CN111323338A - 一种气体粘度测量系统、气体流量在线校准系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体粘度测量系统、气体流量在线校准系统、方法，该方法采用标准流量计与被校流量计串联的方式实现流量校准。校准系统主要包括标准流量计、气体粘度测量系统和计算机。气体粘度测量系统主要包括气缸‑活塞流量测量单元、参考层流元件、差压变送器、二位五通电磁阀、气泵和进出口开关阀。气缸‑活塞流量测量单元测得参考管路中体积流量，差压变送器测得参考层流元件两侧压差，根据哈根‑伯肃叶公式计算出气体粘度。得到粘度后，根据标准流量计层流元件两侧差压可计算得到流经标准流量计的气体流量，与被校流量计测量数据比对实现流量校准。该方法中气体粘度在线测定，可用于各种气体流量的在线校准。

Description

一种气体粘度测量系统、气体流量在线校准系统、方法

技术领域

本发明涉及流量测量技术领域，具体为一种气体流量在线校准方法及装置。

背景技术

为了保证流量测量准确，需要定期对流量计进行校准。流量计校准通常采用离线的方式，把流量计从管线上拆下来，在实验室里采用专用的流量标准装置进行校准测试。由于流量计测量误差除了跟自身精度有关以外，还受现场安装条件影响，因此离线校准结果(测量误差)与流量计安装于测量管路中不能完全等价。此外，对于比较笨重的大口径流量计离线校准过程中拆装工作量很大，有时还存在不允许计量中断而不适合离线校准(检定)的情况。因此，在线流量校准技术有很大的实际需求。

流量在线校准需要需要两个条件，一是管线留有校准接头和校准旁路，二是有合适的移动流量标准装置。移动式中大流量气体流量标准装置一般采用标准流量计法，标准流量计的主要要求是准确度高、重复性好、量程比大，目前可作为标准流量计的有罗茨流量计、涡轮流量计和超声流量计。其中，涡轮流量计和超声流量计属于速度式流量计，要求比较长的上下游直管段，现场校准收到一定限制；罗茨流量计是容积式，理论上没有直管段要求，但是这种流量计运行时会对流动产生周期性扰动，流量和压力出现脉动，对被校流量计产生一定影响。

层流流量计是基于流经层流元件的流量与压降的线性关系工作的，具有测量准确、重复性好、量程比宽、稳定可靠和直管段要求低等特点，比较适合于作为标准流量计。但是，层流流量计工作时需要知道流体粘度，一般适合于物性已知的纯净气体或混合气体，对于天然气管线等在线校准往往存在粘度未知或不准确的情况，给层流流量计测量带来困难。因此，对于用于现场在线校准装置上的层流流量计需要具有在线流体粘度测量能力，以便能够实现流量准确测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种气体粘度测量系统、气体流量在线校准系统、方法，可以解决上述技术问题中的一个或是多个。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：

一种气体粘度测量系统，包括气缸、活塞、光电探头I、光电探头II、二位五通电磁阀、参考层流元件、差压变送器II、和测控单元；在气缸内安装有活塞，气缸进出口附近分别装有光电探头I和光电探头II；气缸和参考层流元件通过管路串联成气体粘性测量气路，二位五通电磁阀安装在气体粘性测量气路的进、出口，二位五通电磁阀换向让气体粘性测量气路中的气体双向交替流动，以推动活塞在气缸内往复运动；所述参考层流元件的两端连接有差压变送器II；参考层流元件、光电探头I、光电探头II、差压变送器II、分别接入测控单元。

优选的：还包括气泵，所述气泵安装在从二位五通电磁阀排气的气管上。气泵的作用是为气体粘度测量管路提供必要的推动力以克服管路内流动阻力，保证参考层流元件内部毛细管内流动达到一定的流速。

优选的：所述测控单元连接计算机。

优选的：所述气缸竖直安装。以减小气缸与活塞之间的摩擦，减轻气缸和活塞的磨损。

包括上述任意所述的气体粘度测量系统的气体流量在线校准系统，还包括气体管路、被校流量计、旁路阀I、旁路阀II、标准流量计层流元件、差压变送器I、开关阀I、开关阀II；被校流量计安装在气体管路上，在气体管路上设置旁路阀I、旁路阀II；标准流量计层流元件的两端分别接入旁路阀I、旁路阀II；差压变送器I连接在标准流量计层流元件的两端；差压变送器I接入测控单元；在标准流量计层流元件的下游管路上接出两个支管，分别连接气体粘度测量气路的进出口，并在进出口安装开关阀I、开关阀II。

