适用于液相单相和气液两相的流量校准装置和校准方法与流程

1.本发明属于流量计校准技术领域，尤其涉及适用于液相单相和气液两相的流量校准装置和校准方法。


背景技术：

2.流量校准是保证量值统一、准确、可靠的重要计量工作。校准装置对于量值的溯源以及保证流量计性能的稳定至关重要。
3.随着生物、医药、化工等使用场合的增加，不但传统标准液体流量计的校准工作增加，气液两相流流量计的校准需求也越来越多。
4.目前，大多数的校准装置都是分单相进行的，单相的液体进行流量计的校准。对于两相的，如气-液两相流的校准，由于装置复杂、校准时间过长，所以目前应用不够广泛。
5.以上问题给流量计的校准带来了很多困难，也增加了企业成本。
6.为了解决以上问题，实现气液两相流的校准，现有技术中记载的有侵入式的校准装置，但是，该类装置不但校准过程复杂，而且扰乱了流场分布。
7.随着图像处理技术的发展，很多利用高速相机、核磁共振、ert等技术实施的多相流的流量测量技术，在使用过程中不但成本高，且有些场合不适用，该类装置的体积也很大。
8.综上，亟需一种结构简单、校准速度快的流量计校准装置及方法，能够在不干扰现有流量的情况下实现流量的校准和相关参数的计量。


技术实现要素：

9.本发明旨在提供一种结构简单、使用效果好的适用于液相单相和气液两相的流量校准装置和校准方法。
10.为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：适用于液相单相和气液两相的流量校准装置，包括液相支路、气相支路以及测量主路，液相支路包括依次相连的液体存储单元、第一前端阀门、水泵、标准液体流量计和第一后端阀门；气相主路包括依次相连的气体存储单元、第二前端阀门、压力采集单元、温度采集单元、标准气体流量计和第二后端阀门；测量主路包括依次相连的混相器、测量管道、相含率测量模块和衡器；第一后端阀门和第二后端阀门连接混相器前端，混相器后端连接测量管道，测量管道用于安装被检流量计。相含率测量模块包括数据采集单元和数据处理单元，数据采集单元采集数据并将采集到的数据传输到数据处理单元。
11.数据采集单元包括透明管道、透明管道内壁上设有成对的激光二极管，透明管道外侧套设有光屏蔽罩；成对的激光二极管中，一个为发射端，一个为接收端，接收端将采集到的数据传输到数据处理单元。
12.数据处理单元包括v/f转换模块、放大模块和控制模块；数据采集单元将采集到的信息传输到v/f转换模块，v/f转换模块的信号输出端连接放大模块，放大模块将接收到的
信息传输到控制模块。
13.放大器包括低噪声运算放大器和仪表放大器，v/f转换模块的信号输出端连接低噪声运算放大器的同相输入端，低噪声运算放大器的输出端连接仪表放大器，仪表放大器的输出端连接控制模块的信号输入端。
14.数据采集单元还包括激励模块，接收端连接激励模块，激励模块包括第一光电二极管、第二光电二极管、第一补偿电容、第二补偿电容、反馈电阻、第一运输放大器、第一电阻和第一滤波电容；第一光电二极管、第二光电二极管的正极接地，第一光电二极管、第二光电二极管的负极连接第一运算放大器的反相输入端，第一运算放大器的反相输入端还通过第一补偿电容连接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的输出端连接第一电阻的第一端，第一电阻的第二端为输出端；第一电阻的第二端通过第一滤波电容接地；第一运输放大器的反相输入端通过并联连接的第二补偿电容和反馈电阻连接第一电阻的第二端，第一运输放大器的同相输入端接地。
15.利用上述的装置进行的液相单相及气液两相测量仪器校准方法，所述方法依次包括如下步骤：(1)判断被检流量计为气液两相还是单液相，如果为单液相则进行步骤(2)；如果为气液两相，则进行步骤(5)；(2)保持液相支路为畅通状态，气相支路为关闭状态，液体依次流经标准流量计、被检流量计、相含率测量模块；(3)分别读取标准流量计和被检流量计上的数据，并将被检流量计和标准流量计的数据做差得出被检流量计的误差；(4)重复步骤(2)、(3)得出多组被检流量计的数据，分别为a1、a2……an
；求出a1、a2……an
平均值a；根据公式(1)求出不确定度；
16.ua＝max{/a-ai/，i＝1、2
……
n}
ꢀꢀ
公式(1)
