一种封闭管路内的水流量检测方法与流程

本发明涉及一种水路安全检测技术领域，特别涉及一种封闭管路内的水流量检测方法。

背景技术：

燃气采暖热水炉或燃气采暖炉中存在封闭的采暖水路，板换式燃气采暖热水炉中存在封闭的板换加热水路，水路中有循环水泵用于推动水流进行流动。为了保证封闭水路的安全性，需要将管路水压保持在一定范围内，水压低于安全下限值时可能出现水路中的水流水温过高甚至是干烧的问题。如在水路不能正常流动的情况下开始对水路中的水进行加热，则会使得水路中的水温瞬间骤升，影响水路中各种器件的正常工作，也影响出水温度的恒定性，进而影响用户体验。而水压高于安全上限值时会影响管路内组件的正常工作，如直接影响水路中水压传感器的正常工作，无法获取准确的水压信息。

现有技术中通常采用水压翻板开关、压差传感器、水温异常逻辑判断等方法来检测水路是否处于流动状态。其中，水压翻版开关很容易出现机械卡死的故障，压差传感器的成本较高，水温异常逻辑判断属于事后判断，如在判断出水路中的水流未流动时已经出现异常燃烧的情况了，判断结果的延迟已经造成一定的不良影响。由此可见，对水流量的可靠监控直接影响到管路内水压情况的控制以及对出水温度的控制。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种仅通过单个水压检测点即实现封闭管道内水流量检测的一种封闭管路内的水流量检测方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种封闭管路内的水流量检测方法，其特征在于：在水流管路中设置文丘里管，并选取文丘里管吼道处或文丘里管吼道附近处为水压检测点a，选取远离文丘里管处为水压参考点b；

根据伯努利原理计算水流管路中水泵开启且水压稳定后，水流管路中的水流量q；

k为结构参数；

其中，da表示水压检测点a处文丘里管的内孔直径，db表示水压参考点b处水流管路的内孔直径；pb1表示水流管路中水泵开启且水压稳定后，水压参考点b处的水压值；pa1表示水流管路中水泵开启且水压稳定后，水压检测点a处的动态水压值；pa1＜pb1；

水流管路中的水流处于静态状态时，水压检测点a处的第一静水压为pa0，水压参考点处的第二静水压为pb0，其中pa0＝pb0；

pb1＝(1+α)pb0＝(1+α)pa0公式(3)；

其中，α表示pb1与pb0之间的相对误差；

则

获取水压检测点a处水流管路中的水流处于静态状态时的第一静水压pa0以及水流管路中水泵开启且水压稳定后的动态水压值pa1，进而根据公式(4)计算出水流管路中水泵开启且水压稳定后，水流管路中的水流量q。

为了方便前期设置，确定文丘里管吼道处或文丘里管吼道附近处内径的方法为：

计算pa1与pa0的相对差值β(q)；

pa1＝(1-β(q))pa0公式(5)；

则

根据公式(4)和公式(5)可得：

则

为了保证其中βmin为正常水流量q范围内pa1与pa0的相对差值的最小值；

则

根据公式(2)和公式(9)计算需要的da。

为了根据误差要求进行设计，水流管路中水泵开启且水压稳定后，水流管路中的水流量q的计算误差的确定方法为：

根据公式(7)可得：

根据公式(10)可知，水流管路中水泵开启且水压稳定后，水流管路中的水流量q的计算误差为

由于β(q)≥βmin，则

可以根据βmin的要求确定出水流管路中水泵开启且水压稳定后，水流管路中的水流量q的计算误差范围。

优选地，|α|<2％。

为了有效发现工作过程中出现的水压故障情况，检测在无开水泵需求下的水压检测点a处的水压值p；

将水压值p与安全静态水压范围[p0l,p0h]中的低安全静态水压阈值p0l以及高安全静态水压阈值p0h进行比较，其中p0l＜p0h；

如果p＜p0l或者p＞p0h则判断出现水压故障；

将水泵开启后水压稳定后水压检测点a处的动态水压值pa1与安全动态水压范围[p1l,p1h]中的低安全动态水压阈值p1l以及高安全波动水压阈值p1h进行比较，其中p1l＜p1h；

如果p2＜p2l或者p2＞p2h则判断出现水压故障；

为了有效发现工作过程中的水泵状态，当p1l≤pa1≤p1h时，将计算的水流量q与水流停止对应的流量阈值qstop进行比较，如果q＜qstop，则判断出现水泵故障；

