流量非接触测量方法

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1997.05.001 第19卷第5期 北京科技大学学报 Vol.19 No.5 1997年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1997 流量非接触测量方法 祝海林邹景高澜庆 张文明 北京科技大学资源工程学院，北京100083 摘要提出了一种流量非接触式测量的新方法，即用管外加热套对被测管段加热，因管内流体的 流动使其上下游产生温度差，由铂膜电阻将此温差转换成电阻差，从而实现了利用不平衡电桥测 量管内流体速度及流量的新构想， 关键词流量，非接触式测量，热传递，电桥 中图分类号THI37,TK31 在工业生产和科学实验中，为了控制工艺流程中各种物质的配比，监视管路输料系统的 运行情况及进行油、气、水等能源的计量与经济核算，需要经常了解和掌握管道内流体的流 量.传统的流量测量方法是通过被测流体直接接触的检测元件（如涡轮流量计的涡轮等）来直 接感知流量信号，故称为“接触式”流量计.目前这类流量计已经发展得相当成熟.但植入流体 中检测元件会扰乱原流场而影响测量精度，还造成压力损失，而且流动介质对检测元件有冲 击、磨蚀作用而降低仪表寿命；安装拆卸还会损伤管接头，并容易使流体介质受到污染；且因 流量计的位置固定，只能实现定点测量所以通过管外安装的检测元件来测管内流量的“非接 触式”测量方法，备受人们的重视近些年发展较快的是基于超声学原理的管外夹装式超声波 流量计.但超声波流量计的测量线路复杂，目前都是国外进口，价格昂贵，难以普及.为此，本文 提出一种基于热学原理的管道流量非接触式的简易方法， 1基本原理 在金属管道的外壁上卡套1个电加热环，通 加热环 过金属管壁对被测流体加热，由加热环上下游对 称布置的2个温度传感器来反映管壁的温度.根 据流动的流体与固体管壁之间的简易实验装置， 温度 温度 通过测量因流体流动造成的加热环上下游对称点 传感器 温 差 传感器 上管壁温度的变化，来求取流速与流量.该测试方 法的硬件组成如图1所示 桥 表面温度传感器选用的铂膜电阻，它是利用 铂电阻随温度升高而增加的原理来测温的.铂热 电压变化 电阻具有很高的理化稳定性与示值复现性，电阻 图1实验方案简图 1996-12-11收稿第一作者男3引岁博士 *国家“八五”攻关项目

第 1 9卷 第 5期 1 9 9 7年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n i v e r s i ty o f Sc i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g V o l . 1 9 N o . 5 《k t . 1 99 7 流量非接触测量方法 ’ 祝海林 邹 景 高澜庆 张 文 明 北京科技大学资源 工 程学院 , 北京 10 0 0 83 摘要 提出了 一种 流量 非接 触式 测量 的新方 法 , 即用 管外加 热套对被测管段加热 , 因 管 内流体 的 流动使其 上下游产 生温度差 , 由铂膜电阻将此温差转换成 电阻差 , 从而 实现 了利 用 不平衡电桥测 量管 内流体速度及流量 的新构想 . 关健词 流量 , 非接触式测量 , 热传递 , 电桥 中圈分类号 T H 1 37 , T K3 1 在 工 业生 产 和科学 实验 中 , 为 了 控制 工 艺流 程 中各 种 物质 的 配 比 , 监 视 管路 输料 系统 的 运 行 情况 及进 行 油 、 气 、 水等能 源 的计量 与经 济 核算 , 需要 经 常 了解 和 掌 握 管道 内流 体的 流 量 . 传统 的流 量测 量方法是 通过 被测流 体直 接接 触 的检测 元件 ( 如 涡 轮流 量计的涡 轮等 )来 直 接感知流 量信号 , 故 称 为 “ 接触 式 ” 流 量计 . 目前这 类 流量计 已 经发 展得相 当成 熟 . 但 植人 流 体 中检测元 件 会扰 乱原 流场而影 响测 量精 度 , 还 造 成压 力损 失 , 而 且流 动介 质 对检测 元件 有 冲 击 、 磨 蚀作 用而 降低仪 表 寿命 ; 安 装拆 卸 还会 损伤管接 头 , 并 容易 使 流体介 质 受到 污染 ; 且 因 流量 计的位置 固定 , 只能 实现定 点测 量 . 