流量測量范文第1篇
關鍵詞：流量測量,注水井,壓差測量,電容傳感器
在油田開發后期, 由于地下壓力減小, 石油已不能自噴到地面, 因此需要向地下注水以維持地層壓力, 使地下油藏重新獲得較強的驅動力。由于石油只存在于特定的地層中, 且在油田開發后期油藏減少, 只有通過特定的數學模型計算出油藏的位置和驅動所需的壓力, 才能將油藏驅動到采油井的位置, 從而抽至地面, 完成石油的開采。要維持含油層與相鄰地層之間的壓力, 必須精確控制不同地層的水注入量, 以便有效地提高石油采收率[1]。
注水井是一種特殊的井, 其結構比較簡單, 在不同的地層有不同的注水口, 通過調整注入流量完成不同地層水的注入。由于其結構的特殊性, 在地面只能測量出整口井的注入流量, 因此為了測試各地層的注入流量, 必須設計合理的井下儀器, 在每個注水口完成注入流量的測量[1~5]。目前普遍使用的流量計有渦輪流量計、超聲波流量計和靶式流量計, 但渦輪流量計的精度較差, 超聲波流量計的探頭容易污損, 都不適用于注水井的流量測量。壓差流量計因其結構簡單、工作穩定得到了廣泛應用, 但其具有測量下限, 當流速特別慢時, 壓差非常小, 測量誤差較大, 因此壓差流量計只能用于流量相對較大的場合[6,7]。筆者基于壓差流量計設計了用于注水井分層流量測量的分層測試流量計。
1 柱錐體壓差流量測量原理*
假設管道中有一個柱錐體, 且其位于管道中心線上 (圖1) 。在A-A斷面處, 流體流速為VA, 密度為ρA, 管道直徑為D, 斷面面積為SA;在斷面B-B處, 流體流速為VB, 密度為ρB, 斷面為環形, 其面積為SB, 柱錐體直徑為d。
對于管道內流動的流體, 根據流體力學的伯努利定律, 在封閉空間中, 流體的總能量始終保持為一個常數[8]。伯努利方程為:
ZA+pAρAg+2gV2A=ZB+pBρBg+2gV2B (1)
式中pA、pB———斷面A-A、B-B處的壓力;
ZA、ZB———斷面A-A、B-B處的位置水頭。
由于斷面A-A、B-B的位置相鄰, 因此可以忽略ZA、ZB的影響。假設流體是不可壓縮的, 則壓差Δp為:
斷面A-A為圓形, 斷面B-B為環形, 為了與壓差流量計采用統一的表示方法, 將斷面B-B的過流面積等效為圓形, 從而定義出等效直徑比β為:
對于管道來說, 流量與流速滿足q=V×S, 同時, VA×SA=VB×SB, 因此可將式 (2) 變換為:
整理后, 得到流量與壓差的關系為:
式 (5) 說明壓差與流量成平方關系, 因此只要知道了壓差就可以求出流量。
2 柱錐體壓力分布的數學仿真
Fluent軟件可以針對具體的管道和節流體進行仿真分析。仿真時選取β=0.55的柱錐體, 使用Simplec算法求解離散網格, 使用系統默認的松弛因子。Fluent繪制出錐角為30°時的柱錐體壓力分布云圖如圖2所示。
當流體在圓形管道中流動時, 各位置的流速不一樣, 越靠近管道中心線流速越大, 當流體流過柱錐體時, 過流面積變為環形, 流速增大, 在柱錐尖端處壓力最大, 但并不穩定, 不能用于測量。60°錐角的柱錐體壓力分布云圖如圖3所示, 從圖3可以看出流體的不穩定現象更加明顯。
從圖2、3還可以看到有湍流現象產生, 且錐角越大, 湍流現象越強。這說明錐角較小時, 壓力變化受湍流影響較小;錐角較大時, 湍流導致壓力產生波動。因此, 設計柱錐時前錐角應較小。
3 壓差測量
為了獲取柱錐體產生的壓差, 需要使用壓差傳感器。由于當流量較小時, 壓差也比較小, 因此需要選用靈敏度高、響應速度快的壓差傳感器, 而電容式壓差傳感器能夠滿足這種要求[9,10], 其結構示意圖如圖3所示。
電容式壓差傳感器由兩個鍍金玻璃圓盤基片和一個金屬膜片組成, 玻璃圓盤上有一個圓形凹面, 深度大約25μm。當金屬膜片兩端受到的壓力相等 (p1=p2) 時, 膜片處于兩個玻璃圓盤中間, 此時膜片與兩側玻璃圓盤形成的電容值C1和C2相等, 且C1=C2=C0;當p1>p2時, 膜片向p2方向彎曲, 且與玻璃圓盤形成的電容C2增大、C1減小。筆者設計了圖5所示的差動脈寬調制電路將電容差值轉換為電壓值。
對于圖5中的電路, 有:
式中T1、T2———電容C1和C2的充電時間;
UA、UB———A、B點的矩形脈沖直流分量;
U1———觸發器輸出的高電位。
當R1=R2時, 由于電容的充電時間與電容值成比例關系, 可以計算出U0為:
當C1=C2時, U0是方波, 占空比為1∶1;當C1≠C2時, 改變的是U0的占空比, 因此通過測量占空比就能測得壓差。
4 分層測試流量計
分層測試流量計分為地面部分和井下部分 (圖6) 。井下部分主要由節流柱錐體、位于柱錐體內部的壓差傳感器和信號調理電路組成, 在柱錐體的前端和側面各有一個取壓口將壓力引導至壓差傳感器的兩端;信號調理電路主要包括壓差測量電路和信號變換電路, 電路由地面電源通過電纜供電, 完成占空比測量后將數據編碼, 采用CAN總線將結果通過電纜傳遞至地面。地面部分主要包括地面控制板和上位機, 地面控制板完成測量信號的接收后, 將其送入上位機進行顯示和存儲。