优选的：所述参考层流元件包括多根并联毛细管；标准流量计层流元件多根并联毛细管；参考层流元件和标准流量计层流元件采用相同规格的毛细管，毛细管的数量不同。

一种气体流量在线校准方法，包括如下步骤：

S1获得被校流量计流量值Q1，输入计算机；

S2获得校准旁路流量值Q，输入计算机，具体步骤如下：

S21首先，在被校流量计的旁路中串联一标准流量计层流原件，并在标准流量计层流原件的两端连接一差压变送器I，通过差压变送器I获得标准流量计毛细管两端差压ΔP；

S2在标准流量计层流原件的增加气体粘度测试系统，气体粘度测试系统包括内置活塞的气缸、两个光电探头、参考层流元件、差压变送器II、二位五通电磁阀、两个开关阀；内置活塞的气缸一端与二位五通电磁阀连接，另一端与参考层流元件连接，参考参考层流元件的另一端与二位五通电磁阀，二位五通电磁阀改变气路流向；差压变送器II用于测量参考层流元件两端的压差ΔPr；两个开关阀分别接在气体粘度测试系的进气端和出气端，具体的：内置活塞的气缸两端分别接有光电探头，当气体经过气缸时气流推动活塞在气缸内滑动，通过测量活塞经过两个光电探头之间的时间差可测得流经粘度测量管路的气体体积流量并发送计算机；

参考层流元件内含多根并联毛细管，差压变送器II测量参考层流元件两端的压降并发送到计算机；

在流经参考层流元件内部毛细管气体流量和两端压降已知情况下，可由哈根-泊肃叶公式计算气体粘度，即

其中，μ-气体的动力粘度；n-参考层流元件中的毛细管根数；d-毛细管内径；L-毛细管长度；ΔPr-参考层流元件毛细管两端差压；q-流经参考层流元件的流量；差压变送器II和两个光电探头测量信号由测控单元采集，传输到计算机进行处理，计算得到气体粘度μ；

S23根据公式

式中：N-标准流量计毛细管根数；ΔP-准流量计毛细管两端差压，μ-气体的动力粘度；将步骤S21和S22中所获得的各项数据输入公式，在计算机中获得校准旁路流量值Q；

S3使用计算机将步骤S1中所获得的流量值Q1和步骤S2中所获得的流量值Q进行对比完成被校流量计的在线校准。

本发明的技术效果是：

1)本发明中流量在线校准装置中采用层流流量计作为标准流量计，不需要很长的上下游直管段，装置结构紧凑，对校准现场条件要求大大降低。

2)本发明基于层流流量计的气体流量在线校准装置中带有气体粘度在线测量系统，以保证标准流量计测量准确可靠。

3)采用气缸-活塞法确定气体粘度测量管路中的体积流量，将流量直接溯源到体积(或容积)和时间。由于参考层流元件和标准流量计中层流元件采用相同规格的毛细管，消除了层流法气体流量和粘度测量中非线性压力损失、气体膨胀、壁面滑移等因素带来的误差，相当于把活塞法确定的流量比较准确地放大传递给标准流量计，量值传递过程准确、可靠。

4)气体粘度测量管路中流量很小，气缸-活塞装置尺寸小、重量轻，配合二位五通电磁阀实现双向流动，使得气缸-活塞单元很容易进行多次重复测量，保证流量和粘度测量准确。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1基于层流流量计的气体流量在线校准装置示意图；