所 以 通过 管外 安装 的检 测 元件 来测 管 内流 量 的 “ 非 接 触式 ” 测 量方 法 , 备受人们的重视 . 近些 年发展 较快 的是 基 于超 声学 原理 的 管外 夹装式超 声 波 流量计 . 但超 声波流 量计 的测量线 路复 杂 , 目前 都是 国外 进 口 , 价格 昂贵 , 难 以 普 及 . 为此 , 本 文 提 出一种 基于 热学原理 的管道 流量非 接触式 的简易 方法 . 1 基本原理 在 金属 管 道 的外 壁 上 卡套 1 个 电加 热环 , 通 过 金属 管壁对被 测流 体加 热 , 由加 热环 上 下 游对 称 布置 的 2 个温 度 传感 器 来反 映管 壁 的温 度 . 根 据 流动的 流体与 固体管壁 之 间的 简易 实验 装置 , 通过 测量 因流体流动 造成 的加热 环上下 游对称点 上管 壁温 度 的变化 , 来 求取 流 速与 流量 . 该 测 试方 法的硬 件组成 如 图 1 所示 . 表 面 温度 传感 器 选 用 的铂 膜 电阻 , 它 是利 用 铂 电阻 随 温度 升高而 增 加 的 原理 来 测 温 的 . 铂热 电阻具有 很 高的理 化 稳定 性 与示 值复 现性 , 电 阻 19 9 6 一 12 一 1 收稿 第一作者 男 31 岁 博士 * 国 家 “ 八五 ’ 攻关项 目 温度 传感器 温 差 温 度 传感器 电 桥 电 压 变 化 图1 实验方案简 图 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 05. 001

·422· 北京科技大学学报 1997年第5期 率较大，精度和灵敏度较高，且不需要如热电偶那样进行参比端补偿等.铂膜热电阻属于新型 感温元件，它的外形与电阻应变片相似，可直接粘在测管段外壁表面上，热响应快：可在较大 的测量范围内，准确地将表面温度转变为电阻的线性输出.管壁温度差由铂膜电阻变换为电 阻差，再通过电桥，将电阻的变化转变为电压的变化 显然，当管道内无流体或虽有流体但流体为静止状态时，加热环两侧的管壁温度分布是 对称的.2个热电阻因为相对加热环位置对称，处在同一等温线上，因而它们的电阻值相等， 所以电桥处于平衡状态，无电压输出；当管内流体流动时，破坏了加热环的温度场，由于流体 的流动带走热量，使加热环的上游侧的管壁温度降低，下游侧的管壁温度升高，2个热电阻的 电阻值不再相等，从而引起电桥的不平衡，电桥的输出电压将发生变化，电压变化的大小和快 慢决定于下列因素：①流体的速度；②流体的物理性质（密度，粘度，比热，导热系数）：③管道的 物理性质与几何尺寸；④加热环的尺寸及加热功率；⑤温度传感器的位置.一般地，后4项是可 以预先确定的，从而就可以在电桥输出电压与流体速度之间建立起一个对应关系，即通过测 量电桥输出电压来确定流体的速度与流量. 为了寻求流体速度与电桥输出电压之间的关系，在加热功率一定的条件下，运用相似原 理与因次分析方法，推导出实验方案中各参数之间所蕴含的函数关系式为： D (1) 式中，U一电桥输出电压；E一供桥电源电压；D,一两铂电阻之间的距离；d一管道内径；Re一 雷诺数，化=出，P,一分别为流体的速度，密度与动力粘度：一普朗特数，=些， 一流体的比热与导热系数按此关系式的内容开展实验，整理实验数据，就能得到反映现象变 化规律的函数关系， 2实验与数据处理 实验以水为被测介质，管道材料为A3管子，内径d=15.5mm,管壁厚度为2.95mm,温 度传感器采用Pt100铂膜电阻.两热电阻之间的距离D,=110~220mm,水流速度v在 10.15~155.87cm/s之间变化. 在实验室条件下，对不同的铂电阻间距，利用前面所提出的方法，测定了不同流速下的电 桥输出电压值考虑到在水温不变的情况下（本实验所测介质为非循环水，可保持水温恒定）， 水的普朗特数是一个常数（实验时水温为16℃，所以Pr=8.04).故可将式(1）表示为： (2) 将实验所得数据描绘在双对数坐标系上，发现因变量与自变量之间具有线性特性，因而 可以把式(2)整理成如下形式： 名=A( (3) 其中A,m,n为需由实验数据确定的常量

