專(zhuān)利名稱(chēng)：多相流產(chǎn)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及濃度和多相流的測(cè)量方法及裝置，尤其是一種測(cè)量管道輸送漿體和或多相流的產(chǎn)量?jī)x。
二.
背景技術(shù)：
目前在冶金、化工、石油、醫(yī)藥、河流疏浚、電力等部門(mén)，物料輸送廣泛采用管道系統(tǒng)。兩相(或多相)流體在管道系統(tǒng)中不間斷流動(dòng)，以供生產(chǎn)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。不論是從安全輸送角度考慮還是從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面考慮，漿體在管道輸送過(guò)程中，其濃度的測(cè)定是至關(guān)重要的，它是實(shí)施控制調(diào)節(jié)必不可少的測(cè)定參數(shù)。例如前述行業(yè)在進(jìn)行多相流(固、液、氣)管道輸送時(shí)，漿體在管道中必需有一個(gè)合理的輸送量，既不能發(fā)生淤堵，又必需保證經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，這一產(chǎn)量的測(cè)定，按照流體力學(xué)的經(jīng)典公式進(jìn)行產(chǎn)量＝CT×Q×S。CT為輸送漿體濃度，Q為一定壓力下輸送漿體流量，S為時(shí)間。流量和壓力的測(cè)定已是很容易解決的問(wèn)題，然而對(duì)于濃度的測(cè)定，看似簡(jiǎn)單，實(shí)則很難。由于壓力管道上取樣會(huì)帶來(lái)密封等一系列問(wèn)題，加上放進(jìn)管道中的測(cè)定傳感器因被漿體包裹或磨損容易失去精度要求而導(dǎo)致測(cè)定失敗。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的、精度尚可的濃度計(jì)有二種一是核輻射濃度計(jì)，它的優(yōu)點(diǎn)是精度較高，可達(dá)到3％以?xún)?nèi)的誤差，缺點(diǎn)是核輻射對(duì)人體有危害，對(duì)環(huán)境造成核污染，一般情況下不宜輕易使用。二是超聲多普勒Micro ADv系統(tǒng)——從美國(guó)引進(jìn)的多普勒流速儀，用來(lái)測(cè)定濃度，在含沙是15kg/M3范圍內(nèi)，即體積濃度范圍Cv≤0.006以?xún)?nèi)時(shí)才具有足夠的精度，且該儀器費(fèi)用較高，臺(tái)為3.5萬(wàn)美元。因此輸送管道內(nèi)漿體濃度和多相流動(dòng)態(tài)值的測(cè)定，一直是工程上沒(méi)有完全徹底解決的問(wèn)題，直接影響多相流漿體的控制，調(diào)節(jié)以及產(chǎn)量核定。
三.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種只需通過(guò)測(cè)量管道輸送漿體和多相流的流量和壓力，用數(shù)理模型的方法間接測(cè)定其濃度進(jìn)而解決其產(chǎn)量計(jì)算問(wèn)題。
本發(fā)明利用漿體多相流管道輸送中阻力與流量的變化規(guī)律隨濃度的不同而變化的特點(diǎn)，總結(jié)歸納大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并作出深入的理論分析確立了計(jì)算濃度的數(shù)理模型，此模型中只有多相流的流量和壓力參數(shù)待測(cè)定，所述產(chǎn)量?jī)x即為測(cè)量該壓力和流量并通過(guò)對(duì)含有此兩變量的所述數(shù)理模型的計(jì)算求出濃度值并由此而求得產(chǎn)量值。
數(shù)理模型的建立漿體和多相流在管道中輸送時(shí)它的能耗與平均流速之間存在著如圖1示關(guān)系。圖中Jm表示能坡，即單位長(zhǎng)度上的能量損失，V是管道斷面的平均流速，從圖中可以看出，清水隨Jm～V增大而Jm增大，呈直線(xiàn)關(guān)系。對(duì)渾水而言分四區(qū)1區(qū)是均勻懸浮區(qū)2區(qū)是非均勻懸浮區(qū)3區(qū)是管底層移層區(qū)，即有推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，4區(qū)是堵管危險(xiǎn)區(qū)。
