（测试计量技术及仪器专业论文）大口径管道流量测量中的数据处理和通讯模块开发.pdf

摘要 凝汽器优化运行是目前火电机组经济性研究热点之一，而获得准确的循环 水流量是优化运行的关键，论文研究火电机组循环水流量测量具有重要的理论和 实际意义。 均速管流量检测系统的测量精度和检测元件的确定与管道内流速分布相 关，论文首先根据流体动量交换的理论，对封闭管道内流体徼元进行受力分析， 提出忽略紧贴管壁处的流体速度，采用两段式速度分布公式描述管内充分发展的 紊流速度分布。并在此基础上采用求取平均速度点和切比雪夫近似积分的方法确 定了总压测点位置以及检测元件的形状。其次，针对均速管流量检测系统取压孔 易堵塞的闻题，提出通过增加机械装置防止取压孔堵塞的设想。 流量系数是提高均速管流量检测系统测量精度的关键。论文分析了流量系 数的非线性问题。指出传统方法将该系数作为定值处理时，提高测量精度将导致 可测量范围降低的缺陷。提出使用小脑神经网络( c i a c ) 自适应调整流量系数的 方法。并且针对检测循环水流量，c ) a c 网络输入状态空间较小的特点，对小脑 神经网络的映射过程傲了简化将理想存储空间作为流量系数神经网络模型 权值存储空问，降低了运算量，提高了循环水流量钡4 量精度和可测量范围。 最后，根据均速管流量检测系统的要求完成了硬件和软件系统的开发。 关键词：均速管流量系数封闭管道内速度分布小脑神经网络动态补偿 非线性补偿流量测量c a n 总线实时操作系统 一登亘查兰堡主堂垡堡兰 a b s t r a c t a t p r e s e n t ，t h e t h e r m a lp o w e r p l a n t n e e d sn o to n l y p a y i n g m o r e a t t e n t i o nt ot h es a f e t y ，b u ta l s oi m p r o v i n go p e r a t i o nm a n a g e m e n tl e v e l t oa c h i e v et h e g r e a tp r o f i t ，t h i s i n c l u d e d i n c r e a s i n gc o n d e n s e r s e f f i c i e n c y ，a n dg a i n e dt h ev o l u m eo fc i r c u l a t i n gw a t e ra c c u r a t e l yi st h e m o s ti m p o r t a n tm e a s u r e an e wm e a s u r es y s t e mi s d e v e l o p e da c c o r d i n gt o a c t u a lc i r c u m s t a n c ew i t h a p p l i c a t i o n o f a v a r a g e v e l o c i t y t u b e t h e e s s e n t i a ld i r e c t i o na n da c h i e v e m e n t sc a nb ed e s c r i b e da sf o l l o w ： t h i sp a p e ri sm a d eu po ft h r e ep a r t s b a s e do nt h ec o n c e p to ff l u i d m o m e n t u m e x c h a n g i n g ， i nt h ef i r s t s t a g e ，v e l o c i t y d i s t r i b u t i o no f a d e q u a t e l yd e v e l o p e dt u r b u l e n c ei sd e s c r i p ta n dd i s t r i b u t i n gf o r m u l ao f t w o p i e c e i sc o n c l u d e dw h i c h i g n o r i n g t h ef l u i d c l i n g y t u b e s u b s e q u e n t l y ，m e a s u r i n gp o i n tp o s i t i o no ft o t a l p r e s si sd e t e r m i n e da n d t h ee l e m e n ts h a p ei sf r a m e d ，w h i c he m p l o y e dt h em e t h o do fc a l c u l a t i n g a v e r a g ev e l o c i t yh o l l a wa n dt h ef o r m u l a o fc h e b y s h e vi n t e g r a l e v e n t u a