测定流体特性的方法和装置 【技术领域】
本发明涉及一种测定一管道内流体特性的方法和装置，更具体地说，涉及一种先在管道内调整、稳定和均匀流体，而后再测量该流体的一个或多个特性和/或从稳定且均化的流体中采样的方法和装置。
【发明背景】
本发明是针对在检验带水泵的消防装置和消防栓的出水能力时遇到的问题而构思的。政府需要对带水泵的消防装置进行定期的鉴定，以确保其符合国家的条例和规定以及单位响应紧急情况的能力。对于保险来说，消防栓的出水量也同样需要鉴定。这些鉴定工作需要非常精确地测定水的流量，通常其精度在一个百分点之内。
为了精确测定流经一管道的流量，最好要有一个具有最大平均流动直径地基本上平的速度分布面或断面，也就是达到或接近管道的内径的直径。当速度分布面成为凹面或凸面时，平均液流直径就减小，这样，由于流过管道横截面的流体不均匀而给精确测量流体的流量带来困难。
如果一个非均匀的流动分布面对称于管道的轴线的话，就可以用一个转子式的、旋转轴线和管道轴线共轴的流体流量测量计来测定流量，这是因为转子的转毂阻碍了流体流动的中心，有助于在转子的叶片之间，也就是转子的转毂和管道的内壁间的环形空间内建立一个较为均匀的流动状况。
然而，如果流体流动面并非轴向对称和/或中心流体畸变的话，螺旋桨式或涡轮式的流量计就无法用来精确地测量。此外，螺旋桨的转毂而造成的流动路径横截面面积的减少会导致边界处发生回流，从而使平均流动直径变得不稳定和高度的畸变，使得流速测量非常困难。
如果流体是涡旋式的，也就是以一螺旋式的路径流经管道，情况就更坏。在涡旋情况下，流体的流动是畸变的，平均流动直径大大减小，而且远离管道的轴线，使得流量的测量非常不准确。
所有这些问题在对消防器材进行检验和鉴定时都能遇到。从消防栓或带水泵的消防装置中流出的水通常是具有高度畸变的，而且具有一个大的涡旋因素。类似地，消防水龙管的弯曲也会使水流畸变和使水流产生涡流，即，根据水的流径的同不弯曲方向而产生左旋或右旋的涡流。因而，出水能力和流速测定需要非常复杂的装备，费时而且代价昂贵。人们需要更为可靠、准确而且花费不大的鉴定系统。
转子式旋转型流量计在流体测量业方面备受推崇，它提供了一个可靠而且非常经济的流体的测量系统。如果它们可以用于需要较高精度以及可靠性的管道检验和鉴定的工作中，尤其是在碰到诸如上面所述的那些较复杂的流动状况时，那转子式流量计就更好了。
本发明人先前曾研制出多种转子式或螺旋桨式的旋转型流量计，它们由位于加利福尼亚赫米特的凯特马股份有限公司的麦克米克罗特(McCrometer)分部制造和销售。这些流量计中有一些包括了整流器，它们靠近螺旋桨，用来在流体流经转子(例如纵向延伸的管束或是以一定角度分开的、纵向延伸的叶片)时，缓和流体中的涡流。对此请参见3,049,009号专利，其中揭示了一种与转子的前表面相符合的整流叶片。包括了这样的流体整流器的消防龙头的流量计可以减少从消除龙头中排出的水内的涡流，但用这种方法测量水的消耗量对消防器材的检验和鉴定而言是不够可靠的。
本发明人还研制了一种测量流体流量(参见4,638,672号专利)以及混合不同流体(参见4,812,049号专利)的静态装置。用这些专利技术的流量计和静态混合器由凯特马公司的麦克克罗米特分部制造和销售，其商标为“V—CONE”。
发明的揭示
本发明在于对V—CONE装置提供一种新的用途，并且提供了一种能获得一致而且可靠的流体测量结果的元件的新的组合。虽然本发明是针对带水泵的消防泵装置的检验而进行研究开发而且以下的描述也是针对这种消防装置而进行的，但本发明对解决那些在有复杂的流动状态下的流体的测量方面具有广阔的商业上和工业上的应用价值而并不局限于带泵的消防装置的鉴定方面。
