JP3164632U - Device for determining the flow rate of a bi-directional unsteady fluid flow - Google Patents

Device for determining the flow rate of a bi-directional unsteady fluid flow Download PDF

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Abstract

【課題】流れが急速に変動する場合でも、リアルタイムの流量測定を高精度で可能にする。【解決手段】流れが急速に変動する場合でも、リアルタイムの流量測定を高精度で可能にするために、全圧と静圧との差圧を求め、ベルヌーイ式に代入する。そのために、測定管(1)と、流体の差圧および密度を検出するためのそれぞれ1つの機構と、流体の検出された圧力差および密度に基づいて流量を計算する評価ユニットとを有する装置が提供され、評価ユニットは、流速に関する通常の非線形微分方程式を、圧力差と流速に関する加速度項とを考慮してリアルタイムに解くための計算ユニットを有する。この装置は、全圧を検出するために両方の流れ方向で実質的に互いに逆平行に配置され、かつ流体の流れ方向に対して平行に配置された2つのゾンデ(2、3)を有し、そのうち一方のゾンデ(2)が全圧を、他方のゾンデ(3)が静圧を記録する。【選択図】図1Real-time flow measurement is made possible with high accuracy even when the flow fluctuates rapidly. In order to enable real-time flow measurement with high accuracy even when the flow fluctuates rapidly, a differential pressure between the total pressure and the static pressure is obtained and substituted into the Bernoulli equation. For this purpose, there is provided an apparatus having a measuring tube (1), a mechanism for detecting the differential pressure and density of the fluid, and an evaluation unit for calculating a flow rate based on the detected pressure difference and density of the fluid. The provided evaluation unit comprises a calculation unit for solving a normal nonlinear differential equation relating to the flow velocity in real time taking into account the pressure difference and the acceleration term relating to the flow velocity. The device has two sondes (2, 3) arranged substantially antiparallel to each other in both flow directions to detect the total pressure and arranged parallel to the fluid flow direction. One of the sondes (2) records the total pressure, and the other sonde (3) records the static pressure. [Selection] Figure 1

Description

本考案は、双方向の非定常な流体流の流量を決定する装置であって、測定管と、流体の差圧および密度を検出するためのそれぞれ1つの機構と、流体の検出された圧力差および密度に基づいて流量を計算する評価ユニットとを有し、評価ユニットが、流速に関する通常の非線形微分方程式を、圧力差と流速に関する加速度項とを考慮してリアルタイムに解くための計算ユニットを有する、装置に関する。   The present invention is a device for determining the flow rate of a bi-directional unsteady fluid flow, comprising a measuring tube, a mechanism for detecting the differential pressure and density of the fluid, and the detected pressure difference of the fluid. And an evaluation unit for calculating the flow rate based on the density, and the evaluation unit has a calculation unit for solving the normal nonlinear differential equation relating to the flow velocity in real time in consideration of the pressure difference and the acceleration term relating to the flow velocity. , Relating to the device.

特許文献1には、測定個所にある既存の狭窄部に基づいて、絞り原理を非定常ベルヌーイ式とともに使用する高速の作用圧法が開示されている。   Patent Document 1 discloses a high-speed working pressure method that uses the restriction principle together with the unsteady Bernoulli method based on an existing constriction at a measurement location.

欧州特許公開公報第1716393号European Patent Publication No. 1716393

したがって本考案の課題は、急速に変動する流れに対して、リアルタイムの流量決定が高精度で可能な装置であった。   Therefore, the subject of the present invention was an apparatus capable of determining a flow rate in real time with high accuracy against a rapidly changing flow.

冒頭に述べた非定常な流体流の流量を決定する装置は、本考案によれば、実質的に互いに逆平行に、かつ流体の流れ方向に対して平行に配置された2つのゾンデが設けられており、そのうち一方のゾンデが全圧を、他方のゾンデが静圧を記録し、これらのゾンデ間の差圧を検出する機構が設けられていることを特徴とする。この種の装置を用いると、非定常な流体流であっても流量のリアルタイムで正確な決定が達成できるようになる。なぜなら動圧(Staudruck)を考慮することにより、流れ方向および流速を、測定可能な圧力に最も直接かつ正確に変換することが保証されるからである。この対称な配置により、流れ方向が変化する場合でも2つのゾンデがその機能を入れ替えることができる。   The apparatus for determining the flow rate of the unsteady fluid flow described at the beginning is, according to the invention, provided with two sondes arranged substantially antiparallel to each other and parallel to the fluid flow direction. One of the sondes records the total pressure, the other sonde records the static pressure, and a mechanism for detecting a differential pressure between these sondes is provided. With this type of device, an accurate determination of the flow rate in real time can be achieved even with an unsteady fluid flow. This is because the consideration of dynamic pressure (Staudruck) ensures the most direct and accurate conversion of flow direction and flow velocity into measurable pressure. This symmetrical arrangement allows the two sondes to swap their functions even when the flow direction changes.

