CN105526978A - 一种单相低温流体流量测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用小孔径文丘里管来测量最低温度可达1.8K的低温流体流量的装置，包括上游压力测点，上游温度测点，进口管段，上游取压管、喉部取压管、文丘里管、出口管段以及数据采集处理显示系统，其中文丘里管包括圆筒收缩管段、喉部直管段和圆筒渐扩管段三部分。本发明基于连续性方程和伯努利原理，可对液氮、液氢、超临界氢、液氦、超临界氦等单相介质的流量进行监测，精度高，结构简单，造价便宜，具有永久压力损失小、要求的前后直管段长段短、寿命长等特点。
Description
技术领域
本发明涉及低温流量测量技术领域，具体是一种单相低温流体流量测量装置。
背景技术
流量与温度、压力、液位和压差一起，是低温系统中重要的参数。这些技术参数反映低温系统的运行状况，操作人员只有通过这些参数才能了解低温系统的运行情况和进行必要的控制。同时这些技术参数是自动控制系统的眼睛，参数的精度直接影响自动控制的精度和低温系统的运行安全性和可靠性，因而低温流量的测量具有重要的意义。作为低温下测量流体介质的流量计应具有较高的精度、阻力损失小、测量范围广，成本低廉和可靠性高等特点。
目前，孔板和文丘里管等节流式流量计由于其明确的物理意义并且易于推广，已经成为单相流量计的最佳选择之一，是较为成熟的流量计。孔板流量计阻力损失较大，对于同一个差压，文丘里流量计的压力损失只有孔板流量计压力损失的1/6～1/4，同时上下游所需的直管段也要比孔板流量计的要短。涡轮流量计的应用的最低温度只能到液氮温区（77K），并且其轴承在低温下可靠性急剧下降，容易出现故障。科式流量计虽然在低温下精度很高，但是应用的温区达不到液氦温区（4.5K），并且不能在有磁场环境下使用。质量流量计精度较高，但是只能在室温环境下使用，低温流体需复温到常温，间接测量其低温下流量，因而其在低温下应用受限。
文丘里流量计，作为节流式流量计的一种，是根据流体通过文丘里管，使部分压力能转变为动能产生差压信号的原理而工作的，精度高，可应用的温区极广，几乎涵盖整个温区，同时其结构简单，造价便宜，具有永久压力损失小、要求的前后直管段长段短、寿命长等特点。相对于其他的测量装置而言，文丘里流量计是最简单也是最可靠的一种流量测量装置。在国内，中科院等离子体物理研究所较早地将文丘里流量计应用在超导磁体冷却回路及超导托克马克氦低温系统中，并在实验中其准确性获得了认可。已应用的文丘里超临界氦流量计涵盖了6～480g/s的流量、喉部直径为2～18mm、最低温度可达3.8K，测量误差小于5%，最优可达2%。
发明内容本发明的目的是提供一种单相低温流体流量测量装置，基于伯努利原理，可对液氮、液氢、超临界氢、液氦、超临界氦等单相介质的流量进行监测，精度高，结构简单，造价便宜，具有永久压力损失小、要求的前后直管段长段短、寿命长等特点。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：包括有文丘里管，所述文丘里管由从左向右依次同轴连通的圆筒收缩管段、喉部直管段和圆筒渐扩管段构成，且文丘里管左端管口同轴连接有进口管，文丘里管右端管口同轴连接有出口管，所述进口管安装有上游压力传感器和上游温度传感器，所述文丘里管靠近左端管口的侧部旁路连通有上游取压管，文丘里管对应喉部直管段的侧部旁路连通有喉部取压管，且上游取压管、喉部取压管之间接入有压差传感器，所述上游压力传感器的压力信号、上游温度传感器的温度信号、压差传感器的差压信号分别采集至计算机处理显示。
所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述文丘里管由可在低温下使用的材料做成，一般为金属或合金材料，优选由不锈钢材料制成。
所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述文丘里管的圆筒收缩管段、喉部直管段和圆筒渐扩管段可一体加工成型，也可以在保证加工精度情况下，分段加工，然后通过适当的连接方式组成整体。
所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述文丘里管可由机加工、或铸造、或3D打印技术成型。
所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述进口管、出口管与文丘里管对应端管口之间可通过螺纹、或法兰、或焊接、或其他方式连接，优选焊接方式连接。
所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述上游取压管和喉部取压管采用单个管壁取压口的形式，用环室或均压环相连。
所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述进口管的长度至少为其自身内径的10倍，出口管的长度至少为其自身内径的5倍。
所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述上游压力传感器和上游温度传感器安装在距上游取压管至少5倍进口管内径的距离。
所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述压力、温度和差压信号还可以现场采集处理显示。
所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：整体测量装置在组装完毕之后，需进行标定才可以使用。
本发明的工作原理是：文丘里流量计是基于连续性方程和伯努利方程为基础的。充满管道的流体，当它流经管道内的喉部时，流速将在喉部形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在喉部前后产生压差。流速越大，产生的差压愈大，这样可以依据差压来衡量流量的大小。计算公式如下：