采用流量差測量的方法測量注水井中各注入層的注入流量, 在注水口下方和上方的直管段內各測量一次流量, 兩次流量的差值就是本層的注入流量。
筆者設計的分層測試流量計的性能完全達到了設計要求, 流量測量范圍5~125m3/d, 誤差小于0.5%, 對比超聲波流量計, 該流量計具有成本低、結構簡單、壓力損失小和運行穩定可靠的優點。在測量過程中, 由于井筒直徑的一致性不是很好, 導致測量產生誤差, 因此需要在儀器上串聯井筒直徑測量裝置。另外, 還必須串聯扶正裝置, 保證柱錐體始終位于井筒的軸心線上。
5 結束語
筆者設計的分層測試流量計使用柱錐體作為節流體, 且其可以沿井筒上下移動, 使得儀器能夠測量井筒中不同位置的流量。柱錐體對流體的阻力較小, 具有平滑的壓差特性, 而且具有精度高和測量范圍寬的特點。筆者使用電容壓差測量技術測量壓差, 儀器反應靈敏, 可以測量快速變化的流量, 經過改進后不但可以用于測量井下流量, 也可以用于測量地面管道內的流量。不同直徑的井筒需要使用不同直徑的柱錐體, 以保證等效直徑比在合適的范圍內, 減小測量誤差。
參考文獻
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流量測量范文第2篇
供熱行業中, 蒸汽流量測量不準確是普遍存在的問題, 其中主要原因分析如下。
1.1 過熱蒸汽。
蒸汽是比較特殊的介質, 一般情況下所說的蒸汽是指過熱蒸汽。過熱蒸汽是常見的動力能源, 常用來帶動汽輪機旋轉, 進而帶動發電機或離心式壓縮機工作。過熱蒸汽是由飽和蒸汽加熱升溫獲得。其中絕不含液滴或液霧, 屬于實際氣體。過熱蒸汽的溫度與壓力參數是兩個獨立參數, 其密度應由這兩個參數決定。
過熱蒸汽在經過長距離輸送后, 隨著工況 (如溫度、壓力) 的變化, 特別是在過熱度不高的情況下, 會因為熱量損失溫度降低而使其從過熱狀態進入飽和或過飽和狀態, 轉變成為飽和蒸汽或帶有水滴的過飽和蒸汽。飽和蒸汽突然大幅度減壓, 液體出現絕熱膨脹時也會轉變成為過熱蒸汽, 這樣就形成汽液兩相流介質。
1.2 飽和蒸汽。
未經過熱處理的蒸汽稱為飽和蒸汽。它是無色、無味、不能燃燒又無腐蝕性的氣體。飽和蒸汽具有如下特點。
a.飽和蒸汽的溫度與壓力之間一一對應, 二者之間只有一個獨立變量。b.飽和蒸汽容易凝結, 在傳輸過程中如有熱量損失, 蒸汽中便有液滴或液霧形成, 并導致溫度與壓力的降低。c.準確計量飽和蒸汽流量比較困難, 因為飽和蒸汽的干度難以保證, 一般流量計都不能準確檢測雙相流體的流量, 蒸汽壓力波動將引起蒸汽密度的變化, 流量計示值產生附加誤差。所以在蒸汽計量中, 必須設法保持測量點處蒸汽的干度以滿足要求, 必要時還應采取補償措施, 實現準確的測量。
2 測量的分析
目前使用流量儀表測量蒸汽流量, 測量介質都是指單相的過熱蒸汽或飽和蒸汽。對于相流經常變化的蒸汽, 肯定會存在測量不準確的問題。這個問題的解決方法是保持蒸汽的過熱度, 盡量減少蒸汽的含水量, 例如加強蒸汽管道的保溫措施, 減少蒸汽的壓力損失等, 以提高測量的準確度。然而這些方法并不能徹底解決蒸汽流量測量不準確的問題, 解決這一問題的根本辦法是開發一種可測兩相流動介質的流量儀表。
用于檢測氣體流量的流量計種類很多, 以速度式和容積流量計應用最普遍, 它們的共同特點是只能連續測定工況下的體積流量, 而體積流量又是狀態的函數, 工作狀態下的體積流量不能確切的表示實際流量, 工程上一般都以標準狀態體積流量或質量流量表示。所謂標準狀態體積是0℃、1個標準大氣壓下的氣體體積或20℃、1個標準大氣壓下的體積。以質量流量為計量單位的情況, 目前應用不多。采用刻度氣體流量計時, 選定氣體正常溫度、壓力為設計條件, 將設計狀態下的體積流量折算為標準體積流量或質量流量, 其折算系數中含有氣體密度的因素, 當氣體介質的工作狀態偏離設計狀態, 流量示值將產生誤差。此外氣體介質的組成、含量或溫度的變化, 對流量測量也產生影響, 所以蒸汽流量的測量更需要采取補償措施, 并且因蒸汽的狀態變化補償因素也比較復雜。
過熱蒸汽的密度由蒸汽的溫度、壓力兩個參數決定, 而且在參數的不同范圍內, 密度的表達形式也不相同, 無法用同一通式表示, 所以不能獲得統一的密度計算公式, 只能個別推導求得溫度、壓力補償公式。在溫度、壓力波動范圍較大的場合, 除進行溫度、壓力補償外, 還需要考慮對氣體膨脹系數ε的補償。
無論采用何種流量計檢測飽和蒸汽的流量, 在蒸汽壓力波動的條件下工作, 必須采取壓力補償措施, 這是因為在流量方程中, 都含有蒸汽密度的因素, 工作條件與設計條件不一致時, 讀數會產生誤差, 誤差的大小和工作壓力與設計壓力偏差的大小有關, P實>P設將出現負誤差, 否則將出現正誤差。蒸汽的干度條件是關系到能否準確計量蒸汽流量的重要條件, 目前正在研制在線蒸汽干度檢測儀表, 待干度儀表應用于蒸汽流量計量與補償系統, 必將進一步提高計量的準確性。目前應采取以下三項措施:
a.輸送蒸汽的管路必須有良好的保溫措施防止熱量損失。
