一种封闭管道内流量不稳定液体测量装置及其测量方法与流程

本发明属于液体流量测量
技术领域：
，具体涉及一种封闭管道内流量不稳定液体测量装置及其测量方法。
背景技术：
：封闭管道流体计量是工业过程控制中非常重要的一部分。流量测量问题一般都来源于对满管道流体的计量与控制需求，而且大多数流量传感器是基于满管道状态的流量测量方法。但随着工农业生产和社会用水量的不断增加，在污水排放流量监测以及水资源输送计量领域中，流量不稳定及非满管流量测量问题有了越来越多的需求。近年来，我国对水资源输送和排放的安全与管理正日益重视。水资源系统的给排输送管道常常处于非满管、流量不稳定状态。如果缺乏相应的流量测量方法及装置，显然难以满足管道给排流量管理的节能减排监测要求。流量不稳定及非满管流体都存在着自由表面的水流运动的特点。针对这一特点，明渠是目前常采用的计量方法之一。明渠在部分水利工程中取得了一定的成绩,但对非满管流量计量是有一定局限的，明渠在对污水处理中，尤其在有毒有害的污水处理中是不能使用的。另一种计量非满管流体的方法是：“液位计+流量计”。但是利用多传感器解决非满管计量存在着成本高、后期维护困难、不能实时计量等问题。尤其在计量有毒有害流体时，多传感器的使用受到了极大的限制。还有超声波流量计，在销售时声称可以进行“非满管”状态下的流量测量，但是当流速低、流量不稳定，且液面低于总液位50％的情况下，均无法进行准确测量。当流量不稳定，甚至管道非满的状态下，需要解决的关键技术是流量与非满管液位变化(一般考虑流体充满度范围为10％～100％)的关系。本发明提出了一种，在封闭管道时，针对流体流量不稳定、非满管的状态，解决工业现场对流量的准确测量的装置及方法。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种非满管状态下测量精准的封闭管道内流量不稳定液体测量装置及其测量方法。基于上述目的，本发明采用如下技术方案：一种封闭管道内流量不稳定液体测量装置，包括管道，管道两端分别设置有进水口和第一出水口；管道上还设置有标准表电磁流量计，标准表电磁流量计与进水口之间设置有称重法流量测量机构；标准表电磁流量计与第一出水口之间设置有流量平稳器；流量平稳器与第一出水口之间设置有超声波流量计；超声波流量计与第一出水口之间设置有玻璃视窗，流量平稳器、超声波流量计和玻璃视窗均设置在管道上。进一步的，标准表电磁流量计的绝缘管壁上下铺设有四对电容电极，四对电容电极环绕绝缘管壁均匀分布；任一电容电极均为圆弧状，任一电容电极的中心张角均为40°，任意相邻两个电容电极之间的间隙均相等；四个连续的电容电极为正极板，与正极板相对的四个电容电极为负极板，正极板与负极板分别位于绝缘管壁的上下两侧；电容电极组成的圆环外设置有屏蔽罩。进一步的，流量平稳器包括长方体状的第一水箱，第一水箱底部设置有进水管，进水管包括竖直管，竖直管的底端与第一水箱靠近标准表电磁流量计一侧的管道连通，竖直管的顶端连接有弯管，弯管为向下弯的圆弧状的管道；弯管远离竖直管的一端设置有进液口，进液口位于第一水箱的底部；进液口的上方设置有出液口，出液口设置在弯管的上方，出液口与第一水箱远离标准表电磁流量计一侧的管道连通；第一水箱内设置有多个节流孔板，任一节流孔板上均开设有均匀分布的通孔；节流孔板包括与第一水箱的底面平行设置的水平板，任一水平板均与第一水箱的四个侧壁密封连接；节流孔板还包括与水平板垂直设置的竖直板，任一竖直板均与第一水箱的底端和侧壁密封连接，竖直板与第一水箱的顶端未密封连接；竖直板包括交叉设置的横向板和纵向板；第一水箱的顶端设置有呼吸阀。进一步的，超声波流量计夹持在管道上；玻璃视窗为透明的管状，玻璃视窗的两端均与管道连通，玻璃视窗上设置有液位刻度尺，玻璃视窗内设置有电容式液位开关。进一步的，标准表电磁流量计的励磁系统为低频方波励磁；标准表电磁流量计内设置有滤波电路。进一步的，称重法流量测量机构包括与管道连接的换向器，换向器上设置有第二出水口和第三出水口，第二出水口的下方设置有与第二出水口连通的第二水箱；第三出水口的下方设置有与第三出水口连通的承重容器，承重容器下方设置有电子秤，电子秤用来称量承重容器的重量；第二水箱远离换向器的一端与管道连通，第二水箱远离换向器一侧的管道上设置有管道泵。