一种内外管式液体流量计及流量检测方法与流程

本发明涉及两相流检测技术领域，具体地说是一种内外管式液体流量计及流量检测方法。

背景技术：

差压式流量计是两相流测量中应用最为广泛的流量计之一，是目前公认的在两相流各流型下都能稳定工作的一种流量计。

差压式流量计以分相或均相模型为基础，建立流量与压力降的关系。其中研究历史最长的为节流式差压流量计，差压式的方法基本都见于节流式差压流量计。该流量计具有安装方便、工作可靠等优点，并在多年的研究过程中形成了成熟的国际标准，目前很多厂家推出的多相流测量系统中都含有节流式差压流量计。广泛应用的节流式差压流量计有孔板、文丘里管以及V锥流量计。

对于孔板流量计，流体流经管道内的孔板节流装置，在孔板附近造成局部收缩，节流件前后便产生了压力降，即差压，差压信号与流量大小有关。在孔板流量计的设计上有过许多改进，日本SONIC公司设计开发了一种在流量计算机上对量程比的范围进行选择的孔板流量计，与传统孔板流量计相比，对测量范围进行了扩展；新研究的新型智能孔板流量计，将温度和压力信号直接送入现场流量计算机之中，根据流量变化对温度和压力自动作出补偿。

对于文丘里管流量计，北京航空航天大学的徐立军利用长喉颈文丘里管提出基于分相流模型的湿气测量模型；天津大学的张强等利用长喉径文丘里管用于气液两相流测量，建立了双差压湿气流量测量模型。利用一种节流装置配合其他传感器进行组合测量的方法也得到了大量的研究，黄志尧等采用文丘里管结合电容层析成像技术对油气两相流进行有效测量；徐英等利用内锥和文丘里组合的方式提出了湿气测量虚高模型。

V锥流量计是上世纪八十年代推出的一种新型的差压式流量计，与其他差压式流量计设计理念不同，V锥流量计将流体逐渐收缩到管壁，通过测量锥体前后差压对流体流量等进行测量。相对于孔板、文丘里管等传统差压式流量计，V锥流量计具有压损小、结构稳固、防积污、量程比宽等优点。但是其仍有一些缺点难以克服，例如，V锥流量计尾部为钝体结构，流体流动产生分离，形成大量漩涡并造成较大压力损失；与电磁流量计相比，其量程比相对较窄；L型悬臂结构在大流量时，可能产生振动等。

对于以上所述的孔板、文丘里管和V锥流量计来说，其节流方式都是通过改变流体总的流通面积来实现的，这样势必会对流体本身产生扰动，差压信号不稳定。因此设计内外管差压流量计，流量传感器中变径管的设计使得气液两相流在流经介质流通管时可在不改变流通面积的状况下获得差压；流量传感器在介质流通中的同一截面设置测压孔，因此消除了摩擦阻力对介质流动数据的影响，解决了现有技术在竖直管道上应用差压流量传感器所存在的引压问题。

技术实现要素：

本发明的目的之一就是提供一种内外管式液体流量计，该流量计在现有内外管差压流量计的基础上进行优化设计，消除内管在实验过程中的扰动现象。

本发明的目的之二就是提供一种内外管式液体流量检测方法，该检测方法依赖于上述优化后的流量计，可准确取压，最终准确测出液体流量。

本发明的目的之一是这样实现的：一种内外管式液体流量计，包括：

外管，为圆直管结构，在所述外管的侧壁上开有用于测量外管内液体压力的第一测压孔，在所述外管的侧壁上还开有第二测压孔，所述第二测压孔和所述第一测压孔处于所述外管的同一横截面上且两者关于该横截面中心呈中心对称分布；

内管，置于所述外管内，且位于所述外管的轴心线上；所述内管包括依次连接的大口径管、收缩管和小口径管；所述大口径管和所述小口径管的端部分别与所述外管的两端对齐；测量时液体沿大口径管向小口径管方向流动；在所述内管的大口径管上开有第三测压孔，所述第三测压孔与所述外管侧壁上的第二测压孔相对设置，且所述第三测压孔和所述第二测压孔之间通过引压管相连接；通过引压管可测量内管内的液体压力；

支架，设置在所述外管与所述内管之间的两端部位，用于对所述内管进行支撑和固定；所述支架包括箍带及设置在所述箍带外侧壁上的支撑肋板，所述箍带套接在所述内管两端的外侧壁上，所述支撑肋板的端部嵌接在所述外管的内壁上；