l l y c o n s i d a r i n gp r e s sh o l l o w e a s i e rb l o c k e du pi nt h em e a s u r e s y s t e m ，i c o n c e i v e dt o p r o l i f e r a t em a c h i n e r y t or e s o l v et h ed i f f i c u l ti s s u e s u c c e s s f u l l y b e c a u s ev o l u m ec o e f f i c i e n ti s k e yp a i n t i nt h em e a s u r es y s t e mt o i m p r o v ep r e c i s i o n ，a f t e ra n a l y z et h en o n 一1 i n e a ro fc o e f f i c i e n t ，ip o i n t o u tt h ef l a wi nt r a d i t i o n a lm e t h o dt od e a lw i t hv o l u m ec o e f f i c i e n ta s c o n s t a n ta n d b r i n gu p t h em o d e lo ft h ec r a n i a ln e r v en e t w o r k s e l f a d a p t i n ga d j u s t m e n tt oi m p r o v ep r e c i s i o na n dr a n g e c o n s i d e r i n gt h e m o d e li so n e c o o r d i n a t ea n dn a r r o wr a n g e 。a u t h o rs i m p l i f yt h ea l g o r i t h m a n dt a k ei d e a la sp o w e r - v a l u em e m o r yd i m e n s i o ni nt h es i m p l i f i e dm o d e l ， a sar e s u l to ft h i s ，c a l c u l a t i n ga m o u n ti ss h a r pd o w ng r e a t l ya n du t i l i z e d i ns i n g l e s h e e tm a c h i n eb e t t e r p u r t h e r m o r e ，s t a g e da c h i e v e m e n tt h a t x d l o i t a t i o no f h a r d a r ea n d s o f t w a r et os u p p o r tt h i sm e a s u r es y s t e mh a sa c c o m p l i s h e d ， k e yw o r d s ：a v e r a g e - v e l o c i l yt u b e ；f l o wc o e f f i v i e m ；v e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fp i p e s ； c m a c ；d y n a m i cc o m p e n s a t i o n ；n o n - l i n e a rc o m p e n s m i o n ；c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ； r t o s ；f l o w r a t em e a s u r e m e n t l i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名；汪盔姿日期：畦主 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：汪盎釜导师签名：墨连日期： p 毕、t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 立题背景 随着电力工业的发展，我国火力发电机组装机容量不断加大，对机组的安 全性、可靠性与经济性提出了更高的要求；同时厂网分离、竞价上网等电力市场 改革政策的出现也导致企业提出同样的要求。在提高机组运行效率众多措施中， 凝汽器的优化运行是提高电厂经济效益重要组成部分之一，这是因为凝汽器循环 水泵耗电量占发电量的比例较大，例如某机组循环水泵耗电量占全厂发电量的1 1 2 “3 。目前凝汽器运行中存在以下问题：1 部分凝汽器未进行优化运行； 2 已进行优化运行的机组中，循环水流量是利用凝汽器进出口温差及汽机排气量 等参数，通过热平衡计算得出，数据准确性较差。 