CN109489745B

CN109489745B - 一种基于数据迭代的流量计量方法

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Publication number: CN109489745B
Application number: CN201811407993.9A
Authority: CN
Inventors: 李国祯; 娄嘉骏
Original assignee: Ningbo Water Meter Co Ltd
Current assignee: Ningbo Water Meter Group Co Ltd
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2020-06-02
Anticipated expiration: 2038-11-23
Also published as: CN109489745A

Abstract

本发明公开了一种基于数据迭代的流量计量方法，其包括以下步骤：(S1)在测量管段内设置多个测量点；(S2)测算每个测量点处的流速U_i和压力值F_i，记录每个测量点在测量管段物理空间中的坐标P_i(xp_i，yp_i，zp_i)；(S3)根据测量点的邻接关系，确定由相邻测量点组成的多面体为最小流体控制单元；(S4)计算相邻两个最小流体控制单元接触面的面流速和面压力；(S5)将求得的面流速和面压力代入流体动量守恒方程和流体质量守恒方程，迭代修订面流速和面压力，直至同时满足动量守恒和质量守恒，数值计算收敛，得到测量管段的连续流场，进而实现测量管段的流量计量。本发明加大了在测量段内的测量范围，提高了流量计量精度。

Description

一种基于数据迭代的流量计量方法

技术领域

本发明涉及流体的流量计量技术领域，更详而言之涉及一种基于数据迭代的流量计量方法。

背景技术

目前，广泛使用的水表种类主要有机械式水表、超声波水表、电磁水表等，但是上述几种水表由于计量原理上的限制导致在实际使用中都还存在着一定的缺陷。

机械式水表利用水流推动水表叶轮旋转，配合计数器积算得出用户的用水量。机械式水表的技术较为成熟，成本比较低，但结构较复杂，压力损失较大，在小流量时误差较大。

超声波水表利用声波在顺水流方向和逆水流方向传播的速度差计算出声道上的平均流速，通过积分得出面平均速度，进而得到体积流量。超声波水表结构简单，压损低，使动流量小。但是超声波水表受使用环境和安装条件影响较大，特别是测量段存在横向速度或涡旋流时，声道上的速度分布发生畸变，影响测量精度。

电磁水表利用法拉第电磁感应定律测量流量，采用全电子化设计，无机械运动部件，压力损失小，能实现很宽的量程比。但是电磁水表工作时励磁电流较大，电池续航能力较差，而且流量变化响应较慢，环境适应性较弱，易受到电磁干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数据迭代的流量计量方法，加大了在测量段内的测量范围，提高了计量精度。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于数据迭代的流量计量方法，其包括以下步骤：

(S1)在测量管段内设置多个测量点；

(S2)测算每个测量点处的流速U_i和压力值F_i，记录每个测量点在测量管段物理空间中的坐标P_i(xp_i，yp_i，zp_i)；

(S3)根据测量点的邻接关系，确定由相邻测量点组成的多面体为最小流体控制单元；

(S4)计算相邻两个最小流体控制单元接触面的面流速，计算相邻两个最小流体控制单元接触面的面压力；

(S5)将求得的面流速和面压力代入流体动量守恒方程和流体质量守恒方程，迭代修订面流速和面压力，直至同时满足动量守恒和质量守恒，数值计算收敛，得到测量管段的连续流场，进而实现测量管段的流量计量。

根据本发明的优选实施例，所述最小流体控制单元为由相邻测量点组成的四面体或六面体。

根据本发明的优选实施例，在所述步骤(S2)中，每个测量点处流速U_i的测算步骤如下：

(S21)将具有多个网格节点的立体网架固定地设置在测量管段内，将网格节点作为测量点，在立体网架的每个网格节点处固定地设置热线探头；

(S22)利用加热装置输出电压E对热线探头进行加热，使得热线探头在流体中保持恒温；

(S23)建立输出电压E与每个测量点处流速U的关系式，计算每个测量点处的流速U：

E²＝A+B·U^m

其中，E为加热装置的输出电压，U为每个测量点处的流速，其中A、B和m为标定常数，在流速已知的测量管段中进行标定得到。

优选地，在建立输出电压E与每个测量点处流速U的关系式之前，对加热装置输出的电信号进行放大补偿，由此来提高数据的精度。

根据本发明的优选实施例，在所述步骤(S2)中，每个测量点处压力值F_i的测算步骤如下：

将具有多个网格节点的立体网架固定地设置在测量管段内，将网格节点作为测量点，在立体网架的每个网格节点处固定地设置微型水压传感器，通过所述微型水压传感器检测获取各测量点处的压力值F_i。