进一步的，换向器与进水口之间设置有金属波纹管，金属波纹管的两端均与管道连通；第二水箱与管道泵之间的管道上设置有手动阀，标准表电磁流量计与流量平稳器之间的管道上设置有手动阀。进一步的，标准表电磁流量计内设置有控制系统，控制系统用于接收电容值信息，控制系统连接有led警示灯。上述的封闭管道内流量不稳定液体测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤1，将被测试部分与进水口和第一出水口连通，液体经进水口依次流向称重法流量测量机构、管道泵、标准表电磁流量计、流量平稳器、超声波流量计、玻璃视窗和第一出水口；步骤2，测量标准表电磁流量计电极的电容值c，通过电容值c计算出管道内液体的液位高度，通过管道内液体的液位高度值计算出管道中液体的流量q1；步骤3，使用称重法流量测量机构测量一段时间内管道中液体的流量q2；通过玻璃视窗观测液面，当液面高度大于管道的50％时，通过超声波流量计测得流量q3，并将q3与q1进行比对。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：金属波纹管，在不同充满度下，可以缓冲对电子秤的冲击力，减小称重法下的电子秤的误差。测量流体的流量通常处于低压或无压的状态，在压损很小，装置总的水头损失随时变化的情况下选用高精度的电子秤保证了整体装置不确定度。带有刻度的玻璃视窗，内部置有电容式液位开关，用于随时监控不同液位，同时也可以通过玻璃视窗上的刻度尺观测液位。两者的数值可以进行比对，减小对液位测量的不确定度。超声波流量计，直接夹在管道上，无需对管道进行拆卸，当充满度为(50～100)％，超声波流量计的读书可以与标准表进行比对，减小标准表的读数不确定度。电容电极外具有屏蔽罩，用来防止对测量电极产生的干扰。电容电极，均匀铺设在绝缘管壁外，尺寸设计上每个电容电极大小一样且两两电极之间的间隙也是一样的。这样的设计为了最大程度测量液位的变化，并保证满足充满度低于50％的测量。理论上，电容电极数量越多，能够测量出的两两极板之间的电容值就越多，测量精度就会越高，准确度也会提高。但如果增加电容电极的数量，对硬件电路的设计在具体实现上会更加复杂，同时增加了其制作成本。本发明4对电容电极，且中心张角40度的设计，不但保证了测量的精度，且在硬件电路的设计实现方面降低了复杂程度及成本。标准表电磁流量计，励磁系统采用低频方波励磁，采用跟随电路及反相电路设计的励磁电路见附图。励磁方式的选择直接影响测量的精度。在流体的流量不稳定的情况下，寻找提供稳定、均匀的磁场是保证装置灵敏度的有效途径。直流励磁易产生极化现象，交流励磁降低了信噪比。而低频方波励磁为标准表电磁流量计提供较均匀的磁场同时，避免了直流励磁、交流励磁的缺点。从整个过程来看，低频矩形波产生的磁场处于周期性变化的过程，是一个交变信号，便于后期的放大和处理。流量平稳器为长方体，为保证管中流体流动平稳和非满管液位的要求，得到更好的测量效果，采用分层设计，在装置顶端设有呼吸阀。呼吸阀保证内部液体与空气的流通，当满管时保证流体的溢出。内部采用节流孔板。当流量不稳定、非满管流量时，装置内部的流速及流量均是不稳定的，对测量造成非常大的误差。孔板的下方边缘和两侧边缘与装置箱体内部密封连接。进液口与出液口连通，但是不在一个水平面上，弯管结构的进液口置于装置底部。当液位从低处逐步上升，逐渐充满装置内的每一层单元，单元即为相邻水平板之间的间隙，整个过程流体与空气交界处保持较平稳的上升或者下降状态。流量平稳器是多个竖直板与水平板交叉设置，构成了n个小储水隔断。当水流入时，储水隔断将逐步被充满，保证了水位的平稳。附图说明图1为本发明实施例1的液体流量不稳定测量装置结构图；图2为本发明实施例1的玻璃视窗示意图；图3为本发明实施例1的标准表电磁流量计的结构示意图；图4为本发明实施例1标准表电磁流量计的励磁激励模块电路图；图5为本发明实施例1的流量平稳器的结构示意图；图6为本发明实施例1标准表电磁流量计的滤波模块电路图；图7为本发明实施例1标准表电磁流量计的电容电极分布示意图。