流速測定方法及裝置制造方法
【專利摘要】一種確定管道流體流動流速的方法100。所述方法100包括在所述管道中至少兩個位置處測量所述流體的壓力101，所述壓力通過設置于所述管道上或管道中的傳感器測量。流體的波速基于在所述管道中一個位置處測得的流體壓力來確定102。流體的流速基于確定的波速并基于在所述管道的兩個位置處測得的壓力來確定106。一種用于確定流體流經管道的流速的裝置被配置成，用于實施所述方法100。
【專利說明】流速測定方法及裝置 【技術領域】 [0001]本發明涉及一種測定管道中流速的方法和裝置。具體地，本發明涉及測定增壓管道中流率的方法和裝置。 【背景技術】 [0002]流速或速率是流體在管道內行進的速度。準確測量增壓管道中的流速在許多工業、工程研究和實驗過程中均很重要。在食品和飲料領域中，產品的質量很大程度上取決于對每種成分的正確測量，并使用實時流量測量進行精確監測。在石油和煤氣工業中，流體被從一方出售給另一方，由于傳送的流體量可能與需求不符，或者由于單位體積流體的成本增加，因此與流速測量誤差相關的成本可能很大。精確的流量測量在內燃機的有效運行中也特別重要，用于保持最佳的燃料與空氣的比例以及使廢氣的排放最小化。 [0003]大多數現有的測量流速的裝置/方法只能夠測定時間平均流速。由于流體的迅速變化的流動性質，很少有現有技術/裝置能夠應用于非穩定流的流體。現有技術/裝置的例子包括熱絲法、電磁流量計和激光多普勒測速(Laser Doppler Velocimetry,LDV)技術。 [0004]熱絲法是基于熱傳遞原理。由電路加熱的細絲被插入流體在管道中的流動路徑中。當流體流經細絲周圍的管道時，流體和細絲的對流產生熱交換，細絲相應地冷卻。流速與保持導線恒溫所需的功率成比例。所述熱絲法對管道中流體的流動方向不敏感，并且具有侵入性。另外，所述熱絲法需要昂貴的維護，不適合現場使用。 [0005]電磁流量計是基于法拉第感應定律(Faraday’s law of induction)。導電流體以直角穿過磁場時產生感應電壓。感應電壓與該流體速度成比例。電磁流量計由磁性線圈組成，用于產生磁場。當導電流體流經該磁場時，感應出由所述流量計的電極測得的電壓。電磁流量計會堵塞流體的流動路徑。然而，這種方法具有侵入性，因為需要在管道系統中的流量測量點處插入電磁流量計。此外，該測量計的大小隨著管道的尺寸增加。另外，由于法拉第感應定律僅適用于導電流體，電磁流量計受到工作流體的電導率的限制。一些商用電磁流量計可處理電導率低至0.5pS/cm的流體。然而，電導率為10_8μ S/cm的氣體管道無法由電磁流量計測量(Doebelin, E.0.(1990) "Measurement systems:application anddesign", McGraw-Hill)。管道的材料也必須是非導電性的，金屬管道需要為電磁流量計安裝非導電橡膠襯墊以準確運行。 [0006]激光多普勒測速儀(LDV)技術是基于多普勒原理。該技術利用多普勒原理測量局部流速，并確定管道中的速度分布。然后可通過對所測量的管道橫截面上的速度分布求和確定流速。在該技術中，相干激光束從激光源發射并被分成兩束。使這些激光束的路徑在透明管段內部的測量位置處交叉。當兩束激光交叉時，產生疊加光波的干涉圖樣。該圖樣受到流體中反射粒子的干擾，光密度的改變能夠與流速相關聯。這一技術的缺點是與設備相關的成本很高，并且流體中需要有反射粒子并且需要用于光束傳輸的透明管部分。至少這些缺點意味著LDV不適合現場使用。 [0007]Washio提出一種廉價且非侵入性的流速測量方法，該方法需要最低限度的系統改造并且不需要反射粒子(Washio, S., Takahashi, S., Yu, Y.,和 Yamaguchi, S.(1996) "Studyof unsteady orifice flow characteristics in hydraulic oil lines' Journal ofFluids Engineering, Transactions of the ASME, 118 (4)，743-748)。Washio 的方法是基于管道壓力和流速之間的動態關系。在流量估測點處的流速可由沿著管道測得的兩個點處的壓力來推導出。由于流體流動的不穩定產生的壓力變化可以用應變儀或壓電式壓力換能器來測量(Catania, A.E.，and Ferrari, A.(2009) "Development and assessment of a newoperating principle for the measurement of unsteady flow rates in high-pressurepipelines", Flow Measurement and Instrumentation, 2O (6)，230_240)。使用壓力來測定流速是有利的，因為壓力換能器可以極低的成本得到且具有相對小的物理尺寸。壓力換能器可以齊平地、非侵入地安裝到管道的壁中，最小化對流體流動的擾動。