b.在蒸汽管路上要逐段疏水, 在管道的最低處及儀表前的管道上應設置疏水器, 及時排出冷凝水。
c.鍋爐操作中應避免出現汽包液位過高現象, 盡量減少負荷出現大的波動。
3 流量儀表的選型
對于蒸汽計量在選擇流量儀表時應考慮5個主要因素:被測流體特性、生產工藝情況、安裝條件、維護需求以及流量儀表的特性。這里, 著重討論流量儀表的特性、安裝條件、維護需求以及選用流量儀表應注意的幾個問題。目前, 測量蒸汽流量的儀表主要有渦街流量計、差壓式 (孔板、均速管、彎管) 流量計、分流旋翼式流量計、阿牛巴流量計、浮子式流量計等, 下面以渦街流量計、孔板流量計和彎管流量計為例加以說明。
3.1 渦街流量計
渦街流量計是基于卡門渦街原理而研制成功的一種新型流量計, 由于它具有其它流量計不可兼得的優點, 20世紀70年代以來得到了迅速發展。據介紹, 現在日本、歐美等發達國家使用渦街流量計的比例大幅度上升, 已經廣泛用于各個領域, 將在未來流量儀表中占主導地位, 是孔板流量計的理想替代產品。它具有以下特點:a.結構簡單牢固, 運行十分可靠;b.維護十分方便, 安裝費用低;c.傳感器不直接接觸介質, 性能穩定, 壽命長;d.輸出與流量成正比的脈沖信號, 無零點漂移, 精度高, 并方便與計算機聯網;e.測量范圍寬, 量程比可達1:10;f.壓力損失小, 運行費用低, 更具節能意義;g.在一定的雷諾數范圍內, 輸出信號頻率不受流體物理性質和組分變化影響, 儀表系數僅與漩渦發生體的形狀和尺寸有關, 測量流體的體積流量無需補償, 調換配件后無需重新標定儀表的系數;h.應用范圍廣, 氣體、液體的流量均可測量;i.檢定周期為2~4年。
但該流量計也存在一定的局限性:a.渦街流量計是一種速度式流量計, 漩渦分離的穩定性受流速影響, 故它對直管段有一定的要;b.測量液體時, 上限流速受壓損和氣蝕現象限制;c.測量氣體時, 上限流速受介質可壓縮性變化的限制, 下限流速受雷諾數和傳感器靈敏度的限制;d.應力式渦街流量計對振動較為敏感;e.應力式渦街流量計采用壓電晶體作為檢測傳感器, 故其受溫度的限制。
3.2 差壓式流量計
以孔板流量計為代表的差壓式流量計應用歷史悠久, 有國際標準, 理論精度高, 應用十分普遍。但經過幾十年的應用, 發現孔板流量計也存在不足:a.應用中許多因素對其測量精度有非常大的影響, 使其測量誤差增大;b.安裝較為麻煩, 維護及拆洗的工作量較大;c.需配差壓變送器使用, 增加了維護的工作量, 另需敷設導壓管, 且在冬季需對導壓管進行保溫, 不可以安裝在室外;d.流量量程比為1:3, 局限性大;e.若安裝不正確, 容易發生蒸汽泄漏;f.壓力損失較大, 運行費用高。
3.3 彎管流量計
彎管流量計實際上是一個90度標準彎頭, 沒有比它結構更簡單的流量傳感器了。隨著機械加工工業的發展和行業標準化及規范化管理的不斷完善, 用作彎管傳感器的標準機制彎頭性價比越來越高。它的特點是:a.結構簡單, 價格低廉。b.彎管流量計傳感器耐磨損, 對微量磨損不敏感。c.安裝簡單, 可采用直接焊接法進行安裝, 使現場跑冒滴漏的麻煩得到徹底的解決。d.適應性強, 量程范圍寬, 直管段要求不嚴。只要是可以用孔板、渦街、均速管流量計來測量的管道內流體流量都可以用彎管流量計進行測量, 而且在耐高溫、耐高壓、耐沖擊、耐振動、耐潮濕、耐粉塵等方面, 彎管流量計遠優于其它流量計。e.彎管流量計的量程比可達1:10, 對于蒸汽, 它的適用范圍為0~70m/s, 可以較好地滿足蒸汽流量測量的要求。f.彎管流量計由于其特殊的測量原理, 使其在實際應用時對直管段的要求不嚴格, 一般只要求前5D、后2D即可, 遠遠低于其他流量測量裝置的要求。g.彎管流量計精度高, 重現性好, 測量精度可達1.14%, 重現性精度可達0.2%, 一次安裝后, 不再需要重復拆裝, 因此, 其安裝精度也能得到最佳保證。h.彎管流量計的最突出特點是無任何附加節流件或插入件, 可大大降低流體在管道內輸送的動力消耗, 節約能源, 尤其對那些大系統、大管徑、低壓頭的測量對象好處更加明顯。
流量測量范文第3篇
要實現網絡流量的測量, Winsock給我們提供了一個接口, 通過這個接口可以實現對IP層以上的層的數據包進行監測。我們通過建立原始套接字, 利用Winsock提供給我們的一些特定的函數就可以完成對網絡數據包的捕獲。在數據包的分析過程中, 用戶需要的協議類型, 源/目的地址, 發送/接收端口以及包的大小, 定義指針, 分別指向數據包的相對應的位置就可以得到這些信息。
二、基本概念
互連網上的每個接口必須有一個唯一的Internet地址 (也稱作IP地址) 。網絡中可以被命名和尋址的通信端口, 是操作系統可分配的一種資源。網絡通信的最終地址就不僅僅是主機地址了, 還包括可以描述進程的某種標識符。端口是一種抽象的軟件結構, 應用程序 (即進程) 通過系統調用與某端口建立連接后, 傳輸層傳給該端口的數據都被相應進程所接收, 相應進程發給傳輸層的數據都通過該端口輸出。
