一种大口径管气体流量测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及流体力学领域，特别是管道内流和钝体绕流领域，具体地说，本发明涉 及一种利用设置在大口径管道内、暴露在流体中钝体测量结构的摆动运动测量管道内体积 流量的方法。
【背景技术】
[0002] 在石油、冶金、化工和煤炭开采等行业中，有许多大口径管道需要进行气体流量的 实时测量，其中许多气体含有大量的灰尘，易沉积，且随温度和压力变化，气体密度也会发 生变化，这些因素都将影响流量的测量精度。此外，在大口径管道上安装流量计，生产现场 空间和前后直管段的限制，以及安装和维护检修水平，这些因素也会影响流量计的可靠性， 稳定性和实用精确度。特别地，煤矿瓦斯抽采的安全性要求以及瓦斯气体的特殊性，对流量 计的应用提出了更加苛刻的应用限制条件。
[0003] 目前针对一般管道流量计量，国内外普遍研究和应用的各种流量计，如孔板流量 计，涡街流量计，皮托管流量计，旋进漩涡流量计和V锥流量计等，都具有各自应用的特点 和局限性。
[0004] 例如，孔板流量计结构简单，成本低且无转动部件，取压孔不易受污脏介质堵塞， 适合于小口径管道，但直管段要求较长，现场安装局限性大，对管道介质造成的永久性压损 较大；涡街流量计压损小，但是测量的气体流速较低或管道直径较小（一般要求测量的流 体Re数不超过IO5)，对环境振动较为敏感，现场长期运行稳定性较差，且测量结果与流量计 插入深度有关，对直管段要求更高；皮托管流量计通过测量管道内测量点气体的动压来推 算该点流速及流量，然而由于插入杆较细，取压孔较小，容易堵塞，不适宜长时间在线测量 气体流量；旋进漩涡流量计无可转动部件，耐腐蚀，稳定可靠，然而适用于小口径管道，永久 性压损较大，现场适应性差，易受被测介质影响，特别是脏污气体，其导流叶片容易结垢，需 要经常清理；作为孔板流量计的改进，V锥流量计具有对直管段要求较小的自整流，不易被 被测介质污损的自清洁，压损小（从而适用于低负压抽放管道），稳定性高和现场适应性较 好等特点，但它整体结构较为复杂，运输安装较为不便。
[0005] 另外，对于大口径管道，尤其是瓦斯管道和烟雾管道，由于气体存在温度、湿度变 化大、杂质多、气液固混合、压力低、流量变化范围宽和现场安装环境局限性大等特点，这就 要求测量其流量的流量计具有如下特征：测量量程比宽，适用管道口径较大，不易堵塞磨 损，永久性压损小，直管段要求短等。由于现有流量计的应用局限性，这就迫切需要探索一 种新的适用于大口径管道气体的流量测量方法及测量装置。
[0006] 基于上述需求，本发明提供了一种适用于大口径管道气体流量的测量方法。
【发明内容】
[0007] 本发明提供一种气体流量的测量方法。所述气体流量的测量方法测量量程比宽， 适用管道口径较大，不易堵塞磨损，永久性压损小，直管段要求短，适用于大口径管，特别适 用于大口径瓦斯管道和烟雾管道中气体流量的测定。
[0008] 本发明所述的气体流量的测量方法的原理为：在管道内特定流速分布下，气体对 测量装置产生流体载荷作用，在该作用下测量装置偏离初始位置而摆动，测量该装置偏离 初始位置的平均偏转角，从而获得平均偏转角与气体流速及相应体积流量的关系。
[0009] 本发明所述的气体流量的测量方法，包括以下步骤：
[0010] 1)在气体管道中设置摆动结构，所述摆动结构的摆动部位可在外力作用下自由摆 动，将所述摆动部位暴露在通过管道中的流体中；
[0011] 2)所述摆动部位在流体的作用下偏转，达到静态受力平衡状态，然后按照式（1) 获得结构偏转角和受力载荷之间的关系；
[0013] 其中：Θ (单位-度）为管道轴线和水平线之间的倾斜角；
[0014] α (单位-弧度）为摆动部位在铅垂平面内摆动的偏转角；