特に液体流を測定する場合に、重力の影響を式から除去するために、本考案のさらなる実施形態は、測定管とゾンデが実質的に水平に配置されていることを特徴とする。   In order to remove the influence of gravity from the equation, particularly when measuring liquid flow, a further embodiment of the invention is characterized in that the measuring tube and the sonde are arranged substantially horizontally.

本考案の装置の精度をさらに高めるために、本考案の装置は、非定常流れの流量測定のために、少なくとも一時的に別の機構が設けられており、評価ユニット内において、非定常ベルヌーイ式の係数を較正するためのアルゴリズムが、非定常流れに対する非定常ベルヌーイ式の解の平均値を、定常流れに対する解と比較することによって実施されることを特徴とする。   In order to further improve the accuracy of the device of the present invention, the device of the present invention is provided with another mechanism at least temporarily for measuring the flow rate of the unsteady flow. The algorithm for calibrating the coefficients of is characterized in that it is implemented by comparing the mean value of the unsteady Bernoulli solution for unsteady flow with the solution for steady flow.

非定常流れを定常流れにするための鎮静区間、ならびに定常流れの流量測定のためのさらなる機構が設けられており、評価ユニット内において、非定常ベルヌーイ式の係数を較正するためのアルゴリズムが、非定常流れに対する非定常ベルヌーイ式の解の平均値を、定常流れに対する解と比較することによって実施されることを特徴とする実施形態も、流量測定の精度をさらに高めるために用いられる。   There is a sedation section to make the unsteady flow a steady flow, as well as a further mechanism for measuring the flow of the steady flow, and within the evaluation unit an algorithm for calibrating the unsteady Bernoulli coefficients is An embodiment, characterized in that it is implemented by comparing the average value of the unsteady Bernoulli solution for steady flow with the solution for steady flow, is also used to further increase the accuracy of the flow measurement.

以下の説明で本願考案を、添付図面を参照して詳細に説明する。   The present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

非定常流れの流量を決定するための対称な双方向ピトー管を備える装置を概略的に示す図である。FIG. 2 schematically shows a device with a symmetrical bi-directional Pitot tube for determining the flow rate of unsteady flow.

流体流のための測定管1内には、互いに間隔をおき、互いに反対方向に整列された2つの圧力ゾンデ2、3が、好ましくは流れ方向に対して平行な向きに配置されており、流れ方向を指すゾンデ3は静圧を、流れとは反対の向きのゾンデ2は各圧力センサの入口における全圧をそれぞれ送信する。2つの圧力センサの出力端は評価ユニット(4)と接続されており、この評価ユニットでは第1の工程として、動圧に対応する、2つのセンサの値の間の差圧を求める。   In the measuring tube 1 for fluid flow, two pressure sondes 2, 3 spaced apart from each other and aligned in opposite directions are preferably arranged in a direction parallel to the flow direction. The sound 3 pointing in the direction transmits the static pressure, and the sound 2 in the direction opposite to the flow transmits the total pressure at the inlet of each pressure sensor. The output ends of the two pressure sensors are connected to the evaluation unit (4). In this evaluation unit, as a first step, a differential pressure between the values of the two sensors corresponding to the dynamic pressure is obtained.

体積流量の決定にも質量流量の決定にも、流れる流体の密度を知ることが必要である。ここで通例は、測定個所の間の密度は近似的に一定であると仮定する。密度が時間的に不変なことは、装置内で実施される式を導く際には前提とされないが、近似法のためには時間的不変性がもちろん同様に想定される。したがって、定義された時間間隔にわたる平均値を測定することにより、すなわち擬似定常的に、または特に密度に対して固定値を与えることにより(このことは特に液体の場合は有意義であり得る)、密度値を設定することができる。   It is necessary to know the density of the flowing fluid both in determining the volume flow rate and in the mass flow rate. Here, it is customary to assume that the density between the measurement points is approximately constant. The fact that the density is invariant in time is not assumed when deriving the equations implemented in the apparatus, but of course, invariant in time is assumed for the approximation method as well. Thus, by measuring the average value over a defined time interval, i.e. by pseudo-stationary or by giving a fixed value to the density in particular (this can be meaningful especially for liquids) A value can be set.

評価ユニット内で実施された式は、渦のない一次元の流れに対するオイラーの式に基づいて得られる。   The formula implemented in the evaluation unit is obtained based on Euler's formula for a one-dimensional flow without vortices.