TCP/IP和OSI有一層映射關系, 所以可以將TCP/IP通過OSI映射到Windows操作系統中去。OSI在Windows中的實現:物理層就是網卡, 數據鏈路層就是網卡驅動程序, 網絡層就是NDIS (網絡驅動程序接口規范) , 傳輸層是TDI (傳輸驅動程序接口) , 會話層是SPI (服務提供者接口) , 表示層是API (應用編程接口) , 應用層通常就是EXE文件。
三、TCP/IP協議集
TCP/IP模型是一種層級式 (Layering) 的結構, 每一層都呼叫它的下一層所提供的服務來完成自己的需求。其中, IP是TCP/IP協議族中最為核心的協議。所有的TCP, UDP, ICMP, 及IGMP數據都以IP數據報格式傳輸。
TCP (傳輸控制協議) , 是專門設計用于在不可靠的internet上提供可靠的、端到端的字節流通信的協議。通過在發送方和接收方分別創建稱為Socket的通信端點可以獲得TCP服務。每個套接字序號包含主機的IP地址以及一個主機本地的16位號碼, 稱為端口。為了獲得TCP服務, 在發送方的Socket和接收方的Socket之間明確的建立連接。
發送和接收方TCP實體以數據段 (segment) 的形式交換數據。一個數據段包含一個固定的20字節的頭, 后面跟著以0字節或多字節的數據。TCP連接的建立使用三次握手協議, 在此過程中雙方要互報自己的初始序號, 這樣就可以保證包的接收順序和發送順序相一致。
四、Winsock編程概述
Winsock就是Windows Socket的簡稱, 是Windows應用程序與TCP/IP之間的通信界面。Socket是網絡上運行的兩個程序間雙向通信連接的一端?？蛻舫绦蚩梢韵騍ocket寫請求, 服務器將處理此請求, 然后通過Socket把結果返回給客戶。
套接字的建立:先建立socket以偵聽線路。這個過程包含幾個步驟。首先, 要建立一個新的socket, 就像先裝上電話一樣。socket () 命令就完成這個工作。另外一個必須提供的參數是socket的類型。流式套接字提供了雙向、有序的、無重復的以及無記錄邊界的數據流服務, 適合處理大量數據。在建立socket后, 我們就要提供socket偵聽的地址了。bind () 函數來處理這件事情, 將本地地址綁定到所創建的套接字上。然后我們要做的就是設置SOCK_RAW為SIO_RCVALL, 以便接收所有的IP包。接收到的原始數據包存放在緩存Recv Buf[]中, 緩沖區長度BUFFER_SIZE定義為65535。然后就可以根據前面對IP數據段頭、TCP數據段頭的結構描述而對捕獲的數據包進行分析。
五、網絡流量測量的程序實現
利用Net Bios來初始化網卡:Net Bios API只包括了一個函數, 就叫做Net Bios。這個函數使用網絡控制塊NCB (network control block) 結構作為參數, 這個結構告訴函數要做什么。這個結構中包括多個成員, 如ncb_command, ncb_num, ncb_length等。
我們使用三個命令來探測MAC地址:NCBENUM, NCBRESET, NCBASTAT。在對原始套接字設置完畢后就可以通過reiv () 從網卡接收數據, 接收到的原始數據包存放在緩存buf中。IP報頭是由一個_iphdr的類來定義的, TCP報頭的定義了一個_tcphdr類, 我們利用RFC1700的協議定義, 分別給IP協議, TCP協議和UDP協議進行定義:
1、#define PROTOCOL_IP 4, 當IP頭中Protocol為4時, 這是一個IP數據包。
2、#define PROTOCOL_UDP 17, 當IP頭中Protocol為17時, 這是一個UDP數據包。
3、PROTOCOL_TCP 6, 當IP頭中Protocol為6時, 這是一個TCP數據包。
執行函數recv () , 捕獲網絡中的數據包, 定義一個名為len的緩沖區, 當len>0時, 開始進行數據包分析。
最后, 將該程序進行測試, 該程序已經具備了網絡流量測量的基本功能:捕獲數據包, 對數據包進行IP層以上的分析。
六、結論
本文介紹的以原始套接字的方式對網絡數據進行捕獲的方法實現起來比較簡單, 尤其是不需要編寫Vx D虛擬設備驅動程序就可以實現抓包, 使得其編寫過程變的比較簡便。通過本論文的介紹, 可對原始套接字的使用方法以及TCP/IP協議結構原理等知識有一個基本的認識。
參考文獻
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流量測量范文第4篇
關鍵詞：流速,流量,水位,測量,計算