实现凝汽器优化运行的关键是获得准确的循环水流量数据。而该流量数据 的检测该数据存在以下问题：1 目前小机组的循环水流量测量主要使用标准孑l 板 流量计，由于现场安装条件的限制不能满足流量计前后直管段长度的要求，存在 精度差的缺点，此外存在由于压损大导致运行费用高的缺点：2 对于大机组，由 于管道直径大，通常使用非标准孔板流量计或者超声波流量计检测循环水流量， a ) 使用非标准孔板流量计时，孔板流量计的缺点更加突出b ) 使用超声波流量计 时，由于机组在冬夏两季对循环水流量的需求差别较大，导致测量精度较差，并 且经过长期运行后，存在不能接收到超声波信号导致无法输出正确流量信号的问 题。 循环水流量测量属于大口径管道流量测量问题，因此本文以大口径管道流 量测量为研究对象，结合神经网络数据处理方法，提高大口径管道流量测量的精 度。 1 2 当前使用的大口径管道流量检测仪表存在的问题 当前使用的流量铡量仪表包括差压式流量计、浮予流量计、容积式流量计 电磁流量计、超声波流量计、涡轮流量计、靶式流量计等凡大类a 在这几大类中， 适用于大口径管道流量测量的是电磁流量计、超声波流量计以及差压式流量计。 这几种流量计虽然被广泛使用，但是仍然存在问题。下面对这几种流量计作具体 的分析。 对于使用孔板、文丘里管、喷嘴标准检测件作为一次检测元件的差压式流 量计而言，其优点是不需要实验效验，使用方便。也存在缺点： ( 1 ) 量程范围 狭窄，通常为3 ：1 4 ：1 ；( 2 ) 现场安装条件要求较高，在无流动整流器的情况 下，流量计上游直管段长度大于4 0 d ( 直径比大于0 6 ) ；( 3 ) 压损大，如表1 1 所示：( 4 ) 长期运行中一次检测元件的变形和磨损会降低精度。压损大的缺点 在大口径管道流量测量中特别突出，由节流元件造成的不可恢复压损所产生能耗 增加了运行费。如选用低压损节流装置( 经典文丘里管等) ，相对于孔板降低了 压损，但节流装置费用较高。此外差压式流量计( 均速管流量计除外) 所使用的 节流装置主要在1 0 0 0 m m 管道内径以内使用，如表1 2 。面火力发电厂1 3 5 w m 以上机 组的循环水系统，其循环水管道直径超过1 0 0 0 m m 。因此采用孔板、文丘里管、喷 嘴等一次检测元件的差压式流量计并不适用于火力发电机组循环水流量检测。对 于大型火力发电机组，因为管道直径大，标准差压式流量计则无法使用。 一 查堕茎茎堡圭堂壁笙苎 表1 1 孔板流量计不可恢复压损占差压的百分数 截面比0 90 80 7o 6o 5 0 4o 3 b i 不可恢 2 5 4 0 5 3 6 4 7 2 8 1 9 0 i 复压损 表1 2 主要节流装置适用管道内径( m ) 角接取压孔板法兰取压孔扳 文丘里管偏心孔板 l 管道内径 5 0 d 1 0 0 05 0 d 1 0 0 0 2 0 0 d 1 2 0 01 0 0 d 1 0 0 0 元件，不产生检测元件所引起的压力损失。因此适合于大1 ：3 径管道，国内e m f 产品适用的管径范围为1 0 m r n 3 0 0 0 r n m 。但是存在以下问题：1 e m f 的测量 管由衬里材料和绝缘材料制成，不能用于较高温度的液体( 对于使用聚氨脂橡 胶作为绝缘材料的电磁流量计使用温度不超过4 0 ) ；2 有些型号用于测量低 于室温的液体流量时，因测量管外结露( 或霜) 而破坏绝缘：3 当流体内的污 物附着在测量管的内壁时，可能会侵电磁流量计的测量电极短路，从而使流量 计失效；4 安装e m f 投资大，特别是对旧管道改造需要更换一段测量管，工程 量大；此外电磁流量计测量流体的速度一般限制在5 m s 内。 表1 3 国内超声波流量计产品 可测管径 单位名称型号原理基本误差流速范围( n y s ) ( m m ) 上海工业自动 l s o l 时差法1 5 o 1 一1 03 0 0 7 2 0 0 化仪表研究所 北大科技实业 b s t - 2 1 1 2 发展有限中心时差法 1 5 o 2 1 05 0 3 0 0 0 唐山汇中仪表c d l 2 0 1 1 62 5 3 0 0 0 公司多普勒法 天津环发电子l d z 2 o 1 一l o2 5 2 2 0 0 科技开发公司多普勒法 利用传播时间法测量流速的超声波流量计主要用于清洁的单相流体流量 测量，检测件置于管壁外，与被测流体无接触，不破坏流场，无压力损失。其 缺点是：1 要求管道衬里和垢层不能太厚否则对声波衰减太大：2 管道内壁锈层 与管道壁间不能有空隙否则会发生声波反射；3 接收探头必须精确安装在声束 到达的位置，要求声速己知且保持稳定；4 当温度变化引起声速交化，超声波 在流体中的传播方向会发生变化，部分声束超出探头接收范围，使信号强度降 低甚至接收不到信号；5 部分声波会沿着管道壁到达探头将产生测量误差。通 过多普勒法测量流速的超声波流量计主要用于测量含有能给出强反射信号的颗 粒或气泡的流体，由于检测不连续点( 颗粒或气泡) 的速度相对于管道平均流 速的具有不确定性，使得精度较差。国内超声波流量计产品如表1 3 。 