插入式差压流量计的研究

发布时间：2016-05-02 20:47

第 1 章 绪   论

1.1 课题来源及研究背景和意义
本课题是校企合作项目，企业是深圳某一高新技术公司，项目的名称是“插入式差压流量计的研究”。 流量是现实生活中常见的被测量对象，流量的测量大多采用专用的商业化流量计，测量单位一般为立方米每小时、升每分钟。流量计的种类众多，它主要的分类方法主要有以下几种。根据流量计工作原理的不同，主要有热式、差压式、超声波式、电磁式、涡轮、涡街流量计等；根据流量计的安装方式的不同，分为管道式、插入式、粘附式流量计等；根据被测流体介质状态的不同，可以分为气体、液体流量计等[1-3]。流量是工业应用中重要计量单位，流量计在工业测量领域应用很广，在能源传输、流体检测、电力工程等各个领域占有重要的位置。特别是资源危机、人口膨胀的我国，在国家号召节能环保的大环境下，需要精度更高的流量计来满足测量要求[4,5]。 差压式流量计作为传统流量计应用较多的一种，其发展历史比较悠久，相关的研究理论也比较成熟[6-8]。压差检测装置和压差发生装置是构成差压式流量计的最重要部分。差压流量计作为检测流体平均速度的装置，工作原理是流体介质流经节流装置时产生的压力差与流速之间存在一定关系来进行测定流量的。差压式流量计广泛应用于流量检测、能源传输等领域。 差压式流量计具有结构简单、使用寿命长、成本较低、不易受流体介质影响等优势，缺点是大部分的标准节流装置结构复杂，且尺寸较大，对安装定位的要求很高[9,10]。市场上差压式流量计大都是管道式的差压流量计，管道式差压流量计安装比较复杂，限制了管道式差压式流量计的推广。为了克服管道式流量计的以上弊端，同样根据传统差压流量计工作原理，均速管流量计在流量计市场上得到越来越多的应用，管道式均速管流量计结构图见图 1-1，插入式均速管流量计见图 1-2。均速管流量计有效的克服了传统压差发生装置的体积限制，可以方便的进行安装。但是均速管流量计往往对测试管道的的尺寸有特定要求，同一规格的流量计只适用于同一规格的管径，通用性差。本文目的是设计一种新型插入式差压流量计，增强均速管流量计的通用性。 
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1.2 均速管流量计的特性
作为历史发展较短的的差压流量计一种，均速管流量计近年来越加受到市场的关注，更多的企业开始使用均速管流量计。均速管流量计与传统式差压流量计 相比，均速管流量计的优势如下[11,12]： （1）结构组成简单，安装便捷，维护成本低。 （2）阻塞比小，永久性压损小，从而有效的节约了能源。传统的差压流量计如孔板式流量计的压力损失大，最大达到了压差的 80%，而均速管流量计压力损失最少可以达到压差的 2%，最多为压差的 15%，这样就降低了运行成本，它的每年的运行费用只有孔板的 2%~3%，所以均速管流量计应用在能源传输领域中，可以大大地节省运营成本。 （3）适用管径范围大。随着现在能源行业管道的增大，在大管径运输的条件下，传统的差压流量计失去了成本优势，均速管流量计的测量管径范围最大可以达到 9 m，最小可以达到 25 mm，管径越大，测量结果越精确。均速管流量计可以测量的流体介质种类多。 （4）性能稳定，安装方便。由于组成均速管流量计的所有部件都有固定的位置，减小了部件移动对流体测量的影响，稳定性能好。市场常见的均速管流量计的精度在 1%左右，稳定性每年波动约 1%。 正是由于均速管流量计的以上优势，使得均速管流量计可以在上百种流量计中市场排名在 10 位左右，在管径大于 400 mm 的情况下，更是成为众多流量测量的首选。但是由于均速管本身的结构和工作原理，使得均速管流量计也有一些弊端限制了流量测量的精度和使用，主要有以下特点[13,14]。 
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第 2 章 差压流量计数学模型的建立及仿真研究

本章首先对传统的均速管流量计的工作原理进行了研究，并且根据传统的均速管流量计流量的计算公式，探讨了拟设计的半管插入式差压流量计的流量计算方法。利用流体仿真软件验证了圆形截面探测杆作为均速管流量计压差产生元件的工作原理。对常见的均速管流量计截面形状为圆形和子弹头型进行数值仿真，得出了探测杆前后两端压差的大小，并且对不同速度下的仪表系数、平均仪表系数、线性度误差进行了计算。利用分析法和数值仿真法设计了新型的压差发生装置的截面，与圆形截面和子弹头型截面的仿真结果进行对比，得到了新型截面的探测头可以产生更高的压差值，仪表系数的线性度误差更小，并且设计了差压流量计的探测头结构。 