[0008]圖1和圖2示出了用于在流量估測點處估測流體流速的Washio方法的安裝圖910和流程圖920。用于估測流速的Washio方法包括由以下流速和壓頭之間的關系來計算流量估測點913處隨時間變化的流速:
[0009]
【權利要求】
1.一種確定在管道中流動的流體流速的方法，包括: 在所述管道中至少兩個位置處測量所述流體的壓力，所述壓力通過設置于所述管道上或管道中的傳感器測量； 基于在所述管道中一個位置處測得的流體壓力來確定流體的波速；以及 基于確定的波速并基于在所述管道中至少兩個位置處測得的壓力，來確定流體的流速。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括，如果確定的流速與預期的流速明顯不同，則調節流體流經所述管道的流速。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中所述波速基于在所述管道中第一對位置處測得的壓力確定，所述流速基于在所述管道中第二對位置處測得的壓力確定。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述第一對位置與所述第二對位置是相同的，并且使用一對傳感器確定波速和在兩個位置處測得的壓力。
5.根據權利要求3所述的方法，其中所述第一對位置與所述第二對位置不同，并且使用四個傳感器。
6.根據權利要求3所述的方法，其中所述第一對位置和第二對位置中僅一個位置相同，并且使用三個傳感器。
7.根據權利要求1或2所述的方法，其中所述波速基于由傳感器在一個位置處測得的壓力確定。
8.根據權利要求7所述的方法，還包括產生朝傳感器傳播的瞬態波，所述瞬態波由發生器產生，所述傳感器用于感測所述瞬態波。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述流速基于在與波速相同位置處測得的壓力和在不同位置處測得的壓力確定，其中使用兩個傳感器。
10.根據權利要求8所述的方法，其中所述流速基于在與波速不同位置處測得的壓力確定，并且使用所述發生器和三個傳感器。
11.根據權利要求1-10中任一項所述的方法，其中所述流體的壓力在沿所述管道長度的兩個位置處使用兩個傳感器測得，所述傳感器設置于所述管道上或管道中；并且所述流體的波速是基于在每個各自位置處測得的流體壓力確定。
12.根據權利要求1-11中任一項所述的方法，其中所述波速是至少基于測得的流體壓力，通過確定所述兩個位置之間管道的傳遞函數而確定。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述傳遞函數是來自所述兩個位置的壓力測量值的比值。
14.根據權利要求12或13所述的方法，其中所述傳遞函數是來自所述兩個位置的傅立葉變換壓力測量值的比值。
15.根據權利要求1-14中任一項所述的方法，其中所確定的波速被用在以下公式中以在不含液壓元件的管道中的流量測定點處確定流體的流速:
Pm 、馨 2 JPa22 J\iu
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16.根據權利要求1-14中任一項所述的方法，其中所述流體在所述管道中流量測定點處的流速由以下公式確定，其中，在為確定流速而進行壓力測量的位置之間具有η個液壓元件，且在為確定流速而進行壓力測量的位置之一和所述流量測定點之間具有m個液壓元件，其中η和m是整數:
17.根據權利要求16所述的方法，其中對于流動損失型液壓元件，所述矩陣E由下式給出:
18.根據權利要求16所述的方法，其中對于壓頭損失型液壓元件，所述矩陣E由下式給出:
19.根據權利要求16-18中任一項所述的方法，其中所述流體在流量測定點處的流速由以下公式確定，其中在進行壓力測量的位置之間具有一個液壓元件，且在進行壓力測量的位置之一和所述流量測定點之間具有一個液壓元件:
20.根據權利要求16-18中任一項所述的方法，其中所述流體在所述管道中流量測定點處的流速由以下公式確定，其中，在進行壓力測量的位置之間具有兩個液壓元件，且在進行壓力測量的位置之一和壓力測定點之間具有一個液壓元件:
21.根據權利要求19所述的方法，其中在所述流量測定點處的流速可由以下公式確
22.根據權利要求15-21中任一項所述的方法，還包括至少基于確定的流體波速和與流態有關的阻力項R來確定流體流經管道的流態和流體在管道中流量測定點處的流速。
23.根據權利要求22所述的方法，其中至少基于流體的雷諾數Re在層流或湍流中確定穩定或非穩定流速的流態。
24.根據權利要求23所述的方法，其中當流體的雷諾數小于約2000時，所述流體被確定為層流，當流體的雷諾數大于約2000時，所述流體被確定為湍流。
25.根據權利要求22所述的方法，其中所述管道的阻力項R基于流態在穩定或非穩定層流的阻力項和穩定或非穩定湍流的阻力項之間確定。
26.根據權利要求25所述的方法，其中所述穩定層流的阻力項Rs基于以下公式:
27.根據權利要求25所述的方法，其中所述穩定湍流的阻力項Rs是基于以下公式:
28.根據權利要求25所述的方法，其中對于非穩定流速，所述管道的阻力項R為穩定層流或穩定湍流的阻力項與由下式給出的非穩定流速的附加阻力項Ru的組合:
29.根據權利要求28所述的方法，其中非穩定層流的權重函數W為:當τ小于或等于0.02時
30.根據權利要求28所述的方法，其中非穩定湍流的權重函數W是:
31.根據權利要求15-30中任一項所述的方法，還包括至少基于所確定的流體波速和所述管道類型特征，確定流體所流經管道的類型以及所述流體在流量測定點處的流速，所述管道類型特征包括管道的特性阻抗Ζ。和傳播常數μ。
32.根據權利要求31所述的方法，其中如果所述管道類型不是塑料的，則所述管道的特性阻抗Ζ。和傳播常數μ由下式給出:
33.根據權利要求31所述的方法，其中如果所述管道類型是塑料的，則所述管道的特性阻抗Z。和傳播常數μ由下式給出:
34.根據權利要求1-33中任一項所述的方法，還包括: 確定所確定的第一對傳感器之間的流體流速的第一組信號特征， 確定所確定的第二對傳感器之間流體流速的第二組信號特征，和 比較所確定的第一組信號特征和第二組信號特征，以校正所述流體流速的任何誤差。
35.根據權利要求34所述的方法，其中所述第一對傳感器和第二對傳感器包括一個共同的傳感器。
36.根據權利要求34所述的方法，其中所述第一對傳感器中的傳感器與所述第二對傳感器中的傳感器不同。
37.根據權利要求34-36中任一項所述的方法，其中所確定的第一組信號特征和第二組信號特征包括流速的相位值和幅度值。
38.一種用于確定流體流經管道的流速的裝置，包括: 至少兩個傳感器，設置在所述管道上或管道中用以在所述管道的至少兩個位置處測量流體的壓力； 連接至所述傳感器的處理器，所述處理器用于基于在所述管道的至少一個位置處測得的流體壓力來確定流體波速，所述處理器還用于基于所確定的波速和在所述管道中的兩個位置處測得的壓力來確定流體的流速。
39.根據權利要求38所述的裝置，其中所述裝置被布置成，如果確定的流速與預期的流速明顯不同，則調節流體流經管道的流速。
40.根據權利要求38或39所述的裝置，其中所述裝置用于基于由傳感器在管道的第一對位置處測得的壓力來確定波速，并且所述處理器用于基于在管道的第二對位置處測得的壓力來確定流速。
41.根據權利要求40所述的裝置，其中所述第一對位置與所述第二對位置相同，并在這兩個位置處各設置一個傳感器。
42.根據權利要求40所述的裝置，其中所述第一對位置與所述第二對位置不同，并且在這四個位置處各設置一個傳感器。
43.根據權利要求40所述的裝置，其中所述第一對位置中只有一個位置與所述第二對位置相同，并且在這三個位置處各設置一個傳感器。
44.根據權利要求38-43中任一項所述的裝置，其中所述處理器用于基于由第一傳感器在一個位置處測得的壓力來確定波速。
45.根據權利要求44所述的裝置，還包括一個發生器，用于產生朝第一傳感器傳播的瞬態波，并且所述第一傳感器用于檢測該瞬態波。
46.根據權利要求45所述的裝置，其中所述流速基于由所述第一傳感器測得的壓力和由第二傳感器在另一位置處測得的壓力確定，其中使用兩個傳感器。
47.根據權利要求46所述的裝置，其中所述流速基于由不同于所述第一傳感器的傳感器測得的壓力確定，并且使用所述發生器和三個傳感器。
48.根據權利要求38-47中任一項所述的裝置，還包括兩個傳感器，所述傳感器連接至處理器，用于在沿管道長度的兩個位置處測量流體壓力，流體的波速基于在每個各自位置處測得的流體壓力確定。
49.根據權利要求38-48中任一項所述的裝置，其中所述處理器用于至少基于測得的流體壓力，通過確定在所述兩個位置之間的管道的傳遞函數來確定波速。