如果q≥qstop，则将计算的水流量q与水流量过低阈值qlow进行比较，如果q＜qlow，则进一步判断水泵是否处于最大转速，如果是则判断出现水泵扬程低的情况，如果否则增加水泵转速。

为了方便判断水泵故障，如果p0l≤p≤p0h，则判断水泵是否处于关闭状态，如果是，则判断是否p<pa1-δp(q)，如果否，则判断出现水泵故障，其中δp(q)表示关闭水泵水流量计算得到的水压变化差值的阈值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的一种封闭管路内的水流量检测方法仅通过一处水压值的检测既能实现水流管路中的水流量计算，实现构件少，成本低。通过对水流量的计算可有效的实现水流管路中燃烧负荷的控制，进而提高对出水恒温性控制。

另外，通过单处的水压检测也能进行水压故障、水泵故障、水泵扬程的合理性判断，使用更加人性化。

附图说明

图1为本发明实施例中封闭管路设置文丘里管的结构示意图。

图2为本发明实施例中一种封闭管路内的水流量检测方法。

图3为本发明实施例中水泵转速、水压、水流量的关系曲线图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例中的一种封闭管路内的水流量检测方法可以应用在各种封闭管路中，以用于检测封闭管路内水压、水流量等水流情况，进而方便根据这些信息用于其他功能控制。该一种封闭管路内的水流量检测方法可以适用于燃气采暖热水炉、燃气采暖炉等封闭采暖水路中，特别适用于这些装置的主换热器管路中，可以解决主换热器管路中水温过高、干烧、水压过高等问题，为封闭管路应用的安全性提供了保证，优化用户体验。

如图1所示，本实施例中首先在水流管路上连接一段文丘里管，同现有技术，该文丘里管包括依次连通的入口段、收缩段、喉道段以及扩散段。由于文丘里管的自身结构特点，可以加强水流管路内水流流速的变化，进而引起水体动量迅速改变，如此可以通过检测水流管路内的压力变化对水流是否流动以及水流的流量进行判断。

在文丘里管上安装一个水压传感器，进而实时的检测获取文丘里管内的水压数据。水压传感器将获取的水压数据传动给一个控制器，控制器可以根据接收到的水压信号进行水流量计算、故障判断、响应控制等工作，如可以控制类似报警器、水流管路中的循环水泵以及加热装置等进行响应。水压检测点设置在文丘里管的喉道处或者位于文丘里管的收缩段上靠近喉道处的位置上。本实施例中将水压检测点设置在文丘里管的喉道处，为了使得检测结果更加准确。

在封闭的水流管路内的循环水泵不工作的状态时，水流管路内的水处于静态状态时，文丘里管内的水也相应处于静态状态，此时，水流管路内各处的水压相同，记为静态水压。当循环水泵开启，水流管路内的水开始流动，而文丘里管可以加强水压波动的幅度，则检测文丘里管内的水压变化可以有效的获取水流开始流动的信息。

如图3所示，在上电后，在t1至t2时间范围内，水压传感器中的数据逐渐上升，直至稳定在静态水压，则在t2至t3水流通道内水泵未开启的时间范围内，水流通道内的水压保持稳定在p1，此时水流量基本维持在0的状态。在t3至t4时间范围内，水泵开启，水泵转速逐渐上升，水流量也随着逐渐增大至q1，而此时水流通道内的水压稍有下降。在t4至t5时间范围内，水泵转速稳定在r1，水流管路内的水压逐渐下降至p2并保持在p2。在t5至t6时间范围内，水泵转速增大并稳定在r2，水流管路内的水压相对于p2下降，并稳定在p3，而水流量则随之增加并稳定在q2。在t6至t7时间范围内，水泵关闭，水泵转速迅速下降，水流管路内的水压则逐渐增大并稳定在p1，而水流量则逐渐下降并恢复至0。由此可见封闭管路内水流开始流动的情况下的波动水压小于静态水压，并且水流量越大，波动水压与静态舒雅的偏差越大。当水流管路内的水流流动稳定后，水流管路内的水压重新恢复稳定且各处的水压相同，并且水流流动时的动态水压小于且接近静态水压。