本发明的一个目的在于，提供一种新的改进型的流体控制和测量装置的组合，这种装置的组合能解决管道内有复杂流体的问题，并且有利于在流体流经管道时准确测定流体的一个或多个特性和/或流体的流量。
本发明的另一目的在于，为V—CONE装置提供一种新的用途，用它来预先调节、稳定和均匀在管道内的流体，从而使一不稳定而且畸变的流体的分布面或断面转变为一基本上均匀、一致、对称、与管道同轴的大的平均流动直径的流体断面。
本发明的再一目的在于，通过预先调节管道内的流体的流动，为原来比较经济的测量仪提供一适于测量的理想的流体断面，从而提高原来比较经济的测量或采样仪器的性能，即提高它们的测试可靠性和科学价值。
在本发明的较佳实施例中，本发明的装置为一在管子或管道的一部分，依次在流体的流动方向上将一流体流动的稳定和调节装置、和一用来测量稳定及预调后的流体特性的装置相结合起来的装置。
所述流体流动的稳定和调节装置包括一尺寸小于管道直径的流体偏移元件，该偏移元件由两个在它们的大端处相连的锥体组成并且同轴地安装在基本垂直于流体流动的方向，并且锥体的斜壁内对称地离开管道的内壁。该偏移元件使流体偏转并使之通过一面积逐渐减小而后再逐渐增大的环形区域，该偏移元件能有效地使管道内在一预定流速范围内的流体的速度的断面或分布面基本线性化。从而使元件上下游的流体的流动得以稳定。
在偏移元件下游侧的、向内倾斜的锥体锥面能使在管道中的流体在于偏移元件下游返回自由流态时使其返回速度最佳化。因而偏移元件下游的流体断面或分布面比较平而对称，且具有一较大的平均流动直径，而且保持以管道的轴为中心。此外，无论流体流速如何，平均流动直径都基本保持不变。
不管是液体、气体还是夹带有固体物质的液体或气体，此流体的偏移元件都可以有效地均化流体的流动，也就是能彻底地混合并且能使两种或多种流体的混合物和/或夹带着固体物质的流体基本上成为均匀的。这样，流体在整个下游的流动分布面上都基本上得到均匀。因此便能精确测定在该区域内的流体的特性或流体的流量。
用来测定流体特性或流体流量的装置设置在管道内流体偏移元件下游不远处，其与偏移元件的间隔约为几根管子或几个管道的直径。测定或探测流体特性的装置可以是一流体采样装置或是一流量测量装置。在对消防装置作检验的较佳实施例中，该装置是一转子式的流体流量计，该流量计驱动一瞬时流速指示计和一累计记录仪，或驱动两者中的一个。
由于在转子处流动的流体是稳定和均匀的，流体断面或分布面均匀，且平均直径较大而恒定，并且在管道内与管道同轴，因而流量计或其它测量仪器能测得一精确而且高度可靠的流体流量值，例如具有用来检验消防栓和带水泵的消防装置的出水量所要求的精确度。因而，测量仪器的性能、商业性以及科学性都有所加强。
因而，本发明提供了一种非常简单、小巧、紧凑而且高度精确和可靠的系统来测定和检验通过一管道的流体流量的大小，其系统误差仅为一个百分点或是更佳。因而对消防装置的检验及鉴定以及对类似的检验及鉴定可以用非常经济的方式来完成，而且所需时间也很短。对本技术领域的熟练人员而言，本发明的其他应用也是显而易见的。
除了以上所述，本发明还提供了一种简单、经济地取得牛顿流体或基本为牛顿流体的质量流量的系统。具体说，通过为流体偏移元件配备诸如一传感器之类的装置就可以用来测定该元件两端的压降，同时利用在该元件下游的流量计就可以测定流速，这样，便可测得流经管道的流体的质量或重量。
所以，本发明可以以一实用而且经济的方式来获取流体的多种流动特性。
本发明的这些和其它一些目的和优点，将可以通过下文结合附图所作的详细描述而对本技术领域的熟练人员变得更为明显。