Figure 0003164632
Figure 0003164632

この式には外力に関する項がまだ含まれている。例えば重力が、次式(2)による重力ポテンシャルの勾配として含まれている。   This formula still includes terms related to external forces. For example, gravity is included as a gradient of gravity potential according to the following equation (2).

Figure 0003164632
v...流速
p...圧力
ρ...密度
s...流れ方向での空間座標
z...外力、例えば重力に平行な空間座標
t...時間
...流れ方向における外力の成分
g...重力場の強さ
Figure 0003164632
v. . . Flow rate p. . . Pressure ρ. . . Density s. . . Spatial coordinates in the flow direction z. . . Spatial coordinates t. Parallel to external forces, eg gravity. . . Time F s . . . External force component in the flow direction g. . . Gravity field strength

しかし密度が局部的に一定であると仮定すると、そこから次式が得られる。   However, assuming that the density is locally constant, the following equation is obtained:

Figure 0003164632
Figure 0003164632

一方の圧力ゾンデ2または3の、他方の圧力ゾンデ3または2に対する位置を位置積分することにより、次式が得られる。   By integrating the position of one pressure sonde 2 or 3 with respect to the other pressure sonde 3 or 2, the following equation is obtained.

Figure 0003164632
Figure 0003164632

実質的に水平な管1、または実質的に同じ高さに配置されたゾンデ2、3を使用する場合、重力の影響を式から除去することができる。このことは特に液体の場合に有利であり、一方、気体の場合は、重力の影響はいずれにせよ無視することができる。   When using a substantially horizontal tube 1 or sondes 2, 3 arranged at substantially the same height, the effect of gravity can be eliminated from the equation. This is particularly advantageous in the case of liquids, while in the case of gases the influence of gravity can be ignored anyway.

全圧用の圧力ゾンデ2の入口における流体流の速度についしては、値ゼロが仮定され、局部的に密度が一定であるとの仮定に基づき、2つの圧力ゾンデ2、3の位置の間の項dv/dtも一定とみなされる。2つの圧力ゾンデ2、3間の圧力差p−pに対する符号をΔpとし、その2つの開口の間の距離をΔsとすると、流速vの瞬間値に対して式(5)が得られる。 For the velocity of the fluid flow at the inlet of the pressure sonde 2 for the total pressure, a value of zero is assumed, and based on the assumption that the density is locally constant, between the positions of the two pressure sondes 2, 3 The term dv / dt is also considered constant. When the sign for the pressure difference p 1 -p 2 between the two pressure sondes 2 and 3 is Δp and the distance between the two openings is Δs, Equation (5) is obtained for the instantaneous value of the flow velocity v. .

Figure 0003164632
Figure 0003164632

加速度項dv/dt=0である定常な場合には、公知の式(6)が成立する。   In the steady case where the acceleration term dv / dt = 0, the well-known formula (6) is established.

Figure 0003164632
Figure 0003164632

次に、非定常な質量流量に移り、非定常な体積流量の処理が同じように行われる。   Next, the process moves to an unsteady mass flow rate, and the unsteady volume flow rate is processed in the same manner.

質量流量に対してq=A・ρ・vとし、Aを管断面積とすると、式(5)から次式が得られる。   If q = A · ρ · v with respect to the mass flow rate, and A is the cross-sectional area of the pipe, the following equation is obtained from equation (5).

Figure 0003164632
Figure 0003164632

実際の適用例では、双方向の流れを考慮して式(7)から次式が得られる。   In an actual application example, the following equation is obtained from Equation (7) in consideration of bidirectional flow.

Figure 0003164632
ただし、CおよびCは実験によって最適化可能な係数である。
Figure 0003164632
However, C 1 and C 2 are coefficients that can be optimized by experiment.

瞬間的質量流量q(t)および平均質量流量を求めるためのこの微分方程式の積分は、それ自体公知の方法(数値的、アナログ計算機)によって行う。   The integration of this differential equation to determine the instantaneous mass flow q (t) and the average mass flow is performed by a method known per se (numerical, analog computer).

式(8)の定常部分に関する係数Cを最適化および較正するために、流れが定常である時点を考察する。非定常流れにも適した代替の測定方法、例えば超音波信号の伝搬時間に基づく流量測定によって流量値を求め、微分方程式の解からの値が基準システムを用いて直接測定した値に対応するように係数を適合させる。 To optimize and calibration coefficients C 2 related constant part of equation (8), the flow is considered point is stationary. An alternative measurement method that is also suitable for unsteady flows, such as flow measurement based on the propagation time of the ultrasonic signal, determines the flow value so that the value from the solution of the differential equation corresponds to the value measured directly using the reference system. Fit coefficients to.