. 4 2 . 1 5 7 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 9 9 率较 大 , 精 度和 灵敏 度 较高 , 且不 需 要如 热 电偶那 样进 行 参比端补 偿等 . 铂膜 热 电阻 属于新 型 感温 元件 , 它 的外 形 与 电 阻应 变 片相 似 , 可 直接 粘 在测 管 段外 壁 表 面 上 , 热 响应快 ;可 在较 大 的测 量范 围 内 , 准确 地 将 表 面温 度转 变 为 电阻 的线 性 输 出 . 管 壁温 度 差 由铂膜 电 阻变换 为 电 阻差 , 再 通过 电桥 , 将 电阻 的变 化转 变为 电压 的变化 . 显然 , 当管 道 内无 流体 或 虽有 流体但 流体为静 止状 态 时 , 加热 环 两侧的管 壁温 度分 布是 对称 的 . 2 个 热 电阻 因为 相 对加 热环 位置 对称 , 处在 同 一等温 线上 , 因而 它们 的电阻 值相 等 , 所 以 电桥 处 于 平衡 状 态 , 无 电压 输出; 当管 内流 体流 动 时 , 破 坏 了加 热 环 的温 度 场 , 由于流 体 的流 动带 走热 量 , 使 加 热 环的 上游 侧 的管壁 温度 降低 , 下 游侧 的管壁 温 度 升高 , 2 个 热 电阻 的 电阻值 不 再相 等 , 从而 引起 电桥 的不平衡 , 电桥 的输 出 电压将发生变 化 . 电压变 化的大 小和 快 慢 决 定于 下 列 因素 :① 流体的 速度 ;②流 体的物 理性 质 ( 密度 , 粘 度 , 比 热 , 导热 系数;) ③管道 的 物理 性质 与几 何 尺寸 ; ④加热 环 的尺寸 及 加热 功率 ; ⑤温 度传 感 器 的位置 一般地 , 后 4 项是 可 以 预 先确 定 的 , 从而 就 可 以 在 电桥 输出 电压 与流 体速度 之 间建 立起 一个 对应 关 系 , 即通过 测 量 电桥输 出 电压来确定 流体的速度 与流量 . 为了 寻求 流体速 度 与 电桥输 出 电压之 间 的关 系 , 在 加 热功 率一 定 的条件 下 , 运用 相似 原 理 与 因次 分析 方法 , 推 导 出实 验方 案 中各 参数 之 间所 蕴含 的 函 数关 系式为 : 旦 _ 厂忍 , 、 , rP 、 E ` 、 “ ( 1) 式 中 , u 一电桥输 出 电压 ; E 一供桥 电源 电压 ; D s一 两铂 电阻之 间 的距离 ; d 一管 道 内径 ; R 。 一 币 : , , n _ v中 _ _ _ 二 。 。 , 、 浦 、 品 , , , , 七 , 、 , 卜 , . 。 , . _ 、 白。 、 , D _ _ 巡 _ , 雷诺数 , 伦 = 二牛 , v , p , “ 一分 别 为流体的速度 , 密度 与动力 粘度 ; rP 一普 朗特数 , rP 一 牛 , 。 , 又 ~ 一 ” ~ 一 ’ 一 尸 ` ” 厂 ’ 厂 一 ’ 一 ’ - 一 ’ 一 ” 一 ’ 一 ’ 一 ’ 一 ’ - - - - 一 ” ” - - - - 一 一 - 一 又 一流 体的 比热 与 导热 系数 . 按此 关 系式 的 内容 开 展实 验 , 整理 实验 数 据 , 就 能得 到反 映现 象 变 化规律 的 函 数关 系 . 2 实验与数据处理 实验 以 水 为被测 介 质 , 管 道 材料 为 A 3 管 子 , 内径 d 二 巧 . 5 m m , 管 壁厚 度 为 .2 95 ~ , 温 度 传 感 器 采 用 R 10 0 铂 膜 电 阻 . 两 热 电 阻 之 间 的 距 离 D 、 = 1 10 一 2 20 m m , 水 流 速 度 、 在 10 . 15 ~ 15 5 . 8 7 c ln/ s 之 间变 化 . 在 实验 室条件 下 , 对不 同 的铂 电阻 间距 , 利 用前面所 提 出的方 法 , 测 定 了不 同流速下 的 电 桥 输 出电压 值 . 考虑 到在 水 温不 变的情 况 下 ( 本实 验所 测介 质 为非循 环水 , 可保持水 温恒 定 ) , 水的普朗特 数是 一个 常数 ( 实 验时水温 为 16 ℃ , 所 以 rP = 8 . 0 4) . 故 可将式 (l )表 示 为 : 旦_ 沂(华 , 动 E “ “ 口 (2 ) 将实验 所得 数 据描 绘 在双 对数 坐 标系 上 , 发现 因变量 与 自变 量之 间具 有 线性 特 性 , 因而 可 以 把式 ( 2) 整理 成 如下形 式 : 旦 _ , 、 。 E ` 、鲜a / (3 ) 其中 A , m , n 为需 由实验 数据 确定 的常量