17.(5)保持气相支路和液相支路均处于畅通状态，气体和液体分别流经标准气体流量计、标准液体流量计后混合在一起，混合后的气液两相流首先进入到被检流量计，得出被测总流量信号，随后测量气液两相流的被测相含率值；最后，测量气液两相流的标准总流量信号(6)求出气液两相流的标准相含率；(7)将被测相含率值与标准相含率做差得出相含率测量的误差；根据被测总流量与标准总流量做差得出气液两相流被测流量计的误差；(8)重复步骤(5)、(6)得出多组标准总流量、被测总流量、标准相含率和被测相含率的数据，求出不确定度。步骤(5)中气液两相流的被测相含率值计算方法为：步骤(1)识别气液两相流的流型；步骤(2)提取出流型的频率；步骤(3)构建相含率模型，如公式(3)：
18.α1＝αh+b+enꢀꢀ
公式(3)
19.α1为液相的相含率；h为无量纲的频率信号；α、b为待定参数；en为残差；
20.步骤(4)设置n个拟合点得出公式(4)
[0021][0022]
令
[0023][0024][0025][0026][0027]
得出同时(5)
[0028]
y＝aθ+e
ꢀꢀ
公式(5)
[0029]
步骤(5)拟合目标，得到公式(6)：
[0030][0031]
根据公式(6)，得出未知参数a、b；
[0032]
步骤(6)给定一个残差数据，根据步骤(2)的频率信号以及步骤(5)得出的未知参数a、b，得出液相的相含率a1。
[0033]
步骤(6)中气液两相流的标准相含率得出方法为：
[0034]
通过公式(2)求出气相相含率：
[0035][0036]
其中，a为气相相含率；q1为水相体积流量；qg为气相体积流量；tb为环境温度；pb为环境压力；t1为水相温度。
[0037]
气液两相流进入到衡器测量气液两相流的总流量。
[0038]
通过以上技术方案，本发明的有益效果为：本流量校准装置不但可以实现标准液体流量计的校准，且可以实现气-液两相流的流量计校准，在测量的过程中不会干扰气液两相流，提高了检测结果的准确度。同时，本装置结构简单、操作方便、低能耗。
[0039]
在气-液两相流的校准时采用了激光二极管在气泡和水中传递速度不同的原理，不但可以实现相含率的测量且可以实现图像重构。
[0040]
本校准方法简便，利用激光二极管在不干扰液体的情况下实现了相含率的测量；同时，利用构建的模型可以测得标准相含率和被测相含率值
附图说明
[0041]
图1为本发明所述装置连接示意图；
[0042]
图2为相含率测量模块结构示意图；
[0043]
图3为透明管道结构示意图；
[0044]
图4为激励模块电路原理图；
[0045]
图5为本发明所述方法流程图；
[0046]
图6为泡状流电压信号的模型图；
[0047]
图7为泡状流电压-时间信号图；
[0048]
图8为段塞流电压信号的模型图；
[0049]
图9为段塞流电压-时间信号图；
[0050]
图10为层流电压信号的模型图；
[0051]
图11为层流电压-时间信号图；
[0052]
图12为环状流电压信号的模型图；
[0053]
图13为环状流电压-时间信号图。
具体实施方式
[0054]
适用于液相单相和气液两相的流量校准装置，如图1～4所示，包括液相支路、气相支路以及测量主路，液相支路用于流通单相液体，气相支路用于流通单相气体，液相支路的端部和气相支路的端部均与测量主路连接，实施的时候，可以单独打开液相支路，使得液体流入到测量主路中，也可以同时打开气相支路和液相支路，从而使得液体和气体一起汇集到测量主路中。将单相液体或气液两相流一起在测量主路中进行相关参数的测量、校准。
[0055]
其中，液相支路包括依次相连的液体存储单元8、第一阀门、水泵7、标准液体流量计6；液体存储单元8可以选用水箱，水箱的出口通过管道连接水泵7，第一后端阀门131装在连通水箱和水泵7的管道上；水泵7的出口连接管道，该管道上设置有标准液体流量计6和第一后端阀门。其中的标准液体流量计6为核准过的液体流量计，可以作为对照物。其中，第一阀门包括第一前端阀门21和第一后端阀门131。
[0056]
气相主路包括依次相连的气体存储单元1、第二阀门、压力采集单元、温度采集单元、标准气体流量计5和第二后端阀门132；气体存储单元1可以选用氮气罐，在氮气罐内填充有氮气。氮气罐的出口连接管道，该管道上装设有第二前端阀门22、压力采集单元、温度采集单元、标准气体流量计5。其中的压力采集单元和温度采集单元分别为压力传感器3和温度传感器4；标准气体流量计5为标准标准气体流量计5。第二阀门包括第二前端阀门22和第二后端阀门132.