图2气体粘度测量管路流动方向示意图；

100-被校流量计；200-校准旁路；300-标准流量计；400-气体粘度测量系统；500-计算机1-标准流量计层流元件；2-差压变送器I；3-开关阀I；4-二位五通电磁阀；5-气缸；6-活塞；7-光电探头I；8-光电探头II；9-参考层流元件10-差压变送器II；11-气泵；12-开关阀II；13-测控单元。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1为基于层流流量计的气体流量在线校准装置示意图。校准系统包括标准流量计300、气体粘度测量系统400和计算机500。标准流量计300安装于校准旁路200中，与被校流量计100串联。气体粘度测量系统400由开关阀I3、二位五通电磁阀4、气缸5、活塞6、光电探头I7、光电探头II8、参考层流元件9、差压变送器II10、气泵11、开关阀II12和测控单元13组成。

实际工作时，标准流量计300与被校流量计100测得的流量数据比对实现流量在线校准。

校准系统中标准流量计采用层流流量计，其优点是测量准确、量程比大、稳定可靠(无可动部件)和直管段要求低等，适合作为流量流量计用于标准装置中。但是，层流流量计进行流量测量时需要知道被测流体粘度。假设层流流量计中毛细管根数为N，直径d，长度为L，两端压降为ΔP(差压变送器I测得)，其流量Q可根据公式(2)计算得到，即

公式(2)中μ为被测气体粘度。当现场在线校准的气体种类不明或粘度数据不准确时，层流流量计无法提供准确流量。即便是对于种类已知的纯净气体，其粘度值还与温度和压力有关，因此现场取值时还是会存在较多误差源。为了解决这个问题，本发明的装置中设计了层流法气体粘度测量系统，主要包括气缸-活塞法流量测量单元和参考层流元件9，以及二位五通电磁阀4和辅助气泵11。气缸-活塞法流量测量单元由气缸5、活塞6、光电探头I7、光电探头II8组成，在已知气缸两个光电探头之间的容积基础上，通过测量活塞经过两个光电之间的时间差，根据体积-时间法来测得流经粘度测量管路的气体流量q。参考层流元件9内部含有多根毛细管，毛细管内流动为层流，差压变送器II10测得参考层流元件9毛细管两端差压后，根据哈根-伯肃叶公式计算得到管内气体粘度，

其中，μ-流体的动力粘度；

n-参考层流元件中的毛细管根数；

d-毛细管内径；

L-毛细管长度；

ΔPr-参考层流元件毛细管两端差压；

q-流经参考层流元件的流量。

参考层流元件9和标准流量计层流元件1采用相同规格的毛细管，即直径d和长度L相同，区别只是数量不同，参考层流元件中为n根，标准流量计中为N根。由公式1和2可以推得

公式(3)右侧中除了两个差压，只有两个毛细管根数，气体粘度、毛细管直径、长度都没有出现，毛细管进出口流动非线性压力损失、气体膨胀、壁面滑移、毛细管尺寸等因素带来的误差都被消除或大部分消除，保证流量测量准确。从公式3也可以看出，这种方法相当于把活塞法确定的流量比较准确地放大传递给标准流量计，量值传递过程准确、可靠。

为了实现活塞6在气缸5中双向运动，气体粘度测量系统400中气体流向的换向通过采用了二位五通电磁阀4。图2为气体粘度测量管路流动方向示意图，图中箭头为气流方向。需要说明的是，采用二位四通电磁阀也可以实现流通方向的切换，但二位五通电磁阀比二位四通电磁阀动作小、动作快。

在图2a中二位五通电磁阀接通进气口P、出气口A1和排气口R2，管路中气流为顺时针方向，活塞由下向上运动；

在图2b中二位五通电磁阀接通进气口P、出气口A2和排气口R1，管路中气流为逆时针方向就，活塞由上向下运动。这样，就实现了活塞6在气缸5内往返双向运动，可取多次流量测量结果的平均值以提高测量准确度。

气体粘度测量系统中气缸5需竖直安装，以减小气缸与活塞之间的摩擦，减轻气缸和活塞的磨损。

差压变送器II、两个光电探头、标准流量计差压变送器I和被校流量计的测量信号均由测控单元采集，传输到计算机进行处理。二位五通电磁阀的动作也由计算机和测控单元进行控制。

另外需要指出的是，流量校准装置中可以采用多个标准流量计并联以适应更宽的流量范围。而并联设计时，并联层流流量计上下游直管段不需要很长，1倍直径长度即可，装置整体比较紧凑。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种气体粘度测量系统，其特征在于：包括气缸(5)、活塞(6)、光电探头I(7)、光电探头II(8)、二位五通电磁阀(4)、参考层流元件(9)、差压变送器II(10)、和测控单元(13)；

