流速测定方法及装置制造方法

文档序号:6165852阅读:164来源:国知局
流速测定方法及装置制造方法
【专利摘要】一种确定管道流体流动流速的方法100。所述方法100包括在所述管道中至少两个位置处测量所述流体的压力101,所述压力通过设置于所述管道上或管道中的传感器测量。流体的波速基于在所述管道中一个位置处测得的流体压力来确定102。流体的流速基于确定的波速并基于在所述管道的两个位置处测得的压力来确定106。一种用于确定流体流经管道的流速的装置被配置成,用于实施所述方法100。
【专利说明】流速测定方法及装置 【技术领域】 [0001]本发明涉及一种测定管道中流速的方法和装置。具体地,本发明涉及测定增压管道中流率的方法和装置。 【背景技术】 [0002]流速或速率是流体在管道内行进的速度。准确测量增压管道中的流速在许多工业、工程研究和实验过程中均很重要。在食品和饮料领域中,产品的质量很大程度上取决于对每种成分的正确测量,并使用实时流量测量进行精确监测。在石油和煤气工业中,流体被从一方出售给另一方,由于传送的流体量可能与需求不符,或者由于单位体积流体的成本增加,因此与流速测量误差相关的成本可能很大。精确的流量测量在内燃机的有效运行中也特别重要,用于保持最佳的燃料与空气的比例以及使废气的排放最小化。 [0003]大多数现有的测量流速的装置/方法只能够测定时间平均流速。由于流体的迅速变化的流动性质,很少有现有技术/装置能够应用于非稳定流的流体。现有技术/装置的例子包括热丝法、电磁流量计和激光多普勒测速(Laser Doppler Velocimetry,LDV)技术。 [0004]热丝法是基于热传递原理。由电路加热的细丝被插入流体在管道中的流动路径中。当流体流经细丝周围的管道时,流体和细丝的对流产生热交换,细丝相应地冷却。流速与保持导线恒温所需的功率成比例。所述热丝法对管道中流体的流动方向不敏感,并且具有侵入性。另外,所述热丝法需要昂贵的维护,不适合现场使用。 [0005]电磁流量计是基于法拉第感应定律(Faraday’s law of induction)。导电流体以直角穿过磁场时产生感应电压。感应电压与该流体速度成比例。电磁流量计由磁性线圈组成,用于产生磁场。当导电流体流经该磁场时,感应出由所述流量计的电极测得的电压。电磁流量计会堵塞流体的流动路径。然而,这种方法具有侵入性,因为需要在管道系统中的流量测量点处插入电磁流量计。此外,该测量计的大小随着管道的尺寸增加。另外,由于法拉第感应定律仅适用于导电流体,电磁流量计受到工作流体的电导率的限制。一些商用电磁流量计可处理电导率低至0.5pS/cm的流体。然而,电导率为10_8μ S/cm的气体管道无法由电磁流量计测量(Doebelin, E.0.(1990) "Measurement systems:application anddesign", McGraw-Hill)。管道的材料也必须是非导电性的,金属管道需要为电磁流量计安装非导电橡胶衬垫以准确运行。 [0006]激光多普勒测速仪(LDV)技术是基于多普勒原理。该技术利用多普勒原理测量局部流速,并确定管道中的速度分布。然后可通过对所测量的管道横截面上的速度分布求和确定流速。在该技术中,相干激光束从激光源发射并被分成两束。使这些激光束的路径在透明管段内部的测量位置处交叉。当两束激光交叉时,产生叠加光波的干涉图样。该图样受到流体中反射粒子的干扰,光密度的改变能够与流速相关联。这一技术的缺点是与设备相关的成本很高,并且流体中需要有反射粒子并且需要用于光束传输的透明管部分。至少这些缺点意味着LDV不适合现场使用。 [0007]Washio提出一种廉价且非侵入性的流速测量方法,该方法需要最低限度的系统改造并且不需要反射粒子(Washio, S., Takahashi, S., Yu, Y.,和 Yamaguchi, S.(1996) "Studyof unsteady orifice flow characteristics in hydraulic oil lines' Journal ofFluids Engineering, Transactions of the ASME, 118 (4),743-748)。Washio 的方法是基于管道压力和流速之间的动态关系。在流量估测点处的流速可由沿着管道测得的两个点处的压力来推导出。由于流体流动的不稳定产生的压力变化可以用应变仪或压电式压力换能器来测量(Catania, A.E.,and Ferrari, A.(2009) "Development and assessment of a newoperating principle for the measurement of unsteady flow rates in high-pressurepipelines", Flow Measurement and Instrumentation, 2O (6),230_240)。使用压力来测定流速是有利的,因为压力换能器可以极低的成本得到且具有相对小的物理尺寸。压力换能器可以齐平地、非侵入地安装到管道的壁中,最小化对流体流动的扰动。