Vol.19 No.5 祝海林等：流量非接触测量方法 ·423· 首先对于某一D,/d(D,铂热电阻间距，d一管子内径)，将实验所得U/E及e数据在双 对数坐标系上进行一元回归（如图2所示），从图中可以看到，对每一D,/d而言，U/E都是 随着的增大而减少，即电桥输出电压随流速增大而降低；不同D,/d下所得的U/E一 回归直线基本上具有相同的变化规律.取指数的平均值，并对截距作相应校正，得校正后 的直线方程，见表1 然后，再对(U/)/-14s54与D,/d进行回归，得出包含D,/d对电桥输出电压影响 的统一关系式（总式）为：U1E=52069.9Re16(D,/024 为了直观表达，将实验结果用(U/)/(D,/山~2“对R肥在双对数坐标系上作图见图3， 回归直线的相关系数为078，根据样本数84和变量数2，由相关系数检验表可查出)，当置信 度为99%时的相关系数应为0.283.本文回归相关系数0.78>0.283.所以可以高于99%的置 信度得到结论：回归效果高度显著.当参数E,d,p,4,D,一定时，电桥输出电压U与流速v之间 具有下述关系： U=Ky-1468 (4) 其中，K=52069.9Eμ1p)62D,24. 因此根据电桥输出电压可以求出管内流速及流量. 10-3 10 8 0 30 色 1DJd=7.0968 2D/d=7.7419 3D/d=9.0323 10-2 10 10 103 104 Re Re 图2 不同D,/d下U/E与e数的关系 图3各种D,/d下，(U/E/(D,/d④o4与e数的关系 表1不同D,/d下U/E对Re回归方程 D,/d 回归直线方程 校正后的方程 7.0968 U1E=-271.825Re45745 U/E=266.83Re54 7.7419 U/E=26l.314Re4w31 U1E=204.75Re4554 9.0323 U/E=-109.285Re'455 U/E=143.11Re551 3 结论 (1)在实验基础上提出的根据管壁温差测量管内流速与流量的方法，对管道无任何破坏

V lo . 19 No . 5 祝海林等 :流量 非接触测量方法 · 4 23 · 首 先对于某 一 D 、 / d( D s铂 热 电阻 间距 , d 一管 子 内径 ), 将 实验所 得 U / E 及 伦 数据在 双 对数坐标 系上进 行一元 回 归 ( 如 图 2 所示 ) , 从图 中可 以 看到 , 对每 一 D 、 / d 而 言 , u / E 都 是 随着 及 的增 大而减 少 , 即 电桥输 出 电压 随流 速增大 而 降低 ; 不 同 D 、 / d 下所得 的 u / E 一及 回归 直线 基 本上 具有 相 同 的变 化规律 . 取 掩 指数 的平 均值 , 并 对截 距 作相 应 校正 , 得 校正 后 的直 线方程 , 见 表 1 . 然后 , 再 对 ( u / 习 / 疮 一 ’ 45 4与 D 、 / d 进行 回 归 , 得 出包 含 D 、 / d 对电桥输 出电压影 响 的 统一关 系式 ( 总 式)为 : U / E 一 5 2 0 69 .9 死 一 ’ 46 s( D s / 内 一 ’ 64 为 了直观表达 , 将实验 结果 用 ( u / 习 / ( D , / 刃 一 2 , 对 掩 在 双对数 坐标 系 上作 图见 图 3 , 回 归直线 的相 关系 数为 0 . 78 , 根据样 本数 84 和变量 数 2 , 由相 关系数检 验 表可查 出l5] , 当置 信 度为 9 % 时的相 关系 数应 为 仓2 8 3 . 本 文 回归相关 系数 0 . 78 > > 0 . 2 83 . 所 以 可 以 高于 9 % 的置 信度 得到 结论 : 回 归 效果 高度显 著 . 当参数 E , d , p , 尸 , sD 一定 时 , 电桥输 出 电压 U 与流 速 v 之 间 具 有 下述 关系 : v = 柳 一 ’ 月 6“ ( 4 ) 其中 , K = 5 2 0 6 9 . 