优选地，在设置立体网架时，将设置有微型水压传感器的一侧朝向流体的来路方向。

根据本发明的优选实施例，在所述步骤(S4)中，计算相邻两个最小流体控制单元接触面的面流速和面压力的具体步骤如下：

计算最小流体控制单元内各个测量点的流速U_i的均值，将其作为最小流体控制单元的体流速，取相邻两个最小流体控制单元的体流速均值作为相邻两个最小流体控制单元接触面的面流速；

计算最小流体控制单元内各个测量点的压力值F_i的均值，将其作为最小流体控制单元的体压力，取相邻两个最小流体控制单元的体压力均值作为相邻两个最小流体控制单元接触面的面压力。

本发明的上述以及其它目的、特征、优点将通过下面的详细说明、附图、以及所附的权利要求进一步明确。

附图说明

图1是根据本发明的优选实施例的流量计量方法的流程示意图；

图2是根据本发明的优选实施例的立体网架的截面结构示意图；

图3是根据本发明的优选实施例的立体网架的另一截面结构示意图；

图4是根据本发明的优选实施例的立体网架的另一截面结构示意图；

图5是根据本发明的优选实施例的立体网架的另一截面结构示意图；

图6是根据本发明的优选实施例的立体网架的使用状态示意图，其示出了立体网架固定地设置在测量管段内；

图7是根据本发明的优选实施例的立体网架的另一使用状态示意图，其示出了立体网架固定地设置在测量管段内；

图8是根据本发明优选实施例的最小流体控制单元的立体示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

参看附图之图1至图8，根据本发明的优选实施例的基于数据迭代的流量计量方法将在接下来的描述中被阐明。如附图1所示，所述基于数据迭代的流量计量方法包括以下步骤：

(S1)在测量管段内设置多个测量点；

优选地，所述最小流体控制单元为由相邻测量点组成的四面体或六面体。

具体地来说，在所述步骤(S2)中，每个测量点处流速U_i的测算步骤如下：

E²＝A+B·U^m

值得一提的是，热线探头应设置在所述立体网架的迎水测以减少立体网架自身对水流的影响。另外，不同的网格节点之间应保持一定的距离以减少上游网格节点造成的水流扰动干涉到下游网格节点热线探头的测量，同时应保证一定的网格节点密度来提高测量准确性。

当流体以一定的流速经过所述热线探头时会带走部分热量，为了使所述热线探头恒温，所述加热装置输出至所述热线探头的电压会相应发生变化，因此可以在流速已知的测量管段内建立输出电压E与每个测量点处流速U的关系式。

所述立体网架由具有一定强度的金属丝按照一定的规律链接形成，如附图2至附图5所示，所述网格节点的布置方式可以为流体力学中使用的结构化网格或非结构化网格。本领域技术人员容易理解的是，结构化网格由六面体单元组成，网格节点间的邻接是有序且规律的，迭代计算效率较高；非结构化网格由四面体、三棱柱、或金字塔等单元体组成，网格节点之间的邻接关系是无序、不规则的，每个网格节点可以有不同的邻接网格数，对管段形状的适应性较强。网格节点的布置方式及密度可以通过网格划分软件实现并通过CFD仿真验证。

示例性地，附图2至附图5示出了不同网格节点布置方式的立体网架的截面示意图。需要说明的是，在本发明中所述的截面为测量管段的横截面，也就是说，本发明中所述的截面为垂直于测量管段流通方向的截面。附图2示出了全四面体网格(单个面为三角形)，附图3示出了全六面体网格(单个面为四边形)，附图4示出了全六面体“o”型网格，附图5示出了四面体六面体混合网格。

优选地，构成所述立体网架的金属丝的直径为10微米～100微米，以减小立体网架自身对流体的影响。本领域技术人员容易理解的是，在本发明的所述立体网架的其他可能的优选实施方式中，所述立体网架也可以由其他具有一定强度的材料构成，例如，也可以但不限于为碳纤维材料等。

所述热线探头通过导线连接于所述加热装置，网格节点间的金属丝用于固定所述导线。优选地，所述热线探头和所述导线通过石英涂层密封固定在所述立体网架上，以保持绝缘和稳定。