水資源管理、防洪抗旱需要實時快捷地獲得高精度的河道流量數據。常用獲得河道流量的方法有兩種[1]:實測河道斷面流速法, 即先實測河道斷面上多個點的流速, 然后用流速乘以面積獲得流量;水位流量相關法, 即通過歷史資料建立水位流量相關曲線, 然后通過實測的水位獲得流量。實測河道斷面流速方法的優點是精度高, 但是測河道斷面多點流速費時費力, 并且遇到大洪水時, 測驗人員測流速會非常不安全。水位流量相關法雖然簡單, 但隨著河道的動態變化, 測得的流量誤差較大。隨著現代測量流速的技術發展, 多普勒超聲波流速儀[2,3,4]、雙向聲傳播測流儀[5]、高精度定點式寬帶測流速方案[6]等儀器及方法的提出降低了獲得流速的難度, 并提高了測量流速的精度, 使實時、長期獲得單點流速可行。
為了簡便的獲得高精度的流量, 中泓一點法[7]簡化河道斷面流速法, 只在河道中間0.8倍水深處測得單點流速即可得到流量, 計算精度達到80%。水位流量法[8,9]可以根據理論公式的推導, 通過參數化給出漲洪與落洪時不同的參數, 但是實際應用中如何判斷漲洪與落洪以及如何給出參數都存在一定的困難。通過動力學求解[10,11,12,13]或回歸流速分布[14]都能夠得到很好的模擬結果, 但這些理論公式如何應用到實際中仍存在很大的困難, 因為實際中我們很難實時獲得河道的斷面變化信息, 以及很難擬定模型的參數。胡云進等人[1,15,16]提出“流速-水位法”, 該法可以有效地減少了實測流速的點數, 但仍要將斷面劃分成多個分區, 仍需要測得多個點的流速, 在業務化中仍有一定的難度。
基于現有的研究與流速測量技術的發展, 找到一種理論合理, 并且能夠業務化的流量測量方法非常有必要。本文采用飛來峽水文站實測的流速與流量信息, 統計分析流速與流量的關系, 并對比分析多種簡單易行的由流速和水位計算流量的方法, 最終給出基于現有技術與理論的可行的測量、計算河道流量的方案。
1 計算方法
考慮到現在測量流速越來越簡單快捷, 因此, 本文在計算流量的過程中, 利用流速來提高測得河流流量的準確性。本文采用3種方法對河道流量進行對比計算:中泓一點法[7]、水位-流量擬合法和水位-流速-流量擬合法。其中后兩種是本文利用最小二乘法擬合參數。
中泓一點法:利用測速儀器測得斷面中泓0.6~0.8倍水深處的平均流速, 認為此處觀測的流速值為河流的平均流速, 再測量水位求得過水斷面的面積, 利用流速乘以過水斷面的面積, 即可得到流量。根據計算數據發現, 80%河流中泓0.6~0.8倍水深處的平均流速與河流平均流速相對誤差在30%以內。利用此方法可以快速便捷的測得河流的流量, 若要保證流量精度在70%, 可在河流中泓0.6倍水深處或0.8倍水深中進行中泓一線一點測流, 其中0.8倍水深處計算的斷面流量更加精確。如要保證精度在80%左右, 需要在中泓0.8倍水深處測流速計算流量。選取每個數據文件的中泓0.8倍水深處流速數據, 來計算河流流量, 公式如下:
水位-流量擬合法:基于最小二乘法對河流水位和河流流量進行二次擬合, 來分析比較計算河流流量的結果, 公式如下:
水位-流速-流量擬合法:為提高擬合流量的準確性, 在進行數據擬合的過程中加入流速值, 來更準確的計算流量。利用多項式公式擬合水位-流速-流量關系式, 公式如下:
式中:Q為計算得到的流量, m3/h;v為流速, m/s;s為河道斷面面積, m2;h為水位, m;a0、a1、a2、a3、a4、a5為參數。
2 數據說明
本文使用的數據是飛來峽水文站河道斷面實測流速數據, 觀測時間是2012年1月1日到2012年10月28日, 觀測次數為29次, 本文分別對其編號為1~29號。流速的測量方法是在河道斷面上相對均勻地分布多條垂線, 根據水深每條垂線上測2~5個點流速。圖1是2012年29次測量的流速、水位和流量的情況, 表1給出了每次測量的詳細信息。
3 計算結果與分析
3.1 流量擬合結果
為了擬合不同流量計算方法, 在29個觀測樣本中, 均勻選取20個觀測流速點實測的水位、流速擬定參數, 模擬流量。
中泓一點法模擬的流量與實際觀測流量間相關系數達到0.996 5, 均方根誤差為954 m3/s。通過最小二乘法擬合出水位-流量法與水位-流速-流量法參數。水位-流量法擬合的計算式如下:
模擬的流量與實際觀測流量間相關系數達到0.994 6, 均方根誤差為391m3/s。水位-流速-流量法擬合的計算式如下:
模擬的流量與實際觀測流量間相關系數達到0.996 7, 均方根誤差為302m3/s。
從統計指標可以看出水位-流速-流量法的相關系數最高, 均方根誤差也最小, 說明加入河道中點流速后的能夠獲得更高精度的流量。利用3種方法模擬20次觀測的河道流量結果見圖2。從圖2可以看出水位-流速-流量法在大部分觀測點都同實測流量一致, 次優的是水位-流量法, 表現最差的是中泓一點法, 尤其對大流量的計算, 明顯偏大。
圖3給出了不同流量計算方法在不同觀測點的相對誤差和絕對誤差。水位-流速-流量法的相對誤差大部分都在10%以內, 1號觀測點由于實測流量非常小而導致相對誤差過大。水位-流速-流量法的絕對誤差也最小。進一步說明水位-流速-流量法要比中泓一點法及水位-流量法精度高?；诮y計學理論, 在統計中加入更多有用的信息, 會得到更優的結果。所以當我們在水位流量關系中加入實測的一點流速就能夠非常有效地提高流量計算精度。
