CN105067049A - 一种基于旋流原理的差压式流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于旋流原理的差压式流量测量装置及方法，包括一个直径为D的管道，管道内设置有与管壁紧密贴合且静态布置的旋流器，旋流器下游的管道设置有管壁取压管和管中心取压管，管壁取压管和管中心取压管的出口分别与差压变送器的两个流体进口相连通；本发明通过测量同一水平面的压差求得平均流速，再根据平均流速求得流量，和传统的差压式流量计比较起来，所需的直管段大大缩短，压差也大为减小，而且对旋转流动和涡流的情况有极好的适应性；对于多相流体，旋流装置能够将复杂的多相流体整流成关于轴线对称的管内“相分隔”状态，从而更加便于测量。

Description

一种基于旋流原理的差压式流量测量装置及方法

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，具体涉及一种基于旋流原理的差压式流量测量装置及方法。

背景技术

在流量测量领域，差压式流量计占流量计总数的1/3以上，无论从发展历史、应用范围与使用数量来看，它都是当之无愧的第一大类流量计。目前，常用的差压流量计分为两大类：节流式和绕流式。节流式包括标准型(孔板、喷嘴和文丘里管)和非标准型(槽式孔板、多孔板、1/4孔板、弯管、锥形入口孔板等)。绕流式包括环形孔板、环形通道(V型内锥、槽道式等)、均速管等。

标准孔板节流装置的优点是结构简单、应用技术成熟、产品已经实现标准化，是目前工业应用最广泛的流量仪表；但是它的缺点也很多：永久压力损失过大、安装时要求上下游有较长的直管段、量程比窄，仅为3:1、开孔边缘钝化会使它的准确度下降、流体流经节流装置前流束必须与管道轴线平行且不得有旋转流等。虽然喷嘴和文丘里在相同流量和β值时的压损比孔板要低30％～50％，但是喷嘴和文丘里价格昂贵，结构较复杂。

弯管流量计是利用弯管内外侧压差测量流量的差压式流量计，它的优点是花费成本较低、容易安装和使用，缺点是容易出现二次流的干扰，由于流量系数受弯管结构尺寸参数R/D的影响非常敏感，所以非常不容易实现标准化。

对于多相流流量的测量，弯管流量计无法实现，而由于两相流体的流动工况复杂性，孔板、喷嘴、文丘里无法借用统一的经验公式，一般采用组合法进行测量，如LiYuxing等提出的双槽式孔板组合、ZhiqiangSun的文丘里管-涡街流量计组合、ChenquanHua等的槽式孔板-旋进流量计组合、C.H.Hong等提出的孔板或文丘里管-临界流喷咀组合、ShunpeiYamazaki等提出的文丘里管-层流流量计组合等，这些方法在一定的范围内都能正常工作，而一旦超出其测量范围，流量信号就会淹没在强烈的“噪声”中，测量误差随之急剧增大甚至不能工作。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出了一种基于旋流原理的差压式流量测量装置及方法，本发明所需的直管段大大缩短，压差也大为减小，而且对旋转流动和涡流的情况有极好的适应性；对于多相流体，旋流装置能够将复杂的多相流体整流成关于轴线对称的管内“相分隔”状态，从而更加便于测量，由于影响此种方法测量的仅为简单的旋流器，所以相比其他非标准型的差压流量计而言，此种方法和装置更容易实现标准化。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于旋流原理的差压式流量测量装置，包括一个直径为D的管道7，管道7内设置有与管壁紧密贴合且静态布置的旋流器2，旋流器2下游的管道设置有管壁取压管4和管中心取压管5，管壁取压管4和管中心取压管5的出口分别与差压变送器6的两个流体进口相连通。

所述的旋流器2位于管道入口1的下游，两者之间的距离不小于2D。

所述的旋流器2位于管道出口3的上游，两者之间的距离不小于2D。

所述管壁取压管4和管中心取压管5位于旋流器2下游2D～10D处，管壁取压管4的轴线和管中心取压管5的取压口位于同一水平面。

所述管壁取压管4和管中心取压管5处的取压孔直径为0.5～2.0mm。

所述管壁取压管4处取压孔的轴线与管壁垂直。

所述管中心取压管5的取压孔轴线方向和流动方向相同。

一种基于旋流原理的差压式流量测量方法，包括以下步骤：

步骤一、当流体流经管道7中的旋流器2时，由于流体受到旋流器2的束缚，迫使流体按照旋流器2的形状产生涡旋流动，流体绕管中心轴旋转，边旋转边向下游流动，其流动轨迹近似为一螺旋线，流体产生的离心力使得流体在管壁和管中心产生压差，管壁取压管4和管中心取压管5分别取出管壁和管中心的静压，两者的压差通过差压变送器6测量出来；

步骤二、对于旋流器2，流体流量的大小和旋流器2后某一横截面管壁和管中心的压差存在一定关系，取某一横截面的微元流体，单位质量微元体的离心力为它应与压力梯度相平衡，即：