优选地，所述热线探头为铂丝或钨丝，具有较高的灵敏度，流量较小的情况下也可以实现准确测量。但是本领域技术人员容易理解的是，所述热线探头的种类在本发明的所述流量计量装置中不受限制，在本发明的其他可能的实施方式中，所述热线探头也可以被实施为由其他具有良好导热性的金属所制成，例如可以但不限于为铜、铝、纳等。

优选地，所述热线探头的长度为0.4毫米～0.6毫米，直径为9微米～11微米。

如附图6和附图7所示，其示出了所述立体网架固定地设置在测量管段内的使用状态，测量管段内适于流通气体或液体。所述立体网架的每个网格节点处都设置有热线探头，从而形成覆盖一段流量空间的微检测探头束，根据各个网格节点的流速、压力值、以及空间位置，通过数值算法拟合得到测量管段流体的面速度分布，进而得出体积流量，实现液体和气体的精确计量。

与超声波水表相比，本发明的所述基于数据迭代的流量计量方法通过网格化布点，总测点能够涵盖测量管段全部测量范围，避免了通过有限声道线速度积分获得面速度而产生的误差，提高了计量精度。另外，网格化布点可以实现实时检测测量管段的径向和轴向空间速度分布，并且涵盖一定的测量长度，因此可以实时捕捉流场中存在的横向速度和涡旋流，即使测量管段前端存在阻流件，依然可以实现流量的精确测量。

进一步地来说，在所述步骤(S2)中，每个测量点处压力值F_i的测算步骤如下：

微型水压传感器采用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)微电子机械***技术，通过硅体微机械加工方法制造成尺寸1mm以内的压力敏感芯片，封装成压力探针。由于微型水压传感器具有极小的传感器外形尺寸，使其对流场产生的扰动和影响极小，广泛使用在流体力学和风洞试验中。

示例性地，如附图8所示，以相邻的两个六面体(8个测量点)最小流体控制单元为例，测量点1-12的流速通过步骤(S21)-(S23)求得，则前侧最小流体控制单元的体流速为测量点1、2、3、4、5、6、7、8处的流速的均值，后侧最小流体控制单元的体流速为测量点4、5、6、7、8、9、10、11、12处流速的均值，而由测量点5、6、7、8组成的相邻两个最小流体控制单元接触面的面流速就为相邻两个最小流体控制单元的体流速均值。

同理，参照面流速的计算步骤，取相邻两个最小流体控制单元的体压力均值作为相邻两个最小流体控制单元接触面的面压力。

具体地来说，在所述步骤(S5)中，将求得的面流速和面压力代入流体动量守恒方程，求解得到各个最小流体控制单元接触面的面通量，即流经各个最小流体控制单元接触面的流量；

将求得的面通量代入流体质量守恒方程，迭代修订面流速和面压力，直至面通量符合流体质量守恒方程，数值计算收敛；

计算收敛后获得测量管段的连续流场，即流场中任意时间任意地点的流速和压力值，进而实现测量管段的流量计量。

由于求得的最小流体控制单元接触面上的面流速和面压力都为均值，因此用面流速和面压力求解流体动量守恒方程得到的面通量不能满足流体质量守恒方程，需要对面流速和面压力进行迭代修订直至面通量符合流体质量守恒方程。

流体的动量守恒方程微分形式如下：

其中，

代表动量随时间的变化率；

表示动量的水平对流(advection of momentum)；

表示体积力，包括重力和浮力；

表示由于压力和应力梯度作用在最小流体控制单元上的力。流体动量守恒的物理意义为最小流体控制单元中流体动量的变化率等于作用在最小流体控制单元面上的合应力和所有体积力之和。

流体的质量守恒方程微分形式如下：

其中，

为在最小流体控制单元中质量随时间的变化率；

表示最小流体控制单元的质量对流(convection of the mass)。流体质量守恒的物理意义为最小流体控制单元内流体质量增加量等于流入与流出最小流体控制单元的流体质量差。

在本发明所提供的基于数据迭代的流量计量方法中，由于流体的密度已知，并且通过上述步骤可以求得最小流体控制单面接触面上的面流速，即可求得流经各个接触面的流量(即面通量)，将此面通量代入流体质量守恒方程，若不守恒则可根据预测量与目标值的大小关系对面流速和面压力进行修正，直至面通量符合流体质量守恒方程。