如图2所示，本实施例中选取文丘里管吼道处为水压检测点a，选取远离文丘里管处为水压参考点b。

工作时，首先判断是否有开泵需求；

如果无开泵需求，则需要检测获取水压检测点a处的水压值p；

将水压值p与安全静态水压范围[p0l,p0h]中的低安全静态水压阈值p0l以及高安全静态水压阈值p0h进行比较，其中p0l＜p0h；

如果p＜p0l或者p＞p0h则判断出现水压故障；

如果p0l≤p≤p0h，则判断水泵是否处于关闭状态，如果是，即水泵正在关闭或者水泵已经关闭，当水泵已经关闭时，该水压值p即为下述的第一静态水压值pa0，此时判断是否p<pa1-δp(q)，如果否，则判断出现水泵故障，其中δp(q)表示关闭水泵水流量计算得到的水压变化差值的阈值。

如果有开泵需求，则开启水泵，将水泵开启后水压稳定后水压检测点a处的动态水压值pa1与安全动态水压范围[p1l,p1h]中的低安全动态水压阈值p1l以及高安全波动水压阈值p1h进行比较，其中p1l＜p1h；

如果p2＜p2l或者p2＞p2h则判断出现水压故障；

当p1l≤pa1≤p1h时，将计算的水流量q与水流停止对应的流量阈值qstop进行比较，如果q＜qstop，则判断出现水泵故障；

如果q≥qstop，则将计算的水流量q与水流量过低阈值qlow进行比较，如果q＜qlow，则进一步判断水泵是否处于最大转速，如果是则判断出现水泵扬程低的情况，如果否则增加水泵转速。

根据伯努利原理计算水流管路中水泵开启且水压稳定后，水流管路中的水流量q；

k为结构参数；

其中，da表示水压检测点a处文丘里管的内孔直径，db表示水压参考点b处水流管路的内孔直径；，通常水流管路已经确定好，即db为确定值，而da则在选取相应内径尺寸的文丘里管进行安装时是需要根据设计需求额外确定的，而在实际应用时，该da也为确定值，进而使得k为一个固定值。pb1表示水流管路中水泵开启且水压稳定后，水压参考点b处的水压值；pa1表示水流管路中水泵开启且水压稳定后，水压检测点a处的动态水压值；pa1＜pb1。

水流管路中的水流处于静态状态时，水压检测点a处的第一静水压为pa0，水压参考点处的第二静水压为pb0，其中pa0＝pb0；

pb1＝(1+α)pb0＝(1+α)pa0公式(3)；

其中，α表示pb1与pb0之间的相对误差，优选|α|<2％；

则

获取水压检测点a处水流管路中的水流处于静态状态时的第一静水压pa0以及水流管路中水泵开启且水压稳定后的动态水压值pa1，进而根据公式(4)计算出水流管路中水泵开启且水压稳定后，水流管路中的水流量q。

确定文丘里管吼道处内径的方法为：

计算pa1与pa0的相对差值β(q)；

pa1＝(1-β(q))pa0公式(5)；

则

根据公式(4)和公式(5)可得：

则

由于通常q≥1l/min、pa0≤0.3mpa，因此可以通过调整k值，确保其中βmin为正常水流量q范围内pa1与pa0的相对差值的最小值，该βmin为人为的设计要求值，是一个给定值；

则

根据公式(2)和公式(9)计算需要的da。

水流管路中水泵开启且水压稳定后，在水流管路中的水流量q的计算过程中会和实际的水流量存在误差，为了有效控制误差，避免出现误差太大的情况，水流管路中的水流量q的计算误差的确定方法为：

根据公式(7)可得：

根据公式(10)可知，水流管路中水泵开启且水压稳定后，水流管路中的水流量q的计算误差为

由于β(q)≥βmin，则

可以根据βmin的要求确定出水流管路中水泵开启且水压稳定后，水流管路中的水流量q的计算误差范围。

βmin与水流管路中的水流量q的计算误差之间的关系如下表：

如此，可以根据对水流管路中的水流量q的计算误差范围的要求，选取合适的βmin。

该一种封闭管路内的水流量检测方法对应实现的结构简单，检测方法可靠性较高，检测速度快，只需要对一个位置进行水压检测，以较低的成本实现了常规管路水压检测和水流量计算的功能。可作为水压故障判断、循环水泵故障判断、水泵扬程合理性判断，变速水泵反馈控制、自适应管阻控制、采暖燃烧负荷控制等的输入。