一种非满管流量测量装置及方法与流程

本发明涉及单相流体流量测量技术领域，具体涉及一种非满管流量测量装置及方法。

背景技术：

根据传统电磁流量计的测量原理，电磁流量计产生的感应电动势不仅与流体的流速和磁场强度成正比，还与权重函数有关；对于长筒型磁场均匀的电磁流量传感器，当流速为轴对称分布时，权重函数的作用正好可等效为1，产生的感应电动势只与平均流速线性相关。

传统电磁流量计是针对满管流进行设计的，但工程实践中工况较为复杂，常出现非满管情况；电磁流量计在这种情况下无法进行准确测量，会出现较大误差，常见的非满管电磁流量计测量方法主要是液位计和流速计组合法，但非满管状态下，管道内的自由表面使流体流速分布随液位的变化而变化，流速不再是轴对称的，而且权重函数也随着液位不断发生改变，使其对电动势的影响无法忽略不计，所以简单的液位计和流速计组合法测量精度受限。

因此，针对非满管电磁流量计测量流量的现状和难点，本领域的技术人员致力于开发在非满管流体工况时权重函数能够等效为1，电磁流量计传感器产生的感应电动势与实际工况流速分布形式无关的一种非满管流量测量装置及方法。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是现有非满管流体流量测量受权重函数随着液位变化而不断发生改变，使得流量测量精度不高。

为实现上述目的，本发明提供了一种非满管流量测量装置，包括进口管、出口管、电磁流量测量装置，其特征在于，还包括动力旋转管，所述动力旋转管的两端通过轴承分别与所述进口管及所述出口管可转动地密封连接，所述电磁流量测量装置布置在所述出口管上。

进一步地，所述进口管、所述出口管与所述动力旋转管内径相同。

进一步地，所述动力旋转管的管腔内同轴安装有旋流器，所述旋流器与所述动力旋转管内壁紧密连接。

进一步地，还包括传动装置、电机，所述传动装置连接所述电机和所述动力旋转管，所述电机驱动所述动力旋转管转动。

进一步地，所述旋流器与所述电磁流量测量装置之间的距离是所述动力旋转管内径的2至6倍。

可选地，所述电磁流量测量装置包括电磁流速测量装置、液环厚度测量装置和第一信号处理模块；所述电磁流速测量装置被配置为应用法拉第电磁感应定律测量所述出口管内流体的平均流速信号，所述液环厚度测量装置被配置为应用电导法、电容法、射线法、超声法、图像处理法和过程层析成像法原理的一种或几种的组合测量所述出口管内流体的液环厚度信号，所述第一信号处理模块被配置为接收并处理所述电磁流速测量装置和所述液环厚度测量装置的输出信号，得到所述出口管内流体的流量。

可选地，所述电磁流量测量装置包括合成测量装置和第二信号处理模块,所述合成测量装置被配置为输出所述出口管内流体的平均流速信号和液环厚度信号，所述第二信号处理模块被配置为接收并处理所述合成测量装置的输出信号，得到所述出口管内流体的流量。

进一步地，所述合成测量装置包括多对点电极和与所述多对点电极对应的多路开关组，所述合成测量装置被配置为应用法拉第电磁感应定律，通过所述多对点电极和和所述多路开关组，同时测量感应电动势和流体电阻抗，得到所述出口管内流体的平均流速信号和液环厚度信号。

进一步地，所述合成测量装置包括多对电容式电极和与所述多对电容式电极对应的多路开关组，同时测量感应电动势和流体电容抗，得到所述出口管内流体的平均流速信号和液环厚度信号。

本发明还提供了一种采用所述非满管流量测量装置测量流量的方法，包括以下步骤：

步骤1：非满管流体通过所述进口管进入所述动力旋转管；

步骤2：所述电机输出动力经所述传动装置带动所述动力旋转管高速旋转，并带动所述旋流器高速旋转，所述动力旋转管和所述旋流器共同带动管内所述非满管流体高速旋转产生离心力；

步骤3：在离心力的作用下，所述非满管流体的分布状态在所述动力旋转管中发生改变，从所述进口管处带有自由液面高度的流体分布状态，变为所述出口管处的带有液环厚度的环形流体分布状态，液体流速由非轴对称分布变为轴对称分布，在利用法拉第电磁感应定律测量液环平均流速时权重函数的作用等效为1；

步骤4：所述电磁流量测量装置测量液环厚度和平均流速，应用下述公式计算非满管流量：

式中q为非满管流量，d为所测管道的内径，h为液环厚度，v为流体平均流速；

所述平均流速v由下述公式确定：

式中e为感应电动势，k为仪表常数，b为磁感应强度，c为液环形状系数；

所述液环形状系数c由下述公式确定：

式中f为常数，所述f通过标定得到。

和现有技术相比较，本发明首先使流体高速旋转，使得带有自由液面高度的流体分布情况，变为带有液环厚度的环形流体分布情况，液体流速由非轴对称分布变为轴对称分布。在这种情况下，利用法拉第电磁感应定律测量液环平均流速时，权重函数的作用可等效为1，产生的感应电动势与进口流速分布形式无关，从而提高了在非满管流体情况下电磁流量计的测量精度。