在动量守恒方程中，将测得的面流速和面压力带入动量守恒方程(其中τ_ij切应力由速度梯度和流体粘度系数求得)，若不能守恒则根据目标值对面流速和面压力修正，通过不断迭代，最后当修正后的面流速和面压力能保证质量和动量守恒时，即判定收敛。

运算收敛后即获得了测量管段的连续流场，即流场中任意时间任意地点的流速和压力值已知，由此可以得到任意时刻测量管段内的流量值，达到流量计量的目的。

本领域技术人员容易理解的是，描述流体物理现象的数学模型大部分为微分方程，如流体的质量守恒、动量守恒、以及能量守恒方程。计算机并不能直接求解此类微分方程，计算机通常需要利用数学方法将此类微分方程转化为代数方程，通过求解代数方程获取原微分方程的解。转化方法可以使用有限差分法、有限元法、有限体积法等。

为了实现这种转化，需要引入网格节点，将连续的空间和时间转化为离散的空间和时间，从而在每个网格单元或网格节点获得代数方程。所有网格节点上的代数方程集合在一起，就构成了整个计算域上的代数方程组，求解方程组就可以得到每一个网格单元或网格节点上的物理量。求解代数方程组得到的物理量还是离散的，为了得到节点之间或者单元之间的物理量分布，采用插值法得到近似连续的物理量分布。当计算网格或计算时间间隔足够小的时候，通过插值可以得到非常精确的计算结果。

但是在计算工程问题时，网格数量巨大，采用直接法求解上述代数方程组存在很大的问题，因此求解工程问题这类数量庞大的方程组通常采用迭代法。迭代法利用方程组系数矩阵的稀疏特性，将问题转化为构造一个无穷迭代序列来逐步逼近方程组的解，具有方法简单、所需计算空间小、容易并行等优点，在收敛速度上具有一定的优势。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims

1.一种基于数据迭代的流量计量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在测量管段内设置多个测量点；

S2：测算每个测量点处的流速U_i和压力值F_i，记录每个测量点在测量管段物理空间中的坐标P_i(xp_i，yp_i，zp_i)；

S3:根据测量点的邻接关系，确定由相邻测量点组成的多面体为最小流体控制单元；

S4：计算最小流体控制单元内各个测量点的流速Ui的均值，将其作为最小流体控制单元的体流速，取相邻两个最小流体控制单元的体流速均值作为相邻两个最小流体控制单元接触面的面流速；计算最小流体控制单元内各个测量点的压力值Fi的均值，将其作为最小流体控制单元的体压力，取相邻两个最小流体控制单元的体压力均值作为相邻两个最小流体控制单元接触面的面压力；

S5：将求得的面流速和面压力代入流体动量守恒方程和流体质量守恒方程，迭代修订面流速和面压力，直至同时满足动量守恒和质量守恒，数值计算收敛，得到测量管段的连续流场，进而实现测量管段的流量计量。

2.如权利要求1所述的基于数据迭代的流量计量方法，其特征在于，所述最小流体控制单元为由相邻测量点组成的四面体或六面体。

3.如权利要求1或2所述的基于数据迭代的流量计量方法，其特征在于，在所述步骤S2中，每个测量点处流速U_i的测算步骤如下：

S21:将具有多个网格节点的立体网架固定地设置在测量管段内，将网格节点作为测量点，在立体网架的每个网格节点处固定地设置热线探头；

S22:利用加热装置输出电压E对热线探头进行加热，使得热线探头在流体中保持恒温；

S23:建立输出电压E与每个测量点处流速U的关系式，计算每个测量点处的流速U：

E²＝A+B·U^m

4.如权利要求3所述的基于数据迭代的流量计量方法，其特征在于，在建立输出电压E与每个测量点处流速U的关系式之前，对加热装置输出的电信号进行放大补偿。

5.如权利要求3所述的基于数据迭代的流量计量方法，其特征在于，在设置立体网架时，将设置有热线探头的一侧朝向流体的来路方向。

6.如权利要求1或2所述的基于数据迭代的流量计量方法，其特征在于，在所述步骤S2中，每个测量点处压力值F_i的测算步骤如下：

7.如权利要求6所述的基于数据迭代的流量计量方法，其特征在于，在设置立体网架时，将设置有微型水压传感器的一侧朝向流体的来路方向。