差压式流量计中的均速管流量计具有结构简单、重量轻、制造成本低、安 装，维修方便、压损小的优点。特别是均速管流量计不可恢复压损仅占差压的2 1 5 见表1 4 ，相对于孔板流量计的压损是大大降低，适合于大口径管道流 2 第一章绪论 量测量。其缺点是：流体中不能含有固体粉尘或纤维状固体物质及油污，否则 应定期检修；流量量程较低，这是由于差压变送器的读数比一般小于1 0 ：1 和流 量系数非线性引起的。 表1 4 均速管流量计不可恢复压损占压差的百分数 内径 1 8 0 0 5 0 06 0 07 5 09 0 01 0 5 01 2 0 01 5 0 01 8 0 0 m m 7 3 、7 4 、 76543323q 7 5 、7 6 型 8 5 、8 6 型 1 61 31 0976544 上述适用于大口径管道流量测量的流量计中，差压式流量计由于压损较大 及管径限制并不适用于火力发电厂循环水流量测量；电磁流量计和超声波流量 计由于购置费高、安装要求严格以及使用中存在的问题，部分抵消它们无压损 的优点；由于均速管流量计具有成本低，使用维护方便的优点，因此可以通过 对其进一步改进，以提高其测量精度和范围。 1 3 目前传感器动态和非线性补偿的主要方法 差压式流量计中，差压的测量大都使用电容式差压传感器。然而电容式差 压传感器由于加工工艺的限制，响应速度较慢。因此只有通过动态补偿的方法 提高其响应速度。下面对当前主要动态补偿方法的缺点和适用范围进行分析。 一些传感器的响应速度较慢，如机器人腕力传感器，是因为传感器的输出 中包括衰减较慢的振荡部分。振荡部分的存在是因为传感器的动态模型包含靠 近虚轴的极点，该极点决定的输出分量初值大、随时间衰减较慢。零极点相消 法通过追加零点消除靠近虚轴的极点，提高了响应速度，相当于增加一个低通 滤波器滤掉振荡输出。零极点相消法在传感器原模型的基础上，参数稍加变动， 既改善动态品质，又保持原系统的特点，而且对各阶系统均适用。 当传感器无超调输出时，零极点相消法存在响应速度改善不大的缺陷，因 而适用范围有限。对零极点相消法迸一步改进，提出零极点配置法。它主要依 据传感器的动态特性与其传递函数的极点位置有关。因此可以通过追加零点， 消除原极点，配置新的主导极点，以满足系统响应速度要求。但是单凭主导极 点无法解决上升时间与无振荡输出的矛盾，因此在实际使用中，采用零极点配 置动态补偿之后，响应速度有所提高，但不明显。此外通过零极点配置法并不 能消除超调，仅能降低超调和减少振荡次数。图1 1 为电容式差压传感器未补 偿的阶跃响应，图1 2 为零极点配置法补偿后的阶跃响应。 图1 1 电 东南大学硕士学位论文 以上两种动态补偿方法都没有考虑到有些测量对象是传感器动态模型的 一部分，称重系统传感器。因此随着测量对象的变化，传感器动态模型的参数 也将发生变化，如果按照上述方法进行补偿，将发生某些时候补偿效果好，而 某些时候不如补偿前的结果。这个闯题的解决是通过自适应补偿方法实现的， 即根据传感器的输出不断调整补偿环节的参数，使之处于最佳补偿状态。这种 方法需要知道被测对象与传感器的动态模型。模型的建立需要分析传感器和对 象的内部物理关系，通过数学推导得到。但是相当部分测量对象的模型无法 通过推导得到，即使通过最小二乘法也不能辨识出这种随测量对象变化而参数 不断变化的模型。 针对传感器和测量对象的动态模型难于建立的情况，提出了利用b p 神经 网络具有的任意建模能力，建立测量对象和传感器的模型。对于模型建立完毕 后，网络权值固定不变，导致动态误差较大的问题，通过在神经网络中增加动 态李 偿反馈环节解决。使用b p 神经网络进行动态 f 偿，仿真效果很好，但是 b p 神经网络本身收敛较慢，计算量大。在实际使用过程中有可能会降低响应速 度。 上述几种方法中，零极点配置法在实际中运用最广，存在提高响应速度不 明显的缺点。因此有必要对零极点配置法进一步改进，提高它的补偿性能。 当前各种流量计向着多功能的方向发展，例如许多均速管流量计同时涮虽 流量和温度，因此论文中研究的流量检测系统也提供温度参数输出。铂电阻温度 传感器是测量温度信号的常用传感器之一，但是铂电阻温度传感器和测量电路惠 斯顿电桥存在的非线性使得测量结果存在非线性误差。因此通过数据处理韵方法 解决非线性误差，提高传感器的测量精度，就应运两生，当前非线性享卜偿的主要 方法有：函数逼近法，查表法，网格平面补偿法，分段线性补偿法，神经网络补 偿法。 查表法和分段线性法比较简单，主要运用在传感器输出变化比较缓慢的测 量对象。因为传感器的输出在整个量程范围内变化剧烈和补偿后线性度要求较高 时，不得不大幅度的增加表容量和分段数量，使得算法反而变复杂，此外分段线 性法补偿后，各点非线性度相差较大。 在传感器整个量程范围内，利用系列较简单函数来逼近传感器实际输出 的函数逼近法，解决了分段线性法在整个输出范围内各个点非线性度相差较大的 缺点。函数逼近法一般用多项式来逼近传感器的非线性逆函数。设非线性逆函数 为1 一l 式 z ；y ( x ，y ) ( 1 1 ) 式中，卜被测量值： x 传感器的输出： y 影响传感器的环境变量： 对于1 1 式，可用多元多项式逼近，如1 2 式。 ( 1 2 ) 对于1 2 式的系数n 。用最小二乘法确定。z ，“，y ，为实验标定数据， k = l n 。在l i 式中确定的各个五( ，n ) 值与各个乙之均方差应最小。 4 矿笫口 。 i i 力t(厂 z 第一章绪论 ( f a x 。，y 。) 一乙) 2z k ) 2 = g ( a 0 0 ，口o ”l n m ) ( 1 - - 3 ) x 于g ( a 0 0 ，吼。) 分别求吼的偏导，并令为零。得到一组方程，可以求得 系数a 代入1 2 式可以得到传感器的逼近函数。从上述推导过程中可以看到， 用逼近函数与实际输出的误差作为确定系数的条件，使得在整个量程范围非线性 误差较一致。此外函数逼近法不论传感器实际输出变化剧烈与否，都能较好逼近 传感器实际输出，只是当传感器输出变化剧烈时，构成逼近函数的简单函数个数 急剧增加，增加了计算的难度。实际使用时，为降低计算难度，多项次函数的个 数不多，因此限制它的逼近能力。 类似分段线性法用一系列直线代替曲线，网格平面补偿法用系列的平面 来代替曲面。将曲面的数值计算转换为平面上的计算，既简化了计算，也满足快 速响应的需要，解决了二维输入的补偿问题。它的缺点同分段线性法一样，平面 不能太多，否则计算量大大增加。 针对前述几种方法均不能实现在线非线性补偿。提出利用神经网络自动无 限逼近非线性函数的特点，建立对象的非线性逆模型，进行非线性幸 偿。神经网 络补偿是函数逼近法的一种，只是同一般的函数逼近法相比取消了公式的推导， 且具有通用性，可以在线确定非线性补偿网络。由于b p 神经网络使用较广，通常 使用b p 神经网络建立补偿网络，原理如图1 3 ，由传感器模型和神经网络补偿模 型两部分组成。通过实验获得传感器的输入、输出特性数据，然后对神经网络进 行训练，获得神经网络表示的逆模型： x = f 。( y ) ( 1 4 ) 对于任意输出y 都可以通过神经网络产生输出x ，从而实现线性化。 传感器模型 神经网络补偿网络 图1 3 神经网络非线性补偿原理图 由于b p 神经网络补偿收敛速度慢，且有可能陷局部最小值，限制了它的应 用范围。因此有必要进一步改进其算法，或者使用其它收敛速度较快得神经网络 进行非线性补偿。 1 4 论文的主要研究内容 1 检测传感器的研究和数据处理 论文首先分析了封闭管道内速度分布的稳定性问题，流体经过节流件后， 经一定的长度直管段才具有稳定的流速分布。然后分析管内充分发展的紊流速度 分布，研究采用分段速度公式来描述管道内速度分布可行性。进而根据管道内充 分发展的紊流速度分布公式，采用求取平均速度点和切比雪夫近似积分两种方法 确定流量检测传感器总压在不同速度分布段的测点位置，并且提出流量检测传感 y x口 。 ( 。 = 东南入学硕j ：学位论文 器取压孔防止堵塞的措施。在确定流量检测传感器的检测元件后，对流量系数存 在非线性的原因做了分析。指出传统方法将流量系数作为定值处理引起测量范围 狭窄的问题。为提高测量精度和拓展测量范围，论文利用神经网络任意连续映射 的逼近能力、学习能力建立了流量系数非线性模型。在对神经网络的选择上，考 虑到流量数据的处理必须在单片机中实现，选用了收敛快、算法简单的小脑神经 网络( c m a c ) 来建立非线性模型，并且对c m a c 算法进行简化使运算量降低，实现 了小脑神经网络在流量测量中的应用。 2 流量检测系统的动态补偿和非线性补偿 流量检测传感器一次元件输出的差压采用电容式传感器检测。该传感器的 响应速度较慢，若通过改进加工工艺的方法提高响应速度成本太高。论文研究软 件补偿方法，通过改进零极点配置，提高传感器响应速度，并进行具体的论述。 为实现检测系统的多参数检测，论文论述了检测系统中的温度测量问题。针对温 度测量中的非线性问题，论文采用神经网络具有任意连续映射的逼近能力，建立 了非线性补偿模型，实现了温度的精确测量。 3 流量检测系统硬件 在比较5 l 系列、m o t o r o l a 、a t 9 0 系列后，选定a t 9 0 系列中的a t 9 0 s 8 5 1 5 单片 机作为流量检测系统的核心流量，进行检测传感器硬件系统设计。并在此基础上 讨论c a n 总线接口、神经鼹络权系数保存、数据采集、人机交换接口等硬件模块 的设计。 4 流量检测系统软件 流量检测传感器系统软件采用了基于嵌入式实时操作系统的软件开发式。 避免了通常采用前后台软件开发方式导致各任务响应时间不确定的缺陷。论文 研究u c o s i i 嵌入式实时操作系统在a t 9 0 s 8 5 1 5 处理器上的裁剪、移植，使之操作 系统能在该处理器上运行。并且根据整个流量检测系统的功能完成数据处理任 务、数据采集任务、c a n 总线通讯任务、人机接口处理任务和两个中断程序共六 个功能模块的设计。 6 第二章封闭管道内的流速分布分析及检测传感器的研究 第二章封闭管道内的流速分布分析及检测传感器的研究 选择适当的大口径管道流量测量系统，首先要确定封闭管道内的流速分 布。对均速管、皮托管等其它通过测量点流速或者径流速来获得整个管道平均 速度的流量检测系统来说，只有知道管道内流速分布才能由某个测点的流速推 出整个截面的平均流速，或者计算径流速的各个测点位置，从而得到管道流量。 