為了便于定量分析比較, 表2給出了流量擬合結果的數據與觀測流量和擬合流量的絕對誤差和相對誤差數據。
3.2 流量驗證結果
利用取出的9個觀測流速點作為檢測樣本, 對本文使用的3種計算流量的方法進行驗證。中泓一點法模擬的流量與實際觀測流量間相關系數達到0.998 1, 均方根誤差為897 m3/s。而水位-流量法擬合公式計算結果的相關系數達到0.996 9, 均方根誤差為346m3/s。利用水位-流速-流量法擬合公式計算的結果相關系數達到0.999 2, 均方根誤差為271m3/s。
從統計指標可以看出, 將檢測樣本代入公式的計算結果, 水位-流速-流量法要比其余兩種方法的相關系數高, 均方根誤差也要小, 從整體上驗證了水位-流速-流量法能夠非常有效地提高流量計算精度。圖4是利用3種方法計算剩余樣本的流量, 可以明顯看出, 3種方法均可基本算出流量的大小, 其中水位-流速-流量法更加接近真實流量。圖5 (a) 中展示了利用檢測樣本點驗證3種方法結果的相對誤差, 根據流量大小對不同方法計算結果的影響, 可以看出當流量偏大時, 中泓一點法的相對誤差相對較大, 最大達到20%左右;當流量較小時, 水位-流量法計算結果的相對誤差較大, 最大達到90%。而水位-流速-流量法在這兩種情況下都能夠保持相對穩定。在圖5 (b) 絕對誤差中也可以得出同樣的結論, 中泓一點法和水位-流量法在流量較大較小時, 都存在相對較大的偏差, 水位-流速-流量法則能夠相對穩定的計算出流量的大小。
為了便于定量分析比較, 表3給出了流量驗證結果的數據與觀測流量和驗證結果的絕對誤差和相對誤差數據。
綜上所述, 利用檢測樣本點對上述的3種方法進行了驗證計算, 結果表明, 3種方法均能大致計算出流量的大小, 但是在大流量時, 中泓一點法存在一定誤差, 在小流量時水位-流量法存在較大誤差, 驗證了水位-流速-流量法能夠快速準確的計算出流量。
4 結語
河道流量的測量已超過百年的歷史, 高精度的流量數據是水文學研究、水資源管理重要的支撐。而如何簡單、實時并且經濟的獲得高精度的流量數據是一個難題。本文采用飛來峽水文站實測的河道斷面流速數據, 統計分析了不同觀測點數量, 不同方法對流量計算的影響。傳統的單點流速 (中泓一點) 測算流量與單水位 (水位流量關系) 測算流量方法都存在一定的缺陷, 將這兩個方法結合形成水位-流速-流量法, 利用此方法測算流量精度將有很大的提高, 并且這種方法在文中驗證了其可靠性, 能夠準確計算出流量值。
隨著流速測量技術的發展, 在河岸設置一固定自動測流速裝置已經可行。所以今后在長期觀測的水文站的河道斷面上, 在布設自動水位計的同時加裝一個自動流速計, 實時的觀測河道斷面的水位與一固定點的流速。通過水位-流速-流量法即可獲得實時的高精度的河道流量。
流量測量范文第5篇
1 電磁流量計介紹
電磁流量計是測速式流量計, 適用于具有導電性液體體積流量的測量。流量傳感器測量通道內壁涂有防腐層, 在測量通道內無任何固定或可動的節流部件, 對流體無壓力損失, 其輸出特性與被測液體的密度、黏度、流動狀態無關, 可用于測量有腐蝕性或帶有固體微粒的流體及漿狀物料。但是, 它不能測量氣體、蒸汽和非導電性液體。
2 電磁流量計的工作原理
磁力線方向運動時, 導體受磁場感應產生感應電勢E (即發電機工作原理) 。傳感器測量通道內的磁場是由安裝在測量通道外殼壁上的勵磁線圈在勵磁電流作用下產生的交變磁場。檢測元件為兩根電極棒, 分別安裝在傳感器殼體兩側的棒孔部位, 且兩極棒各有一端頭在傳感器通道內壁處, 與通道內流體保持良好的電氣接觸。
當導電流體經傳感器通道時, 導電流體流向垂直于磁力線方向, 流體流動時切割磁力線, 在導電流體中有感應電勢E產生, 感應電勢與流速之間的關系式為:E=KBVD
式中:E=KBD
式中:E—感應電勢, V;
K—系數;
B—交變矩形波磁感應強度, T;
D—傳感器通道的內徑, M;
—流體在通道內的平均流速, m/s由式可知, 感應電勢與流體的平均流速成正比關系, 所以說電磁流量計屬測速式流量計。流體所感應的電勢由兩支與液體接觸的電極檢出, 并傳送至轉換器, 由轉換器完成信號放大, 并轉換成標準的輸出信號輸送至顯示器和累計單元。
電磁流量計的特性與被測介質的物性和壓力、溫度無關, 電磁流量計經出廠前的校準后, 在測量導電性介質的流量時, 所測得的體積流量示值無需進行修正。
信號轉換器的輸出是以頻率輸出, 轉換器的轉換標準是:無論傳感器的口徑及測量范圍, 其輸出為標準頻率, 即1m/s流速轉換為1000脈沖/s, 當被測液體流速為2.304m/s時, 其輸出頻率為2.304k Hz (1) 。
3 本項目電磁流量計 (IMT25) 機構及使用方法的介紹
電磁流量計是由流量傳感器和轉換器 (也叫顯示器) 兩大部分組成。測量管上下裝有激磁線圈, 通激磁電流后產生磁場穿過測量管, 一對電極裝在測量管內壁與液體相接觸, 引出感應電勢, 送到轉換器。激磁電流則由轉換器提供。如圖2所示;
3.1 撥動開關設置