图中：dn50波纹管1、dn50玻璃视窗2、超声波流量计3、dn20手动阀4、标准表电磁流量计5、管道泵6、dn40手动阀7、第二水箱8、电子秤9、承重容器10、换向器11、流量平稳器12、第一水箱13、弯管14、竖直管15、进水口16、第一出水口17、第二出水口18第三出水口19、管道20、支架21、屏蔽罩22、电容电极23、液体24、绝缘管壁25、节流孔板26。具体实施方式实施例1本发明是集标准表法和静态质量法为一体的可测量非满管流量的装置。流量范围：(1～800)m3/h，流体充满度范围为10％～100％。静态质量法下的装置的扩展不确定度为0.06％，标准表法下的装置扩展不确定度为0.2％。其中标准表采用了一种电磁式电磁流量计，该流量计的电极采用4对电容式电极。标准表可以得到液位和平均流速的关系，进而得到液体24流量。一种封闭管道20内流量不稳定液体24测量装置，如图1所示，包括管道20，管道20设置在支架21上，管道20两端分别设置有进水口16和第一出水口17；管道20上还设置有标准表电磁流量计5，标准表电磁流量计5与进水口16之间设置有称重法流量测量机构；标准表电磁流量计5与第一出水口17之间设置有流量平稳器12；流量平稳器12与第一出水口17之间设置有超声波流量计3；超声波流量计3与第一出水口17之间设置有dn50玻璃视窗2。如图1所示，称重法流量测量机构的换向器11与进水口16之间设置有dn50波纹管1，dn50波纹管1的两端均与管道20连通，dn50波纹管1在不同充满度下，可以缓冲对电子秤9的冲击力，减小称重法下的电子秤9的误差；第二水箱8与管道泵6之间的管道20上设置有dn40手动阀7，标准表电磁流量计5与流量平稳器12之间的管道20上设置有dn20手动阀4。如图1所示，称重法流量测量机构包括与管道20连接的换向器11，换向器11上设置有第二出水口18和第三出水口19，第二出水口18的下方设置有与第二出水口18连通的第二水箱8；第三出水口19的下方设置有与第三出水口19连通的承重容器10，承重容器10下方设置有电子秤9，电子秤9用来称量承重容器10的重量；电子秤9选用德国赛多利斯公司的mse524s型天平。mse524s的分辨率为0.1mg，精度是1mg，准确度等级为ⅰ级。测量流体的流量通常处于低压或无压的状态，在压损很小，装置总的水头损失随时变化的情况下选用高精度的电子秤9保证了整体装置不确定度。第二水箱8远离换向器11的一端与管道20连通，第二水箱8远离换向器11一侧的管道20上设置有管道泵6。进一步的，超声波流量计3夹持在管道20上；外夹式超声波流量计3直接夹在管道20上，无需对管道20进行拆卸，当充满度为(50～100)％，超声波流量计3的读书可以与标准表进行比对，减小标准表的读数不确定度。如图1、图2所示，dn50玻璃视窗2为透明的管状，dn50玻璃视窗2的两端均与管道20连通，dn50玻璃视窗2上设置有液位刻度尺，dn50玻璃视窗2内设置有电容式液位开关。带有刻度的dn50玻璃视窗2，内部置有电容式液位开关，用于随时监控不同液位，同时也可以通过dn50玻璃视窗2上的刻度尺观测液位。两者的数值可以进行比对，减小对液位测量的不确定度。如图2所示，t为dn50玻璃视窗2，l1…ln+1为不同液位下的液位开关，dn50玻璃视窗2的流体流出端连接被检测仪表，另一端连接超声波流量计3。超声波流量计3的流体输入端连接流量平稳器12。如图3所示，标准表电磁流量计5的绝缘管壁25外铺设有四对电容电极23，四对电容电极23环绕绝缘管壁25均匀分布；任一电容电极23均为圆弧状，任一电容电极23的中心张角均为40°，任意相邻两个电容电极23之间的间隙均相等；四个连续的电容电极23为正极板，与正极板相对的四个电容电极23为负极板，正极板与负极板分别位于衬里的上下两侧；电容电极23外设置有屏蔽罩22；标准表电磁流量计5内设置有控制系统，控制系统用于接收电容值信息，控制系统连接有led警示灯；控制系统还用于接收dn50玻璃视窗2中液位开关的信息。标准表电磁流量计5采用4对电容片，通过现有技术获得两两电容电极23之间的电容值，经过控制系统处理后得到与液位高度有关的平均流速，进而得到管中流体流量。标准表电磁流量计5传感器的绝缘管壁25外壁铺设4对电容电极23，每个圆弧电极中心张角都为40度。