即使象电磁流量检测系统和超声波流量检测系统这样通过直接测量管道平均速 度来检测管道流量的系统来说，获得速度分布公式也有助于分析速度分布畸交 引起的测量误差。此外还须确定充分发展的紊流速度分布对直管段长度的要求， 以有助于现场安装位置的确定。本章主要讨论充分发展的紊流速度分布，并且 在此基础上确定了流量检测传感器，然后根据速度分布公式确定流量检测传感 器总压的测点位置，最后讨论流量检测传感器的管型选择。 2 1 封闭管道内流速分布分析 2 1 _ 1 管道内流速分布的不稳定性问题 管道内流速分布的不稳定是指在管道不同的位置，其流速分布不同。流速 分布不稳定使依靠流速分布来测量流量的流量计无法使用，因为流量计是在某 种稳定的流速分布情况下进行设计的。流量计如果随着安装位置的不同，导致 流速分布发生变化，必然与设计时的流速分布不同，将会产生较大的误差。只 有在流速分布稳定的情况下，才能进行准确的流量测量。 流速分布的不稳定一般出现在管道的入口、阀门、泵出口等节流件位置后 的一段距离内，之后流速分布就趋于稳定。流体在管道内向前流动时，由于流 体的粘性作用，紧贴管道内壁的一层流体受到管道内壁的吸附作用，流速为零， 流体分子、分子团、以及大量小旋涡( 紊流) 横向迁移使得紧贴管壁的静止层 和速度较高的层发生动量交换，低速流体加速，高速流体减速，使得流速受影 响得区域不断增加【2 j ，经过一段距离后，受影响区域最终扩大到管道中心，管 道内的速度分布不再变化。这段距离通过实验确定。 管道入口位置后的速度分布变化如图2 1 ，当流体进入管道口a 处时，各 处的平均速度相同。随着流体向前流动到8 、c 处时，靠近管壁处的流体速度下 降，中间未受影响部分流体速度增加，受影响区域不断加厚；当到d 处时，受 影响区域汇聚到管道中心，这时管道中心部分速度最大，并且速度分布不再变 化。在紊流情况下，从进口到速度分布稳定段的长度为：2 5 4 0 d ，d 为管道直 径。 图2 1 管道入口处的流动 2 1 2 管内充分发展的紊流速度分布 流量计是根据稳定的流速分布来设计的，并且实际中的流体处于紊流状 态，因此论文讨论的管内流速分布是指充分发展的紊流速度分布。 紊流是种不稳定流，其速度和压力都是脉动的。紊流中任意点的速度和 压力都始终围绕某个平均值变动，流体的瞬时速度可以分成两个部分：平均速 度和脉动速度，如式2 一】。 “= “+ “ ( 2 1 ) 式中，”平均速度； “脉动速度： “瞬时速度； 在管道中，流体速度可以分解两个方向：x 方向( 管道轴向) ，y 方向( 管 道径向) ：在x 方向包括平均速度和脉动速度，y 方向仅有脉动速度，如式2 - - 2 和2 - - 3 ，式中下标x 表示x 方向，下标y 表示y 方向，上画线表示平均速度， 加一撇表示脉动速度。 ，= , t 。+ “， ( 2 2 ) ”y = ，+ “， ( 2 3 ) 假设在管道内m 点有两个微元面。一个与x 方向垂直，它在m 点处的微 元环形截面上，面积为d a l ；另一个与y 方向垂直，在m 点处的圆柱面上，面 积为d a 2 。通过微元面d a l 在x 方向一定时间内传递的流体质量为：枷，西， 因此在x 方向动量传递为： ：删1 d t = p ( u ，+ u ，) 2 d a l d t ( 2 - - 4 ) 稳定的流动，密度p 以及平均速度是常数。对2 4 式两边在t 时间积分得 到： p u ：= p ( 瓦) 2 + p ( “i ) 2 ( 2 5 ) 2 5 式左边是单位时间内垂直于x 方向的单位面积传递的动量，右边第一 项表示平均速度传递的动量，第二项表示脉动速度传递的动量。根据动量定理 有动量的传递就有力的作用，因此沿管道轴向的应力等于沿轴向平均运动应力 与沿轴向脉动运动应力之和。根据连续性方程，管道所有截面的平均速度相同， 各处的沿轴向脉动运动产生应力相同，也就不产生能量损失，不作进一步探讨。 同d a l 一样，也得到通过d a 2 面x 方向的动量方程： p u y “，= p u 。，吐 ( 2 6 ) 由2 - - 6 式可知，在点m 处单位圆柱面积上所传递的动量为p u ，。，因 而该单位圆柱面受到沿x 方向同样大小的切应力。流体质点由均速较高( 较低) 的流体层向均速较低( 较高) 的流体层脉动即管壁( 中心) 方向的脉动，那么 动量传递的结果是低速层加速，高速层减速，也就是说圆柱面在管轴方向上受 到的切应力与流动方向相反。因此在紊流中，总摩擦力等于粘性摩擦力和附加 切应力之和，即 第二章封闭管道内的流速分布分析及检测传感器的研究 仁等+ p 巧 仁苫+ p “，y ( 2 7 ) 根据普朗特的混合长度理论p 五_ 瓦：p ( ，华) ：。紊流中切应力为 鲫 f ：字+ p ( ，了d u ) 2 ( 2 8 ) 砂掣 式中，v 一至管壁的距离： 】普朗特混合长度： 对于很大的紊流，流体质点的混杂过程剧烈，附加紊流切应力比粘性摩擦力 大的多，因此2 8 式可以简化为： r 叫，2 q 叫， 假设管道内的切应力，是常数，t 可以用管壁处的切应力t0 表示。