差压变送器，与数据采集单元相接，用于通过所述第一测压孔和所述引压管测量内、外管内液体的压力差；

数据采集单元，分别与所述差压变送器和数据处理单元相接，用于采集内、外管内液体的压力差信号，并将所采集到的信号发送至数据处理单元；以及

数据处理单元，与所述数据采集单元相接，用于根据接收到的信号计算液体的流量，具体计算公式如下：

式(1)中，Q_m是液体的质量流量，C为流出系数，ε为液体的可膨胀系数，β为节流比，A为外管内腔的横截面面积，ρ为上游液体的密度，ΔP为差压变送器所测量的内、外管内液体的压力差；

节流比β的具体计算公式为：

式(2)中，K₁为大口径管和外管之间的环隙面积与小口径管和外管之间的环隙面积之比，K₂为大口径管内腔横截面面积与小口径管内腔横截面面积之比。

优选的，所述收缩管为圆台状结构，所述收缩管的收缩角大于11°且小于21°，收缩管的收缩角满足如下公式：

式(3)中，d₁为大口径管的内径，d₂为小口径管的内径，L为内管的长度，L₁为大口径管的长度，L₂为小口径管的长度。

优选的，在所述箍带的外侧壁上均布有三个支撑肋板。

优选的，所述大口径管的外壁与所述外管的内壁之间的距离大于2mm；节流比β大于0.4且小于0.7。

优选的，所述第一测压孔、所述第二测压孔和所述第三测压孔均为椭圆形开口；所述第三测压孔距大口径管与收缩管交界处的距离大于且小于D为外管的内径。

优选的，所述第一测压孔和所述第二测压孔的连线为水平方向或竖直方向。

本发明在已有内外管差压流量计的基础上进行了优化设计，消除了内管节流件在实验过程中的扰动现象，并在优化后的内外管差压流量装置上进行液相动态试验，得到液相流量的测量模型。已有的内外管差压流量计中内管只能依靠两个取压孔进行固定，并不能使内管节流件在实际流量的测量过程中保持固定不动，这样就会使取压不准确；同时，内、外管间的流动通道不对称，也导致流动不稳定，本发明通过在内管节流件的液体流入与流出的端口位置，分别添加一个轴对称的支架，将内管节流件与外管通过支架固定，减小内管节流件的扰动现象，并且保证液体在内、外管间隙内，除进、出口处支架的阻碍外，可以得到充分流动；同时将内管的大口径管与小口径管延长至外管的端口处，使液体在进、出管段时，得到充分的过渡，流型转变更加平缓，减小流体冲击管壁带来的误差。再有，测压孔对称设置，使取压位置在同一水平面上，且该平面为液体轴心界面。测压孔由原有的圆形开口优化为椭圆形开口(或称扁平形开口)，该设计可以获得测压孔所在位置的平均压力，使测量更加准确。本发明所提供的内外管式液体流量计可以消除来自于轴向与径向的加速度误差，也对来自于其他方向的加速度影响起到缓解甚至消除，使得测量结果更加准确。

本发明的目的之二是这样实现的：一种内外管式液体流量检测方法，包括如下步骤：

a、在外管内的轴心线上设置内管；所述外管为圆直管结构，在所述外管的侧壁上开有第一测压孔和第二测压孔，第一测压孔和第二测压孔处于所述外管的同一横截面上且两者关于该横截面中心呈中心对称分布；所述内管包括依次连接的大口径管、收缩管和小口径管；所述大口径管和所述小口径管的端部分别与所述外管的两端对齐；在所述内管的大口径管上开有第三测压孔，所述第三测压孔与所述外管侧壁上的第二测压孔相对设置，且所述第三测压孔和所述第二测压孔之间通过引压管相连接；

b、在内管的两端设置用于对内管进行支撑和固定的支架；所述支架包括箍带及设置在所述箍带外侧壁上的支撑肋板，所述箍带套接在所述内管两端的外侧壁上，所述支撑肋板的端部嵌接在所述外管的内壁上；

c、使液体自外管的一端流入，且沿大口径管向小口径管方向流动；

d、由差压变送器通过第一测压孔和引压管测量内、外管内液体的压力差；

e、数据采集单元采集差压变送器所测量的内、外管内液体的压力差信号，并将所采集到的信号发送至数据处理单元；

f、数据处理单元根据接收到的液体在内、外管内的压力差计算液体的流量，具体计算公式如下：

式(1)中，Q_m是液体的质量流量，ε为液体的可膨胀系数，β为节流比，A为外管内腔的横截面面积，ρ为上游液体的密度，ΔP为差压变送器所测量的内、外管内液体的压力差；C为流出系数，靠实验来确定，其拟合公式为：

