能提供与现场相似的矩形管道流场，目前都是通过现场校验，而其探头多为二维。本实用新型设计了一种三维流速标定探头6，如图10所示，所述三维流速标定探头6的端部为菱形，上下、左右的坡度均为45°，每个坡度上有一个测压孔，孔径2mm，垂直于坡面，左右两侧所测压力分别表示为P2、P3，上下两侧所测压力分别表示为P4、P5，菱形中间有一个平面(大小为5×5～10×10mm)，正中有一个测压孔，所测压力表示为P1；此外，在探头6的顶部，粘贴了一片用于测量温度的薄膜铂电阻61(1.6×1.25×0.6mm)，既节约空间又不干扰流场，响应时间仅1～2s。

所述三维流速标定探头6进行标定时，探头6的端部达到位置后，应令P1所对应的测压孔正对流体的流向，由于流动复杂，P1对应的测压孔未必是对准了流体的真正流向，如是则会产生总压误差，本实用新型令探头6沿a-a轴向转动，当P2＝P3时，P1对应的测压孔应处于P4、P5对应的测压孔的水平面上，一股来说，P4、P5并不相等，但可以用P4与P5的差值来修正流向的偏差，即P4、P5的差压值对流向的偏差事先应在风洞中进行标定，得到了P4、P5差值与流向的关系。所述三维的探头6的特点是可以进行三维标定，准确确定气流在三维空间的大小及方向，其次所述三维的探头6还有温度传感器，可以了解被校点的温度，以确定该点的气体密度，准确地确定该点流速值。

将本实用新型现场标定探头6输出的五个压力参数和一个温度参数传至所述便携式三维流量测量计算器，该便携式三维流量测量计算器将压力传感器、温度传感器检测到的信号转换为该点的流速值的标准的电信号，就地进行显示并通过有线或无线通讯传至流量计算机4。

在现场的气体一股都具有粉尘，采用差压式流速计均易于堵塞，(热式流速计虽不堵塞，但易于污染，从而降低灵敏度)，为了确保多点流速计2长期可靠工作，本实用新型还具有可调控自动吹扫机5，不少均速管厂炒作其本身具有原生的防堵能力，使用证明均属误导用户，自欺欺人。如图11所示，与多点流速计相连的所述吹扫机可以根据现场气体所含的粉尘量对二次吹扫的间隔时间，每次吹扫持续的时间进行调整，并具有定时自动启动，保持信号，DCS远程控制等功能。

本实用新型中的流量计算机4包括所有需用的压力、温度、差压变送器3，完成可以满足各种测试的需求，在测试过程中，将各点的流速值，通过温度压力补偿后进行计算为流量值，并可形象地用图像展示整个测试截面的流速分布三维图像，可以达到准确、便捷、可靠、直观的流量测量目的。

综上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化及修改，皆应属于本实用新型的技术范畴。

Claims (9)

1.一种准确的风量测量系统，其特征在于：包括多点流速计、流动整流器、流量计算机、自动吹扫装置以及用于检定该风量测量系统的三维流速标定装置。

2.根据权利要求1所述的准确的风量测量系统，其特征在于：所述流动整流器包括多个具有一定轴向长度的呈蜂窝形状的单元孔。

3.根据权利要求2所述的准确的风量测量系统，其特征在于：所述流动整流器的宽度e与单元孔中心到任意一边的距离a的比值e/a的取值范围为3～10。

4.根据权利要求1所述的准确的风量测量系统，其特征在于：所述多点流速计包括总压管和静压管，彼此独立的总压管和静压管均为圆管，总压管和静压的位置设置需满足：在流场情况较好且测点较少时，总、静压管间距20～30mm并排安装；在流场情况较差且测点较多时，静压管紧贴总压管之后设置；并且，总压管的内径为10～50mm，壁厚为1～5mm，长度为0.1～10m；静压管的内径为10～40mm，壁厚为1～5mm，长度为0.1-10m；在整个截面上总压孔设置的数量为10～200个，静压孔设置的对数为10～200个。所述总压孔正对流体的流向设置，静压孔的设置需满足：在流场情况较为理想且流速较高时，两个静压孔处于静压管正前方±30°～40°；在流场情况较为复杂且流速较低时，静压孔处于静压管正后方±30°～60°。

5.根据权利要求4所述的准确的风量测量系统，其特征在于：当总压管的管壁较厚时，所述总压孔锪成内孔；若总压管的管壁较薄难以锪孔时，在总压孔上嵌入导流咀；并且，总压孔的大小为1.5～8mm，各总压管上总压孔的数量为3～60个，间距20～200mm；静压孔的大小为1～4mm，每只静压管上的静压孔的数量为3～60个，间距20～300mm。

6.根据权利要求4或5所述的准确的风量测量系统，其特征在于：还包括加强管道刚性的圆管或对称翼型管，所述圆管或对称翼型管为总压管或静压管的输出汇管。

7.根据权利要求1所述的准确的风量测量系统，其特征在于：所述的流量计算机中的差压变送器为微差压变送器，该微差压变送器的最低量程为10Pa，有多种量程选择的微差压变送器可自动归零。

8.根据权利要求1所述的准确的风量测量系统，其特征在于：所述三维流速标定探头的端部为菱形，菱形各坡面的坡度均为45°，在每个坡面上设置有一个垂直于所在坡面且 孔径为2mm的测压孔；所述菱形中间有一个平面，平面正中设置有一个测压孔；所述探头顶部粘贴有一用于测量温度的薄膜铂电阻。

9.根据权利要求1所述的准确的风量测量系统，其特征在于：还包括防止多点流速计堵塞的自动吹扫机，与多点流速计相连的所述自动吹扫机的每次吹扫时间、以及相邻两次吹扫动作的间隔时间均可根据气体的粉尘含量进行调控，在线吹扫时并对工况运行参数进行自保持以及吹扫完毕恢复在线工况数据。 

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