2.1 均速管流量计的工作原理的研究
均速管流量计结构组成图见图 2-1。其主要的传感元件是插入管道中的探测杆，作为最主要的探测部分，很大程度上决定了流量计的测试精度。传统的均速管差压流量计的迎流面开有成对的取压孔，迎流面所测得压力是总压，一般背流面的取压孔位置设在管道的轴线中心处，测试得出的压力值是流体的静压值。均速管流量计就是利用迎流面与背流面分别测得的全压与静压的关系来测试管道流速的，进而得到管道的气体流量。
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2.2 CFD软件与流体运动控制方程
随着计算机软硬件性能的提高和对流体力学理论研究的深入，越来越多的流体仿真软件即 CFD 软件得到了越来越广泛的使用。CFD 软件可以对实际的流体建模并进行数值仿真，实践证明了 CFD 软件可以很好的模拟流体的实际运动状况，加快了研发周期[35,36]。本文首先使用 CFD 软件对管道内流体绕流均速管流量计的截面的模型进行数值仿真，目的是研发一种新型的差压流量计的截面形状，并对新型的探测截面进行试验研究。Gambit 是当今应用较多的 CFD 前处理软件，它具有结构清晰，功能强大，简便易学等优点。Gambit 具有很强的建立模型的能力，可以建立点、线、面、体的结构，包括二维模型和三维模型，Gambit 软件也支持大部分的 CAD 建模软件的模型的导入。它可以对导入的 CAD 模型进行自动修复，减小了因模型导入而发生的微小变形，不会影响导入模型的精度。Gambit 前处理软件可以自动的生成多种形式的网格，它具有多种高效率的网格划分算法，可以获得质量很高的网格。Gambit 软件可以生成兼容性很强的网格文件，可以轻松的导入不同的 CFD软件中进行数值计算。Fluent 软件是应用最多的商用流体仿真软件，模拟真实的流场可以有效节约物质与时间成本，计算结果精度高、速度快，与真实流场的吻合度高，所以被广泛用于能源传输、航空航天、交通制造等领域。Fluent 软件包含的湍流模型种类众多，有 k-ε 模型、k-ω 模型等，同时支持用户使用自己设计的湍流模型。该软件可以支持多种性质的流体介质，流体介质可以是粘性或者非粘性，，压缩或者非压缩性质。
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第 3 章  差压流量计的结构设计 .......... 18 
3.1  流量计的传感器选型 ......... 19 
3.1.1  压差信号采集与校准 .......... 19 
3.1.2  气压传感器和温度传感器 .......... 25 
3.1.3  三通电磁阀 .......... 26 
3.2  差压流量计关键部件的焊接工艺 ..... 27 
3.2.1  导气管与探测头焊接的工艺 ...... 27 
3.2.2  激光焊接 ...... 28 
3.3  差压流量计关键部件密封设计 ......... 28
3.4  本章小结 ..... 30 
第 4 章  差压流量计的硬件电路设计与软件设计 ...... 31 
4.1  硬件电路设计 ..... 31
4.2  差压流量机的软件设计 ..... 35 
4.2.1  主程序设计 .......... 35 
4.2.2  数据采集模块设计 ...... 37 
4.2.3  流量计算模块的设计 .......... 37 
4.3  本章小结 ..... 38 
第 5 章 差压流量计的测试平台与测量 ...... 39 
5.1  测试平台的组成 ......... 39 
5.2  样机的性能指标测试 ......... 40 
5.3  差压流量计误差分析 ......... 47 
5.4  本章小结 ..... 48 

第 5 章 差压流量计的测试平台与测量

完成了新型差压流量计的整体结构设计、硬件电路的设计和软件设计之后，制造差压流量计的各个零件并装配样机，为了得到新型差压流量计的性能指标，还要对完成的差压流量计样机在测试系统上进行管道测试，测试差压流量计的各个性能指标是否满足性能指标要求，然后对测试结果进行数据分析，进而对插入式差压流量计进行改进。

5.1 测试平台的组成

差压流量计的测试校准可以由专业的计量院进行检测，由于合作单位具有多年的流量计研发经验，本测试的实验平台是公司已有的流量计校验系统，该校验系统的简易结构图见图 5-1，实际的校验系统组成图见图 5-2。测试平台主要包括以下几个主要部分：空气压缩机部分，它的作用是产生一定压力的压缩空气，用于流量计的校验；电机部分，产生具有一定流速的的压缩空气；储气罐，用于储存一定的稳压压缩空气，气体压力的稳定对于流量校验具有重大意义；标准表，该校验系统采用的标准表是高精度等级的涡轮流量计，用于对管道内的压缩空气进行流量测量，为被测流量计提供精确参照；校验系统还包括了压力变送器和温度传感器件，用于对校验系统压力和温度的监控；校验系统还包括空气过滤器，总气路和分支管道的电磁阀，温度调节器等装置；校验系统有工控机作为主要的控制系统，用于检测管道内气压、温度等参数，控制各种管道阀门的开关，管道内流体的流速大小等。 

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结   论

传统的均速管流量计对被测试气体管道管径有严格的要求，即统一规格的均速管流量计只能用于测量特定管径的管道。为了提高均速管流量计的通用性，由传统的全管式探测杆、多对取压孔改为半管式、一对取压孔的结构，同时设计了新型的探测头截面形状，使得探测头的测量结果更加稳定。并对设计出的样机在流量测试平台上进行管道测试，得到流量计主要的性能指标。主要的研究工作和结论如下：
（1）利用 CFD 软件对常见的均速管探测头的截面形状进行绕流分析，与设计的新型探测头截面形状进行对比，确定了设计的探测头可以得到更好的性能。
（2）完成了插入式差压流量计的整体结构设计和主要的装配工艺设计。整体结构设计主要有流量检测涉及的传感器的选型，包括差压、气体绝压、温度传感器等。选用合理的装配工艺，使得流量计可以工作在高温高压的工作环境中。
（3）完成了对插入式差压流量计的硬件电路设计和软件部分的设计。硬件部分主要有信号采集、数据处理、电源转换、SDI 通信等模块。同时对差压流量计软件部分进行了框架设计。
（4）完成了插入式差压流量计的测试。对差压流量计进行了双向测量，对实验数据进行记录，计算出了流量计的流量测试误差、仪表系数、线性度、重复度等性能指标。对影响流量计精度的因素进行了详细的分析，以减小影响因素对测试结果的影响。 
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参考文献(略)

本文编号：41306