一种可在线校准的气体喷速管流量测量装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种可在线校准的气体喷速管流量测量装置，其包括：管段，其用于气体的流通；喷速管，其被安装置所述管段内，所述喷速管具有第一端口和第二端口；差压变送器，其测量所述喷速管的第一端口和第二端口之间的压力差；其特征在于：在所述管段上设置有透明视窗，所述透明视窗在管壁上的投影覆盖所述喷速管的第二端口在管壁上的投影；在所述管段外侧设置有激光多普勒流速仪，所述多普勒流速仪发出的激光透过所述透明视窗，对所述喷速管的第二端口处的流量进行测量。本发明的喷速管流量测量装置工作可靠，测量准确，校准方法流程清晰，操作方便。
【专利说明】
_种可在线校准的气)体喷速管流量测量装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种气体喷速管流量测量装置，尤其涉及一种基于激光多普勒流速仪 对流量进行在线校准的喷速管流量测量装置。
【背景技术】
[0002] 气体流量测量在能源、环境、制造等领域有着广泛的需求和应用。如天然气的存储 运输，电厂燃烧废气的排放，钢厂高炉炼钢的送风等，都需要对气体流量进行测量。气体流 量计种类诸多，包括涡轮流量计、超声流量计、差压式流量计等。流量计在使用时需进行周 期性校准，才能获得准确的测量结果，满足现场流量测量的要求。在现有的校准模式和条件 下，用户需将流量计从测量管路中拆卸，运输至有校准能力的流量检测实验室，在流量标准 装置上进行校准。完成校准后，流量计被返回给用户，重新安装调试后方可进行流量测量。
[0003] 不同领域行业对气体流量测量需求差异很大。首先，被测气体介质种类多，气体介 质物性参数的差异会影响测量精度。其次，现场流量测量的压力和流量范围宽，需要不同原 理，不同口径的流量计满足测量需求。此外，流量测量现场的安装条件复杂，使用环境多样， 都给准确测量造成了困难。这种困难要求用于流量计校准的流量标准装置具备完善的校准 功能，在各种条件下对不同的流量计进行校准，才可能保证现场测量数据的可靠有效。然而 流量标准装置建设用地面积大，制造运行成本高，能耗多，对用户而言是沉重的负担。此外， 部分用户为了完成校准，不得不停止生产，而拆卸安装和运输流量计也是不菲的支出，这都 造成了经济效益的损失。
[0004] 基于上述问题，具备在线校准功能的流量计被认为是解决问题的有效途径和工 具。然而，目前已有的气体流量计均难以实现实流在线校准。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决气体流量计实流在线校准问题，提出了一种基于激光多 普勒流速仪(LDV)的可在线校准的喷速管流量测量装置，用于封闭管道中气体流量的测量。
[0006] 本发明公开了一种基于激光多普勒流速仪(LDV)的可在线校准的喷速管流量测量 装置，用于封闭管道中气体流量的测量。其中，激光多普勒流速仪可测量喷速管出口处的流 场速度与分布，通过积分流场的速度得到流量，将此流量定义为标准流量。通过比较标准流 量与喷速管流量测量装置得到的名义流量，计算喷速管流量测量装置的校准系数，实现测 量装置的在线校准。喷速管流量测量装置工作可靠，测量准确，校准方法流程清晰，操作方 便。
[0007] 本发明的基于激光多普勒流速仪(LDV)的可在线校准的喷速管流量流量测量装 置;流量计可安装在封闭管道中，在一定的流量下测量差压等状态参数。基于流量计内腔型 面的设计，射流流场核心区的流速呈均匀分布。边界层稳定可测。
[0008] 本发明提供了一种可在线校准的气体喷速管流量测量装置，其包括:管段，其用于 气体的流通;喷速管，其被安装于所述管段内，所述喷速管具有第一端口和第二端口；差压 变送器，其测量所述喷速管的第一端口和第二端口之间的压力差;在所述管段上设置有透 明视窗，所述透明视窗在管壁上的投影覆盖所述喷速管的第二端口在管壁上的投影;在所 述管段外侧设置有激光多普勒流速仪，所述激光多普勒流速仪发出的激光透过所述透明视 窗，对所述喷速管的第二端口处的流量进行测量。
[0009]其中，所述管段为至少两个，且相互连接。
[0010]其中，在所述管段的侧壁上安装有压力变送器。