在管道輸送中，總是使?jié){體處于1或2區(qū)輸送，該兩區(qū)基本上是平行于清水的直線(xiàn)。也就是說(shuō)，只要處于均勻懸浮區(qū)或非均勻懸浮區(qū)時(shí)，它可看成基本上是平行于清水線(xiàn)的。
由電磁流量計(jì)測(cè)流量，清水時(shí)流量為Q清，清水平均流速為V＝Q清/0.25d2對(duì)，即V∝Q清。對(duì)于渾水，在動(dòng)力設(shè)備及管道輸送系統(tǒng)保持不變的條件下應(yīng)遵循質(zhì)量守衡定律即管道系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備不變條件下，能輸送清水及渾水的質(zhì)量保持不變，也即系統(tǒng)的出力是一定的，清水容重小，流量就大；而渾水容重大，則流量就小，但保持Υ×Q＝m。式中Υ為被測(cè)漿體容重，Q為被測(cè)漿體流量，m為被測(cè)漿體質(zhì)量。
由圖2可得渾水流量減少值與流速相對(duì)減少成正比，令其為Rc′即 若清水單位時(shí)間輸送質(zhì)量m清＝Υ清×Q清……………(2)則渾水流量由(1)式 Q清-Q渾＝Rc′×Q清得Q渾＝(1-Rc′)×Q清……………………………(3)則單位時(shí)間輸送渾水時(shí)的質(zhì)量為m渾＝Υm×Q渾＝Υm(1-Rc′)×Q清…………………(4)當(dāng)管輸能力質(zhì)量不變時(shí)(2)＝(4)Υm(1-Rc′)×Q清＝Υ清×Q清…………………(5)又漿體容重Υm＝Υ清(1-CT)+Υ沙×CT………………(6)(5)＝(6)
得 當(dāng)Υ清＝1.0T/m3，Υ沙＝2.65T/m3時(shí)(水的容量、泥沙的容重)代入(7)式CT=(11-Rc'-1)/1.65]]>此處CT表示漿體輸送濃度，在漿體處于均勻懸浮輸送時(shí)CT＝CV(體積濃度)。
由于0≤CT＜1所以1.0≤Υm＜2.65T/m3根據(jù)流量減少相對(duì)值Rc′的不同求得不同漿體的容量和相對(duì)的漿體輸送濃度；在正常挖掘時(shí)CT值一般15～25％，最大值近30％，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行，我們把報(bào)警濃度限制在35％，以免發(fā)生堵管，或者誤差增大。
我們需要的條件1)由于設(shè)備的磨損、老化，在一定的周期內(nèi)要率定清水值；2)濃度限制區(qū)域在35％以下運(yùn)行，3)輸送的漿體處于充分的懸浮狀態(tài)下。
式(1)～(7)中，Q清為不同壓力下清水流量值，Q渾為不同壓力下渾水流量值，V清為清水平均流速，V渾為渾水平均流速，Rc′為渾水流量相對(duì)減少值，Υm為漿體容重，Υ清為清水容重，Υ沙為泥沙容重，CT為漿體輸送濃度，m清為清水質(zhì)量，m渾為渾水質(zhì)量。
式(1)中不同壓力下清水流量值Q清，清水平均流速V清實(shí)測(cè)獲得，并預(yù)存于工控機(jī)內(nèi)作計(jì)算參量，其中獲取Q清、V清采樣號(hào)是成熟的現(xiàn)有技術(shù)。式(7)中清水容重Υ清為1，泥沙容重Υ沙為2.65T/m3(泥沙通用常數(shù))，以上各項(xiàng)均為已知量，惟有渾水流量相對(duì)減少值Rc′中尚含有不同壓力渾水流量值Q渾和渾水平均流速V渾待測(cè)定，如果采集到渾水流量、壓力，即可依式(7)數(shù)理模型而方便地間接獲得渾水或稱(chēng)漿體的濃度變化和多相流的動(dòng)態(tài)值，如此即可解決現(xiàn)有技術(shù)漿體濃度不易測(cè)定的問(wèn)題。基于此，本發(fā)明用裝置于漿體輸送管道上的壓力傳感器25和流量傳感器8作測(cè)定漿體濃度、多相流動(dòng)態(tài)值的一次轉(zhuǎn)換器件，經(jīng)壓力變送器17和流量轉(zhuǎn)換器9轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到工控機(jī)11；工控機(jī)內(nèi)設(shè)置有用于處理被測(cè)管道壓力和管道流量的數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊12，依式(7)計(jì)算多相流濃度和產(chǎn)量的數(shù)理方程計(jì)算模塊13，濃度報(bào)警模塊16，以及一些通用的產(chǎn)量累計(jì)和統(tǒng)計(jì)、幫助、查詢(xún)、畫(huà)面處理、打印、存檔讀檔、退出等模塊。