C＝-7.06641×10^-11×ΔP²+4.01831×10^-6×ΔP+0.62071。

节流比β的具体计算公式为：

式(2)中，K₁为大口径管和外管之间的环隙面积与小口径管和外管之间的环隙面积之比，K₂为大口径管内腔横截面面积与小口径管内腔横截面面积之比；节流比β大于0.4且小于0.7。

优选的，所述第一测压孔、所述第二测压孔和所述第三测压孔均为椭圆形开口；所述第三测压孔距大口径管与收缩管交界处的距离大于且小于D为外管的内径；所述大口径管的外壁与所述外管的内壁之间的距离大于2mm。

优选的，所述收缩管为圆台状结构，所述收缩管的收缩角大于11°且小于21°，收缩管的收缩角满足如下公式：

式(3)中，d₁为大口径管的内径，d₂为小口径管的内径，L为内管的长度，L₁为大口径管的长度，L₂为小口径管的长度。

本发明是在理论分析及前期工作经验的基础上，根据液相流动机理，对内外管差压流量计进行管道机构设计，优化的设计方案。通过对液相的流动状态的测试，提取有价值的信号，并进行信号特征提取，研究内外管式液体流量计测量装置的测量方法，验证管道的合理性与可行性。具体是：通过在外管内设置与外管等长的内管，并在内管两端的端口处设置轴对称的支架，支架套嵌在内管外侧壁处并与外管内侧壁相连，对内管进行支撑，可保证测量过程中内管保持固定不动，从而使取压结果准确，保证了后期计算的可靠性；通过外管的第一测压孔和与其同一截面的内管上的第三测压孔，即可获得内、外管同一横截面的差压值，通过内、外管间的差压值即可计算得出液相的流量值。

附图说明

图1是本发明所提供的内外管式液体流量计的结构示意图。

图2是图1中出口端支架的结构示意图。

图中：1、外管，2、大口径管，3、收缩管，4、小口径管，5、入口端支架，6、出口端支架，6-1、箍带，6-2、支撑肋板，7、第一测压孔，8、第二测压孔，9、第三测压孔，10、引压管。

具体实施方式

实施例1，一种内外管式液体流量计。

如图1所示，本发明所提供的内外管式液体流量计包括外管1、内管、支架、差压变送器、数据采集单元和数据处理单元。

外管1为水平放置的圆柱形直管结构；外管1的内径用D来表示，长度用L来表示。内管为节流件，内管设置在外管1内，且内管位于外管1的轴心线上，即外管1轴心线与内管轴心线重合。内管长度与外管1长度L相同，且内管的两端分别与外管1的两端对齐。内管包括依次连接的大口径管2、收缩管3和小口径管4。大口径管2和小口径管4均为直管结构，大口径管2的内径用d₁来表示，长度用L₁来表示；小口径管4的内径用d₂来表示，长度用L₂来表示；收缩管3连接大口径管2和小口径管4，收缩管3为圆台状管，收缩管3的水平长度(即收缩管3轴心线的长度)即为(L-L₁-L₂)，收缩角用来表示，收缩角一般在11°至21°之间收缩角的计算公式如下：

本发明中内管和外管1等长，使得液体在流进收缩管3前以及流出收缩管3后，都具有充分的流动空间，使流型变化更加平缓，减小液体对内管节流件的冲击现象。

支架设置在外管1与内管之间的两端部位，支架包括轴对称的入口端支架5和出口端支架6，通过两个支架可实现对内管的支撑和固定，以便在测量过程中使内管保持不动，减小内管节流件的扰动现象。当液体流过内、外管的间隙处时，两个支架对液体流动的阻碍作用也较小。入口端支架5和出口端支架6的结构相同，以出口端支架6为例进行说明。如图2所示，出口端支架6包括箍带6-1及均匀设置在箍带6-1外侧壁上的三个支撑肋板6-2，三个支撑肋板6-2分别垂直于与各自相接的箍带6-1的外侧壁。箍带6-1套接在小口径管4外侧壁的端部，箍带6-1的外侧壁与小口径管4的外侧壁齐平，具体可通过在小口径管4外侧壁的端部开与箍带6-1厚度相同的缺口来实现。三个支撑肋板6-2的端部嵌接在外管1的内壁上，可在外管1的内壁上开三个与支撑肋板6-2对应的凹槽，使三个支撑肋板6-2分别嵌入对应的凹槽内。每一个凹槽均从外管1的端部开设，从而使得出口端支架6可从液体流出端套接在内管的小口径管4上，并使三个支撑肋板6-2的端部正好卡接在外管1内壁的三个凹槽内。入口端支架5与出口端支架6的结构相同，不再赘述。