[0011]其中，所述压力变送器靠近所述喷速管的第一端口。
[0012]其中，所述透明视窗为双层密、封结构。
[0013] 其中，所述管段的直径范围为3~3000mm。
[0014] 其中，所述喷速管的第一端口的直径大于所述第二端口的直径。
[0015] 其中，所述管段形状为圆形、矩形、多边形等形状中的一种、或上述形状的任意组 合。
[0016] 本发明的提供了一种基于激光多普勒流速仪(LDV)的在线校准方法。透过安装在 流量计上的透明视窗，激光多普勒流速仪(LDV)可实现对流场速度分布的测量。流量通过流 场各点的速度积分得到。其中，喷速管内腔曲面的设计可实现一定差压下流场核心区速度 的均匀分布，可实现边界层厚度的有效控制。其中，喷速管的收缩比范围从3:1~9:1。其中， 喷速管流量测量装置差压测量选取的位置经计算设计后选取，可获得当前流量下准确稳定 的差压值。其中，喷速管测量装置校准时需安装透明视窗。依赖装置本身的双层密封机构， 透明视窗可实现在线(不断流)安装拆卸。其中，通过加注一定浓度的示踪粒子，可实现激光 多普勒流速仪(LDV)对气体流速的测量。
[0017] 该方法的优势在于:可实现在线校准，不必在校准时拆卸或重新安装流量计，不必 关断或截停管道中流动的气体。
【附图说明】
[0018] 图1喷速管流量测量装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0019] 为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人 员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。 [0020]图1所示为本发明的喷速管流量测量装置结构示意图。所述测量装置包括第一管 段1、第二管段10和第三管段9,其中，第一管段1和第二管段10之间通过螺栓连接，所述第二 管段10和第三管段9之间也可采用螺栓连接，所述第一管段1、第二管段10和第三管段9之间 不仅可以通过螺栓连接，也可以通过其他的连接方式进行连接。
[0021] 如图1所示的箭头方向为所述测量装置中的气体的流动方向，在所述第一管段1的 侧壁上安装有压力变送器3,所述压力变送器3能够给出管道中的气体对侧壁的压力，所谓 压力变送器是将压力的力学信号转变成电流信号，其中，压力与电子信号中的电压或电流 大小成线性关系，根据电子信号计算出压力的大小。
[0022] 在第一管段1和第二管段10的连接处，进一步连接有喷速管5,所述喷速管5由不锈 钢或其他高强度材料制成，所述喷速管5具有第一端口和第二端口，以及位于所述第一端口 和第二端口之间的弧形管壁;所述喷速管5的第一端口上具有向外延伸的凸缘，优选在所述 凸缘上具有多个通孔，在所述凸缘的两侧具有环形凹槽，可在两个的环形凹槽中设置圆形 的橡皮垫，将第一管段1和第二管段10连接在一起的螺栓穿过所述第一端口的凸缘上的通 孔，将所述喷速管5固定在第一管段1和第二管段10之间，两个橡皮垫分别与第一管段1和第 二管段10配合现实连接处的密封。作为进一步的优选，所述喷速管5可以通过法兰的方式连 接在第一管段1和第二管段10之间。
[0023]所述第一管段1、第二管段10和第三管段9所形成的管道的口径范围在3~3000mm; 所述管道形状为圆管道，矩形管道、多边形管道等形状中的一种、或上述管道的任意组合； 所述管道可以为水平安装，竖直安装或倾斜安装。
[0024] 所述喷速管5的第一端口的直径大于所述第二端口的直径，第一端口的直径向第 二端口方向逐渐减小，减小的方式为按照喷速管的管壁的弧线方式收缩，所述管壁的内表 面和外表面为曲面形式，通过喷速管5的腔体内表面为曲面的设计可实现一定差压下流场 核心区速度的均匀分布，可实现边界层厚度的有效控制。所述喷速管5的第一端口相对于第 二端口具有一定的收缩比，其中，喷速管的收缩为3:1，第一端口的直径是第二端口直径的 三倍，作为进一步的改进，进一步减小所述第二端口的直径，收缩比变为5:1，即第一端口的 直径是第二端口的五倍;作为进一步的优选，减小所述第二端口的直径，收缩比变为9:1，作 为本发明的改进所述收缩比的范围为3:1~9:1，当然根据具体的管道需要，可以对收缩比 进行设置，不局限于3:1~9:1之间，其收缩比的范围可以小于3:1，另外，收缩比的范围也可 以大于9:1。