本發(fā)明利用漿體管道輸送中阻力與流量的變化規(guī)律隨濃度的不同而變化的特點(diǎn)，從理論上推導(dǎo)出利用實(shí)測(cè)漿體流量和壓力參數(shù)建立測(cè)定漿體濃度的數(shù)理模型，并提出了完整的測(cè)量漿體濃度變化和多相流動(dòng)態(tài)值的檢測(cè)、數(shù)理計(jì)算、顯示、報(bào)警、儲(chǔ)存、累計(jì)、幫助、查詢(xún)、畫(huà)面處理、打印、存檔讀檔之方法和裝置，并可預(yù)留控制輸出接口、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控接口，可以做到不要濃度計(jì)僅僅只需通過(guò)測(cè)量輸送管道漿體壓力、流量而間接測(cè)量濃度，從而解決了工程上輸送管道漿體多相流濃度不易測(cè)量及產(chǎn)量不易核定的問(wèn)題。具有原理清楚、方法簡(jiǎn)便、精度高、裝置簡(jiǎn)單、易于操作等優(yōu)點(diǎn)。
四.


圖1是本發(fā)明所述漿體在管道輸送時(shí)能耗與管道平均流速之間關(guān)系圖；圖2是電磁流量計(jì)與時(shí)測(cè)過(guò)程關(guān)系圖；圖3是本發(fā)明原理方框圖；圖4是本發(fā)明所述裝置布置縱剖面圖；圖5是本發(fā)明所述裝置布置示意圖；圖6是A/D轉(zhuǎn)換板電路圖；圖7是本發(fā)明所述裝置電路圖。
圖中1—均勻懸浮區(qū)，2—非均勻懸浮區(qū)，3—管底層移層區(qū)(有推移質(zhì)運(yùn)動(dòng))，4—堵管危險(xiǎn)區(qū)，5—渾水曲線(xiàn)，6—清水曲線(xiàn)，7—交流電壓，8—流量傳感器，9—流量傳感轉(zhuǎn)換器，10—A/D板，11—工控機(jī)，12—數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊，13—數(shù)理方程計(jì)算模塊，14、15—產(chǎn)量累計(jì)和統(tǒng)計(jì)、幫助、查詢(xún)、畫(huà)面處理、打印、存檔讀檔、退出等模塊，16—報(bào)警模塊，17—壓力變送器，18—直流電源，19—吸泥管，20—軸絞刀，21—伸縮軟管，22—吸泥泵，23—支承面，24—支承架，25—壓力傳感器，26—采樣閥，27—排泥管，28—I/V板。
五.實(shí)施方式工控機(jī)硬件環(huán)境486以上的PC工控機(jī)八位32路A/D板軟件環(huán)境中文windows9x
軟件主要提供五方面功能1、采集與統(tǒng)計(jì)功能挖泥船工作時(shí)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)挖泥的產(chǎn)量(有班產(chǎn)，日產(chǎn)，月產(chǎn)，年產(chǎn))；挖泥船的實(shí)際工作和空閑時(shí)間(各班，日，月，年)；2、查詢(xún)功能查詢(xún)功能查詢(xún)指定班，日，月，年的產(chǎn)量；查詢(xún)指定班，日，月，年的實(shí)際工作和空閑時(shí)間；3、報(bào)警功能當(dāng)挖泥船管道中泥漿的濃度超出預(yù)設(shè)的報(bào)警濃度值時(shí)報(bào)警；4、自動(dòng)功能開(kāi)機(jī)時(shí)自動(dòng)讀檔；自動(dòng)進(jìn)入相應(yīng)的日期和班次；到了時(shí)間自動(dòng)換班；隔一段時(shí)間自動(dòng)存盤(pán)；5、其它功能顯示幫助信息；顯示挖泥船的原理圖；快捷鍵，不需鼠標(biāo)也可操作；處理流程1、系統(tǒng)初啟時(shí)，讀取存檔文件，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)置各全局變量；2、然后進(jìn)入事件等待狀態(tài)，各專(zhuān)門(mén)功能模塊由事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制激活，分別執(zhí)行完各項(xiàng)功能后仍進(jìn)入事件等待狀態(tài)；3、最后由關(guān)閉系統(tǒng)事件引導(dǎo)激活關(guān)閉系統(tǒng)模塊，退出整個(gè)系統(tǒng)。
