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低液位非满管电磁流量计校准及其测量影响因素分析

来源:作者:发表时间:2020-07-07 09:46:53

       摘要:管道粗糙度和流体黏度对流量测量有一定影响,为校准流量并分析其影响因素,运用 FLUENT 仿真软件对管道粗糙度、流体黏度进行模拟。建立粗糙度 - 平均流速、黏度 - 平均流速模型,搭建实验平台,验证模型建立的准确性,即外置 U 形连通管结合高精度激光测距仪精确测量管道内流体液位高度,管道上方通气管结合流速仪精确测量管道内流体平均流速,通过体积流量计算公式得到流量值。实验结果表明,在液位低于 0. 1D 时,流量测量误差小于 0. 85%;通过粗糙度 - 平均流速、黏度 - 平均流速模型得到的平均流速值进行流量计算,计算结果误差小于 3. 03%。实验验证了该方法的可行性和模型的可靠性,为低液位非满管流量测量领域的技术创新提供了依据和实验基础。

 
     非满管流量测量在市政排污、农业灌溉、废水处理等领域中被广泛应用。非满管指液体未充满管道的状态,管内为气液混合物。在实际情况中,液体流经管道时,很难不留空气的充满整个管道,同时管道的管壁厚度、截面尺寸、电极之间间距等因素的变化,都很可能引起管内液体的液位变化 [1] 。
 
非满管电磁流量计最早于 20 世纪 90 年代被Fisher & Porter 公司研制成功[2] 。它的出现,使管道横截面为圆形情况下的非满管流量测量精度得到提高[3] 。目前,非满管流量测量主要通过德国科隆公司的 TDALFLUX、ABB 公司的 Pati-MagII、上海大学的非满管流量测量系统[4 ~7] 进行流量测量。流量测量的主要参数是管道内流体的液位高度和平均流速,文献[4]~ 文献[7]所述流量测量方法均是通过测量主要参数进行流量测量的。但其电极必须位于被测流体中,流体液位高度为较低充满度时 ( 管道直径的10%),电极无法全部浸入到被测流体中,难以实现对信号的采集[7 -9] 。
 
为解决上述问题,本文提出了一种低液位非满管流量测量方法:基于连通管原理结合高精度激光测距仪测得流体液位高度值,管道上方通气管结合流速仪精确测量管道内流体平均流速,通过体积流量计算公式得到流量值。
 
影响流速的因素有流体黏度和管道粗糙度,文献[4]~ 文献[7]所述流量测量方法均未对流体黏度和管道粗糙度进行分析。晏飞等[10] 基于 Herschel-Bulk-ley 模型,运用 CFD 对润滑脂的流动进行数值模拟,得到黏度和速度的关系分布规律。Santos [11] 通过玻尔兹曼方程和 Bhatnagar-Gross-Krook 动力学模型对简单纵向流动中的黏度和速度进行了分析,得到黏度和速度的非线性函数。张桂欣等[12] 、高杨等 [13] 分别应用激光测距仪和三维超声波流速仪,得到粗糙度和速度的分布规律。
 
本文运用 FLUENT 仿真软件对管道粗糙度和流体黏度进行模拟,建立粗糙度 - 平均流速、黏度 - 平均流速模型,分析出粗糙度、黏度与流量的具体关系,通过多次实验验证模型的准确性及测量方法的可行性。预计本文提出的测量方法适用于流体液位高度为较低充满度时(管道直径的 10%)的流量测量,对低液位非满管流量测量的发展与创新具有重要意义。
 
1 流量测量原理
管道中间部分平均流速的测量:将流速传感器经管道中间上方通气管放入待测流体中,旋桨位于当前液位高度的 50%~ 60%,进行平均流速的测量。测量原理为
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式中,V为测流时段内的平均流速,单位为 m/s;K 为桨叶水力螺距,是一个常数;C 为流速仪常数;T 为测流历时,单位为 s;N 为 T 时段内信号数。
 
测量平均流速时,桨叶在水力推动作用下旋转,内置信号装置产生转数信号,桨叶水力螺距 K 和流速仪常数 C 均为常数,测流历时 T 和该时段内产生的信号数 N 测得后,即可算出测流时段内的平均流速值。管道内液位高度的测量:将激光测距仪垂直置于U 型连通管正上方,连通管中置一浮漂,进行液位高度的测量。
 
