一種基于旋流原理的差壓式流量測量裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于流體測量技術領域，具體涉及一種基于旋流原理的差壓式流量測量裝 置及方法。
【背景技術】
[0002] 在流量測量領域，差壓式流量計占流量計總數的1/3以上，無論從發展歷史、應用 范圍與使用數量來看，它都是當之無愧的第一大類流量計。目前，常用的差壓流量計分為兩 大類：節流式和繞流式。節流式包括標準型（孔板、噴嘴和文丘里管）和非標準型（槽式孔 板、多孔板、1/4孔板、彎管、錐形入口孔板等）。繞流式包括環形孔板、環形通道（V型內錐、 槽道式等）、均速管等。
[0003]標準孔板節流裝置的優點是結構簡單、應用技術成熟、產品已經實現標準化，是目 前工業應用最廣泛的流量儀表；但是它的缺點也很多：永久壓力損失過大、安裝時要求上 下游有較長的直管段、量程比窄，僅為3:1、開孔邊緣鈍化會使它的準確度下降、流體流經節 流裝置前流束必須與管道軸線平行且不得有旋轉流等。雖然噴嘴和文丘里在相同流量和0 值時的壓損比孔板要低30%~50%，但是噴嘴和文丘里價格昂貴，結構較復雜。
[0004] 彎管流量計是利用彎管內外側壓差測量流量的差壓式流量計，它的優點是花費 成本較低、容易安裝和使用，缺點是容易出現二次流的干擾，由于流量系數受彎管結構尺寸 參數R/D的影響非常敏感，所以非常不容易實現標準化。
[0005]對于多相流流量的測量，彎管流量計無法實現，而由于兩相流體的流動工況復雜 性，孔板、噴嘴、文丘里無法借用統一的經驗公式，一般采用組合法進行測量，如LiYuxing 等提出的雙槽式孔板組合、ZhiqiangSun的文丘里管-禍街流量計組合、ChenquanHua 等的槽式孔板-旋進流量計組合、C.H.Hong等提出的孔板或文丘里管-臨界流噴咀組合、 ShunpeiYamazaki等提出的文丘里管-層流流量計組合等，這些方法在一定的范圍內都能 正常工作，而一旦超出其測量范圍，流量信號就會淹沒在強烈的"噪聲"中，測量誤差隨之急 劇增大甚至不能工作。
【發明內容】
[0006] 為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的在于提出了一種基于旋流原理的差 壓式流量測量裝置及方法，本發明所需的直管段大大縮短，壓差也大為減小，而且對旋轉流 動和渦流的情況有極好的適應性；對于多相流體，旋流裝置能夠將復雜的多相流體整流成 關于軸線對稱的管內"相分隔"狀態，從而更加便于測量，由于影響此種方法測量的僅為簡 單的旋流器，所以相比其他非標準型的差壓流量計而言，此種方法和裝置更容易實現標準 化。
[0007] 為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0008] -種基于旋流原理的差壓式流量測量裝置，包括一個直徑為D的管道7,管道7內 設置有與管壁緊密貼合且靜態布置的旋流器2,旋流器2下游的管道設置有管壁取壓管4和 管中心取壓管5,管壁取壓管4和管中心取壓管5的出口分別與差壓變送器6的兩個流體進 口相連通。
[0009] 所述的旋流器2位于管道入口 1的下游，兩者之間的距離不小于2D。
[0010] 所述的旋流器2位于管道出口 3的上游，兩者之間的距離不小于2D。
[0011] 所述管壁取壓管4和管中心取壓管5位于旋流器2下游2D~IOD處，管壁取壓管 4的軸線和管中心取壓管5的取壓口位于同一水平面。
[0012] 所述管壁取壓管4和管中心取壓管5處的取壓孔直徑為0. 5~2. 0mm。
[0013] 所述管壁取壓管4處取壓孔的軸線與管壁垂直。
[0014] 所述管中心取壓管5的取壓孔軸線方向和流動方向相同。
[0015] -種基于旋流原理的差壓式流量測量方法，包括以下步驟：