50.根據權利要求49所述的裝置，其中所述傳遞函數是來自所述兩個位置的測量值的比值。
51.根據權利要求49或50所述的裝置，其中所述傳遞函數是來自所述兩個位置的傅立葉變換測量值的比值。
52.根據權利要求38-51中任一項所述的裝置，其中所述處理器用于在以下公式中使用所確定的波速以在不含液壓元件的管道的流量測定點處確定流體的流速:
53.根據權利要求38-51中任一項所述的裝置，其中所述處理器通過以下公式確定所述管道中流量測定點處流體的流速，其中，在為確定流速而進行壓力測量的位置之間具有η個液壓元件，且在為確定流速而進行壓力測量的位置之一和所述流量測定點之間具有m個液壓元件，其中η和m是整數:
54.根據權利要求53所述的裝置，其中對于流動損失型液壓元件，所述矩陣E由下式給出:
55.根據權利要求53所述的裝置，其中對于壓頭損失型液壓元件，所述矩陣E由下式給出:
56.根據權利要求53-55中任一項所述的裝置，其中所述處理器用于通過以下公式確定流體在管道中流量測定點處的流速，其中，在進行壓力測量的位置之間具有一個液壓元件，且在進行壓力測量的位置之一和所述流量測定點之間具有一個液壓元件:
57.根據權利要求53-55中任一項所述的裝置，其中所述處理器用于通過以下公式確定流體在管道中流量測定點處的流速，其中，在進行壓力測量的位置之間具有一個液壓元件，且在進行壓力測量的位置之一和所述流量測定點之間具有一個液壓元件:
58.根據權利要求56所述的裝置，其中所述處理器用于利用以下公式確定流量測定點處的流速:
59.根據權利要求52-58中任一項所述的裝置，其中所述處理器用于基于流體的流態確定所述管道的阻力項R，和至少基于所確定的流體波速和與流態有關的所述阻力項R確定管道中流量測定點處流體的流速。
60.根據權利要求59所述的裝置，其中所述處理器用于至少基于流體的雷諾數Re確定層流和瑞流之間的穩定或非穩定流速的流態。
61.根據權利要求60所述的裝置，其中當流體的雷諾數Re小于約2000時，所述流體為層流，且當流體的雷諾數Re大于約2000時，所述流體為湍流。
62.根據權利要求59-61中任一項所述的裝置，其中所述處理器用于基于流體的雷諾數Re確定層流和瑞流之間的穩定和非穩定流速的阻力項。
63.根據權利要求62所述的裝置，其中所述處理器用于基于流態確定管道在穩定或非穩定層流的阻力項和穩定或非穩定湍流的阻力項之間的阻力項。
64.根據權利要求63所述的裝置，其中穩定層流的阻力項Rs是基于以下公式:
65.根據權利要求63所述的裝置，其中穩定湍流的阻力項Rs是基于以下公式:
66.根據權利要求63所述的裝置，其中對于非穩定流速，所述管道的阻力項R為穩定層流或穩定湍流的阻力項Rs與由下式給出的附加阻力項Ru的組合:
67.根據權利要求66所述的裝置，其中非穩定層流的權重函數為 當τ小于或等于0.02時，
68.根據權利要求66所述的裝置，其中非穩定湍流的權重函數為
69.根據權利要求52-68中任一項所述的裝置，其中所述處理器用于至少基于考慮了所述管道的特性而確定的流體波速確定所述管道中流量測定點處流體的流速，所述管道特征包括管道的特性阻抗Z。和傳播常數μ。
70.根據權利要求69所述的裝置，其中如果所述管道不是塑料的，所述處理器用于使用以下公式來計算管道的特性阻抗Ζ。和傳播常數μ:
71.根據權利要求69所述的裝置，其中如果所述管道是塑料的，則所述處理器用于使用以下公式來計算管道的特性阻抗Z。和傳播常數μ:
72.根據權利要求38-71中任一項所述的裝置，其中所述處理器還被配置為: 確定所確定的第一對傳感器之間的流體流速的第一組信號特征， 確定所確定的第二對傳感器之間的流體流速的第二組信號特征，和 比較所確定的第一組信號特征和第二組信號特征，以校正所述流體流速的任何誤差。
73.根據權利要求72所述的裝置，其中所述第一對傳感器和第二對傳感器包括一個共同的傳感器。
74.根據權利要求72所述的裝置，其中所述第一對傳感器中的傳感器與所述第二對傳感器中的傳感器不同。
75.根據權利要求72-74中任一項所述的裝置，其中所確定的第一組信號特征和第二組信號特征包括流速的相位值和幅度值。
【文檔編號】G01P5/14GK103814277SQ201280032810
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年6月29日 優先權日:2011年6月30日
【發明者】佩德羅·喬斯·李 申請人:佩德羅·喬斯·李