根据连通管原理可得
ρ 1 ·g·h 1= ρ2 ·g·h 2(2)
式中,所测流体相同,密度相等,ρ 1= ρ2 ,两边压强一致时管内液位高度与 U 型管内液位高度相等。基于此原理,可在不干扰管道内部流体流动的情况下,通过测量 U 型管内液位高度值,实现管道内液位高度的测量。同时,外置型的安装使激光测距仪的更换更加简便,降低了维修成本。
 
2 仿真分析
2. 1 流量计算
根据体积流量公式可得
Q = V·A (3)
式中,A 为管道过水横断面面积,m 2 ;Q 为体积流量,单位为 m 3 /s;V为平均流速,单位为 m/s。流量的大小取决于管道内液体的平均流速V与管道过水横断面面积 A 的大小。A 的计算公式为
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式中,D 为管道内径,单位为 m;h 为液位高度,单位为 m。管道内径 D 为常数,管道过水横断面面积 A 与液位高度 h 直接相关。通过测量 h 的大小可得到 A 的对应值。获得平均流速V和管道过水横断面面积 A 后,代入式(3)得到流量值。
 
2. 2 建立模型
在 SolidWorks 中建立进水管直径 18 mm,管道直径 100 mm,长 3 m 的圆形截面直管道,前 1. 5 m 为湍流发展前置段。在 Workbench 中将建立好的模型导入Geometry 中进行优化后,将模型导入 Mesh 中进行网格划分,划分方式为四面体网格,网格总数为 1870715,管道中间部分网格划分如图 1 所示。对网格质量进行检查,最小体积为正值且最小正交质量为 0. 23,大于0. 2,符合仿真网格质量要求,FLUENT 中求解器选取分离式,采用 SIMPLE 算法,采用隐式算法。
局部网格划分图
由于水、植物油和空气多相物质同时存在,因此选择多相流(Multiphase)下的 VOF 模型进行计算,流体介质包括空气、水、植物油,各介质基本参数如表1 所示。
介质基本参数取值表
设置进水口为速度进口,速度大小为 0. 4 m/s,设置 湍 流 强 度 为 5%,水 力 直 径 取 入 水 管 直 径18 mm[15 ~16] 。通气管为空气进口,U 型管、水平管出口设置为压力出口,管道主体为固体壁面,采用无滑移边界条件,设置壁面粗糙度分别为 0 mm,0. 033 mm,0. 049 mm,0. 139 mm,0. 150 mm,0. 445 mm。在计算过程中,当管道内部流动形态变化较小时,认为流动趋于稳定,以此时计算结果作为最终流场进行分析。
 
2. 3 仿真结果分析
对 6 种管道粗糙度及 3 种流体黏度进行仿真分析,管道 1. 4 ~1. 6 m 处的速度分布数据通过 Origin 进行拟合处理,得到粗糙度 - 平均流速模型和黏度 - 平均流速模型。粗糙度 - 平均流速模型见式(5),拟合曲线如图 2 所示。
20200707095058.jpg
式中,R a 为粗糙度,单位为 mm;A 1 ,A 2 ,A 3为常数项,具体数值如表 2 所示。
粗糙度 - 平均流速模型常数取值表
对粗糙度 - 平均流速模型进行分析,可得到流量与粗糙度的具体关系,见式(6)。
粗糙度 - 平均流速模型常数取值表
黏度 - 平均流速模型见式(7),拟合曲线如图 3所示。
V = B 1 μ 2 + B 2 μ + B 3 (7)
式中,μ 为流体黏度,单位为 kg/(m·s);B 1 ,B 2 ,B 3 为常数项,具体数值如表 3 所示。
不同流体的粗糙度 - 平均速度曲线图不同粗糙度的黏度 - 平均速度曲线图
流体黏度 μ 与雷诺数 Re 的关系见式(8)。
Re = ρvd/μ(8)
式中,Re 为雷诺系数;ρ 为流体密度,单位为 kg/m 3 ;v为流体特征速度,单位为 m/s;d 为特征长度,即流体液位高度 h,单位为 m。对式(7)、式(8)进行分析,可得到雷诺系数与平均流速的关系:
20200707095258.jpg
对黏度 - 平均流速模进行分析,可得到流量与黏度的具体关系:
20200707095302.jpg
20200707095329.jpg
 