[0008]图1和图2示出了用于在流量估测点处估测流体流速的Washio方法的安装图910和流程图920。用于估测流速的Washio方法包括由以下流速和压头之间的关系来计算流量估测点913处随时间变化的流速:
[0009]
【权利要求】
1.一种确定在管道中流动的流体流速的方法,包括: 在所述管道中至少两个位置处测量所述流体的压力,所述压力通过设置于所述管道上或管道中的传感器测量; 基于在所述管道中一个位置处测得的流体压力来确定流体的波速;以及 基于确定的波速并基于在所述管道中至少两个位置处测得的压力,来确定流体的流速。
2.根据权利要求1所述的方法,还包括,如果确定的流速与预期的流速明显不同,则调节流体流经所述管道的流速。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述波速基于在所述管道中第一对位置处测得的压力确定,所述流速基于在所述管道中第二对位置处测得的压力确定。
4.根据权利要求3所述的方法,其中所述第一对位置与所述第二对位置是相同的,并且使用一对传感器确定波速和在两个位置处测得的压力。
5.根据权利要求3所述的方法,其中所述第一对位置与所述第二对位置不同,并且使用四个传感器。
6.根据权利要求3所述的方法,其中所述第一对位置和第二对位置中仅一个位置相同,并且使用三个传感器。
7.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述波速基于由传感器在一个位置处测得的压力确定。
8.根据权利要求7所述的方法,还包括产生朝传感器传播的瞬态波,所述瞬态波由发生器产生,所述传感器用于感测所述瞬态波。
9.根据权利要求8所述的方法,其中所述流速基于在与波速相同位置处测得的压力和在不同位置处测得的压力确定,其中使用两个传感器。
10.根据权利要求8所述的方法,其中所述流速基于在与波速不同位置处测得的压力确定,并且使用所述发生器和三个传感器。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法,其中所述流体的压力在沿所述管道长度的两个位置处使用两个传感器测得,所述传感器设置于所述管道上或管道中;并且所述流体的波速是基于在每个各自位置处测得的流体压力确定。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法,其中所述波速是至少基于测得的流体压力,通过确定所述两个位置之间管道的传递函数而确定。
13.根据权利要求12所述的方法,其中所述传递函数是来自所述两个位置的压力测量值的比值。
14.根据权利要求12或13所述的方法,其中所述传递函数是来自所述两个位置的傅立叶变换压力测量值的比值。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的方法,其中所确定的波速被用在以下公式中以在不含液压元件的管道中的流量测定点处确定流体的流速:
Pm 、馨 2 JPa22 J\iu



I
16.根据权利要求1-14中任一项所述的方法,其中所述流体在所述管道中流量测定点处的流速由以下公式确定,其中,在为确定流速而进行压力测量的位置之间具有η个液压元件,且在为确定流速而进行压力测量的位置之一和所述流量测定点之间具有m个液压元件,其中η和m是整数:
17.根据权利要求16所述的方法,其中对于流动损失型液压元件,所述矩阵E由下式给出:
18.根据权利要求16所述的方法,其中对于压头损失型液压元件,所述矩阵E由下式给出:
19.根据权利要求16-18中任一项所述的方法,其中所述流体在流量测定点处的流速由以下公式确定,其中在进行压力测量的位置之间具有一个液压元件,且在进行压力测量的位置之一和所述流量测定点之间具有一个液压元件:
20.根据权利要求16-18中任一项所述的方法,其中所述流体在所述管道中流量测定点处的流速由以下公式确定,其中,在进行压力测量的位置之间具有两个液压元件,且在进行压力测量的位置之一和压力测定点之间具有一个液压元件:
21.根据权利要求19所述的方法,其中在所述流量测定点处的流速可由以下公式确
22.根据权利要求15-21中任一项所述的方法,还包括至少基于确定的流体波速和与流态有关的阻力项R来确定流体流经管道的流态和流体在管道中流量测定点处的流速。
23.根据权利要求22所述的方法,其中至少基于流体的雷诺数Re在层流或湍流中确定稳定或非稳定流速的流态。
24.根据权利要求23所述的方法,其中当流体的雷诺数小于约2000时,所述流体被确定为层流,当流体的雷诺数大于约2000时,所述流体被确定为湍流。
25.根据权利要求22所述的方法,其中所述管道的阻力项R基于流态在稳定或非稳定层流的阻力项和稳定或非稳定湍流的阻力项之间确定。
26.根据权利要求25所述的方法,其中所述稳定层流的阻力项Rs基于以下公式:
27.根据权利要求25所述的方法,其中所述稳定湍流的阻力项Rs是基于以下公式:
28.根据权利要求25所述的方法,其中对于非稳定流速,所述管道的阻力项R为稳定层流或稳定湍流的阻力项与由下式给出的非稳定流速的附加阻力项Ru的组合:

29.根据权利要求28所述的方法,其中非稳定层流的权重函数W为:当τ小于或等于0.02时
30.根据权利要求28所述的方法,其中非稳定湍流的权重函数W是:
31.根据权利要求15-30中任一项所述的方法,还包括至少基于所确定的流体波速和所述管道类型特征,确定流体所流经管道的类型以及所述流体在流量测定点处的流速,所述管道类型特征包括管道的特性阻抗Ζ。和传播常数μ。
32.根据权利要求31所述的方法,其中如果所述管道类型不是塑料的,则所述管道的特性阻抗Ζ。和传播常数μ由下式给出:
33.根据权利要求31所述的方法,其中如果所述管道类型是塑料的,则所述管道的特性阻抗Z。和传播常数μ由下式给出:
34.根据权利要求1-33中任一项所述的方法,还包括: 确定所确定的第一对传感器之间的流体流速的第一组信号特征, 确定所确定的第二对传感器之间流体流速的第二组信号特征,和 比较所确定的第一组信号特征和第二组信号特征,以校正所述流体流速的任何误差。
35.根据权利要求34所述的方法,其中所述第一对传感器和第二对传感器包括一个共同的传感器。
36.根据权利要求34所述的方法,其中所述第一对传感器中的传感器与所述第二对传感器中的传感器不同。
37.根据权利要求34-36中任一项所述的方法,其中所确定的第一组信号特征和第二组信号特征包括流速的相位值和幅度值。
38.一种用于确定流体流经管道的流速的装置,包括: 至少两个传感器,设置在所述管道上或管道中用以在所述管道的至少两个位置处测量流体的压力; 连接至所述传感器的处理器,所述处理器用于基于在所述管道的至少一个位置处测得的流体压力来确定流体波速,所述处理器还用于基于所确定的波速和在所述管道中的两个位置处测得的压力来确定流体的流速。
39.根据权利要求38所述的装置,其中所述装置被布置成,如果确定的流速与预期的流速明显不同,则调节流体流经管道的流速。
40.根据权利要求38或39所述的装置,其中所述装置用于基于由传感器在管道的第一对位置处测得的压力来确定波速,并且所述处理器用于基于在管道的第二对位置处测得的压力来确定流速。
41.根据权利要求40所述的装置,其中所述第一对位置与所述第二对位置相同,并在这两个位置处各设置一个传感器。
42.根据权利要求40所述的装置,其中所述第一对位置与所述第二对位置不同,并且在这四个位置处各设置一个传感器。
43.根据权利要求40所述的装置,其中所述第一对位置中只有一个位置与所述第二对位置相同,并且在这三个位置处各设置一个传感器。
44.根据权利要求38-43中任一项所述的装置,其中所述处理器用于基于由第一传感器在一个位置处测得的压力来确定波速。
45.根据权利要求44所述的装置,还包括一个发生器,用于产生朝第一传感器传播的瞬态波,并且所述第一传感器用于检测该瞬态波。
46.根据权利要求45所述的装置,其中所述流速基于由所述第一传感器测得的压力和由第二传感器在另一位置处测得的压力确定,其中使用两个传感器。
47.根据权利要求46所述的装置,其中所述流速基于由不同于所述第一传感器的传感器测得的压力确定,并且使用所述发生器和三个传感器。
48.根据权利要求38-47中任一项所述的装置,还包括两个传感器,所述传感器连接至处理器,用于在沿管道长度的两个位置处测量流体压力,流体的波速基于在每个各自位置处测得的流体压力确定。
49.根据权利要求38-48中任一项所述的装置,其中所述处理器用于至少基于测得的流体压力,通过确定在所述两个位置之间的管道的传递函数来确定波速。
