专利名称：干扰输热式流量测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种在管-壳式换热器内部有传热过程的流场中测量液体流量的方法以及相应的测量装置。属于液体流量测量的技术领域。
背景技术：
目前在液体流量的测量技术中，多数对测量流场形态和环境条件有严格要求，譬如要求测点前后有较长距离的直管段，许多工程场合根本满足不了这种要求。如使用最广泛的差压式流量计、涡轮式流量计是在被测流场形态稳定的基础上测取其势能场、速度场中有关差压、平均速度等参数，从而求取流速、流量。因此，它对流场的测量直管段条件要求很高。
电磁式流量计和超声波流量计对流场测量条件也有类似的要求。
容积式流量计虽对直管段没有要求，但是其结构体积较大，在大流量测量时不适合。
科里奥利质量流量计虽对测量系统也无直管段要求，但是它对外界振动干扰比较敏感，而且测量管内壁磨损、磨蚀或结垢会影响测量精度，尤其对薄壁测量时影响显著。这些影响因素在管-壳式换热器工作的环境里表现最突出，显然也不适合。
量热式(或称热式)流量计的测量原理是利用两个带不锈钢套保护的铂RTD温度敏感元件一个为参考头，感应介质的温度；另一个为测量头，被电路部分加热。在两个铂RTD传热头之间存在着温度差(电阻差)，这个温差通过电路转换为电压信号。流体流过传感头时，带走热量。流体带走的热量和流体的质量成比例关系，也和传感头之间的温度有关系，流量越大，两个传感头之间的温差越小。通过温差测量，就可得到气体的质量流量。但是它的缺点是在流场传热强度很大时，由电路外加的功率要很大，所以它一般不适合大流速液体测量，只适合气体流量测量。
由此可见，上述各种流量测量技术均存在一些局限性，不能胜任发明人所介绍的测量场合使用。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种干扰输热式流量测量装置及其测量方法，可以在对液体所处流场形态没有任何要求，但是流场内外须存在着传热现象的场合下测量液体流量。能够在大型管-壳式换热器内部水室这种测点附近流场形态极不稳定，而且还伴有传热等测量条件恶劣的场合下测量流量。
技术方案本发明的干扰输热式流量测量装置包括测量信号采集部分、测量信号处理部分、控制部分；其中，测量信号采集部分包括管-壳式换热器水室、测量传热管、温度测量模块、干扰操作伺服机、活塞阀、测温传感器。测量传热管位于被测流量的场合，测量传热管的两端为管-壳式换热器水室，在每根测量传热管的两端各安装一套干扰操作伺服机，并且在干扰伺服机的阀杆头部配置柔性的活塞阀，活塞阀位于测量传热管液体侧的两个端头，沿活塞阀轴心植入测温传感器，由此组成一副运动的测量探头。测温传感器与温度测量模块连接，温度测量模块的输出端接测量信号处理部分的工控机；工控机的输出端接控制部分的开关控制模块，开关控制模块的输出端通过继电器组接电磁阀，电磁阀的输入端接液压源，电磁阀的输出端通过液压管接干扰操作伺服机控制干扰操作伺服机的动作。
干扰输热式流量测量装置的流量测量方法为1.)将工控机进入测量程序，2.)由工控机发出指令“关闭活塞阀”，则干扰操作伺服机带动活塞阀上的测量传感器，将传热管两端封堵严密，并保持此状态若干时间，期间等待管内液体温度升高到与壳侧流体具有相同的温度，即内外无温差时为止。称此状态下传热管内的储热水平为“高热态”；与此同时，测温传感器和温度测量模块全程测取并采集这一温升动态变化数据，工控机记录下这一动态过程时间；3.)由工控机发出指令“半开活塞阀”，则干扰操作伺服机带动活塞阀上的测量传感器，将封堵传热管两端的活塞部分开启，使得水流可以自由进出传热管内，活塞杆上所携带的测量传感器仍植于传热管内；此时进入传热管内的液体流将不断地输运传热管内热量离开传热管，同时传热管内液温也将按一定规律下降；测量传感器和温度测量模块将全程测取并采集这一温降动态变化数据，工控机记录下这一动态过程时间；4.)由工控机发出指令“全开活塞”，则干扰操作伺服机带动活塞阀全部开启，此时活塞阀上所携带的测量传感器全部退出传热管，位于换热器水室之内，可以测取传热管两端换热器水室内液体温度值，该液温分别代表传热管在此换热工况下的平均进口、平均出口温度，由此导出传热管内平均液温，称此平均液温对应状态下传热管内的储热水平为“低热态”；5.)由工控机发出“运算”指令，计算机将自动调用储存在机内数据库里的上述三个阶段测量与采集的数据供机器运算，运算结果自动显示在工控机屏幕上；至此一个测量过程结束，工控机回到步骤1)状态。