[0016] 步驟一、當流體流經管道7中的旋流器2時，由于流體受到旋流器2的束縛，迫使 流體按照旋流器2的形狀產生渦旋流動，流體繞管中心軸旋轉，邊旋轉邊向下游流動，其流 動軌跡近似為一螺旋線，流體產生的離心力使得流體在管壁和管中心產生壓差，管壁取壓 管4和管中心取壓管5分別取出管壁和管中心的靜壓，兩者的壓差通過差壓變送器6測量 出來；
[0017] 步驟二、對于旋流器2,流體流量的大小和旋流器2后某一橫截面管壁和管中心
與壓力梯度相平衡，BP:
[0018]
[0019] 由積分中值定理可知，總存在一個半徑r%該處的切向流速能代表該截面的切向 平均流速< :，則對式（1)對半徑從O-R積分得：
[0020]
[0021] 式中 <和Y分別代表截面的切向平均流速和平均流速對應的平均半徑，R代表管 道內徑；
[0022] 步驟三、由于流體通過旋流器后是做旋轉向上運動，如果旋流器一定，那么軸向平 均流速和某個截面的切向平均流速必然存在一個固定的比例關系，而該切向平均流速又與 壓差的1/2次方成線性關系，也就是說軸向平均流速和某個截面管壁和管中心壓差的1/2 次方成線性關系：
[0023]
[0024]式中，a代表流量系數，與管道直徑、截面位置有關，其值通過實驗標定得出；AP表示流體介質流經某一截面時管道中心和管壁之間的壓降；P表示介質密度；
過各相的軸向平均流速乘以相應各相的流通截面積，即可得到各相的流量。
[0026] 本發明的測量原理為：
[0027] 對于旋流器，流體流量的大小和旋流器后某一橫截面上管壁和管中心的壓差AP 存在一定關系，由模擬和實驗驗證可知，軸向平均流速瓦與該截面管壁和管中心壓差AP 的1/2次方成線性關系，而且離旋流器越遠，流量系數a越大；因此只需提前對特定的旋流 器結構進行標定，根據測出的旋流器后某一截面的壓差值，即可得出管道的軸向平均流速， 進而得知流體的流量。
[0028] 本發明的優點：
[0029] 本發明和傳統的差壓式流量計比較起來，所需的直管段大大縮短，壓差也大為減 小，而且對旋轉流動和渦流的情況有極好的適應性；對于多相流體，旋流裝置能夠將復雜的 多相流體整流成關于軸線對稱的管內"相分隔"狀態，從而更加便于測量，由于影響此種方 法測量的僅為簡單的旋流器，所以相比其他非標準型的差壓流量計而言，此種方法和裝置 更容易實現標準化。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發明的裝置結構示意圖。
[0031] 圖2是軸向平均流速與管壁和管中心壓差的1/2次方的關系圖。
[0032] 圖3是氣液兩相流（氣體流量為2L/min)時，水相流量與管壁和管中心壓差的1/2 次方的關系圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結合附圖對本發明作更詳細的說明。
[0034] 如圖1所示，一種基于旋流原理的差壓式流量測量裝置，包括一個直徑為D的管道 7,管道7內設置有與管壁緊密貼合且靜態布置的旋流器2,旋流器2下游的管道設置有管 壁取壓管4和管中心取壓管5,管壁取壓管4和管中心取壓管5的出口分別與差壓變送器6 的兩個流體進口相連通。
[0035] 所述的旋流器2位于管道入口1的下游，兩者之間的距離不小于2D。
[0036] 所述的旋流器2位于管道出口3的上游，兩者之間的距離不小于2D。
[0037] 所述管壁取壓管4和管中心取壓管5位于旋流器2下游2D~IOD處，管壁取壓管 4的軸線和管中心取壓管5的取壓口位于同一水平面。
[0038] 所述管壁取壓管4和管中心取壓管5處的取壓孔直徑為0. 5~2. 0mm。
[0039] 所述管壁取壓管4處取壓孔的軸線與管壁垂直。
[0040] 所述管中心取壓管5的取壓孔軸線方向和流動方向相同。
[0041] 一種基于旋流原理的差壓式流量測量方法