当测量液体流量时，液体自外管1的流入端(图1中左端)进入外管1内，在外管1与内管的间隙以及内管内流动(图1中箭头所示即为液体流动方向)，且沿内管的大口径管2向小口径管4方向流动，为防止颗粒物阻塞管道，大口径管2的外侧壁与外管1的内侧壁间的间隙应大于2mm，即满足：

在外管1的侧壁上开有用于测量外管1内液体压力的第一测压孔7，在外管1的侧壁上还开有第二测压孔8，第二测压孔8和第一测压孔7处于外管1的同一横截面上且两者关于该横截面中心呈中心对称分布。在内管的大口径管2上开有第三测压孔9，第三测压孔9与外管1侧壁上的第二测压孔8相对设置，且第三测压孔9和第二测压孔8之间通过引压管10相连接，引压管10伸出到外管1外部。通过引压管10可测量内管内的液体压力。第三测压孔9距大口径管2与收缩管3交界处的距离大于且小于同样，第一测压孔7和第二测压孔8距大口径管2与收缩管3交界处的水平距离也大于且小于这样设置测压孔，是为了在测压之前，保证液体在管道内能得到充分的流动。第一测压孔7、第二测压孔8和第三测压孔9均为椭圆状小孔，三者的尺寸例如均可为2*4mm。本发明中测压孔由原有的圆形开口优化为椭圆形开口(或称扁平形开口)，该设计可以获得测压孔所在位置的平均压力。

第一测压孔7也可连接一个引压管，差压变送器的一端伸入第一测压孔7内，另一端通过引压管10伸入第三测压孔9内，通过第三测压孔9和第一测压孔7可测量内管与外管1内液体的压力差。

数据采集单元分别与差压变送器和数据处理单元相接，数据采集单元从差压变送器处采集内、外管内液体的压力差信号，并将所采集到的信号发送至数据处理单元。数据处理单元根据接收到的压力差信号计算液体的流量，具体计算公式如下：

上式中，Q_m是液体的质量流量(单位为Kg/s)；C为流出系数，靠实验来确定；ε为液体的可膨胀系数，对于不可压液体ε＝1；β为节流比，本发明中β在0.4至0.7之间；A为外管1内腔的横截面面积；ρ为工况压力下，内管节流件上游液体的密度(单位为Kg/m³)；ΔP为差压变送器所测量的内、外管内液体的压力差(或称差压，单位为Pa)。

节流比β的具体计算公式为：

上式中，K₁为大口径管2和外管1之间的环隙面积与小口径管4和外管1之间的环隙面积之比，K₂为大口径管2内腔横截面面积与小口径管4内腔横截面面积之比。K₁和K₂的具体计算公式如下：

实施例2，一种内外管式液体流量检测方法。

如图1～图2所示，本发明所提供的内外管式液体流量检测方法包括如下步骤：

a、在外管1内的轴心线上设置内管。

外管1为水平放置的圆直管结构，在外管1的侧壁上开有第一测压孔7和第二测压孔8，第一测压孔7和第二测压孔8处于外管1的同一横截面上且两者关于该横截面中心呈中心对称分布。内管包括依次连接的大口径管2、收缩管3和小口径管4；收缩管3为圆台状结构；大口径管2和小口径管4的端部分别与外管1的两端对齐，即：内管与外管1等长。在内管的大口径管2上开有第三测压孔9，第三测压孔9与外管1侧壁上的第二测压孔8相对设置，第三测压孔9和第二测压孔8之间通过引压管10相连接，且引压管10伸出到外管1外部。第三测压孔9距大口径管2与收缩管3交界处的距离大于且小于D为外管1的内径；同样，第一测压孔7和第二测压孔8距大口径管2与收缩管3交界处的水平距离与第三测压孔9距大口径管2与收缩管3交界处的距离相等。大口径管2的外壁与外管1的内壁之间的距离大于2mm。

b、在内管的两端设置用于对内管进行支撑和固定的支架。

支架包括对称分布的入口端支架5和出口端支架6。入口端支架5和出口端支架6的结构相同。如图2所示，出口端支架6包括箍带6-1及均匀设置在箍带6-1外侧壁上的三个支撑肋板6-2，箍带6-1套接在小口径管4外侧壁的端部，箍带6-1的外侧壁与小口径管4的外侧壁齐平，三个支撑肋板6-2的端部嵌接在外管1内壁的凹槽上。