由积分中值定理可知，总存在一个半径r^*，该处的切向流速能代表该截面的切向平均流速则对式(1)对半径从0-R积分得：

式中和r^*分别代表截面的切向平均流速和平均流速对应的平均半径，R代表管道内径；

步骤三、由于流体通过旋流器后是做旋转向上运动，如果旋流器一定，那么轴向平均流速和某个截面的切向平均流速必然存在一个固定的比例关系，而该切向平均流速又与压差的1/2次方成线性关系，也就是说轴向平均流速和某个截面管壁和管中心压差的1/2次方成线性关系：

式中，α代表流量系数，与管道直径、截面位置有关，其值通过实验标定得出；ΔP表示流体介质流经某一截面时管道中心和管壁之间的压降；ρ表示介质密度；

步骤四、对于单相流体，根据公式求得流体的流量；对于多相流体，通过各相的轴向平均流速乘以相应各相的流通截面积，即可得到各相的流量。

本发明的测量原理为：

对于旋流器，流体流量的大小和旋流器后某一横截面上管壁和管中心的压差ΔP存在一定关系，由模拟和实验验证可知，轴向平均流速与该截面管壁和管中心压差ΔP的1/2次方成线性关系，而且离旋流器越远，流量系数α越大；因此只需提前对特定的旋流器结构进行标定，根据测出的旋流器后某一截面的压差值，即可得出管道的轴向平均流速，进而得知流体的流量。

本发明的优点：

本发明和传统的差压式流量计比较起来，所需的直管段大大缩短，压差也大为减小，而且对旋转流动和涡流的情况有极好的适应性；对于多相流体，旋流装置能够将复杂的多相流体整流成关于轴线对称的管内“相分隔”状态，从而更加便于测量，由于影响此种方法测量的仅为简单的旋流器，所以相比其他非标准型的差压流量计而言，此种方法和装置更容易实现标准化。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图2是轴向平均流速与管壁和管中心压差的1/2次方的关系图。

图3是气液两相流(气体流量为2L/min)时，水相流量与管壁和管中心压差的1/2次方的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更详细的说明。

如图1所示，一种基于旋流原理的差压式流量测量装置，包括一个直径为D的管道7，管道7内设置有与管壁紧密贴合且静态布置的旋流器2，旋流器2下游的管道设置有管壁取压管4和管中心取压管5，管壁取压管4和管中心取压管5的出口分别与差压变送器6的两个流体进口相连通。

所述的旋流器2位于管道入口1的下游，两者之间的距离不小于2D。

所述的旋流器2位于管道出口3的上游，两者之间的距离不小于2D。

所述管壁取压管4和管中心取压管5位于旋流器2下游2D～10D处，管壁取压管4的轴线和管中心取压管5的取压口位于同一水平面。

所述管壁取压管4和管中心取压管5处的取压孔直径为0.5～2.0mm。

所述管壁取压管4处取压孔的轴线与管壁垂直。

所述管中心取压管5的取压孔轴线方向和流动方向相同。

一种基于旋流原理的差压式流量测量方法，包括以下步骤：

步骤一、当流体流经管道7中的旋流器2时，由于流体受到旋流器2的束缚，迫使流体按照旋流器2的形状产生涡旋流动，流体绕管中心轴旋转，边旋转边向下游流动，其流动轨迹近似为一螺旋线，流体产生的离心力使得流体在管壁和管中心产生压差。该离心力的大小与流体的切向流速、管道内径、流体的密度及旋流器2的形状等因素有关，管壁取压管4和管中心取压管5可以分别取出管壁和管中心的静压，两者的压差可以通过差压变送器6测量出来；

步骤二、对于旋流器2，流体流量的大小和旋流器2后某一横截面管壁和管中心的压差存在一定关系，分析过程如下所示：

取某一横截面的微元流体，单位质量微元体的离心力为它应与压力梯度相平衡，即：

由旋转理论，由沿半径的切向速度变化规律可知，微元体的切向速度可分为势流旋转区和似固体旋转区，也就是说，存在一个半径为r的圆柱面，在其上切向速度最大，小于该直径的区域称为似固体旋转区，切向速度随半径减小而增大；大于该直径的区域称为势流旋转区，切向速度值与半径r成反比，越靠近轴心，切向速度越大。

由积分中值定理可知，总存在一个半径r^*，该处的切向流速能代表该截面的切向平均流速则对式(1)对半径从0-R积分得：

式中和r^*分别代表截面的切向平均流速和平均流速对应的平均半径，R代表管道内径。

步骤三、要想求流体的流量，必须求得轴向平均流速但是轴向速度的分布规律比切向速度要复杂得多，不能进行简单的理论分析，主要原因是由于实际设备的结构型式多样化。

由于流体通过旋流器后是做旋转向上运动，如果旋流器一定，那么轴向平均流速和某个截面的切向平均流速必然存在一个固定的比例关系，而该切向平均流速又与压差的1/2次方成线性关系，也就是说轴向平均流速和某个截面管壁和管中心压差的1/2次方成线性关系：