在气缸(5)内安装有活塞(6)，气缸(5)进、出口附近分别装有光电探头I(7)和光电探头II(8)；气缸(5)和参考层流元件(9)通过管路串联成气体粘性测量气路，二位五通电磁阀(4)安装在气体粘性测量气路的进、出口，二位五通电磁阀(4)换向让气体粘性测量气路中的气体双向交替流动，以推动活塞(6)在气缸内往复运动；

所述参考层流元件(9)的两端连接有差压变送器II(10)；

参考层流元件(9)、光电探头I(7)、光电探头II(8)、差压变送器II(10)分别接入测控单元。

2.根据权利要求1所述的气体粘度测量系统，其特征在于：还包括气泵(11)，所述气泵(11)安装在从二位五通电磁阀(4)排气的管路上。

3.根据权利要求1所述的气体粘度测量系统，其特征在于：所述气缸(5)竖直安装。

4.包括上述任意所述的气体粘度测量系统的气体流量在线校准系统，其特征在于：还包括气体管路、被校流量计(100)、旁路阀I、旁路阀II、标准流量计层流元件(1)、差压变送器I(2)、开关阀I(3)、开关阀II(12)；被校流量计(100)安装在气体管路上，在气体管路上设置旁路阀I、旁路阀II；标准流量计层流元件(1)的两端分别接入旁路阀I、旁路阀II；差压变送器I(2)连接在标准流量计层流元件(1)的两端；差压变送器I(2)接入测控单元；在标准流量计层流元件(1)的下游管路上接出两个支管，分别连接气体粘度测量气路的进、出口，并在进出口安装开关阀I(3)、开关阀II(12)。

5.根据权利要求4所述的气体流量在线校准系统，其特征在于：所述参考层流元件(9)包括多根并联毛细管；标准流量计层流元件(1)多根并联毛细管；参考层流元件(9)和标准流量计层流元件(1)采用相同规格的毛细管，毛细管的数量不同。

6.一种气体流量在线校准方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1获得被校流量计流量值Q1，输入计算机；

S2获得校准旁路流量值Q，输入计算机，具体步骤如下：

S21首先，在被校流量计的旁路中串联一标准流量计层流原件，并在标准流量计层流原件的两端连接一差压变送器I，通过差压变送器I获得标准流量计毛细管两端差压ΔP；

S2在标准流量计层流原件的增加气体粘度测试系统，气体粘度测试系统包括内置活塞的气缸、两个光电探头、参考层流元件、差压变送器II、二位五通电磁阀、两个开关阀；内置活塞的气缸一端与二位五通电磁阀连接，另一端与参考层流元件连接，参考参考层流元件的另一端与二位五通电磁阀，二位五通电磁阀改变气路流向；差压变送器II用于测量参考层流元件两端的压差ΔPr；两个开关阀分别接在气体粘度测试系的进气端和出气端，具体的：内置活塞的气缸两端分别接有光电探头，当气体经过气缸时气流推动活塞在气缸内滑动，通过测量活塞经过两个光电探头之间的时间差可测得流经粘度测量管路的气体体积流量并发送计算机；

差压变送器II测量参考层流元件两端的压降并发送到计算机；

在流经参考层流元件内部毛细管气体流量和两端压降已知情况下，可由哈根-泊肃叶公式计算气体粘度，即

其中，μ-气体的动力粘度；n-参考层流元件中的毛细管根数；d-毛细管内径；L-毛细管长度；ΔPr-参考层流元件毛细管两端差压；q-流经参考层流元件的流量；差压变送器II和两个光电探头测量信号由测控单元采集，传输到计算机进行处理，计算得到气体粘度μ；

S23根据公式

式中：N-标准流量计毛细管根数；ΔP-准流量计毛细管两端差压，μ-气体的动力粘度；将步骤S21和S22中所获得的各项数据输入公式，在计算机中获得校准旁路流量值Q；

S3使用计算机将步骤S1中所获得的流量值Q1和步骤S2中所获得的流量值Q进行对比完成被校流量计的在线校准。

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