[0057]
测量主路包括依次相连的混相器12、测量管道、相含率测量模块10和衡器11；其中，混相器12用于气液两相的混合，混相器12为市售产品，本实施例不涉及对混相器12的改进。第一后端阀门和第二后端阀门132均通过管道连接混相器12前端。
[0058]
混相器12后端连接测量管道，测量管道用于安装被检流量计9，测量管道后端连接相含率测量模块10，在相含率测量模块10上连接有管道，衡器11安装在该管道上。
[0059]
通过测量管道上的被检流量计9可以读出该流量计的读数，进而跟标准流量计读出的流量值进行比对，得出被检流量计9的误差。
[0060]
相含率测量模块10包括数据采集单元和数据处理单元，数据采集单元采集数据并将采集到的数据传输到数据处理单元。
[0061]
数据采集单元包括透明管道14，在透明管道14内壁上设有4对激光二极管16，每对激光二极管16成对使用，成对的激光二极管中，一个为发射端，一个为接收端。在透明管道14外侧套设有光屏蔽罩15，防止外界环境影响测量结果；作为接收端的激光二极管16将采集到的数据传输到数据处理单元。
[0062]
数据采集单元还包括激励模块，作为接收端的激光二极管16连接激励模块，激励模块包括第一光电二极管d1、第二光电二极管d2、第一补偿电容cf1、第二补偿电容cf2、反馈电阻rf、第一运输放大器、第一电阻r和第一滤波电容c。
[0063]
第一光电二极管d1、第二光电二极管d2的正极接地，第一光电二极管d1、第二光电二极管d2的负极连接第一运算放大器u1u1的反相输入端，第一运算放大器u1u1的反相输入端还通过第一补偿电容cf1连接第一运算放大器u1u1的输出端，第一运算放大器u1u1的输出端连接第一电阻r的第一端，第一电阻r的第二端为输出端；第一电阻r的第二端通过第一滤波电容c接地；第一运输放大器的反相输入端通过并联连接的第二补偿电容cf2和反馈电阻rf连接第一电阻r的第二端，第一运输放大器的同相输入端接地。
[0064]
第一补偿电容cf1用来补偿滤波环节引起的相角滞后，第二补偿电容cf2用来补偿低噪声运输放大器输入端引起的相位滞后，控制噪声增益峰值。
[0065]
作为发射端的激光二极管朝向对向的作为接收端的激光二极管发出光，水流经过时，当有气相时，会造成接收端接收信号的变化，接收端通过激励模块将接收到的电压信号传输到数据处理单元。
[0066]
通过激励模块将激光二极管16的光信号转换为电压信号。
[0067]
数据处理单元包括v/f转换模块、放大模块；数据采集单元将采集到的电压信息传输到v/f转换模块，v/f转换模块将电压信号转换为频率信号。v/f转换模块的信号输出端连接放大模块，放大模块将接收到的频率信息放大后输出，输出的为频率信号。
[0068]
其中，放大模块包括低噪声运算放大器(生产厂家为：adi，型号为：ad829)和仪表放大器(生产厂家为：bb公司，型号为：ina103)。v/f转换模块的信号输出端连接低噪声运算放大器的同相输入端，低噪声运算放大器的输出端连接仪表放大器的同相输入端，仪表放大器的输出端连接频率信号。
[0069]
通过数据处理单元将激光二极管16的光信号转换为电压信号，同时，对电压信号转换为频率信号，再将该频率信号进行放大，可以得出流经相含率测量模块10的气液两相流的频率信号，使用者可以得出不同频率信号下被检流量计9的误差值。
[0070]
通过上述装置不但可以实现液体流量计的校准，且可以实现气-液两相流的流量计校准。装置的结构简单、操作方便、低能耗。在气-液两相流的流量计校准时采用了激光二极管16在气泡和水中传递速度不同的原理，不但可以实现相含率的测量且可以实现图像重构。
[0071]
利用上述装置进行的液相单相及气液两相测量仪器校准方法，如图5所示，所述方法依次包括如下步骤：
[0072]
(1)判断被检流量计9为气液两相还是单液相，如果为单液相则进行步骤(2)；如果为气液两相，则进行步骤(5)；
[0073]