有益效果本测量方法对测点附近的测量管道直管段没有任何要求，被测流场的流体形态若存在涡流、旋转、曲变、紊乱对测量结果不会造成影响。而且流体中含有少许杂质，以及流场内外的振动和电磁场干扰影响等也不会对测量构成威胁。因为从测量原理来说它不是从流体所处的势能场、速度场和电磁场等场效应角度进行测量的，而是基于对流体载热输运量的度量而实现的。
图1是干扰输热式流量测量装置连接关系及活塞阀关闭位置图。
图2是干扰输热式流量测量装置连接关系及活塞阀半开位置图。
图3是干扰输热式流量测量装置连接关系及活塞阀全开位置图。
图4是干扰操作伺服机、活塞阀和测温传感器形位关系图。
图5是流量测量步骤框图，其中，图5a是第一阶段活塞阀关闭测量过程，图5b是第二阶段活塞阀半开测量过程，图5c是第三阶段活塞阀全开测量过程，图5d是第四阶段计算过程。
在以上的图中有干扰操作伺服机1，活塞阀2，测温传感器3，工控机4，管-壳式换热器水室5，测量传热管6，温度测量模块7，开关控制模块8，继电器组9，电磁阀10，液压源11，RS-485通讯电缆12，液压管13，电源14；干扰操作伺服机外套筒1-1，干扰操作伺服机内套筒1-2，活塞阀杆1-3，压缩弹簧1-4，液压管第一接头1-5、液压管第二接头1-6、液压管第三接头1-7。
具体实施例方式
本发明的干扰输热式流量测量装置包括测量信号采集部分、测量信号处理部分、控制部分；其中，测量信号采集部分包括管-壳式换热器水室5、测量传热管6、温度测量模块7、干扰操作伺服机1、活塞阀2、测温传感器3，测量传热管6位于被测流量的场合，测量传热管6的两端为管-壳式换热器水室5，在每根测量传热管6的两头各安装一套干扰操作伺服机1，并且在干扰伺服机1的阀杆头部配置柔性的活塞阀2，活塞阀2位于测量传热管6内的两头，沿活塞阀2轴心植入测温传感器3，由此组成一副运动的测量探头，测温传感器3与温度测量模块7连接，温度测量模块7的输出端接测量信号处理部分的工控机4；工控机4的输出端接控制部分的开关控制模块8，开关控制模块8的输出端通过继电器组9接电磁阀10，电磁阀10的输入端接液压源11，电磁阀10的输出端通过液压管13接干扰操作伺服机1控制干扰操作伺服机1的动作。测量传感器3是运动的呈柔性活塞形状。
在图1中，工控机4发出“活塞阀全关”指令，开关控制模块8通过继电器9控制II、III电磁阀10泄压，而I电磁阀充压，促使干扰操作伺服机1完全伸出(活塞阀2严密关闭)；工控机4指令温度测量模块7采集由测温传感器3测量的液温，并通过通讯电缆12传入工控机4。
在图2中，工控机4发出“活塞阀半开”指令，开关控制模块8通过继电器9控制III电磁阀10充压，而I、II电磁阀泄压，促使干扰操作伺服机1部分退回(活塞阀2半开)；测温传感器3仍留在测量传热管6内。
工控机4指令温度测量模块7采集由测温传感器3测量的液温，并通过通讯电缆12传入工控机4。
在图3中，工控机4发出“活塞阀全开”指令，开关控制模块8通过继电器9控制II、III电磁阀10充压，而I电磁阀泄压，促使干扰操作伺服机1完全退回(活塞阀2全开)；测温传感器3退到管-壳式换热器水室5内。
工控机4指令温度测量模块7采集由测温传感器3测量的液温，并通过通讯电缆12传入工控机4。
在图4中，若液压管接头1-5处充压时，管接头1-6和管接头1-7处在泄压，干扰伺服机内套筒1-2和活塞杆1-3左端受高液压和压缩弹簧1-4力作用向右伸出。