功能分配1、系統(tǒng)控制功能設(shè)置初始化模塊；設(shè)置系統(tǒng)功能模塊；2、采集與統(tǒng)計(jì)功能設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集模塊；設(shè)置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算模塊；查詢(xún)功能設(shè)置查詢(xún)模塊；4、報(bào)警功能設(shè)置報(bào)警濃度的輸入模塊；設(shè)置報(bào)警模塊；5、自動(dòng)功能設(shè)置班次轉(zhuǎn)換模塊；設(shè)置存檔模塊；設(shè)置讀檔模塊；6、其它功能設(shè)置顯示幫助信息模塊；設(shè)置顯示挖泥船的原理圖模塊；用戶(hù)界面采用廣泛應(yīng)用的GUI，即諸如窗口、菜單、對(duì)話(huà)框、滾動(dòng)條等，主控界面是數(shù)據(jù)采集單。
主視界面是一個(gè)主要的用戶(hù)界面，包括了即時(shí)的管道壓力，濃度，流量，產(chǎn)量，累計(jì)的班產(chǎn)，日產(chǎn)，月產(chǎn)，年產(chǎn)。此外還有一個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間包括年，月，日和時(shí)，分，秒。數(shù)據(jù)每秒更新一次。
軟件接口運(yùn)行于Windows95及更高版本具有win32API的操作系統(tǒng)之上。
硬件接口支持一般x86系列微機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換卡。
內(nèi)部接口初始模塊顯示封面，進(jìn)行檢查，系統(tǒng)注冊(cè)表中有相符標(biāo)識(shí)，不允許有多個(gè)實(shí)例運(yùn)行，否則退出；系統(tǒng)功能模塊接收系統(tǒng)功能區(qū)相應(yīng)事件，啟動(dòng)查詢(xún)、報(bào)警濃度輸入，顯示原理圖，顯示幫助信息，存盤(pán)，關(guān)閉系統(tǒng)等模塊；A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集模塊在A(yíng)/D轉(zhuǎn)換卡的特定通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，返回結(jié)果；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算模塊計(jì)算相應(yīng)的壓力，流量、濃度、產(chǎn)量等等數(shù)據(jù)；查詢(xún)模塊一個(gè)彈出窗口，對(duì)給定的日期或班次，返回班，日，月，年的產(chǎn)量和實(shí)際工作和平共處空閑時(shí)間；
報(bào)警濃度的輸入模塊一個(gè)彈出窗口，輸入新的報(bào)警濃度值；報(bào)警模塊實(shí)際濃度超過(guò)報(bào)警濃度時(shí)，報(bào)警；班次轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)入相應(yīng)的班次，顯示在數(shù)據(jù)采集單上；存檔模塊將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件；讀檔模塊將文件中的數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存；顯示幫助信息模塊一個(gè)彈出窗口，有一些本系統(tǒng)的基本信息和操作說(shuō)明；顯示挖泥船的原理圖模塊一個(gè)彈出窗口，描繪系統(tǒng)的原理圖。
流量傳感器選用IFS400電磁流量傳感器，流量變送器選用相應(yīng)的SC100AS流量變送器。壓力變送器選用CY系列壓力變送器，本發(fā)明選用的型號(hào)是CY3011A。計(jì)算機(jī)若采用單片機(jī)，則整機(jī)可做成便攜式，單片機(jī)應(yīng)以Intel公司所產(chǎn)32位或64位系列芯片為宜。
數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊12接收壓力和流量信號(hào)電流，輸出壓力值和流量值；數(shù)理方程計(jì)算模塊13接收采集的壓力和流量信號(hào)，計(jì)算相應(yīng)的壓力、流量、濃度、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)，輸出濃度和產(chǎn)量值；報(bào)警模塊16輸入項(xiàng)目是報(bào)警濃度和實(shí)際濃度，當(dāng)實(shí)際濃度超過(guò)報(bào)警濃度時(shí)，輸出濃度報(bào)警信號(hào)。
