CN108132135A - 一种管路流阻测量装置及其测量方法 - Google Patents

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李涛
王晓东
王智刚
于炳军
张玉卓
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Abstract

本发明涉及一种管路流阻测量装置及其测量方法，装置包括储罐、泵、标准流阻器A、标准流阻器B、标准流阻器C、标准流阻器D、电磁阀、堵头、压力传感器、温度传感器、数据采集卡、计算机；一种管路流阻测量方法，储液罐内液体，流体通过泵吸后，并行流过已知流阻的管路A和管路B串接组成的管路，以及待测流阻管路X和已知流阻管路C、已知流阻管路D串接组成的管路；本发明结构简单、稳定、精准。本发明可以测量任何复杂结构的管路流阻，本发明相对一般的测量方法，既不控制压力也不控制流量，减少了***复杂度和成本。

Description

一种管路流阻测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及到测量领域中流阻测量方法，准确的说是一种管路流阻测量装置与方法。
背景技术
在液体或气体的输送管路中，管路流阻的大小影响着整个管路***的传输流量和传输流量控制。比如在航空航天领域，一套液路或气路传输***必须精确的计算出每一段管路的实际流阻，以便配合其流量控制***实现流体传输精确控制。同理在石油、化工、医药等领域管路流阻测量也是非常重要的。
一般的管路流阻特性的测量方法一般有以下三种，一种为给管路***固定流量，然后直接测管路***两端压力差，最后得出流阻。另一种是给管路***固定挤推压力，测流量变化；这两种种方法的缺点是需要额外的压力或流量控制，而且只能测量整体流阻，对于较复杂管路***来说，只能先设计组装完成再测量流阻，如果流阻特性不满足需求，改动也无从下手。另一种方法是直接测量管路物理特征，如管路的长度内径等物理特征，通过计算来计算出管路的流阻。但是，在非规则形状的管路，其测量会变得相当复杂，甚至无法测量，进而无法计算。
还有一种需求是测量阀门、过滤器等可变化的流阻，比如过滤器，当过滤器长时间使用后由于堵塞等原因，流阻增大，如果用第一种方法测量，假设管路***中有多个过滤器，到底是哪一个过滤器堵塞了，测量起来就会非常复杂、繁琐。如果用第二种方法测量，根本无法测量其物理特征，进而无法测量。
针对以上管路流阻测量的不足，设计一种既不用控制压力也不用控制流量还能够测量任何结构管路流阻的方法或装置是非常必要的。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种新的流阻测量方法和装置，利用并联管路“平衡状态”，得出测量零点，根据管路“非平衡状态”推导出压力差与流阻的关系，进而实现流阻测量。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种管路流阻测量装置，包括储液罐、泵、流阻器支路、传感器和计算机；
储液罐的输出管路经依次设置的泵、流阻器支路后连接至储液罐返回口；储罐内设有温度传感器；流阻器支路为若干条且并联；支路上设有压力传感器；
所述温度传感器和压力传感器与计算机连接。
所述流阻器支路为两条。
所述流阻器支路包括顺序连接的两段管路；两段管路之间设有压力传感器。
所述流阻器支路内末端设有堵头，用于接入待测管路；与电磁阀并联。
所述储液罐与流阻器支路之间的管路上设有压力传感器。
一种管路流阻测量方法，包括以下步骤：
将待测管路X接入某一流阻支路内末端并封闭，开启并联的电磁阀；
储液罐内液体通过泵吸后，并行流过流阻支路；流体在流阻支路的末端汇合后流入储液罐；
管路平衡时，关闭电磁阀并接通待测管路X；
在第一流阻支路中串联的管路A、管路B连接处测得压力P1；在第二流阻支路中串联的管路D、管路C连接处测得压力P2；
根据P1、P2获得待测管路X的流阻。
所述管路平衡即P1＝P2。
所述根据P1、P2获得待测管路X的流阻通过以下公式得到：
RX＝|(P1-P2)|*×(8ηLA/(πrA 4)+8ηLD/(πrD 4))2/((8ηLA/(πrA 4))×(P+-P-))；
其中，RX为管路X流阻，且LX/(rX 4)小于LD/(rD 4)的若干倍；P+、P-分别为储液罐主管路与流阻支路入口间、储液罐主管路与流阻支路出口间的压力值。(P+-P-)为主管路端压力,η当前温度下流体粘度；rA、rD分别为管路A、管路D的内径，LA、LD分别为管路A、管路D的长度，rX、LX分别为管路X的内径、长度。
所述管路A、管路B、管路C、管路D满足以下关系：
LA/(rA 4)×LC/(rC 4)＝LB/(rB 4)×LD/(rD 4)
其中，rA、rB、rC、rD分别为管路A、管路B、管路C、管路D的内径；LA、LB、LC、LD分别为管路A、管路B、管路C、管路D的长度。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明结构简单、稳定、精准。
2.本发明的测量机构简单，容易实现，简单的结构和计算方法保证了测量的精度。
3.本发明可以测量任何复杂结构的管路流阻。
4.本发明相对一般的测量方法，既不控制压力也不控制流量，减少了***复杂度和成本。
附图说明
图1为本发明的方法示意图。
其中，201储罐、202流阻A、203流阻D、204流阻C、205流阻B、206压力P1、207压力P2、208出液口、209液体温度T、210主管路压力P。
图2为本发明的装置结构图。
其中，101储罐、102泵、103标准流阻器A、104标准流阻器B、105标准流阻器C、106标准流阻器D、108电磁阀、107堵头、109压力传感器1、110压力传感器2、111温度传感器、112数据采集卡、113计算机、114压力传感器P+、115压力传感器P-；0～7为各部位三通接头标号。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明为了解决上述问题，提供了一种新的流阻测量方法，设计两支路管路“平衡状态”，得出测量零点，根据管路“非平衡状态”推导出压力差与流阻的关系，进而实现流阻测量，其推导方法为：