附图简要说明
图1是本发明装置的立体图，图中所示的该装置用于对带水泵的消防装置进行检验的系统中；
图2是图1中较佳实施例装置的垂直纵向剖视图；
图3是大致沿图2中线3—3剖取的横向剖视图；
实施本发明的最佳方式
下面将详细描述本发明人认目前是实施本发明的最佳方式的实施例。通过以下的描述，本发明的其它变型、变化以及改变都将对本技术领域的熟练人员变得越来越明显。
参见诸附图，图中示出的本发明的一实施例是特别适用于一对带水泵的消防装置进行检验的系统，它包括一管子或管道部分10，该管道部分由两段管子12和14构成，这两段管子在相配的凸缘16和18处用螺栓连接在一起，而凸缘16和18则分别焊接在两段管12和14的端部上。如箭头所示，流体是从管子12的自由端上的入口20流向管子14的自由端上的出口22的。管道的入口20处设有一母的联接件24，以使管道能连接于消防栓或水泵的出口或是一消防水龙管的出口端。管道的出口22处设有一阳的接配件26以连接一消防水龙管。
消防栓出口和消防水龙管的接配件的标准尺寸为2又1/2英寸，因而联接件24和接配件26的直径也做成这个尺寸。由于流体的流量和流速都非常大，因而希望在较大口径的管道内进行流体的测量工作。所以管道的两段都做成较大直径，最好是4英寸，而其锥形的过渡部分的直径则在2又1/2英寸到4英寸之间。直径增大的管道也有助于缓和流体测量腔室内的涡凹现象。
为了便于流体测试仪在现场上的使用，管子12和14上都设有一倒U形的把手28。每个把手的两个腿部均分别焊接在两根管子的相对侧并且向管子的下方延伸形成一支座，以便在流体测试仪不和消防栓或泵的出口相联接时将其支承在一水平的位置上。
参见图2，管道10的上游管子12容纳着流体流动的调节、稳定以及均匀装置，该装置总的由数字30表示，下游管子14容纳着一总的由32表示的、用来测定或探测流体特性或流量的装置。在所述实施例中，装置32包括一转子或螺旋浆式的流体流量或流动特性测试仪。
流体调节装置30主要包括一流体偏移元件34，该偏移元件可以从位于加利福尼亚赫米特的凯特马公司的麦克克罗米特分部购得，商标为“V—CONE”。该偏移元件本身及它的种种用途可以参见美国专利4,638,672和4,812,049，下面将对它作较详细的描述。
大体上，偏移元件34包括两个相对的锥体34a和34b，它们的大端部直径相同并且彼此联接在一起。上游锥体34a的长度大于下游锥体34b，其相对两锥体的结合端的圆周构成的平面所形成的角度则大约是39度到大约75度，较佳的是在67.5度上下。而下游锥体相对两锥体的结合端的圆周构成的平面所形成的角度约为22度。构件34相对管道12内径的Beta值则大约是0.5到0.94。
偏移元件34的直径小于管道12的直径并且和管道同轴地安装，所述两锥体的结合端的圆周构成的平面垂直于流体流动方向，两锥体的斜壁从管道的内部或内壁向内对称地离开。
当在压力下的流体(例如水)进入管道的入口20时，流体被构件34的上游锥体34a偏移或偏转而成为一横截面积逐渐减少的环形区域，到达两锥体结合端的周面处时截面积最小。接着流体流入由下游锥体34b所形成的逐渐增大的环形区域。这样，构件34上游和下游的流体流动状况便得到稳定和调节。而且，该流体或其中的固体物质都得到均匀化，使得构件34下游的管道中大致沿其整个截面都充满了基本均匀的混合物。