[0015] G (单位-千克?米/秒2)为摆动部位的重力；
[0016] ^ (单位-千克?米/秒2)为摆动结构受到与来流方向相互垂直的升力；
[0017] Fd(单位-千克?米/秒2)为摆动结构受到与来流方向相互平行的阻力；
[0018] 3)进而获得来流平均流速和测量的偏转角之间的对应关系式
[0020] 其中：V-一管道内平均流速，单位-米/秒。
[0021] 为简化公式，当管道轴线水平倾斜角Θ较小（Θ在〈5~10° )时成立，公式（1) 可由下式替代：
[0023] 本方法中，升力和阻力Fd均可采用动力学的公知技术估算。
[0024] 步骤1)中，所述摆动部位完全暴露在通过大口径管道中的流体中，从而可以在以 特定速度分布的气体中，由于所述气体流体对测量装置产生的流体作用力，使得摆动部位 发生自由摆动。
[0025] 本发明提供了一种新的气体流量的测量方法，通过浸没于管道流体的摆动结构受 到载荷作用而发生的偏转摆动，从而测量管道来流的平均流速和体积流量。
[0026] 对于本发明的测量方法，由于摆动部位因脉动流体载荷和湍流等其他因素会导致 测量偏转角随时间发生脉动变化，因此需要对所测量的偏转角α取时间平均值，所述的时 间长度根据需要选择。
[0027] 进一步的，所述管道中的流体的流速具有高雷诺数时，即雷诺数范围为大于5000 的湍流速度剖面特征。
[0028] 本发明所述的气体流量的测量方法，其应用条件为：所需测量的大口径管道特定 流速分布，是处于湍流状态的典型流速分布，流速较高，一般流速较高，范围在1米/秒到10 米/秒之间，即除了管道壁面附近之外，横截面中心大部分区域流速沿径向分布比较均匀。
[0029] 本发明所述的气体流量的测量方法于适用大口径管，特别适用于大口径瓦斯管道 和烟雾管道中气体流量的测定。
[0030] 特别的，本发明还提供能实现上述气体流量测定方法的装置。
[0031] 本发明所述的气体流量测定的装置，主要包括设置在气体管道中的摆动结构和摆 动结构摆动角度的测量装置，所述摆动结构包括固定端和摆动部件，所述摆动结构的摆动 部位可在外力作用下相对于固定端自由摆动，所述摆动部位暴露在通过管道中的流体中， 所述固定端设置在管道内壁；所述摆动结构摆动角度的测量装置设置在所述摆动部位上。
[0032] 进一步的，所述固定端可固定在管道内壁。
[0033] 所述摆动结构摆动角度的测量装置可选用本领域常用的各种角传感器，如单圈绝 对式角度传感器；
[0034] 进一步的，所述摆动部位完全暴露在通过管道中的流体中；
[0035] 通过所述摆动部位在流体的作用下偏转，达到静态受力平衡状态，然后通过式（1) 获得结构偏转角和受力载荷之间的关系，进而获得来流平均流速和测量的偏转角之间的对 应关系，得到流体的平均流速。
[0036] 与现有技术相比，本发明所述的气体流量的测量方法具有如下优点：（1)适用于 大流量的测量，适用于大口径管，特别适用于大口径瓦斯管道和烟雾管道中气体流量的测 定；（2)测量量程比宽，永久性压损小，不易堵塞磨损；(3)安装简便；(4)受被测介质的污 损程度影响较小，如含固体或液体杂质；（5)直管段要求比较低，尽量避免太靠近弯曲管段 即可；(6)可以适应一定倾斜角的管道；(7)结构简单，成本低，操作简便，易于生产规模化。
【附图说明】
[0037] 图1为本发明所述的气体测量方法和装置的摆动结构的布置和受力平衡分析示 意图，图中：Θ--管道倾角；α--偏转角；U00--管道内平均流速；T--结构支持力； G 摆动结构重力；Fl 结构受到的升力；Fd 结构受到的阻力；x，y 直角坐标系 的坐标。
【具体实施方式】