根据泊肃叶定律有：Q＝△P/R；Q为体积流量、△P为压差、R为流阻。
当两个管路在一条通路上连接有：R＝R1+R2；R1、R2分别为两个管路的流阻。
当两个管路分别一条通路上的两个支路上连接有：R＝1/(1/R1+1/R2)；
如图1：设计一种结构，由四根管路在一条通路的两个支路上；
当X流阻为0时有以下关系式：
P1-P2＝RD/(RA+RD)×(P+-P-)-RC/(RB+RC)×(P+-P-)
＝(RB×RD-RA×RC)/((RA+RD)×(RB+RC))×(P+-P-)
RA、RB、RC、RD分别为管路A、管路B、管路C、管路D的流阻；P+、P-分别为主管路上两条支路入口端和出口端的压力；
当其流阻关系满足RA×RC＝RB×RD时，此时只要有稳定层流流体流过有管路A与管路B连接处压力P1等于管路D与管路C连接处压力P2；即P1＝P2；
此状态即为两支路管路“平衡状态”；
当管路D端多加一条管路X时，“平衡状态”被打破，P1≠P2即进入“非平衡状态”；
“非平衡状态”状态下P1-P2与流阻的关系为：
P1-P2＝(RB×(RD+RX)-RA×RC)/((RA+RD+RX)×(RB+RC))×(P+-P-)
＝RB×RX/((RA+RD+RX)×(RB+RC))×(P+-P-)＝RX/((RA/RB+RD/RB+RX/RB)×(RB+RC))×(P+-P-)
＝(RA/(RA+RD)2)×(1/(1+RX/(RA+RD)))×(P+-P-)×RX
当RX远小于RD时有RX＝|(P1-P2)|×(RA+RD)2/(RA×(P+-P-))；本实施例RX小于RD的10倍。
本发明为实现上述目的所采用的实施例如图2：
一种管路流阻测量装置，包括储罐101、泵102、标准流阻器A103、标准流阻器B104、标准流阻器C 105、标准流阻器D 106、电磁阀108、堵头107、压力传感器1 109、压力传感器2 110、压力传感器P+114、压力传感器P-115、温度传感器111、数据采集卡112、计算机113。
储罐的输出管路与泵通过管路相连，储罐上端有温度传感器通过螺纹固定直接深入到储罐内部探入到流体内；
泵出液端通过管路连接到三通接头0的端口1，泵控制端通过电缆连接到计算机；
三通接头0的端口2通过管路连接到压力传感器P+，压力传感器P+信号端与数据采集卡用导线连接；
三通接头0的端口3通过管路连接到三通接头1的端口1；
三通接头1的端口2，通过管路与标准流阻器A入口端连接；
标准流阻器A出口端与三通接头2的端口1用管路连接；
三通接头2的端口2与压力传感器1用管路连接，压力传感器1信号端与数据采集卡用导线连接；
三通接头2的端口3与标准流阻器B用管路连接，标准流阻器B的出口端与三通接头3的端口1用管路连接；
三通接头3的端口2与电磁阀入口端用管路连接，电磁阀出口端与三通接头4端口1用管路连接，电磁阀控制端与数据采集卡通过导线连接；
三通接头3的端口3与堵头1连接；
三通接头4的端口2与堵头2连接；
三通接头4的端口3与三通接头5的端口1用管路连接；
三通接头1的端口3，通过管路与标准流阻器D入口端连接；
标准流阻器D的出口端与三通接头6的端口1通过管路连接；
三通接头6的端口2与压力传感器2通过管路连接，压力传感器2信号端与数据采集卡用导线连接；
三通接头6的端口3与与标准流阻器C用管路连接，标准流阻器C串口端与三通接头5的端口2用管路连接；
三通接头5端口3与三通接头7端口1通过管路连接；
三通接头7端口2与压力传感器P-通过管路连接，压力传感器P-信号端与数据采集卡用导线连接；
三通接头7端口3与储罐入液端用管路连接；
数据采集卡与计算机通过PCI插槽连接；
所述标准流阻器A、标准流阻器B、标准流阻器C、标准流阻器D,满足
LA/(rA 4)×LC/(rC 4)＝LB/(rB 4)×LD/(rD 4)关系；
所述L为管长度，r为管内半径。
一种管路流阻测量方法，包括以下步骤：
储液罐内液体，流体通过泵吸后，并行流过已知流阻的管路A和管路B串接组成的管路，以及待测流阻管路X和已知流阻管路C、已知流阻管路D串接组成的管路；
流体在管路B和管路C的尾端汇合为后回流入储罐；
在管路A与管路B连接处测得压力P1；
在管路D与管路C连接处测得压力P2；
管路A、管路B、管路C、管路D满足以下关系：
LA/(rA 4)×LC/(rC 4)＝LB/(rB 4)×LD/(rD 4)；
当整体管路内平流已知粘度牛顿流体时有：
RAXRC＝RBXRD；
RA、RB、RC、RD为管路A、管路B、管路C、管路D流阻值；
待测管路X流阻通过以下公式算得：
RX＝|(P1-P2)|×(8ηLA/(πrA 4)+8ηLD/(πrD 4))2/((8ηLA/(πrA 4)×(P+-P-))；
RX为管路X流阻，且LX/(rX 4)远小于LD/(rD 4)；(P+-P-)为主管路端压力,η当前温度下流体粘度。
标准流阻器为已知流阻的管路。
所述标准流阻器A、标准流阻器B、标准流阻器C、标准流阻器D满足以下关系：
LA/(rA 4)×LC/(rC 4)＝LB/(rB 4)×LD/(rD 4)；
设计为：
①：标准流阻器A的长度LA＝100mm；内半径rA＝1mm；
标准流阻器B的长度LB＝100mm；内半径rB＝1mm；
标准流阻器C的长度LC＝100mm；内半径rC＝1mm；
标准流阻器D的长度LD＝100mm；内半径rD＝1mm；
②：储罐中为纯净水，水温为20℃，其黏度η大约为1.007；
③：根据：R＝8ηL/(πr4)
则RA、RC、RB、RD均为256.6；
④：开启泵102和电磁阀108待水循环回到储罐看压力传感器1 109、压力传感器2110采集数据是否相同，***是否平衡；
⑤：关闭电磁阀，把设备两个堵头107打开接入待测管路两端。
⑥：采集压力传感器1 109、压力传感器2 110、压力传感器P+ 114、压力传感器P-115分别为P1、P2、P+、P-；
⑦：由RX＝|(P1-P2)|×(RA+RD)2/(RA×(P+-P-))得出待测管路RX值。