若液压管第一接头1-5处泄压时，液压管第二接头1-6处充压，液压管第三接头1-7处也泄压，干扰伺服机内套筒1-2右端受高液压作用向左退回，活塞杆1-3左端受弹簧力作用向仍右伸出。
若液压管第一接头1-5处泄压时，液压管第二接头1-6和液压管第三接头1-7处在充压，干扰伺服机内套筒1-2和活塞杆1-3右端受高液压均向左退回，压缩弹簧1-4受压迫作用收紧。
在汽-液或水-液、气-液的管-壳式换热器中，假设管程中都是流动着液体，且换热器中的传热量是由壳程传向管程方向的热交换。在基本不影响管-壳式换热器整体换热量的前提下，选择管程中有代表性的传热管若干根(视换热器容量的大小而定)作为测量传热管；在需要测量时它是整个流量测量装置组成的一部分，平时运行时它与换热器其它传热管功能一样。
上述测量装置需配置有控制系统；控制如下三方面的操作(1) 由工控机4、ADAM-4055开关控制模块8、4NIC-K60型电源13和MK型继电器9等组成对液压系统操作的控制。
(2) 由工控机4、ADAM-4015温度测量模块7和测温传感器3等组成对数据采集系统操作的控制。
(3) 由工控机4完成测量结果计算、处理和显示。
二、测量装置的作用本技术是设想把管-壳式换热器的管程系统内部局部管系看作为一个“储热器”，若采用装置中的液压系统对处于稳定换热状态下的这个储热器实施干扰，促使其发生一次由“高储热状态”向“低储热状态”演变的储热量变化过程，期间利用装置中的数据采集系统测取这个变化过程所对应的液体温度变化特性和动态过程时间，以及变化起始和终了两个稳定状态下的管内液温数值。这样被选择用于测量的传热管处在两个稳态下的储热水平和处在动态过程中传入管内的热量就可求知。由于传热管的几何尺寸参数和流经管程液体的物性参数是已知的，因此依据上述测得的各参数可推算出输运热量时所对应的管程内液体的流动速度，进而求得流量。
在实际生产过程中，管-壳式换热器内的热力过程一般要求稳定，状态不允许随意变化。因此，采用人为干涉的方法在换热器管程内局部造成一种无碍大局的区域性扰动，促成其状态发生变化，从而达到测量目的就是本技术的特色之处，也是本测量装置须形成的重要作用之一。另外，本技术对液体流速的测量不是基于对液体所处的流场形态特性的研究，而是从液体输运热量的能力角度分析，导出液体的运动参数。根据这两个特点，姑且称本测量技术为“干扰输热式流量测量技术”。
三、测量的方法和步骤1.)将工控机4进入测量程序，2.)由工控机4发出指令“关闭活塞阀”，则干扰操作伺服机1带动活塞阀2上的测量传感器3，将传热管6两端封堵严密，并保持此状态若干时间，期间等待管内液体温度升高到与壳侧流体具有相同的温度，即内外无温差时为止。称此状态下传热管6内的储热水平为“高热态”；与此同时，测温传感器3和温度测量模块7全程测取并采集这一温升动态变化数据，工控机4记录下这一动态过程时间；3.)由工控机4发出指令“半开活塞阀”，则干扰操作伺服机1带动活塞阀2上的测量传感器3，将封堵传热管6两端的活塞部分开启，使得水流可以自由进出传热管6内，活塞杆上所携带的测量传感器3仍植于传热管6内；此时进入传热管6内的液体流将不断地输运传热管6内热量离开传热管6，同时传热管6内液温也将按一定规律下降；测量传感器3和温度测量模块7将全程测取并采集这一温降动态变化数据，工控机4记录下这一动态过程时间；4.)由工控机4发出指令“全开活塞”，则干扰操作伺服机1带动活塞阀2全部开启，此时活塞阀2上所携带的测量传感器3全部退出传热管6，位于换热器水室5之内，可以测取传热管6两端换热器水室5内液体温度值，该液温分别代表传热管6在此换热工况下的平均进口、平均出口温度，由此导出传热管6内平均液温，称此平均液温对应状态下传热管6内的储热水平为“低热态”；5.)由工控机4发出“运算”指令，计算机将自动调用储存在机内数据库里的上述三个阶段测量与采集的数据供机器运算，运算结果自动显示在工控机屏幕上；至此一个测量过程结束，工控机4回到步骤1)状态。
权利要求