c、使液体自外管1的流入端流入，且在外管1内流动时沿内管的大口径管向小口径管方向流动。

d、由差压变送器通过第一测压孔7和引压管10测量内、外管内液体的压力差。

e、数据采集单元采集差压变送器所测量的内、外管内液体的压力差信号，并将所采集到的信号发送至数据处理单元。

f、数据处理单元根据接收到的液体在内、外管内的压力差计算液体的流量，具体计算公式如下：

式(1)中，Q_m是液体的质量流量(单位为Kg/s)；C为流出系数，靠实验来确定；ε为液体的可膨胀系数，对于不可压液体ε＝1；β为节流比；A为外管1内腔的横截面面积；ρ为工况压力下，内管上游液体的密度(单位为Kg/m³)；ΔP为差压变送器所测量的内、外管内液体的压力差(或称差压，单位为Pa)。

节流比β的具体计算公式为：

式(2)中，K₁为收缩管3前后的环隙面积之比，K₂为大口径管2内腔横截面面积与小口径管4内腔横截面面积之比。

本发明中β在0.4至0.7之间，即：

上面几个式子中，D为外管1的内径，d₁为大口径管2的内径，d₂为小口径管4的内径，L为管道总长度，L₁为大口径管2的水平长度，L₂为小口径管4的水平长度，为收缩管3的收缩角。

实施例3，抗加速度影响的实验。

根据经验理论及总管道尺寸的考虑，将收缩管的收缩角定为15°，然后求取不同节流比下大口径管内径值及小口径管内径值，再根据确定的结构尺寸在入口速度为6.119m/s的情况下进行仿真，根据仿真结果得到流量计多处压力值，具体是：①得出内、外管间的差压，②得出外管(或内管)流入端前10D(D即为外管内径)处与流出端后5D处的压力差，此即为压力损失。用压力损失除以差压即得压损比。最终发现当节流比为0.5892时，差压大、压力损失小，压损比小。

本发明提出的内外管式液体流量计具有抗加速度影响的效果，能有效消除轴向及径向高加速度(1g以上的加速度)对测量的影响。为了验证流量计可以有效缓解加速度对测量结果的影响，利用CFD仿真软件进行仿真，同时提取内外管式液体流量计多处压力值(即可得差压和压力损失)。首先在没有重力加速度影响的条件下进行仿真，入口速度设为6.119m/s。然后分别在内外管的轴向、径向及与轴向成45°角方向设置10g加速度，其他设置不变。对以上四种情况分别提取测压孔在以下两种设置方式下的压力值。水平设置指的是第一测压孔和第二测压孔(或第三测压孔)前后相对，即三个测压孔的连线为水平方向。竖直设置指的是第一测压孔和第二测压孔(或第三测压孔)上下相对，即三个测压孔的连线为竖直方向。测压孔在两种不同的设置方式下，所测差压、压力损失及压损比的对比见表1。

表1 不同加速度方向、测压孔不同设置方式下的影响对比表

从表1可以发现，改变测压孔的设置方式，可以减小加速度在测量过程中产生的影响，使测量结果更加准确、可靠。本发明中测压孔在水平设置形式下比竖直设置形式下对减小加速度的影响具有更好的效果。

实施例4，流出系数C的确定。

按照实施例2中的公式(1)求取流出系数C。公式(1)中可膨胀系数ε、节流比β(节流比β按0.5892计算)、外管内腔横截面积A及液体密度ρ均为固定已知量，因此利用差压ΔP及流量值Q_m求取流出系数C。下面在四个流量点(一个流量点即对应一个流量值)下进行计算。在每个流量点下利用差压值求取该流量点下的流出系数，得到四个不同的值。首先利用求平均值的方式对流出系数进行确定，然后利用求均值后得出的流出系数求取质量流量，将所求得的质量流量与已知的流量进行比较，发现误差较大。故不能用此方法来求流出系数C。

由于上面在每个流量点下求流出系数时，只有差压一个变量，因此流出系数与差压存在一定的数量关系，所以本发明中对差压与流出系数进行公式拟合，得到拟合公式见公式(4)，拟合优度达0.994。

C＝-7.06641×10^-11×ΔP²+4.01831×10^-6×ΔP+0.62071 (4)

利用公式(4)得到拟合后的流出系数。根据拟合得到的流出系数进行流量的计算，结果发现误差在0.2％以内。具体数值见表2。

表2 流出系数计算表