一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法，是在圆管横截面的内径上选取一个点作为零点，采用二分法在圆管内径上选取n个特征速度点；用皮托管分别测量各特征速度点i处流体的流速vi，计算圆管中n个特征速度点的流体流速的算术平均值即可得到管道内的流速，进而可以根据管道横截面积计算得到流量。本发明在测量的过程中取点位置简单，当需要增加特征点数量时，只需要在之前距离管壁最近的特征速度点与管壁之间增加测量点，因此已有的特征速度点位置保持不变，其既有数据能重复使用，可以大大减少测量次数，降低劳动强度，本发明工艺简单，操作方便，特别是特征速度点选取与定位容易，特征速度点拓展方便、数据通用性好；属于速度面积法的测速范畴，测量误差较小，可应用于皮托管的流量测量，适用对于气体、液体和蒸汽的流量测量。
【专利说明】
一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法
技术领域
[0001] 本发明公开了一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法，属于流量测量技术 领域。
【背景技术】
[0002] 在工业生产中，常常需要测量工作介质在某些特定区域的流速并计算其流量，以 研究流动状态对工作过程和性能的影响。皮托管由于结构简单、使用方便，是迄今为止最常 用的测速技术之一。管道中同一截面上距离管道轴线距离不同的点的流速是不同的。为了 得到管道中流体的流量值，应该对管道截面上的多个特征速度点进行测量。根据多个特征 速度点的速度求得平均流速后，乘以管道面积就可得到管道流体流量。
[0003] 用皮托管测量流量时，通常做法是:将管道中心点以外的其他部分的截面分成若 干个部分，然后测量出每一部分的特征点的流速。并以该特征点的流速代表每一部分的平 均流速，该平均流速乘以每一部分的面积就是流过管道的流体的流量，把通过各部分面积 的流量累加起来就是通过整个管道的流量。这种测量方法叫做速度面积法，是皮托管测量 流量的一种基本方法，该法的测量精度或偏差通常在10 %以内。
[0004] -般常用的特征速度点选择方法主要有三种：等环面法、对数直线法和切比雪夫 法。等环面法所选择的特征速度点为等分截面的中间位置;对数直线法也将圆管截面分成 若干面积相等截面，而特征速度点的位置是这些截面的速度平均值点；切比雪夫法是把一 个函数的积分近似的用一系列的矩形的和来替代，它在把截面分割后的每个间距中选择适 当的插值点所对应的函数值作为一系列的矩形的高。从以上描述可以看出，这几种方法所 选的特征速度点都需要使用者按照各方法的运算流程进行复杂的运算，而且由于运算结果 往往存在多位小数，所选择的特征速度点分布过于复杂，而使得皮托管定位非常不方便。此 外，当改变特征速度点的个数时，要得到新的测点的位置就必须重新查表或者经过复杂的 计算，并且所选择的特征速度点的位置全部都发生变化，这样改变特征速度点的个数前所 测得的数据与改变个数后所测得的数据也将完全不同。这都给测量带了很大的困难。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种工艺简单，操作方便，特别是特 征速度点选取与定位容易，特征速度点拓展方便、数据通用性好的基于管径二分原理的皮 托管流量测量方法。
[0006] 本发明一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法，包括下述步骤：
[0007] 第一步:在圆管横截面的内径上选取一个点作为零点，采用二分法在圆管内径上 选取η个特征速度点；
[0008] 第二步:用皮托管分别测量各特征速度点i处流体的流速Vi;
[0009] 第三步:按式(1)计算圆管中η个特征速度点的流体流速的算术平均值F ;
[0011] 式（1)中：i = l、2、3、......、以铲的单位!!!％-1;
[0012] 第四步:按式(2)计算管道内平均流速F，
[0013] v = ψν'...... (2),
[0014] 式(2)中，Φ为修正系数，量纲为1;歹的单位m · s'
[0015] 第五步:按式(3)计算圆管中流体的流量Q;
[0016] Q = 4ttR~v...... (63)
[0017] 式⑶中，R为圆管半径，单位m;流量Q的单位m3 · s-、
[0018] 本发明一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法，所述零点选自圆管的内壁 和/或圆管圆心与内壁之间的中点;采用二分法在圆管半径上选取η个特征速度点。
[0019] 本发明一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法，特征速度点η取值范围是 2-12〇
[0020] 本发明一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法，特征速度点η取值范围按 以下原则确定：
[0021] 圆管内径D<30cm时，η取2-4的整数；
[0022] 30cm〈D^i50cm，n取 4-6 的整数；
[0023] 50cm〈D 彡 76cm，n取 6-8 的整数；
[0024] 76cm〈D 彡 120cm，n取 8-10 的整数；
[0025] D>120cm时，η取 10-12 的整数。