[0038] 本发明所公开的测量大口径管道气体流量测量的方法，是一种通过摆动结构在流 体载荷作用下发生偏转达到受力平衡时的测量方法，其布置和原理分析示意图如图1所 示，流量测量装置中的支撑结构悬挂在管道顶端；在管道内平均来流的作用下，测量装置中 的摆动结构发生偏离初始位置，在某一偏转角下达到受力平衡；由测量装置中的信号传感 器和微电子电路控制装置，通过换算得到并输出相应偏转下的管道平均来流速度或流量。
[0039] 将上述装置用于测量直径300毫米风洞（轴线保持水平）中常温常压下空气（取 密度为1千克/米3)来流的某一剖面平均流速，摆动结构总质量为〇. 15千克，重力加速度 取9. 81米/秒2,摆球直径d为0. 08米，摆球重心测量得到的时间平均摆角为15°，那么 由公式（2)估算得到的来流剖面平均流速为V = 9. 87米/秒。
【主权项】
1. 一种气体流量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 在气体管道中设置摆动结构，所述摆动结构的摆动部位可在外力作用下自由摆动， 将所述摆动部位暴露在通过管道中的流体中； 2) 所述摆动部位在流体的作用下偏转，达到静态受力平衡状态，然后按照式（1)获得 结构偏转角和受力载荷之间的关系；其中：9为管道轴线和水平线之间的倾斜角，单位-度； a为摆动部位在铅垂平面内摆动的偏转角，单位_弧度； G为摆动部位的重力，单位-千克?米/秒2; ^为摆动结构受到与来流方向相互垂直的升力，单位-千克?米/秒2; Fd为摆动结构受到与来流方向相互平行的阻力，单位-千克?米/秒 2; 3) 进而获得来流平均流速和测量的偏转角之间的对应关系式其中：V-一管道内平均流速，单位-米/秒。2. 如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，当管道轴线水平倾斜角0较小（0在 〈5~10° )时，公式⑴可由下式替代：3. 如权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于，步骤1)中，所述摆动部位完全暴露 在通过大口径管道中的流体中。4. 如权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于，步骤2)中，所述摆动部位的偏转角 a取时间平均值。5. 如权利要求1-4任一所述的测量方法的应用，其特征在于，用于测量管道直径在0. 1 米到2米之间中的气体流量。6. 如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述管道中的流体具有湍流速度剖面特征， 其流速的雷诺数数范围大于5000。7. 如权利要求5或6所述的应用，其特征在于，适用大口径管瓦斯管道和烟雾管道中气 体流量的测定。
【专利摘要】本发明涉及一种气体流量的测量方法。本发明所述的气体流量的测量方法的原理为：在管道内特定流速分布下，气体对测量装置产生流体载荷作用，在该作用下测量装置偏离初始位置而摆动，测量该装置偏离初始位置的平均偏转角，从而获得平均偏转角与气体流速及相应体积流量的关系。与现有技术相比，所述气体流量的测量方法测量量程比宽，适用管道口径较大，不易堵塞磨损，永久性压损小，不易堵塞磨损，安装简便，受被测介质的污损程度影响较小，直管段要求短，可以适应一定倾斜角的管道，适用于大口径管，特别适用于大口径瓦斯管道和烟雾管道中气体流量的测定。
【IPC分类】G01F1/05, G01P11/00
【公开号】CN105043462
【申请号】CN201510390868
【发明人】钟兴福, 林黎明, 吴应湘, 张军, 马乃庆
【申请人】中国科学院力学研究所
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月6日