以下表格是所述產(chǎn)量?jī)x與實(shí)際產(chǎn)量對(duì)照表，由試運(yùn)行測(cè)試而得。本發(fā)明精度由三塊組成，電磁流量計(jì)精度±0.5％，壓力變送器精度0.2％，計(jì)算機(jī)濃度誤差值(與實(shí)測(cè)比較)±1～1.5％間(可調(diào)整)，按加權(quán)平均法，儀表精度小于5％，而不受濃度值變化和其它因素影響。
儀表產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量對(duì)照表


權(quán)利要求
1.一種多相流產(chǎn)量?jī)x，由一次轉(zhuǎn)換器件，變送器，A/D轉(zhuǎn)換器，I/V變換器以及計(jì)算機(jī)組成，其特征是所述一次轉(zhuǎn)換器件為裝置于漿體和或多相流輸送管道上的壓力傳感器(25)和流量傳感器(8)，被測(cè)壓力和流量信號(hào)經(jīng)變送轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入到計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置有用于處理此壓力和流量信號(hào)的數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊(12)，按照數(shù)理模型 Υ清/(Υ沙-Υ清)計(jì)算漿體和多相流濃度的數(shù)理方程計(jì)算模塊(13)以及濃度報(bào)警模塊(16)；此模型渾水流量相對(duì)減少值Rc′中所含不同壓力渾水流量相對(duì)減少值Q渾和渾水平均流速V渾的采樣信號(hào)來(lái)自輸送管道上的壓力傳感器和流量傳感器；式中Q渾為不同壓力下渾水流量值，V清為清水平均流速，V渾為渾水平均流速， 為渾水流量相對(duì)減少值，Υm為漿體容重，Υ清為清水容重，Υ沙為泥沙容重，CT為漿體輸送濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多相流產(chǎn)量?jī)x，其特征是所述濃度報(bào)警模塊(16)對(duì)測(cè)量的濃度設(shè)置有可調(diào)整的報(bào)警值，范圍在28％～38％之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述多相流產(chǎn)量?jī)x，其特征是所述產(chǎn)量?jī)x在計(jì)算機(jī)內(nèi)按式CT×Q×S計(jì)算所測(cè)多相流產(chǎn)量；式中CT為輸送漿體濃度，Q為一定壓力下輸送漿體流量，S為時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述多相流產(chǎn)量?jī)x，其特征是所述被測(cè)漿體容重Υm依經(jīng)驗(yàn)公式和泥沙實(shí)際成份調(diào)整，通常取Υm＝2.65T/m3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述多相流產(chǎn)量?jī)x，其特征是所述計(jì)算機(jī)為486以上的PC工控機(jī)，有八位A/D轉(zhuǎn)換板，運(yùn)行于中文windows軟件環(huán)境下，并具有win32 API以上的操作系統(tǒng)；或者采用單片機(jī)。
全文摘要
一種多相流產(chǎn)量?jī)x，其一次轉(zhuǎn)換器件為壓力傳感器25和流量傳感器8，計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置有用于處理此壓力和流量信號(hào)的數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊12，按照數(shù)理模型G=[r
文檔編號(hào)G01F1/56GK1395105SQ0111433
公開(kāi)日2003年2月5日 申請(qǐng)日期2001年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月6日
發(fā)明者肖詩(shī)忠, 鄒履泰, 李凡, 王天福, 段煉中, 蔣志忠 申請(qǐng)人:肖詩(shī)忠