[0026]本发明一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法，修正系数Φ采用国际标准 ISO 3966-77进行测量。
[0027] 本发明一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法，所述皮托管选自L型皮托 管或S型皮托管。
[0028] 本发明由于采用上述方法选择特征速度点，取点位置简单，误差较小，在测量的过 程中，如果需要在已有测量的基础上增加特征速度点的数量时，只需要在之前距离管壁最 近的特征速度点与管壁之间增加测量点，并对新增加的特征速度点进行测量，然后计算流 速、流量;因此已有的特征速度点位置保持不变，且之前已测得的流速数据依然有效、可用， 其数据能重复使用，可以大大减少测量次数，降低劳动强度，具有使用方便、测量准确度高、 应用范围广等特点，可用于气体、液体和蒸汽的流量测量。
[0029] 综上所述，本发明工艺简单，操作方便，特别是特征速度点选取与定位容易，特征 速度点拓展方便、数据通用性好；属于速度面积法的测速范畴，可应用于皮托管的流量测 量，适用对于气体、液体和蒸汽的流量测量。
【附图说明】
[0030] 附图1是本发明基于管径二分法的皮托管流量测量示意图。
[0031] 附图2是本发明使用L型皮托管测量管道流量实验装置简图。
[0032] 附图3是本发明使用管径二分法且选取3个特征速度点的皮托管测量流量的测量 流量值与实际流量值。
[0033]附图4是本发明使用管径二分法且选取4个特征速度点的皮托管测量流量的测量 流量值与实际流量值。
[0034]附图5是本发明使用管径二分法且选取5个特征速度点的皮托管测量流量的测量 流量值与实际流量值。
[0035]图1中，1 流体，2特征速度点，3皮托管，4管道。
【具体实施方式】
[0036]本发明提供以下三组实施例，其基于管径二分法的皮托管流量测量示意图见附图 1，实施例中使用L型皮托管测量管道流量的实验装置见附图2。
[0037]本发明实施例中，参照国际标准ISO 3966-77,通过实验确定的修正系数Φ分别为： [0038] 特征速度点选3时，Φ = 0.914;
[0039] 特征速度点选4时，Φ = 0· 958;
[0040] 特征速度点选5时，Φ = 1.003;
[0041 ] 实施例1
[0042]见附图2，实验测量DN200 (内径为185.6mm)的管道中空气的流量，；以风机对管道 送风，在风道上设置标准流量表实测送风量;在管道横截面上的管道内壁选取一个点作为 原点，采用二分法在过原点的半径上取3个点，作为特征速度点，特征速度点距离管壁（原 点）的距离依次为46 · 4mm、23 · 2mm和11 · 6mm;在3个特征点分别设置皮托管测量相应特征速 度点的空气流速vi; Φ = 0.914，然后，按式(1)、（ 2)、（ 3)计算管道中的空气流量；
[0046] 本实施例中，标准流量表实测送风量分别为:450m3/s，1016m3/s，1566m 3/s，测得特 征速度点的空气流速Vi见表1。
[0047]表中^为特征速度点距离管道中心的距离，R为管道半径，η/R即为测点在管道半 径上的相对位置。
[0050]按式(1)、（2)、（3)计算得到的流量值Q分别为：
[0051 ] 送风量为450m3/s时，Q = 429.326m3/s ;本实施例测量值与实际送风量的偏差为- 4.6%；
[0052] 送风量为1016m3/s时，Q = 999.130m3/s;本实施例测量值与实际送风量的偏差为- 1.7% ；
[0053] 送风量为1566m3/s时，Q=1448.978m3/s;本实施例测量值与实际送风量的偏差为-7.5% ；
[0054]本实施例测量流量值与实际流量值之间的偏差见附图3;
[0055] 本实施例测量得到的流量与实际流量的偏差最多达到7.5%，偏差较大。
[0056] 实施例2
[0057] 本实施例与实施例1的区别在于增加了一个特征速度点4,特征速度点4距离管壁 (原点）的距离5.8mm，其余与实施例1相同，(6 = 0.958。
[0058] 本实施例中，标准流量表实测送风量分别为:450m3/s，1016m3/s，1566m 3/s，测得特 征速度点的空气流速vi见表2。
[0059]表 2
[0061 ]本实施例计算得到的流量值Q分别为：
[0062] 送风量为450m3/s时，Q = 439.272m3/s ;本实施例测量值与实际送风量的偏差为-2.4%；
[0063] 送风量为1016m3/s时，Q= 1021.232m3/s;本实施例测量值与实际送风量的偏差为 0.5% ；
[0064] 送风量为1566m3/s时，Q=1591.401m3/s;本实施例测量值与实际送风量的偏差为 1.6% ；
[0065]本实施例测量流量值与实际流量值之间的偏差见附图4;
[0066] 本实施例测量得到的流量与实际流量的偏差小于等于2.4%，满足皮托管速度面 积法测量的精度要求。
[0067] 实施例3
[0068]本实施例与实施例1的区别在于增加了 2个特征速度点4、5,特征速度点4、5距离管 壁(原点）的距离分别为5.8mm和2.9mm，其余与实施例1相同，Φ = 1.003。
[0069] 本实施例中，标准流量表实测送风量分别为:450m3/s，1016m3/s，1566m 3/s，测得特 征速度点的空气流速vi见表3。