实际应用中,需增加数据查表功能。数据表存储不同介质及对应参数值,根据不同介质,选择对应参数。
 
3 实验与分析
3. 1 实验平台
为验证测量方法的可行性,搭建实验平台,设计方案示意图如图 4 所示,实物图如图 5 所示。管道外置U 型连通管,激光测距仪沿垂直方向朝下发射激光,激光终点为浮漂上表面,以此实现液位高度的测量。管道中间正上方焊接一个通气管,将流速仪垂直放入待测流体中进行测量,旋桨位于当前液位高度的50%~60%,液位不得低于旋桨直径的一半(6 mm),测量信号经流量计算模型处理后得到对应流量值。
实验平台设计方案示意图20200707095419.jpg
图 4 中实验器材如下。
① 自制 0. 5 m ×0. 5 m × 0. 5 m 的不锈钢连通水箱;
② 额定功率为 250 W 的水泵;
③ L20 的弯头、溢流阀;
④ QS 智能型电动调节阀;
⑤ 精度等级为 ±0. 2%FS 的 DN20 电磁流量计;
⑥ 精度等级为 ±0. 01%FS 的激光测距传感器;
⑦ 定制的 U 型连通管;
⑧ 长3 m、粗糙度0. 15 mm 的 DN100 标准镀锌管道以及配对法兰盘;
⑨ 精度等级为 ±1. 0%FS 的便携式流速传感器;
⑩ ARM 公司 STM32F103 系列的微控制器信号处理单元。
 
3. 2 实验测量
控制电动调节阀开合度大小,得到不同液位高度下的流量值。为使管内液体充满管道,电动调节阀的开合度调至最大,调节溢流阀实现满管状态。电动调节阀从最大开合度 100%开始,每次降低 5%开合度进行流量测量实验。
 
       在 μC/OS II 操作系统下对信号处理单元进行编程,激光测距传感器的采集频率为 5 Hz,每 1 h 采集一次流速传感器的测量值,信号处理单元将采集到的液位测量值进行均值处理,连续测量 1 h 后,经算法处理输出该时段的累计流量值,同时根据 Modbus 标准协议由串口向 DN20 电磁流量计发送指令得到 1 h 实际流过的流量值。
 
       最后通过串口将计算值和电磁流量计的标准流量值发送到 PC 端,实验记录结果如表 4 所示。
实验结果记录表
       对电磁调节阀进行调节,使 DN20 电磁流量计流速显示 0. 4 m/s,与仿真进水口流速一致,进行测量实验,通过实验发现,调节阀开合度为 28% 时,DN20 电磁流量计流速显示 0. 4 m/s。
 
       将管道粗糙度及流体黏度值分别对应带入粗糙度- 平均流速模型和黏度 - 平均流速模型进行计算,得到平均流速值后,结合管内液位高度值经式(3)、式
 
       (4)计算得到流量值,通过对比 DN20 电磁流量计测得的流量值,来验证模型的准确性。对比结果见表 5,表中:V 1 为粗糙度 - 平均流速模型计算得到的平均流速值;V 2 为黏度 - 平均流速模型计算得到的平均流速值;液位高度为 DN100 管道内液位高度;模型计算值分别为V 1 、V 2 代入式(3) 得到的流量值;实测值为DN20 电磁流量计测得的实际流量值;误差为模型计算值与实测值之间的误差。
仿真结果与实验结果对比表
 
4 结束语
本文通过 FLUENT 仿真软件对低液位非满管流量测量影响因素进行分析,基于提出的测量方法进行实验,实验结果表明:
       ① 管道内液位高度不大于 0. 1D 时,流量测量误差不大于 0. 85%,通过粗糙度 - 平均流速、黏度 - 平均流速模型计算得到的流量值,误差不大于 3. 03%;
       ② 实验验证了该方法的可行性和粗糙度 - 平均流速、黏度 - 平均流速模型的可靠性,适用于低液位的非满管流量计量。
 
本文创新点如下:
       ① 提出一种低液位非满管流量测量方法,实现对低液位流量的精确测量;
       ② 通过建立粗糙度 - 平均流速、黏度 - 平均流速模型,进一步得到粗糙度、黏度与流量的具体关系。论文有待进一步解决的问题如下:
       ① 受流速传感器本身结构的影响无法对含大颗粒的流体进行测量,在对结构的优化方面有待进一步解决;
       ② 受实验室环境限制,无法对大口径管道进行模拟和实验,大口径管道的非满管流量测量有待进一步研究。
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