在改變IMT25的開關設定之前必須切斷其電源。對于采用內部電源的情況 (回路由變送器自身供電) , 按下圖3中顯示為黑色的那些開關的低端。對于外部電源 (回路電源在變送器的外部) , 則按下圖3中顯示為白色的那些開關的低端。
3.2 寫保護開關
位于與變送器蓋板相連的接線用印刷線路板上的作為寫保護使用的DIP開關用來防止意外地改變變送器組態或使累加器復位。這一功能通常只在受到監控的物料輸送操作中使用, 或者用在因任何理由希望確保系統組態及累加值不被改變的場合中。因此, 這些開關通常被置于“不起用”的位置 (也是出廠前設定的缺省值) 。如果將開關轉到“起用”的位置, 便能起到上述的保護作用。
3.3 與數字式輸出電路的連接
變送器的數字輸出信號引線可以連接到I/A系列的系統中。輸出信號是加載在4~20毫安 (回路) 線上的。這個程序只涉及變送器與系統之間的接線?，F場接線的最大長度為600米 (2000英尺) 。信號的輸出功率是由FBM輸入模塊提供的。
導管走向向下避免水分積聚在接線盒中。任何不用的導管開口都應加以悶塞。
HART通信裝置或裝載在PC機上的組態器可以連接在變送器現場接線端到外部負載之間的任何位置, 或連接到另外配供的I/O孔口上。如圖3所示;
4 電磁流量計的安裝要求
(1) 傳感器的使用條件時流經測量通道內的液體必須處在充滿狀況, 傳感器安裝位置應優選在垂直管道上, 且垂直管道內液體必須是自下而上流動, 傳感器不可安裝在工藝管路最高水平管段上, 管段最高處易聚集氣體, 在水平或傾斜的工藝管路上安裝, 傳感器上游側直管段不可小于5D, 下游直管段不小于2D。傳感器安裝位置應遠離強磁場, 安裝位置附近應無動力設備或磁力啟動器等。
(2) 傳感器與工藝管道之間采用法蘭連接, 緊固螺栓時不可擰得過緊, 否則會損壞傳感器法蘭口聚四氟乙烯涂層。建議用力矩扳手緊固螺母, 其最大力矩參照表。水平或傾斜工藝管道上安裝。其兩支檢測電極應處于水平位置, 不允許處在工藝管道的正上方或正下方的位置, 口徑大于300mm的傳感器應專設支架支撐。
(3) 傳感器對外界電磁干擾比較敏感, 為了消除電磁干擾和使用安全, 應將傳感器外殼、被測介質和工藝管道三者連成等電位, 并要求獨立接地, 接地電阻小于10Ω。因外界存在的電磁場感應電流、絕緣故障漏電流和危險區域采用的電位平衡器所產生的電位平衡電流會沿著金屬管道和工藝介質流動, 這些電流在傳感器的電極上會產生干擾電壓, 其電壓等級遠超過電極所測得的感應電勢, 因此, 要求將傳感器外殼、被測介質和工藝管道三者必須連成等電位, 并接地, 以消除外界干擾。
(4) 電磁流量計供貨通常根據工藝管道材質配置接地環, 接地環材質為耐腐蝕不繡鋼, 接地環長約30mm的圓管管頸。工藝管道為了防腐常采用塑料管或在金屬管道內涂絕緣防腐漆或襯里, 而電磁流量計常常應用在防腐蝕較強的場合。對于絕緣材質管道或管道內涂絕緣層的管道, 僅用接地線將法蘭連接起來的辦法是不可能實現等電位接地的, 應采取特殊措施, 在傳感器兩端法蘭口處各裝一只接地環, 把接地環圓管頸插入法蘭口內, 使接地環與管內液體有良好的電氣接觸, 再用接地線將法蘭與接地環連接起來。接地連接線應選用16mm2多股銅芯線。
(5) 信號轉換器安裝位置應盡可能靠近傳感器安裝, 有利于減小外部電磁干擾對信號傳輸線的影響和信號強度的損失。通常使用制造廠提供的5m長度的屏蔽信號電纜將轉換器與傳感器連接起來。廠家提供的屏蔽信號電纜有兩種型號, 一種為單層屏蔽信號電纜。另一種為三層屏蔽信號電纜。兩種型號電纜的接地方式是有區別的, 應根據道貨的電纜決定屏蔽接地方式。
(6) 如果信號電纜為單層屏蔽, 要求外屏蔽層為一端接地, 接地端接于傳感器端子1, 三芯電纜中的兩根線為信號線, 分別接于2、3端子, 另一根芯線作為內屏蔽線, 內屏蔽應兩端接地, 屏蔽線的兩端應分別接在傳感器和轉換器的1端子上, 如圖所示。如果到貨電纜為三層屏蔽信號電纜, 則按圖 (b) 所示接線, 最外層屏蔽層 (鐵質) 為一端接地, 接于傳感器1端子, 第二層為內屏蔽層 (銅質) , 屏蔽層兩端分別接于傳感器和轉換器的1端子, 兩根芯線屏蔽層為一端接地, 分別接于轉換器20、30端子。
(7) 另外, 在轉換器于傳感器之間還有一根供電電纜, 是轉換器給傳感器激勵線圈提供交變脈動電流用的專用電纜。為避免直流磁場對導電液體產生極化現象, 給測量精確度帶來影響, 電磁流量計通常采用交變電流勵磁, 產生交變磁場。
5 結束語
化工裝置的計量體系需要準確的流量計, 以保證各種溶液的配比平衡以及后工序安全穩定運行。電磁流量計的變送器結構簡單, 沒有可動部件, 也沒有任何阻礙流體流動的節流部件, 所以當流體通過時不會引起任何附加的壓力損失, 同時它不會引起諸如磨損, 堵塞等問題, 特別適用于測量帶有固體顆粒的礦漿, 污水等液固兩相流體, 以及各種粘性較大的漿液等.同樣, 由于它結構上無運動部件, 故可通過附上耐腐蝕絕緣襯里和選擇耐腐材料制成電極, 起到很好的耐腐蝕性能, 使之可用于各種腐蝕性介質的測量中。因此電磁流量計對于熱鉀堿溶液流量的測量來說是一種比較理想的計量儀表, 可以在化工以及其它行業中廣泛推廣。