与现有技术相比，本发明至少具备如下有益技术效果：

1)本发明利用流体的旋转,使得通过待测管内的流体由非轴对称分布变为轴对称分布，优化了流量测量模型，提高了流量测量的精度；

2)本发明将液位计和流速计有机结合为合成测量装置，简化了测量装置的数量，提高了测量的数据的准确性、降低了装置的维护成本。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的整体结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的电磁流量测量装置的原理示意图；

图3是本发明的另一较佳实施例的电磁流量测量装置的原理示意图；

图4是本发明的再一较佳实施例的电磁流量测量装置的原理示意图；

图5是流经进口管的非满管流体分布的示意图；

图6是流经出口管的流体分布的示意图。

其中：1-进口管，2-密封装置，3-轴承，4-传动装置，5-电机，6-旋流器，7-动力旋转管，8-电磁流量测量装置，9-出口管，10-液环厚度测量装置，11-电磁流速测量装置，12-第一信号处理模块，13-合成测量装置，14-第二信号处理模块，15-点电极，16-电容式电极。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度；为表示区分附图3至图6中横线填充部分为流体。

如图1所示，本发明提供了一种非满管流量测量装置，包括进口管1、动力旋转管7和出口管9；进口管1和出口管9固定设置，动力旋转管7设置在进口管1和出口管9之间，动力旋转管7两端安装有轴承3，通过轴承3动力旋转管7可以相对于进口管1和出口管9旋转，动力旋转管7两端分别与进口管1和出口管9衔接处设置有密封装置2，密封装置2使得流经进口管1、动力旋转管7和出口管9的流体不会泄漏，动力旋转管7内腔固定同轴设置有旋流器6，旋流器6与动力旋转管7内壁紧密连接，动力旋转管7的管体与传动装置4的输出端固定连接，传动装置4的输入端与电机5固定连接，电机5转动将会通过传动装置4带动动力旋转管7转动，旋流器6会随着动力旋转管7一起转动，进而使得流经旋流器6的流体旋转起来，产生离心力；进口管1、动力旋转管7和出口管9内径相同；出口管9安装有电磁流量测量装置8；电磁流量测量装置8与旋流器6末端的距离为2到6倍管径。

当非满管流体通过入口管1时，流体在入口管1内的分布如图5所示，其液面高度为l，当流体经过动力旋转管7转动后，因为离心力的存在使得流过出口管9的分布如图6所示，环状分布的流体的环厚度为h。

电磁流量测量装置8有多种实施方式，其中一种较佳实施方式如图2所示，电磁流量测量装置8包括电磁流速测量装置11、液环厚度测量装置10和第一信号处理模块12；液环厚度测量装置10用于测量液环的厚度，输出液环厚度信号h；电磁流速测量装置11应用法拉第电磁感应定律测量液环的平均流速，输出平均流速信号v；第一信号处理模块12接收并处理液环厚度信号和平均流速信号，得到非满管流体的流量值q；液环厚度测量装置10可应用电导法、电容法、射线法、超声法、图像处理法和过程层析成像法等原理中的一种或几种的组合进行测量。

电磁流量测量装置8的另一种较佳实施例如图3所示，电磁流量测量装置8包括能够同时测量液环厚度和平均流速的合成测量装置13和第二信号处理模块14，在安装电极处安装多对点电极15，在使用法拉第电磁感应定律测量液环平均流速的同时，利用多路开关组，实现感应电动势和流体电阻抗的同时测量，得到平均流速信号v和液环厚度信号h，输入第二信号处理模块14，得到非满管流体的流量值q。

电磁流量测量装置8的再一种较佳实施例如图4所示，电磁流量测量装置8包括能够同时测量液环厚度和平均流速的合成测量装置13和第二信号处理模块14，在安装电极处安装多对电容式电极16，在使用法拉第电磁感应定律测量液环平均流速的同时，利用多路开关组，实现感应电动势和流体电容抗的同时测量，得到平均流速信号v和液环厚度信号h，输入第二信号处理模块14，得到非满管流体的流量值q。

本实施例还公开了一种采用非满管流量测量装置测量流量的方法，包括以下步骤：

步骤1：非满管流体通过进口管1进入动力旋转管7；

步骤2：电机5输出动力经传动装置4带动动力旋转管7高速旋转，并带动旋流器6高速旋转，动力旋转管7和旋流器6共同带动管内非满管流体高速旋转产生离心力；

步骤3：在离心力的作用下，非满管流体的分布状态在动力旋转管7中发生改变，从进口管1处带有自由液面高度的流体分布状态，变为出口管9处的带有液环厚度的环形流体分布状态，液体流速由非轴对称分布变为轴对称分布，在利用法拉第电磁感应定律测量液环平均流速时权重函数的作用等效为1；

步骤4：电磁流量测量装置8测量液环厚度和平均流速，应用下述公式计算非满管流量：

式中q为非满管流量，d为所测管道的内径，h为液环厚度，v为流体的平均流速；

平均流速v由下述公式确定：

式中e为感应电动势，k为仪表常数，b为磁感应强度，c为液环形状系数；

液环形状系数c由下述公式确定：

式中f为常数，所述f可以通过标定得到。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。