[0025] 在所述压力变送器3的安装位置与所述喷速管5的第二端口之间设置有差压变送 器4,通过所述差压变送器4可以获得第一管段1与喷速管5的第二端口之间的压力差，从而 通过计算获得管段中的流量大小。
[0026] 在所述第一管段1上具有散射粒子添加器2,所述散射粒子添加器2具有位于第一 管段1中的添加端口，粒子从所述添加端口中被散射出，从而扩散到第一管段1中，从喷速管 5的第一端口进入，从位于第二管段10中的喷速管5的第二端口中喷出，在所述第二管段10 上具有透明视窗8,所述透明视窗8与喷速管5在第二管段10的管壁上的投影具有重叠的部 分，从而所述透明视窗8的范围覆盖所述喷速管5的第二端口，所述透明视窗在管壁上的投 影覆盖所述喷速管的第二端口在管壁上的投影，从所述喷速管5的第二端口中喷出的散射 粒子通过所述透明视窗8可以被观察到。添加到所述第一管段1中的气体中，产生的散射粒 子随气体经喷速管流动至透明视窗处。其中，所述喷速管测量装置校准时需安装透明视窗。 依赖装置本身的双层密封机构，透明视窗可实现在线(不断流)安装拆卸。
[0027] 为了便于管道的安全运行，所述透明视窗8在位置的管道采用双层密封结构形式， 在平时管道正常工作时，采用金属或其他的密封结构形式，两层密封结构均处于密封状态， 在所述两层密封结构之间不存在有气体流量，当准备进行校准之前，将最外层密封结构更 换成透明视窗8,所述透明视窗8优选可采用高透过率的石英玻璃制成，当完成透明视窗8的 更换后，所述两层密封结构中的内层密封结构打开，优选采用自动控制阀门或其他可操控 的方式进行打开。
[0028] 在所述第二管段10中还包括有温度传感器7,所述温度传感器7用于测量所述第二 管段10中的气体的温度。
[0029] 在第二管段10的管道外侧设置有激光多普勒流速仪6,所述激光多普勒流速仪6测 量喷速管5出口处的流速分布，对流速分布进行积分计算，得到流经喷速管的实际流量。
[0030] 在本发明中，流量是由点流速对射流面积的积分得到的。能否准确测量点流速是 实现流量测量的关键。本发明通过激光多普勒流速仪6测量射流流场中各点流速。激光多普 勒流速仪6的测量方式为非接触测量，避免了对射流流场的破坏，不会形成阻塞效应，其测 量的空间分辨率较高，约为2_ 3左右。具体的测量原理如下：
[0031] 如图1所示，位于所述第一管段1的散射粒子添加器2向第一管段1中的添加散射粒 子，所述散射粒子从所述喷速管5的第二端口中喷出，激光多普勒流速仪6的激光透过所述 透明视窗8，照射在所述喷速管5的第二端口的出口附近，激光多普勒流速仪6利用散播在气 体中随动微粒的散射光的多普勒频移获得气体的速度。具体而言，所述激光多普勒流速仪6 采用双光束模式，从所述激光多普勒流速仪6中发出两束相干高斯光，所述高斯光在空间相 交，在相交的区域形成测量体，测量体中形成明暗相间的干涉条纹。当跟随流体的散射粒子 经过测量体时，粒子散射的光强信号的多普勒频率与粒子的运动速度存在关系：
[0033] 其中，λ为发射光的波长，Θ为两束相干光的夹角，f为多普勒频率。式（1)中，
表征了测量体中干涉条纹的间距，f表征了散射粒子穿过测量体的渡越时间，为 激光多普勒测量得到的点流速。式（1)表明：多普勒频率f和条纹间距的测量精度决定了激 光多普勒流速仪LDV的测量精度。激光多普勒流速仪经准确标定后，点流速的测量精度可以 达到0.2 %的测速精度。
[0034] 喷速管流量测量装置的校准过程：当管道中的气体流过喷速管5时，由于喷速管5 的收缩节流，会在喷速管5两侧产生一定的差压。差压和流过喷速管5的流量存在定量关系。 如果通过流量校准实现对喷速管理想测量模型的修正，即准确量化差压和流量的定量关 系，就可以用喷速管测量装置准确测量气体流量。通过应用激光多普勒流速仪测量喷速管5 的第二端口的出口处的流场速度分布，进而对流场速度分布进行积分，可以得到射流体积 流量。由于喷口出口处的射流与上游管道中的流动保持了很好的连续性，因此激光多普勒 流速仪6测量得到的射流流量即为管道中的流量。将射流流量作为标准流量，与喷速管5测 得的名义流量比较，即可实现喷速管测量装置的校准，确定了差压和流过喷速管流量的定 量关系。激光多普勒流速仪测量得到的标准流量q s可由式(2)得到：