9旦户 / 户) ’ ` 6 8 d , ’ 7 , 。 s 一 ’ 6` . 因此根 据 电桥输 出 电压 可 以 求 出管 内流速及 流量 . 落甲飞(荟z曰乙à)/ 10 一 3 里 闷 D s d/ D , d/ 二 9 . 0 3 2 3 D dJ = 7乃9 6 8 1 0 一 4匕 1 0 3 图2 1 0 4 凡 不 同从d/ 下 u/ E 与伦数的关系 10 一 2 1一一 一一一一一一一一一一曰曰以一一一一一` 习 1 0 3 1 0 4 掩 图 3 各 种sD / d 下 , ( u / 习(/ 从 /力 一 劲礴与掩数的关 系 表 1 不 同sD / d 下 U / E 对 R e 回归方程 sD / d 7 . 0 9 6 8 7 . 7 4 1 9 9 . 0 3 2 3 回归直线方程 校正后 的方程 U / E = 2 7 1 . 8 2 5 R e 1 4 5 7 4 5 U / E = 2 6 1 . 3 14 R e , 4 8 3 ’ U / E = 10 9 2 8 5 R e l 4 25 7` U / E = 2 6 6 . 8 3 R e l 4 5 5 4 U / E = 2 0 4 . 7 5 R e , 4 5 5礴 U / E = 1 4 3 . 1 1 R e , 4 55 4 3 结论 l( )在 实验 基 础上 提 出 的根 据 管壁 温差 测 量 管内流 速 与流 量 的方 法 , 对管道 无任 何破 坏

·424· 北京科技大学学报 1997年第5期 作用，由于不需对全部介质加热，所以响应较快（约40$）.该实验方案的原理及结构简单，操 作方便，造价低廉.整个测量电路除了两片铂膜热电阻外，其余部分都可借用现有仪表，也可 将其都做在一集成块上，这样，使用起来就便利了 (2)虽是以水为介质进行的实验，但其测试对象可以推广到任何单相液体及液/固两相 流，且对液流的脏污度不敏感，只要管道材料具有良好的热导性，皆可用此法来测流速与流 量本方法测量对象同时包括非导电性液体、零流量、小流量及正反双向流量的液体和非满管 液流 参考文献 I Laub J H The Boundary-layer Mass Flowmeter.Instrumemts Control Systems,1961,34(4):642 2 Benson J M.Thermal Mass Flowmeter.Idem,1970,43(2):85 3 Harrison A.A Non-invasive Flow Monitor for Metal Pipelines.J Phys E:Sci Instrum,1981,14(11): 1266 4 Coulthard J.Non-restrictive Measurement of Solids Mass Flowrate in Pneumatic Conveying Systems. Measurement Control,1991,24(4):113 5陈北能.试验分析与设计.上海：上海交通大学出版社，1991 A New Non-invasive Flow Measuring Method Zhu Hailin Zou Min Gao Langing Zhan Wenming Resources Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT A new method for non-invasive flow measurement is described,To heat the pipe by a clamp-on heater,the temperature difference upstream and downstream caused by flowing fluid is changed into the resistance via Pt-film resistances.Then,the flowrate can be measured using a non-balancing bridge. KEY WORDS flowrate,non-invasive measurement,heat transfer,bridge