普朗 特混合长度1 在光滑圆管中不受流体粘性的影响，同壁面距离y 有关。 ，=蜘(2-10) 由2 9 和2 一l o 式可以得出： r 一 一du：土陋(2-11) d yt y 、p 对u 、y 进行无量纲处理： 。一 “+ ：兰 一：丝 h ：犀u 一运动粘度 m 0 vp 对2 1 1 积分后得到管道内充分发展紊流的对数速度分布： “+ = 二l n y + + c = 4 i n y + + c ( 2 1 2 ) l 上1 k a 、c 两个系数是无量纲常数，在管壁粗糙与光滑的不同情况下，常数c 是不同的。通过实验给出了在光滑管壁条件下的值a = 2 5 ，c = 5 5 d 】。推导对 数速度分布时，忽略了分子间的粘性力，而这一近似在管壁处不成立，使对数 速度分布在管壁处不符合流动的实际情况。 在迸一步研究后，速度分布可以分为线性层、对数层、中心区三个区域： 在紧贴壁面的线性层区域紊流脉动较小，分子间粘性产生的粘性摩擦力起主要 作用，因此平均速度分布同层流相同，是线性分布如2 一1 3 式。 u + = v +y+5(2-13)刘 在文献f 4 】中通过n s 方程( 纳维一斯托克斯方程) 推导出同2 - - 9 式相同 的结果，并且指出2 - - 9 式仅在y r l 的情况下成立，当取y r = 0 2 时， y + = 4 0 0 ( r 。= 1 0 0 0 0 0 ) ，因此2 - - l l 式仅在近壁区有较高精度，在中间地区流速分 布的近似表达式： 9 东南大学硕士学位论文 一，( 竿) 2 + a 2 ( 竿) 4 + 姒竿) 6 式中，口o 、a l 、口2 、码系数； y 一测点距管壁的距离； r 管道半径： 线性层紧贴壁面，区域较小，可以忽略不计，例如在r e = 1 0 0 0 0 0 时， y + = 5 ，y = o 0 0 2 5 r ，仅占整个管道截面积的0 5 。因此用两段速度分布公式来描 述管道内充分发展的紊流速度分布。上述速度分布公式的推导是基于光滑管道 内壁进行的，然而实际中的管道内壁面是粗糙的。壁面的粗糙程度用相对粗糙 度( e d ，e 绝对粗糙度) 来描述管道内壁的粗糙程度。相对粗糙度相同的管壁有时 候呈现光滑壁面的性质，有时候呈现粗糙壁面的性质，这依赖于管道雷诺数的 大小。流动为紊流状态时，紧贴管壁处有类似层流的底层。如果管壁的突出物 完全淹没在这一层当中时，管道内的摩擦力与管壁粗糙度无关；当管壁突出物 伸出类似层流的底层时，管道内的摩擦力就与管壁粗糙有关了。因此相对粗糙 度相同的管壁呈现什么性质，由类似层流的底层厚度决定。引用公式2 1 4 1 3 作为判据。当e + 小于5 时，管壁完全呈现光滑管壁性质，大于7 0 时呈现粗糙 管壁性质，在5 e + 7 0 时两者性质都有。设管道内径d = i 2 m ，管壁粗糙度为 0 2 m m ，通过计算e + = 5 8 ，略大于5 ，认为实际使用中的大口径管道内壁是光滑 的，光滑管壁的速度分布公式仍然适用。即使粗糙管壁起作用时，仍可用对数 速度分布描述，如式2 1 5 。所以仍然可以采用两段速度分布公式描述实际管 道中的流速分布。 。“p e = 一 u ( 2 - - x 4 5 “+：41n上+c(2-15) e 2 1 3 检测传感器的选择及其原理 通过上述分析，确定了封闭管道内充分发展的紊流速度分布。只要测得管 道内一个点或者多个点的流速，就可以推导出整个管道横截面的平均流速。测 量流速方式检测流量的传感器包括均速管、皮托管、电磁流量计、超声波流量 计、靶式流量计等。其中靶式流量计适用的管道口径在1 5 2 0 0 m m 之间，不适 用于火力发电厂凝汽器的循环水流量测量。超声波流量计虽然适用于大口径管 道流量测量，存在以下情况时，测量将不准确，甚至无信号，1 管道衬里和垢 层太厚；2 管道内壁锈层与管道壁间有空隙；3 流体温度变化较大；4 部分声 波沿着管道壁到达探头。电磁流量计测量流体的速度一般限制在5 m s 内，测量 管由衬里材料和绝缘材料制成，不能用于较高温度的液体，有些型号用于测量 低于室温的液体流量时，因测量管外结露( 或霜) 而破坏绝缘，此外当流体内 的污物附着在测量管内壁时，可能会使电磁流量计的测量电极短路，流量计失 效。因此从费用、维护和使用的角度看，均速管和皮托管较超声波、电磁流量 计有着一定的优势。 尽管分别采用了两个速度公式分别描述近壁区和中心区的速度分布，最大 可能的与实际流速分布相符和。经验和半经验公式结合的分段速度描述公式与 实际流速分布仍有一定的差别。并且当现场直管段长度不满足稳定的速度分布 1 0 第二章封闭管道内的流速分布分析及检测传感器的研究 所要求的长度时，真实的速度分布与充分发展的速度分布不同。因此皮托管根 据充分发展的紊流速度分布公式，通过测量一个点的速度计算出的管道流量， 精度较差。均速管流量检测传感器通过测量多个点的流速来计算管道流量，因 此对速度分布公式的依赖度不如皮托管高，对直管段长度要求较低，这点尤其 适应于工业现场情况。