50.根据权利要求49所述的装置,其中所述传递函数是来自所述两个位置的测量值的比值。
51.根据权利要求49或50所述的装置,其中所述传递函数是来自所述两个位置的傅立叶变换测量值的比值。
52.根据权利要求38-51中任一项所述的装置,其中所述处理器用于在以下公式中使用所确定的波速以在不含液压元件的管道的流量测定点处确定流体的流速:
53.根据权利要求38-51中任一项所述的装置,其中所述处理器通过以下公式确定所述管道中流量测定点处流体的流速,其中,在为确定流速而进行压力测量的位置之间具有η个液压元件,且在为确定流速而进行压力测量的位置之一和所述流量测定点之间具有m个液压元件,其中η和m是整数:
54.根据权利要求53所述的装置,其中对于流动损失型液压元件,所述矩阵E由下式给出:
55.根据权利要求53所述的装置,其中对于压头损失型液压元件,所述矩阵E由下式给出:
56.根据权利要求53-55中任一项所述的装置,其中所述处理器用于通过以下公式确定流体在管道中流量测定点处的流速,其中,在进行压力测量的位置之间具有一个液压元件,且在进行压力测量的位置之一和所述流量测定点之间具有一个液压元件:
57.根据权利要求53-55中任一项所述的装置,其中所述处理器用于通过以下公式确定流体在管道中流量测定点处的流速,其中,在进行压力测量的位置之间具有一个液压元件,且在进行压力测量的位置之一和所述流量测定点之间具有一个液压元件:
58.根据权利要求56所述的装置,其中所述处理器用于利用以下公式确定流量测定点处的流速:
59.根据权利要求52-58中任一项所述的装置,其中所述处理器用于基于流体的流态确定所述管道的阻力项R,和至少基于所确定的流体波速和与流态有关的所述阻力项R确定管道中流量测定点处流体的流速。
60.根据权利要求59所述的装置,其中所述处理器用于至少基于流体的雷诺数Re确定层流和瑞流之间的稳定或非稳定流速的流态。
61.根据权利要求60所述的装置,其中当流体的雷诺数Re小于约2000时,所述流体为层流,且当流体的雷诺数Re大于约2000时,所述流体为湍流。
62.根据权利要求59-61中任一项所述的装置,其中所述处理器用于基于流体的雷诺数Re确定层流和瑞流之间的稳定和非稳定流速的阻力项。
63.根据权利要求62所述的装置,其中所述处理器用于基于流态确定管道在稳定或非稳定层流的阻力项和稳定或非稳定湍流的阻力项之间的阻力项。
64.根据权利要求63所述的装置,其中稳定层流的阻力项Rs是基于以下公式:
65.根据权利要求63所述的装置,其中稳定湍流的阻力项Rs是基于以下公式:
66.根据权利要求63所述的装置,其中对于非稳定流速,所述管道的阻力项R为稳定层流或稳定湍流的阻力项Rs与由下式给出的附加阻力项Ru的组合:
67.根据权利要求66所述的装置,其中非稳定层流的权重函数为 当τ小于或等于0.02时,
68.根据权利要求66所述的装置,其中非稳定湍流的权重函数为
69.根据权利要求52-68中任一项所述的装置,其中所述处理器用于至少基于考虑了所述管道的特性而确定的流体波速确定所述管道中流量测定点处流体的流速,所述管道特征包括管道的特性阻抗Z。和传播常数μ。
70.根据权利要求69所述的装置,其中如果所述管道不是塑料的,所述处理器用于使用以下公式来计算管道的特性阻抗Ζ。和传播常数μ:
71.根据权利要求69所述的装置,其中如果所述管道是塑料的,则所述处理器用于使用以下公式来计算管道的特性阻抗Z。和传播常数μ:
72.根据权利要求38-71中任一项所述的装置,其中所述处理器还被配置为: 确定所确定的第一对传感器之间的流体流速的第一组信号特征, 确定所确定的第二对传感器之间的流体流速的第二组信号特征,和 比较所确定的第一组信号特征和第二组信号特征,以校正所述流体流速的任何误差。
73.根据权利要求72所述的装置,其中所述第一对传感器和第二对传感器包括一个共同的传感器。
74.根据权利要求72所述的装置,其中所述第一对传感器中的传感器与所述第二对传感器中的传感器不同。
75.根据权利要求72-74中任一项所述的装置,其中所确定的第一组信号特征和第二组信号特征包括流速的相位值和幅度值。
【文档编号】G01P5/14GK103814277SQ201280032810
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年6月29日 优先权日:2011年6月30日
【发明者】佩德罗·乔斯·李 申请人:佩德罗·乔斯·李
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