· 4 2 4 · 北 京 科 技 大 学 学 报 19 9 7年 第 5期 作用 , 由于不 需 对全 部 介 质加 热 , 所 以 响 应较 快 ( 约 40 5) . 该 实验 方 案 的原 理及 结 构简 单 , 操 作 方便 , 造 价 低廉 . 整 个测量 电路 除 了 两 片 铂膜 热 电阻 外 , 其余 部 分都 可 借用 现有 仪 表 , 也 可 将 其都 做在 一集成块 上 , 这 样 , 使用起 来就 便利 了 . ( 2) 虽是 以水为 介质进 行 的 实验 , 但 其测 试对象 可 以 推广 到 任何单相 液 体 及液 / 固两 相 流 , 且 对 液 流 的脏 污 度 不敏 感 , 只 要 管道 材 料 具有 良好 的热 导性 , 皆可 用 此 法来 测 流 速 与流 量 . 本 方 法测 量 对象 同 时包括 非 导 电性 液体 、 零 流量 、 小 流量 及 正反 双 向流量 的 液体 和非 满管 液 流 . 参 考 文 献 L 山 b J H Tb e B o u n d a yr 一 l a y e r M as s lF ow me et r . I n s tr u nt e m st & C on otr l S y s et m s , 1 9 6 1 , 3 4 ( 4 ) : 6 4 2 B e ns on J M . T h e rm al M as s lF ow me te .r deI m , 1 9 7 0 , 43 ( 2 ) : 85 H出云 s o n A . A No -n i n v as i v e lF ow M o in ot r fo r M七回 巧 pe li n e s . J P h y s E : S e i I n s tr u m , 1 9 8 1 , 14 ( 1 1 ) : 1 2 6 6 C o u lht a记 J . N b n 一 re s itr e it v e M e as 眠m e n t o f S o lids M as s lF ow ar t e i n P n e um iat e C o n v e y i n g S y s te m s . M e as ure me n t & C on otr l , 1 9 9 1 , 2 4 ( 4 ) : 1 1 3 陈北能 . 试验分析与 设计 . 上 海:上 海交通大学 出版社 , 1 9 91 A N e w N o n 一 i n v a s i v e F l o w M e a s u r i n g M e t h o d 及 u I aI i l’ln 西 u 几五n G a o 助 n q i n g 助 a n We n m in g eR s o u cr e s E n g i n e e ir n g S e h o l , U S T B e ij i gn , B e ij i飞 10 0 0 8 3 , C h i n a A B S T R A C T A n e w m e ht de of r n o n 一 i n v as i v e fl o w m e as u re m e n t 1 5 d e s e ir be d , T o h e at ht e Piep b y a e l am -P o n h e a et r , ht e et m pe ar ut er d i fe er n e e uP s t er am an d d o w n s etr am e aus e d b y fl o w i n g fl u i d 1 5 c h a n g e d i n ot ht e er s i s at n e e v i a P -t if lm er s i s ant c e s . T七e n , ht e fl o w ar et e a n be m e as u er d u s i n g a n o n 一 b a l a n c i n g b ir d g e . K E Y W O R D S fl o w ar et , n o n 一 i n v as i v e m e as u er m e n t , h e a t t ar n s fe r , b ir d g e