[0035] qs = J VLDAdA (2)
[0036] 其中，VLDA为激光多普勒测量得到的点流速。
[0037]在线校准过程:如图1所示:喷速管流量测量装置以法兰连接的方式安装在输气管 道中。气体的绝对压力由喷速管上游管道处取压测得，同时在喷速管5的第二端口的出口处 以环形方式取压，测得喷速管两端的差压。气体的温度由安装在喷速管出口处的温度传感 器7测得。喷速管5的第二端口处出口的内横截面积可在安装前测得，当管道中的气体流经 喷速管流量计时，测量气体的绝对压力，喷速管的差压，气体的温度，可计算得到喷速管当 前的名义流量，名义流量q i可由式(3)得到：
[0039] 其中，Cd喷速管的流出系数，表征了积分流量中射流流场的速度分布与边界层的 修正;A为喷速管出口的面积；△ p为亚音速喷口两端的差压;P为射流流体的密度。
[0040] 本发明通过在测量装置上游安装散射粒子添加器，产生的散射粒子随气体经喷速 管流动至透明视窗处。由激光多普勒流速仪测量喷速管出口处的流速分布，对流速分布进 行积分计算，得到流经喷速管的实际流量。在不同的流量下建立名义流量与实际流量的定 量关系，即可实现对喷速管流量测量装置的在线校准。由式（2)、（3)可得喷速管的流出系 数。
[0042] 在一定的流量范围内得到喷速管的流出系数Cd后，在测量气体流量时，实时测量 喷速管两端的差压，射流气体的温度压力，可计算得到管道中的气体流量。应用激光多普勒 流速仪对喷速管装置进行周期性校准，可保证喷速管装置长期的准确性和稳定性。
[0043] 本发明的激光多普勒流速仪在流速测量中有着广泛的应用，具有准确度高，非接 触测量，动态响应快等优点。
[0044]可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以 限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下， 都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等 同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对 以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围 内。
【主权项】
1. 一种可在线校准的气体喷速管流量测量装置，其包括:管段，其用于气体的流通;喷 速管，其被安装于所述管段内，所述喷速管具有第一端口和第二端口；差压变送器，其测量 所述喷速管的第一端口和第二端口之间的压力差;其特征在于:在所述管段上设置有透明 视窗，所述透明视窗在管壁上的投影覆盖所述喷速管的第二端口在管壁上的投影;在所述 管段外侧设置有激光多普勒流速仪，所述激光多普勒流速仪发出的激光透过所述透明视 窗，对所述喷速管的第二端口处的流量进行测量。2. 如权利要求1所述的气体喷速管流量测量装置，其特征在于:所述管段为至少两个， 且相互连接。3. 如权利要求1所述的气体喷速管流量测量装置，其特征在于:在所述管段的侧壁上安 装有压力变送器。4. 如权利要求1所述的气体喷速管流量测量装置，其特征在于:所述压力变送器靠近所 述喷速管的第一端口。5. 如权利要求1所述的气体喷速管流量测量装置，其特征在于:所述透明视窗为双层密 封结构。6. 如权利要求1所述的气体喷速管流量测量装置，其特征在于:所述管段的直径范围为 3~3000mm〇7. 如权利要求1所述的气体喷速管流量测量装置，其特征在于:所述喷速管的第一端口 的直径大于所述第二端口的直径。8. 如权利要求1所述的气体喷速管流量测量装置，其特征在于:所述管段形状为圆形、 矩形、多边形等形状中的一种、或上述形状的任意组合。
【文档编号】G01F25/00GK105865550SQ201610410545
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】崔骊水, 王池, 李春辉, 邱丽荣
【申请人】中国计量科学研究院