基于分区测速原理的工业两相流体流量测量方法研究

　　0　引言

　　工业生产中,存在很多固液或气液两相流体,如各种污水、泥浆、纸浆等。对于这些含有悬浮固体颗粒或气泡较多的工业流体,传统的超声波多普勒流量计大多采用单声道测量方式,即一个流量计仅有一对换能器。这种方式的缺点是未考虑管流截面上流速分布不均所造成的影响,存在流速断面误差。为此,通过对工业流体流速分布规律的分析,提出了基于分区测速原理的两相流体流量测量方法。该方法把整个流体的流通截面划分为若干个信息窗区域,根据超声波多普勒测速原理,采用一个换能器发射信号,多个换能器接收信号的方式测量各信息窗区域内流体的流速值,然后采用“加权积分法”得到流体的流量。试验证明,该方法有效减小了因流体流速分布不均而产生的测量误差,提高了多普勒流量计的测量精度。

　　1　工业流体流速分布规律

　　通常情况下,被测工业流体可以分为层流和紊流2种管流状态。层流流动时(雷诺数Re<2 300),管内流体分层流动,各

　　流层之间互不混杂而平行于管道轴线流动,流层间没有流体质点的相互交换。紊流流动时(雷诺数Re>4 000),管内流体不再分层流动,流体质点除沿管道轴线方向运动外,还有剧烈的径向流动[1]。

其在流通截面上的流速分布都是不均匀的。如果采用传统的测量方法,在管道中设置单一的流体流速取样窗,由于其测量范围有限,所得数据不能准确反映整个管道中流体的流速分布,必定存在较大误差。

　　2　分区流速测量原理

　　由于工业流体的流速在管流截面上分布不均匀,采用单一的流体流速取样窗不能准确反映整个管道中流体的流速分布,为此,提出了基于分区测速原理的工业两相流体流量测量方法。其基本原理为:把整个流通截面划分为若干个很小的信息窗区域,利用超声波换能器测量出这些区域的流速信息,然后采用“加权积分法”得到流体的流量[2]。信息窗区域为超声波发射和接收换能器的两个指向性波束重叠的部分,只有其内的悬浮颗粒或气泡所反射的超声波信号对测量结果起作用。

　　2·1　管流截面分区原则

　　(1)各信息窗区域的面积要基本均等,小于1%管道截面面积,才能达到分区测量的效果。

　　(2)尽量使信息窗分布在流场中具有流速代表意义的特征点上,布成线阵,通过测得这些特征点上的流速值来掌握流场流速的基本分布规律。

　　(3)同一管道轴向平面上的信息窗数目,应视实际情况而定(通常在8个以下),过多的信息窗对测量精度贡献很小,而成本却成倍增加。