传感器外具有屏蔽罩22，用来防止对测量电极产生的干扰。标准表电磁流量计5的电容电极23，均匀铺设在绝缘管壁25外，尺寸设计上每个电容电极23大小一样且两两电极之间的间隙也是一样的。这样的设计为了最大程度测量液位的变化，并保证满足充满度低于50％的测量。理论上，电容电极23数量越多，能够测量出的两两极板之间的电容值就越多，测量精度就会越高，准确度也会提高。但如果增加电容电极23的数量，对硬件电路的设计在具体实现上会更加复杂，同时增加了其制作成本。本发明4对电容电极23，且中心张角40度的设计，不但保证了测量的精度，且在硬件电路的设计实现方面降低了复杂程度及成本。进一步的，标准表电磁流量计5的励磁系统采用低频方波励磁，采用跟随电路及反相电路设计的励磁电路见附图4。励磁方式的选择直接影响测量的精度。在流体的流量不稳定的情况下，寻找提供稳定、均匀的磁场是保证装置灵敏度的有效途径。直流励磁易产生极化现象，交流励磁降低了信噪比。而低频方波励磁为标准表电磁流量计5提供较均匀的磁场同时，避免了直流励磁、交流励磁的缺点。从整个过程来看，低频矩形波产生的磁场处于周期性变化的过程，是一个交变信号，便于后期的放大和处理。如图6所示，标准表电磁流量计5采用滤波电路，此电路保证一定的响应速度下,有较强的抗干扰能力。s1a、s1b和s2a、s2b是同步开关。当s1a、s1b、s2a、s2b断开,输入信号不对电容充电,此时电容只进行电位保持。当s1a和s1b闭合时,信号对电容由上向下充电,当s2a和s2b闭合时,信号对电容充电方向仍由上向下。如图5所示，流量平稳器12包括长方体状的第一水箱13，第一水箱13底部设置有进水管，进水管包括竖直管15，竖直管15的底端与第一水箱13靠近标准表电磁流量计5一侧的管道20连通，竖直管15的顶端连接有弯管14；弯管14远离竖直管15的一端设置有进液口，进液口位于第一水箱13的底部；进液口的上方设置有出液口，出液口与第一水箱13远离标准表电磁流量计5一侧的管道20连通；第一水箱13内设置有多个节流孔板26，任一节流孔板26上均开设有均匀分布的通孔；节流孔板26包括与第一水箱13的底面平行设置的水平板，任一水平板均与第一水箱13的四个侧壁密封连接；节流孔板26还包括与水平板垂直设置的竖直板，任一竖直板均与第一水箱13的底端和侧壁密封连接，竖直板包括交叉设置的横向板和纵向板；第一水箱13的顶端设置有呼吸阀。流量平稳器12为长方体，为保证管中流体流动平稳和非满管液位的要求，得到更好的测量效果，采用分层设计，在装置顶端设有呼吸阀。呼吸阀保证内部液体24与空气的流通，当满管时保证流体的溢出。内部采用节流孔板26。当流量不稳定、非满管流量时，装置内部的流速及流量均是不稳定的，对测量造成非常大的误差。孔板的下方边缘和两侧边缘与装置箱体内部密封连接。进液口与出液口连通，但是不在一个水平面上且，弯管14结构的出液口置于装置底部。当液位从低处逐步上升，逐渐充满装置内的每一层单元，整个过程流体与空气交界处保持较平稳的上升或者下降状态。流量平稳器12对于标准表准确测具有非常重要的作用，流量平稳器12是多个竖直板与水平板交叉设置，构成了n个小储水隔断。当水流入时，储水隔断将逐步被充满，保证了水位的平稳。当装置对流量不稳定(非满管)液体24进行测量时，将被测量部分与管道20的入水口和第一出水口17连通；水从水箱由管道泵抽至管道20，水流经被测流量计和流量工作标准，比较两者的输出流量，从而确定被检流量计的计量准确性和重复性。实施例2上述的封闭管道20内流量不稳定液体24测量装置的测量方法，包括以下步骤，步骤1，将被测试部分与进水口16和第一出水口17连通，液体24经进水口16依次流向称重法流量测量机构的换向器11，液体24通过换向器11将分别流到称重容器和第二水箱8，管道泵6将第二水箱8中的液体24抽出，液体24流向标准表电磁流量计5、液体24流入标准表电磁流量计5时，非满管标准表电磁流量计5开始对流体进行计量。当流量小，液位低时，被测流体不能充满测量管道20，传统液体24计量仪表无法进行准确计量。当低流量，液位不充满测量管道20时，平均流速与液位具有一定的关系，因此要获得流速的准确参数，是解决非满管电磁流量计计量的关键技术。