式中，α代表流量系数，与管道直径、截面位置等有关，ΔP表示流体介质流经某一截面时管道中心和管壁之间的压降，ρ表示介质密度。

由于管道所有截面的轴向平均流速是一定的，而随着流动方向的进行，旋流强度会逐渐减弱，管壁和管道中心的压差ΔP会逐渐缩小，从而导致不同截面的切向平均流速是不同的，也就是说流量系数α则和截面距离旋流器的远近有关，距离旋流器越远，α的值越大。

为了验证以上结论，我们采用1寸管径(D＝25.4mm)，旋流器采用特定的“8片旋流”，流体介质为水，我们在旋流器下游2.7D和11.8D处分别测得管道中心和管壁的压差，通过改变水的流量，我们绘制出了轴向平均流速与该截面管壁和管中心压差ΔP的关系图。

如图2所示，对于旋流器下游2.7D的位置，与ΔP的关系为：

此时α＝0.5059

对于旋流器下游11.8D的位置，与ΔP的关系为：

此时α＝0.6672

可知，轴向平均流速与该截面管壁和管中心压差ΔP成线性关系，而且离旋流器越远，流量系数α越大。因此只需提前对特定的旋流器结构进行标定，根据测出的旋流器后某一截面的压差值，即可得出管道的轴向平均流速，进而得知流体的流量。

同理，对于多相流，以气液两相流(空气-水)为例，当气液两相流体流经旋流装置后，由于密度差异，会发生“相分隔”现象，即依靠离心力的作用，气液两相流在管内被分隔成关于轴线对称的环形流，中心为气核，管壁为环状液体，两相之间具有清晰光滑的界面。当气体流量为2L/min时，如图3所示，水相流量和该截面管壁和管中心压差ΔP也是呈一定的线性关系，只要通过标定，就可以通过旋流后某一截面的压差计算出流量的大小。

步骤四、对于单相流体，根据公式求得流体的流量。对于多相流体，也可通过各相的轴向平均流速乘以相应各相的流通截面积，即可得到各相的流量。

Claims (8)

1.一种基于旋流原理的差压式流量测量装置，其特征在于，包括一个直径为D的管道(7)，管道(7)内设置有与管壁紧密贴合且静态布置的旋流器(2)，旋流器(2)下游的管道设置有管壁取压管(4)和管中心取压管(5)，管壁取压管(4)和管中心取压管(5)的出口分别与差压变送器(6)的两个流体进口相连通。

2.一种基于旋流原理的差压式流量测量装置，其特征在于，所述的旋流器(2)位于管道入口(1)的下游，两者之间的距离不小于2D。

3.一种基于旋流原理的差压式流量测量装置，其特征在于，所述的旋流器2位于管道出口(3)的上游，两者之间的距离不小于2D。

4.一种基于旋流原理的差压式流量测量装置，其特征在于，所述管壁取压管(4)和管中心取压管(5)位于旋流器(2)下游2D～10D处，管壁取压管(4)的轴线和管中心取压管(5)的取压口位于同一水平面。

5.一种基于旋流原理的差压式流量测量装置，其特征在于，所述管壁取压管(4)和管中心取压管(5)处的取压孔直径为0.5～2.0mm。

6.一种基于旋流原理的差压式流量测量装置，其特征在于，所述管壁取压管(4)处取压孔的轴线与管壁垂直。

7.一种基于旋流原理的差压式流量测量装置，其特征在于，所述管中心取压管(5)的取压孔轴线方向和流动方向相同。

8.一种基于旋流原理的差压式流量测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、当流体流经管道（7）中的旋流器（2）时，由于流体受到旋流器（2）的束缚，迫使流体按照旋流器（2）的形状产生涡旋流动，流体绕管中心轴旋转，边旋转边向下游流动，其流动轨迹近似为一螺旋线，流体产生的离心力使得流体在管壁和管中心产生压差，管壁取压管（4）和管中心取压管（5）分别取出管壁和管中心的静压，两者的压差通过差压变送器（6）测量出来；

步骤二、对于旋流器（2），流体流量的大小和旋流器（2）后某一横截面管壁和管中心的压差存在一定关系，取某一横截面的微元流体，单位质量微元体的离心力为它应与压力梯度相平衡，即：

由积分中值定理可知，总存在一个半径r^*，该处的切向流速能代表该截面的切向平均流速则对式（1）对半径从0-R积分得：

式中和r^*分别代表截面的切向平均流速和平均流速对应的平均半径，R代表管道内径；

步骤三、由于流体通过旋流器后是做旋转向上运动，如果旋流器一定，那么轴向平均流速和某个截面的切向平均流速必然存在一个固定的比例关系，而该切向平均流速又与压差的1/2次方成线性关系，也就是说轴向平均流速和某个截面管壁和管中心压差的1/2次方成线性关系：

式中，α代表流量系数，与管道直径、截面位置有关，其值通过实验标定得出；ΔP表示流体介质流经某一截面时管道中心和管壁之间的压降；ρ表示介质密度；

步骤四、对于单相流体，根据公式求得流体的流量；对于多相流体，通过各相的轴向平均流速乘以相应各相的流通截面积，即可得到各相的流量。