1.一种干扰输热式流量测量装置，其特征是该测量装置包括测量信号采集部分、测量信号处理部分、控制部分；其中，测量信号采集部分包括管-壳式换热器水室(5)、测量传热管(6)、温度测量模块(7)、干扰操作伺服机(1)、活塞阀(2)、测温传感器(3)，测量传热管(6)位于被测流量的场合，测量传热管(6)的两端为管-壳式换热器水室(5)，在每根测量传热管(6)的两头各安装一套干扰操作伺服机(1)，并且在干扰伺服机(1)的阀杆头部配置柔性的活塞阀(2)，活塞阀(2)位于测量传热管(6)内的两头，沿活塞阀(2)轴心植入测温传感器(3)，由此组成一副运动的测量探头，测温传感器(3)与温度测量模块(7)连接，温度测量模块(7)的输出端接测量信号处理部分的工控机(4)；工控机(4)的输出端接控制部分的开关控制模块(8)，开关控制模块(8)的输出端通过继电器组(9)接电磁阀(10)，电磁阀(10)的输入端接液压源(11)，电磁阀(10)的输出端通过液压管(13)接干扰操作伺服机(1)控制干扰操作伺服机(1)的动作。
2.如权利要求1所述的干扰输热式流量测量装置，其特征在于测量传感器(3)是运动的呈柔性活塞形状。
3.一种如权利要求1所述的干扰输热式流量测量装置的流量测量方法，其特征在于该流量测量的方法为1.)将工控机(4)进入测量程序，2.)由工控机(4)发出指令“关闭活塞阀”，则干扰操作伺服机(1)带动活塞阀(2)上的测量传感器(3)，将传热管(6)两端封堵严密，并保持此状态若干时间，期间等待管内液体温度升高到与壳侧流体具有相同的温度，即内外无温差时为止。称此状态下传热管(6)内的储热水平为“高热态”；与此同时，测温传感器(3)和温度测量模块(7)全程测取并采集这一温升动态变化数据，工控机(4)记录下这一动态过程时间；3.)由工控机(4)发出指令“半开活塞阀”，则干扰操作伺服机(1)带动活塞阀(2)上的测量传感器(3)，将封堵传热管(6)两端的活塞部分开启，使得水流可以自由进出传热管(6)内，活塞杆上所携带的测量传感器(3)仍植于传热管(6)内；此时进入传热管(6)内的液体流将不断地输运传热管(6)内热量离开传热管(6)，同时传热管(6)内液温也将按一定规律下降；测量传感器(3)和温度测量模块(7)将全程测取并采集这一温降动态变化数据，工控机(4)记录下这一动态过程时间；4.)由工控机(4)发出指令“全开活塞”，则干扰操作伺服机(1)带动活塞阀(2)全部开启，此时活塞阀(2)上所携带的测量传感器(3)全部退出传热管(6)，位于换热器水室(5)之内，可以测取传热管(6)两端换热器水室(5)内液体温度值，该液温分别代表传热管(6)在此换热工况下的平均进口、平均出口温度，由此导出传热管(6)内平均液温，称此平均液温对应状态下传热管(6)内的储热水平为“低热态”；5.)由工控机(4)发出“分运算”指令，计算机将自动调用储存在机内数据库里的上述三个阶段测量与采集的数据供机器运算，运算结果自动显示在工控机屏幕上；至此一个测量过程结束，工控机(4)回到步骤1)状态。
全文摘要
干扰输热式流量测量装置及其测量方法涉及一种在管－壳式换热器内部有传热过程的流场中测量液体流量的方法以及相应的测量装置，该测量装置的测量传热管(6)位于被测流量的场合，测量传热管(6)的两端为管－壳式换热器水室(5)，在每根测量传热管(6)的两头各安装一套干扰操作伺服机(1)，并且在干扰伺服机(1)的阀杆头部配置柔性的活塞阀(2)，并位于测量传热管(6)内的两头，沿活塞阀(2)轴心植入测温传感器(3)，由此组成一副运动的测量探头，测温传感器(3)通过温度测量模块(7)接工控机(4)；工控机(4)的输出端通过开关控制模块(8)、继电器组(9)接电磁阀(10)，电磁阀(10)的输出端通过液压管(13)接干扰操作伺服机(1)控制干扰操作伺服机(1)的动作。
文档编号G01F1/68GK101038191SQ20071002136
公开日2007年9月19日 申请日期2007年4月10日 优先权日2007年4月10日
发明者杨亚平 申请人:东南大学