第2の係数Cも最適化または較正できるようにするために、例えば代替の高ダイナミックな測定方法を設けることができる。この測定方法では、他の係数を較正および最適化した後、微分方程式の解からの値を係数Cの適合によって、直接測定した値と改めて一致させる。 To ensure that the second coefficient C 1 may optimize or calibration, it can be provided, for example an alternative high dynamic measurement method. In this measuring method, after calibrating and optimize other factors, the value adaptation of the coefficients C 1 and from the solution of the differential equation, is again consistent with the direct measured value.

別の実施形態では、非定常流れを定常流れに鎮静することができる。この場合、非定常ベルヌーイ式の係数の較正は、非定常流れに対する非定常ベルヌーイ式の解の平均値を、定常流れに対する基準システムの測定値と比較することによって行うことができる。ここでも流量の決定は、非定常部分に関する微分方程式の項に対する係数Cを較正するために、そのとき定常になっている流れに対する代替の測定方法によって行うことができる。 In another embodiment, the unsteady flow can be sedated to a steady flow. In this case, unsteady Bernoulli coefficients can be calibrated by comparing the average value of the unsteady Bernoulli solution for unsteady flow with the reference system measurements for steady flow. Again the flow of the decision, in order to calibrate the coefficients C 1 for the term of the differential equation for the non-constant portions may be carried out by a measurement method alternative to the flow that is at that time constant.

Claims (4)

双方向の非定常な流体流の流量を決定する装置であって、測定管(1)と、流体の差圧および密度を検出するためのそれぞれ1つの機構と、流体の検出された圧力差および密度に基づいて流量を計算する評価ユニットとを有し、前記評価ユニットが、流速に関する通常の非線形微分方程式を、圧力差と流速に関する加速度項とを考慮してリアルタイムに解くための計算ユニットを有する、装置において、
実質的に互いに逆平行に配置され、流体の流れ方向に対して平行に配置された2つのゾンデ(2、3)が設けられており、そのうち一方のゾンデ(2)が全圧を、他方のゾンデ(3)が静圧を記録し、前記ゾンデ(2、3)間の差圧を検出する機構(4)が設けられていることを特徴とする装置。
An apparatus for determining the flow rate of a bi-directional unsteady fluid flow, comprising a measuring tube (1), a mechanism for detecting the differential pressure and density of the fluid, a detected pressure difference of the fluid and An evaluation unit for calculating a flow rate based on the density, and the evaluation unit has a calculation unit for solving a normal nonlinear differential equation relating to a flow velocity in real time in consideration of a pressure difference and an acceleration term relating to the flow velocity. In the device,
Two sondes (2, 3) are provided which are arranged substantially antiparallel to each other and parallel to the direction of fluid flow, one of which (2) provides the total pressure and the other An apparatus comprising a mechanism (4) for recording a static pressure by the sonde (3) and detecting a differential pressure between the sondes (2, 3).
測定管(1)とゾンデ(2、3)が、実質的に水平に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の装置。   2. Device according to claim 1, characterized in that the measuring tube (1) and the sonde (2, 3) are arranged substantially horizontally. 非定常流れの流量測定のために少なくとも一時的に別の機構が設けられており、前記評価ユニット内において、非定常ベルヌーイ式の係数を較正するためのアルゴリズムが、非定常流れに対する非定常ベルヌーイ式の解の平均値を、定常流れに対する解と比較することによって実施されることを特徴とする請求項1または2に記載の装置。   Another mechanism is provided at least temporarily for measuring the flow rate of the unsteady flow, and an algorithm for calibrating the coefficient of the unsteady Bernoulli equation in the evaluation unit is an unsteady Bernoulli equation for the unsteady flow. 3. An apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that it is implemented by comparing the mean value of the solution with the solution for a steady flow. 非定常流れを定常流れにするための鎮静区間、ならびに定常流れの流量測定のためのさらなる機構が設けられており、前記評価ユニット内において、非定常ベルヌーイ式の係数を較正するためのアルゴリズムが、非定常流れに対する非定常ベルヌーイ式の解の平均値を、定常流れに対する解と比較することによって実施されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の装置。   A sedation section for making the unsteady flow a steady flow, as well as a further mechanism for measuring the flow of the steady flow, are provided, and within the evaluation unit, an algorithm for calibrating the coefficients of the unsteady Bernoulli equation 4. The device according to claim 1, wherein the device is implemented by comparing the mean value of the unsteady Bernoulli solution for unsteady flow with the solution for steady flow.
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