(2)保持液相支路为畅通状态，气相支路为关闭状态，液体依次流经标准流量计、被检流量计9、相含率测量模块10；
[0074]
(3)分别读取标准流量计和被检流量计9上的数据，将被检流量计9和标准流量计的数据做差得出被检流量计9的误差；
[0075]
(4)重复步骤(2)、(3)得出多组被检流量计9的数据，分别为a1、a2……an
；求出a1、a2……an
平均值a；根据公式(1)求出不确定度；
[0076]
ua＝max{/a-ai/，i＝1、2
……
n}
ꢀꢀ
公式(1)
[0077]
(5)保持气相支路和液相支路均处于畅通状态，分别读取液体的流量；气体的流量、温度和压力，随后，气体和液体进行混合，混合后的气液两相流进入到被检流量计9，随后测量气液两相流的被测相含率值；被测相含率值的获得方法为：
[0078]
步骤(1)识别气液两相流的流型；
[0079]
1)预先建立流型模型；
[0080]
其中，流型模型分别为：泡状流、段塞流、层流和环状流。
[0081]
其中，泡状流、段塞流、层流和环状流的电压信号的模型图分别如图6～12所示。
[0082]
不同流型的频谱特征如下表所示：
[0083]
流型频率分布区域频率主峰区域泡状流0～150hz0～30hz段塞流0～30hz0～10hz层流0～100hz0～25hz环状流0～500hz0～50hz
[0084]
2)识别气液两相流的流型；识别方法为：依次开启四对激光二极管，采集数据处理单元输出的频率信号，得到气液两相流的频率，综合四对激光二极管采集的信号，观察频率的范围，根据频率范围对照不同流量的频谱特征表格确定气液两相流的流型。
[0085]
确定方法为：首先根据频率范围对照表格中频率分布区域寻找与之对应的流型；随后，根据频率主峰值对照表格中频率主峰区域最终确定流型。如果一次无法确定，则多采集频率数值直至能够确定流型。
[0086]
如果在设定的时间内，均相流和环状流或者均相流和层状流周期性交替出现，则当前管道内流型判别为段塞流。
[0087]
步骤(2)提取出流型的频率；
[0088]
步骤(3)构建相含率模型，如公式(3)：
[0089]
α1＝αh+b+enꢀꢀ
公式(3)
[0090]
α1为液相的相含率；h为无量纲的频率信号；α、b为待定参数；en为残差；
[0091]
步骤(4)设置n个拟合点得出公式(4)
[0092][0093]
令
[0094][0095][0096][0097][0098]
得出同时(5)
[0099]
y＝aθ+e
ꢀꢀ
公式(5)
[0100]
步骤(5)拟合目标，得到公式(6)：
[0101][0102]
根据公式(6)，得出未知参数a、b；
[0103]
步骤(6)给定一个残差数据，根据步骤(2)的频率信号以及步骤(5)得出的未知参数a、b，得出液相的相含率a1。
[0104]
步骤(6)中气液两相流的标准相含率得出方法为：
[0105]
通过公式(2)求出气相相含率：
[0106][0107]
其中，a为气相相含率；q1为水相体积流量；qg为气相体积流量；tb为环境温度；pb为环境压力；t1为水相温度。
[0108]
其中，环境温度和水相温度均可以通过温度计测得。环境压力可以通过气压表测得，水相体积流量可以通过标准液体流量计测得，气相体积流量可以通过标准气体流量计测得。
[0109]
(7)将被测相含率值与标准相含率做差得出误差；根据被测相含率值与标准标准液体流量计测得的液体流量得出总流量；将该总流量与被测流量计测得的流量值做差得出被测流量计的误差；
[0110]
(8)重复步骤(5)、(6)得出多组被测相含率值的数据，求出不确定度。
[0111]
(9)给出校量结果：不同流型下，相含率测量模块的误差以及被检流量计的误差，
[0112]
本发明提供一种非侵入式的校准装置和方法，该装置不但可以进行液体流量计校
准，同时还可以进行气液两相流流量计校准。本方法可以可以液体单相流量计的校准，也可以进行气液两相流的校准，同时，可以提供相关气液两相流的流型，得出不同流星下被检信号的误差，提高校准准确度。