參考文獻
[1]IMT25電磁流量計維護手冊, 上海:上海?？怂共_有限公司.2009
[2]蔡仁鋼, 電磁兼容原理, 設計和預測技術, 北京:北京航空航天出版社, 1987
[3]李軍, 賀慶之, 檢測技術與儀表, 輕工業出版社, 1989
流量測量范文第6篇
在電控發動機正常運轉時,發動機E C U根據空氣流量計測得的空氣質量信號,計算出與之相適應的基本噴油量,再綜合冷卻水溫、曲軸轉速、節氣門位置、氧傳感器等信號進行噴油量修正,達到精確控制空燃比的目的?，F在多數汽車使用熱式空氣流量計,很多技術人員是對熱式空氣流量計的檢測及數據流分析較熟悉,但對它的具體工作原理及實際組成電路認識模糊,一知半解。本文著重分析熱式空氣流量測量電路并進行實車檢測。
2 質量空氣流量計測量原理
設電源U負極接地端電位為0,a點電位即為電阻R2兩端的電壓,b點電位即為電阻R4兩端的電壓,由歐姆定律得:
要使a、b兩點電位相等須有對角電阻乘積相等。式(3)就為惠斯頓電橋平衡公式。由式(3)可知任一電阻發生變化都將會打破電橋平衡狀態,a、b兩點間產生電位差,即圖1中的電壓表將有讀數。
熱式空氣流量計的測量電路正是基于上述電橋原理,假設熱式電阻R1置于發動機進氣道中時,當有氣流吹過,R1熱量被帶走,R1溫度下降,設計時R1采用正溫度系數電阻(PTC),所以R1電阻值也隨之下降,由式(3)可知此時電橋平衡破壞,要使電橋恢復平衡,需要加大電流,提高R1的溫度,使R1阻值上升,以達到新的平衡。此時電流作用在與R1同一支路的R2上,電流增大引起R2兩端的電壓升高,即Ua升高。R2兩端的電壓Ua為熱式空氣計的輸出信號。這種以保證熱式電阻阻值恒定(即熱式電阻溫度與環境溫度之差一定)的控制方法稱為恒溫反饋控制[2]。
由上述分析可知,當空氣流量變化引起電橋平衡破壞時,電橋要重新平衡,需要調整電流,控制R1的溫度.以達到新的平衡。眾多汽車電路資料都沒有說明電橋平衡破壞的檢測電路及控制熱式電阻電流增減的反饋電路。讓眾多技術人員一知半解,原理含糊不清。
3 空氣流量計實際測量電路分析
圖2為恒溫反饋控制空氣流量計詳細電路圖。注意到空氣流量計12V電源并不是直接加到電橋上的,這是很多技術人員及參考資料的一個誤區。若電源直接加到電橋兩端,那么將無法控制通過熱式電阻的電流,電橋平衡破壞后將無法再次平衡。
具體測量電路由以下幾部分組成[4]:
3.1 電橋電路
如圖2中部方框所示,將圖1中R1變成實際測量用的熱絲電阻Rh,這樣便組成空氣流量計中實際使用的電橋電路。
3.2 反饋控制電路
當空氣吹過熱絲Rh引起阻值改變時,電橋失衡。放大器A2用來檢測a、b兩點電位差。A2、A1、Q1組成整個電流反饋控制電路。即當檢測到Uab時,反饋控制電路隨時增加或減小通過熱線的電流,使電橋恢復平衡。如圖2中左框所示。
3.3 信號輸出電路
如圖2中右框所示。取熱線同一支路的電阻R4兩端的電壓為輸出信號。當通過Rh和R4電流變化時,R4兩端的電壓也隨之變化,取為流量輸出電壓信號。
3.4 空氣流量計的溫度補償
注意到熱線電阻是正溫度系數的溫敏電阻,當空氣溫度變化時其阻值也會變化,將導致無空氣吹過時電橋也會隨氣溫本身變化失去平衡,造成測量誤差。若在熱線相對的橋臂上接入相同正溫度系數的電阻RC,當氣溫變化時,a、b兩點的電壓同增同減,兩點電位差將保持Uab不變。由RC、R1、Ro組成溫度補償橋臂。
4 空氣流量計的實車檢測
以一汽豐田COROLLA轎車為例進行實車檢測。圖3為C O R O L L A空氣流量計端子圖,該有源流量計有5個端子,同時集成進氣溫度傳感器T H A端子?？諝饬髁坑嫗槿毡綝 E N S O生產,安裝位置如圖4所示。
使用BOSCH-FSA 740發動機測試系統,該系統擁有先進的M T M發動機分析能力。檢測時用合適的跨接線分別接入V G和E 2 G兩端子中取空氣流量信號。
使用軟件示波器功能測得C O R O L L A轎車怠速850r/min時,流量信號為1.34V,如圖5中所示。
踩下加速踏板,轉速為4000 r/min時,流量信號為2.3V。如圖6所示。
5 結束語
本文詳細分析熱式空氣流量計的具體工作原理,首先介紹了惠斯頓電橋的工作原理以及在熱式空氣流量計上的應用,重點分析了熱式空氣流量計的實際測量電路,同時對溫度補償問題進行了適當說明,最后介紹了CORALLA轎車的空氣流量計,利用BOSCH-FSA740發動機性能分析儀對其進行檢測,得出了不同轉速下的輸出信號電壓。熱式空氣流量計的測量電路可為技術人員提供有益的參考,走出電路分析誤區。
參考文獻
[1]呂崇德.熱工參數測量與處理.第2版[M].北京:清華大學出版社.2001.
[2]朱良,譚德榮等.熱線式空氣流量計的測量技術.山東理工大學學報[J].2006,20(3):82-83.
[3]龐佳涵,花向陽等.熱線式空氣流量計的研究.節能[J].2003,(7):10-11.