而且均速管结构简单，使用和维护方便，因此选用均速 管流量传感器测量循环水流量。至于均速管取压孔在非洁净流体中使用时易堵 塞的问题，将在下面提出解决的措施。 均速管流量检测传感器，结构如图2 2 所示，是一根沿管道径向插入的中 空金属杆，在迎向流体流动的方向有成对测压孔，一般说来是两对，但也有一对 或多对的，反向有一个或多个取压孔( 一般为一个) 。迎流面的各个测压孔测量 的是静压和流体速度变为零转化的动压之和，即总压，传至检测杆经平均后由总 压管相引出平均总压p l ；背流面的取压孔测量静压，与静压管相通，引出静压 p 2 。总压和静压的差值反映了管道流量。 宙 图2 2 均速管结构示意图 根据伯努利方程： p + j i 2 = 常数 式中，r 静压，p a ； p 流体密度，k g m 3 ； v 流体平均速度，m s ： 以及连续性方程( 稳定不可压流) ： a l ”1 = a 2 ”2 式中，a 厂一管道l 处的横截面积； 凡管道2 处的横截面积； 管道在截面2 处的流速为： 圹睁 管道的流量为： 舻彳严 ( 2 1 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 由推导的过程可知，计算管道流速的公式2 1 8 含有流体在滞止过程中没 有能量损失的条件。当使用均速管测量管道流量时，取p ：为静压，p 为总压， 而且位于同一个截面。 东南大学硕士学位论文 2 2 检测传感器总压检测点位置与检测元件几何形状的研究 2 2 1 检测传感器总压检测点位置的研究 从均速管原理可知：均速管测量多个点的总压，在总压管内经过平均后。 表示整个管道横截面的平均总压，然后由2 1 9 式计算管道流量。各个总压孔 测量的总压经过总压管平均后等于整个管道横截面的平均总压是均速管流量测 量的关键。而要做到这一点必须满足两个条件：1 每个总压孔所测总压反映的 单元面积必须相等，因为在总压管内进行的总压平均过程是自然进行的，不能 计算加权平均；2 。每个总压孔所在的位置必须是该单元面积的平均流速位置。 对于第一个条件可以根据均速管总压孔的开孔对数将管道横截面分成几个同心 圆如图2 - - 2 。根据确定总压孔位置方法的不同，开孑l 对数也不同。一般有两对 或者三对。 厉忒 图2 2 管道横截面单元分割图 根据每个同心圆环或者圆的面积相等的条件可以得到公式2 2 0 ： 石( r 2 - 2 1 ) = 专斌2 ( 2 2 0 ) 根据公式2 - - 2 0 就可以由最外面的圆环逐个求取其它圆环的内外半径。表 2 1 列m - - 对、四对开孔数的圆环半径， 表2 1 各圆环半径( r 一管道半径) i对数 r lr 2r 3r 4 l 3r0 8 1 6 5 r0 5 7 7 4 r l4r0 8 6 6 0 r0 7 0 7 i ro 5 r 均速管取压孔的开孔位置根据选择的管内速度分布公式来确定。前面提到 均速管总压孔所测总压反映的单元面积必须相等，而且反映该单元面积的平均 速度，即总压孔所在位置是该区域( 圆环r l + 1 l r i ，r i + l 一圆环的内径，r i 一圆环 的外径) 平均速度的位置( 切比雪夫法计算测点位置除外) 。这就要求通过对该 区域的速度分布进行积分，求取平均速度点的位置，这对于单一速度分布较简 单。对于多段式的分布，如果速度分布区域与积分区间( 圆环的内外半径) 不 一致时，可采取以下几种方法：1 对在该区域内的几个速度分布形式采取分段 积分的方式积分，但导致求取积分困难复杂而且求比的平均速度点位置与速度 分布的参数有关；2 将分布区域最小的速度分布面积作为总压孔反映的单元面 第二章封闭管道内的流速分布分析及检测传感器的研究 积，但如果速度分布的区间较小时，将引起总压孔开孔太多，并且各段速度分 布区间并不成倍数关系；3 考虑到速度分布是半经验和经验公式，并且其速度 分布区间并非完全固定，可在一定范围变动，例如2 1 4 式；因此适当选取总 压孔个数，使确定的单元面积与速度分布区间近似相同。论文选取第三种方式， 将管道横截面分成五个单元，采用两段速度分布( 2 1 2 ，2 一1 4 ) 描述整个管 道速度分布。对于近壁区的对数分布采用积分方式求取平均速度点位置的方法， 对于2 1 4 式描述的中间区域采用切比雪夫近似积分的方法确定开孔位置。 近壁区开孔位置的确定 在近壁区的速度分布公式2 1 2 式是无量纲公式，能够表示逶用的管道速 度分布，但在计算中却不方便，因此将2 1 2 式改为y r 为自变量，u 为因变 量的表达式如2 2 1 式。 “=b】n兰+d(2-21) 足 流量等于该截面的流速乘以面积，由于管道内的流速并非常数，因此流过 某面积的流量用积分公式2 2 2 式求取。 q = r u t ( r ，o ) d o d r ( 2 - - 2 2 ) 式中，r l 测点的半径； 0 测点与水平线的夹角； 因为圆形管道中流速分布旋转对称于管道轴线，式2 2 2 可以简化为： o = f ，2 n u ，( r ) r d r ( 2 - - 2 3 ) 根据2 2 3 ，2 2 1 两式，在近壁区0 8 9 4