其中，qm为质量流量，kg/s；d为喉部直径，m；△P为进口取压管与喉部取压管的差压，Pa；ρ为流体密度，由上游压力测量值和上游温度测量值查得，㎏/m3；β为喉部内径d与管道内径D之比，即管径比；C为流出系数，由实验标定得出。
本发明的优点为：测量精度高，应用的温区极广，几乎涵盖整个温区，同时其结构简单，造价便宜，具有永久压力损失小、要求的前后直管段长段短、寿命长等特点。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
参见图1所示，本发明包括有文丘里管6，文丘里管6由从左向右依次同轴连通的圆筒收缩管段A、喉部直管段B和圆筒渐扩管段C构成，且文丘里管6左端管口同轴连接有进口管3，文丘里管6右端管口同轴连接有出口管7，进口管3中安装有上游压力传感器1、上游温度传感器2，文丘里管6靠近左端管口的侧部旁路连通有上游取压管4，文丘里管6对应喉部直管段B的侧部旁路连通有喉部取压管5，且上游取压管4、喉部取压管5之间接入有压差传感器△P，上游压力传感器1的压力信号、上游温度传感器2的温度信号、压差传感器△P的差压信号分别采集至计算机8处理显示。
本发明中，文丘里管6是可在低温下使用的材料做成，一般为金属及合金材料。优选地，由不锈钢做成。文丘里管6的圆筒收缩管段A、喉部直管段B和圆筒渐扩管段C可一体加工成型，也可以在保证加工精度情况下，分段加工，然后通过适当的连接方式组成整体。在低温区工作的流量测量装置的文丘里管6，可由机加工、铸造、3D打印等其他技术成型。
进口管3、出口管7与文丘里管6可通过螺纹、法兰、焊接以及其他方式连接。优选地，焊接形式。
进口取压管4和喉部取压管5单个管壁取压口的形式，用环室或均压环相连。所述的进口管3的长度至少为其内径的10倍。
出口管7的长度至少为其内径的5倍。上游压力传感器1和上游温度传感器2安装在距上游取压管至少5倍进口管内径的距离。
压力、温度和差压信号也通过计算机8采集处理显示，也可以现场采集处理显示。
单相低温流体流量测量装置在组装完毕之后，需进行标定才可以使用。
本发明的工作方式如下：文丘里流量计是基于连续性方程和伯努利方程为基础的。充满管道的流体，当它流经管道内的喉部时，流速将在喉部形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在喉部前后产生压差。流速越大，产生的差压愈大，这样可以依据差压来衡量流量的大小。
尽管上文对本发明的具体实施方式通过实例进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，本领域的技术人员可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和权利要求所记载的范围。
Claims (10)
1.一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：包括有文丘里管，所述文丘里管由从左向右依次同轴连通的圆筒收缩管段、喉部直管段和圆筒渐扩管段构成，且文丘里管左端管口同轴连接有进口管，文丘里管右端管口同轴连接有出口管，所述进口管中安装有上游压力传感器和上游温度传感器，所述文丘里管靠近左端管口的侧部旁路连通有上游取压管，文丘里管对应喉部直管段的侧部旁路连通有喉部取压管，且上游取压管、喉部取压管之间接入有压差传感器，所述上游压力传感器的压力信号、上游温度传感器的温度信号、压差传感器的差压信号分别采集至计算机处理显示。
2.根据权利要求1所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述文丘里管由可在低温下使用的材料做成，一般为金属或合金材料，优选由不锈钢材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述文丘里管的圆筒收缩管段、喉部直管段和圆筒渐扩管段可一体加工成型，也可以在保证加工精度情况下，分段加工，然后通过适当的连接方式组成整体。
4.根据权利要求1所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述文丘里管可由机加工、或铸造、或3D打印技术成型。
5.根据权利要求1所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述进口管、出口管与文丘里管对应端管口之间可通过螺纹、或法兰、或焊接、或其他方式连接，优选焊接方式连接。
6.根据权利要求1所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述上游取压管和喉部取压管采用单个管壁取压口的形式，用环室或均压环相连。
7.根据权利要求1所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述进口管的长度至少为其自身内径的10倍，出口管的长度至少为其自身内径的5倍。
8.根据权利要求1所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述上游压力传感器和上游温度传感器安装在距上游取压管至少5倍进口管内径的距离。
9.根据权利要求1所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：所述压力、温度和差压信号还可以现场采集处理显示。
10.根据权利要求1所述的一种单相低温流体流量测量装置，其特征在于：整体测量装置在组装完毕之后，需进行标定才可以使用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160427 |