Claims (9)

1.一种管路流阻测量装置，其特征在于：包括储液罐、泵、流阻器支路、传感器和计算机；
储液罐的输出管路经依次设置的泵、流阻器支路后连接至储液罐返回口；储罐内设有温度传感器；流阻器支路为若干条且并联；支路上设有压力传感器；
所述温度传感器和压力传感器与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的一种管路流阻测量装置，其特征在于所述流阻器支路为两条。
3.根据权利要求1所述的一种管路流阻测量装置，其特征在于所述流阻器支路包括顺序连接的两段管路；两段管路之间设有压力传感器。
4.根据权利要求1所述的一种管路流阻测量装置，其特征在于所述流阻器支路内末端设有堵头，用于接入待测管路；与电磁阀并联。
5.根据权利要求1所述的一种管路流阻测量装置，其特征在于所述储液罐与流阻器支路之间的管路上设有压力传感器。
6.一种管路流阻测量方法，其特征在于包括以下步骤：
将待测管路X接入某一流阻支路内末端并封闭，开启并联的电磁阀；
储液罐内液体通过泵吸后，并行流过流阻支路；流体在流阻支路的末端汇合后流入储液罐；
管路平衡时，关闭电磁阀并接通待测管路X；
在第一流阻支路中串联的管路A、管路B连接处测得压力P1；在第二流阻支路中串联的管路D、管路C连接处测得压力P2；
根据P1、P2获得待测管路X的流阻。
7.根据权利要求6所述的一种管路流阻测量方法，其特征在于所述管路平衡即P1＝P2。
8.根据权利要求6所述的一种管路流阻测量方法，其特征在于所述根据P1、P2获得待测管路X的流阻通过以下公式得到：
RX＝|(P1-P2)|*×(8ηLA/(πrA 4)+8ηLD/(πrD 4))2/((8ηLA/(πrA 4))×(P+-P-))；
其中，RX为管路X流阻，且LX/(rX 4)小于LD/(rD 4)的若干倍；P+、P-分别为储液罐主管路与流阻支路入口间、储液罐主管路与流阻支路出口间的压力值。(P+-P-)为主管路端压力,η当前温度下流体粘度；rA、rD分别为管路A、管路D的内径，LA、LD分别为管路A、管路D的长度，rX、LX分别为管路X的内径、长度。
9.根据权利要求6所述的一种管路流阻测量方法，其特征在于所述管路A、管路B、管路C、管路D满足以下关系：
LA/(rA 4)×LC/(rC 4)＝LB/(rB 4)×LD/(rD 4)
其中，rA、rB、rC、rD分别为管路A、管路B、管路C、管路D的内径；LA、LB、LC、LD分别为管路A、管路B、管路C、管路D的长度。
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