[0070] 表 3
[0072]本实施例计算得到的流量值Q分别为：
[0073] 送风量为450m3/s时，Q = 455.613m3/s;本实施例测量值与实际送风量的偏差为 1.2% ；
[0074] 送风量为1016m3/s时，Q= 1037.415m3/s;本实施例测量值与实际送风量的偏差为 2.1%；
[0075] 送风量为1566m3/s时，Q=1543.435m3/s;本实施例测量值与实际送风量的偏差为-1.4%；
[0076] 本实施例测量流量值与实际流量值之间的偏差见附图5;
[0077] 本实施例测量得到的流量与实际流量的偏差小于等于2.1%，满足皮托管速度面 积法测量的精度要求。
[0078]从实施例1、2、3得到的数据可以看到，在实验流量450~1566m3 · 1Γ1范围内；
[0079] 选取3个特征速度点时，采用本发明方法测量获得的流量与实际流量之间误差较 大，可达7.5%。
[0080] 选取4个速度特征点时，采用本发明方法测量获得的流量与实际流量之间误差很 小，小于等于2.4% ;
[0081] 选取5个速度特征点时，采用本发明方法测量获得的流量与实际流量之间误差很 小，小于等于2.1% ;
[0082] 从以上3组实验可以看出，取4个特征速度点时，使用二分法已经可以获得符合工 程需要的误差在2.4%之内的流量。而将特征速度点数增至5个对误差的减小作用不大，仅 将误差降低了 0.3%。
[0083] 并且，当需要增加特征速度点时，上述4个特征速度点及其测量值依然有效，只需 要测量新增加的第5点的值即可，可大大减少测量次数。
[0084] 根据不同工程应用，对测量精度有着不同的要求。一般而言，使用皮托管测量流量 时希望测量误差越小越好，最多不能超过10%。常规的三种特征速度点选取方法，等环面 法、对数直线法和切比雪夫法所产生的测量误差一般都为几个百分点。本专利所提出的一 种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法拥有与常规方法一样的较小测量误差，完全可 以满足大部分的工程需要。
[0085] 表4是使用等环面法、对数直线法和切比雪夫法几种情况下的特征速度点在管道 半径上的相对位置。表中^为特征速度点距离管道中心的距离，R为管道半径，n/R即为测点 在管道半径上的相对位置。从表4可以看出，现有的三种方法所选的特征速度点的位置都按 照严格而且复杂的计算得出。所选择的特征速度点过于复杂，而使得定位不方便。当改变特 征速度点的个数时，要得到新的测点的位置就必须重新查表或者经过复杂的计算，并且所 选择的特征速度点的位置全部都发生变化，这样改变特征速度点的个数前所测得的数据与 改变个数后所测得的数据也将完全不同。这都将给测量带极大不便。
[0086]表 4
【主权项】
1. 一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法，包括下述步骤： 第一步:在圆管横截面的内径上选取一个点作为零点，采用二分法在圆管内径上选取η 个特征速度点； 第二步:用皮托管分别测量各特征速度点i处流体的流速Vi; 笛二击.按忒（1)彳+笪_管由n个特征速度点的流体流速的算术平均值r;式（1)中：i = l、2、3、......、!!!铲的单位!]!%-1; 第四步:按式(2)计算管道内平均流速h式⑵中，Φ为修正系数，量纲为1;歹的单位m · S一S 笛算圆管中流体的流量Q; 式(3)中，R为圆管半径，单位m;流量Q的单位m3 · S4。2. 根据权利要求1所述的一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法，其特征在于： 所述零点选自圆管的内壁和/或圆管圆心与内壁之间的中点。3. 根据权利要求2所述的一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法，其特征在于： 采用二分法在圆管半径上选取η个特征速度点。4. 根据权利要求1或3所述的一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法，其特征在 于:特征速度点η取值范围是2-12。5. 根据权利要求4所述的一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法，其特征在于： 特征速度点η取值范围按以下原则确定： 圆管内径D<30cm时，η取2-4的整数； 30cm〈D<50cm，n 取4-6 的整数； 50cm〈D<76cm，n 取6-8 的整数； 76cm〈D 彡 120cm，n取8-10 的整数； D>120cm时，η取10-12的整数。6. 根据权利要求5所述的一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法，其特征在于： 修正系数Φ采用国际标准ISO 3966-77进行测量。7. 根据权利要求6所述的一种基于管径二分原理的皮托管流量测量方法，其特征在于： 所述皮托管选自L型皮托管或S型皮托管。
【文档编号】G01F1/36GK106017582SQ201610298730
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】孙志强, 姚凤艳, 李赛维, 董振营, 郑剑武
【申请人】中南大学