液体24流过水流量平稳器12时，如图5所示，液体24从下方的弯管14流入，通过节流孔板26，孔板上方有呼吸阀，与空气连通。液体24从低液位慢慢充满每一层孔板，整个过程中，保证了液位的平稳上升，然后液体依次流过流量平稳器12、超声波流量计3、dn50玻璃视窗2和第一出水口17。步骤2，传感器内部，也即绝缘管壁25内部，流体的相对介电常数ε1，空气的相对介电常数ε2，流体所占绝缘管壁25内的体积是是v1，空气所占绝缘管壁25内的体积是v2，等效的相对介电常数εε＝(v1/v)·ε1+(v2/v)·ε2(1)ε＝[(v-v2)]·ε1+(v2/v)·ε2＝(v2/v)·(ε2-ε1)(2)式中，v为两相流的总体积：v＝v1+v2(3)定义离散相浓度为：β2＝v2/v(4)可得电容测量值c为：c＝k·ε＝k·f(v2/v)＝k·f(β2)(5)式中，k为系数，k与空气、液体24电特性，及绝缘管壁25的结构特性等有关。当液位高度不同时，管内液体24的横截面积不同，管内液体24体积不同，两种物质等效的相对介电常数不同，则两电极极板之间电容值发生变化。通过上式将电容值与绝缘管内液位高度建立关系。建立电容与液位之间的关系，来测量非满管流动液体24不同高度下电容值，实现对非满管电磁流量计液位参数的测量。当满管状态下，传感器的感应电势e：式中，b为磁感应强度；为液体24的平均流速；d为有效测量管径，当满管时d为绝缘管壁25的内径。当液位低时，式(1)中的d与液位h有关。流体流过管内的实际流量值：式中，q为绝缘管壁25内实际流量；a为液体24流过绝缘管壁20的截面积；为液体24的平均流速式中，h为液面高度，d为绝缘管壁25的内径如图3所示，标准表电磁流量计采用电容式电极。本发明的电容式电磁流量计测量液位参数是根据权重函数对不同液位下的流速信号进行计算。测量管与衬里之间设置4对电容器的极板，在管中流动的导电液体24及测量管衬里作为电容器的介质。当绝缘管壁25内流过液体24高度变化时，极板和液体24等效电容的角度也发生改变，则电容电极23之间的电容值大小也发生改变。液位的高度决定了电容器两极板间的电容值。为了计算液位与电容的关系，构建如图7所示的计算模型。将4对电容电极23进行编号：1,1’；2,2’；3,3’；4,4’。由图7可得到几何量之间的关系：d＝r(cosβ-cosα)(9)a＝r(sinα-sinβ)(10)式中r为绝缘管壁20内壁的半径。通过几何关系式(9)-(10)能够得出对称圆弧柱板电容器单位长度的电容值c：式中，ε0为相对介电常数。因此当不同液位h时，α、β变化，电容电极23之间数值发生改变(式(6))，此时，两电容电极23间测量的电容值也发生变化，这样建立极板间的电容值c与流过非满管绝缘管壁20内液位高度h的函数关系，测量电容值，通过电容值c计算出绝缘管壁25内液体24的液位高度h，通过绝缘管壁25内液体24的液位高度值h计算出绝缘管壁25中液体24的流量q1。步骤3，使用称重法流量测量机构测量一段时间内管道20中液体24的流量q2；当流量不稳定液体测量装置开始工作的时候，通过图2的dn50玻璃视窗2可以观测到液面，同时触发启动液位开关，通过图3中的控制系统记录液位高度。当液体24流量达到一定高度，即液位超过50％，超声波流量计3的读数q3可以与标准表的读数q1进行比对，比对后对标准表的读数进行校准。当该装置出现故障，比如无法实现计量或者液体24没有实现系统内循环时，控制系统无法接收电容值，图3的标准表电磁流量计发出报警信号，并通过led提醒。本次计量完毕。所测量的数据可以通过显示终端(如图3)显示，也可以通过通讯端口实现与其他设备之间的数据传输及共享。国内现有的非满管流量装置的误差在15％左右，而本实验装置在连续工作一天的情况下，测得的数据与实际的产量见下表。从下表可以看出相比误差在5％左右，测量的精度有了很大的提高。实际流量(m3)测试流量(m3)误差(％)27.3425.975.0128.5627.274.5925.6124.374.9225.6924.335.0826.6523.604.2624.3723.145.0422.3421.215.06当前第1页12