具体地说，流体偏移元件34能在一个较大的流速范围内有效地使流体流动的速度分布线性化，而下游锥体则能使管道中的流体于构件下游返回自由流态时使其返回速度最佳化。因而在管道内的下游的流体断面或分布面比较平而对称、并以管道的轴线为中心、而且无论流速如何都能保持一基本恒定的大的平均流动直径。流量的偏差在大约一个百分点或以下。因而在构件34的下游就提供了一个恒定的流体断面或分布面，从而有助于流动状况的精确测量。
由两个锥体的结合端构成的周边以及下游锥体使由该周边向下游方向流出的是短的涡流。这些涡流的幅度较小，频率较高，因而有助于优化流体返回自由流态的速度。小幅高频的涡流能有效地消除外加的下游扰动或是所谓的“噪声”，因而有助于高度精确而且可靠的测量。这样，V—CONE偏移元件就使下游测量装置的性能得以提高。
偏移元件34可以用任何合适的装置同轴地安装在管道12内，诸如用4,638,672和4,812,049号专利中所述的一个或多个星形架，或是通过管壁延伸的弯管安装臂或管子。然而，鉴于水从消防栓或水管中流出时涡旋程度非常之大，因而最好在这种特殊的应用场合用一种能帮助偏移元件34消除涡旋的装置。在图2和图3中所示的较佳实施例中，构件34用流量整流叶片同轴地装在管子12内，最好在该构件的上游端设置一第一组整流叶片36，而在构件的下游设置一第二组叶片38。锥体34a和34b可以用焊接或其它合适的方法将其小直径端分别联接于叶片组36和38。
如图3所示，每个叶片组最好包括六个周向等分隔开的叶片，这些叶片从轴线起向管子12的内壁辐射延伸。诸叶片总的纵向尺寸不超过管道直径的1到1.5倍。在该较佳实施例中，叶片组36—38的长度约为管道直径的二分之一。
这两个叶片组成为稳定装置30的一部分，装置30中，两个结合的锥体部分修正了扰动和流量分布，而诸叶片则帮助偏移元件降低了涡旋现象。因而到达探测装置32的流体经过了充分稳定和预调。
流体特性的探测或测定装置32可以装在管道10中偏移元件34下游任何所需的位置上，甚至可离开偏移元件至管道直径的10倍之遥，具体的距离视流体、流动条件以及所需测定的特性而定。然而，最好是将装置32设置在偏移元件34下游大约二到三个管道直径处，也就是离所揭示的稳定装置30一到三个管道直径处。由两个管子构成的管道结构有利于流量稳定装置使用各种不同的测量和采样系统。
在所述的用于检验消防栓和带水泵的消防装置出水量的较佳实施例中，装置32包括一转子式或螺旋桨式的流体流量测试计40，该装置具有一用来在流量累计记录仪中记录流量的装置和/或一瞬时流速指示计。凯特马公司生产的包括转子和记录系统的M1104型流量计特别适于这种场合。
如图2所示，流量计包括一直径略小管子14内径的螺旋桨42，该螺旋桨的旋转轴线与管道的轴线以及偏移元件34的轴线相重合。
在所述结构中，螺旋桨可旋转地安装在一电检拾装置44上，该装置轴向安装在管道内一弯曲的弯管或称安装臂或管子46上，而该弯管则沿径向穿过并且焊接在管子14的处于螺旋浆42和检拾装置44的下游的管壁上。导线(未示)从检拾装置44起通过管子46延伸到装在管子46外端的一接线块或接线件48上。该接线块或接线件48包含用以和一测量仪作电气连接的诸接线头，所述测量仪可包括一总的流量记录仪和一流速指示计，或者两者中的一个。如果还希望再增加精度的话，可以用一固态传感器作检拾装置，该传感器产生数字脉冲，这些脉冲从接线块48传递到一合适的、诸如一计算机或微处理器之类的数据处理装置。因为这些装置在流体测量领域已经广为使用，因而在图中没有加以示出。用了所述的诸元件后，系统总的精度，也就是包括流体、机械、电气、和/或电子系统的组合的总精度可达到99％或更佳。系统总的误差只有1％或更小。
大家知道，所述的累计记录仪可以提供诸如加仑、立方尺、英亩一英尺、立方米或其它标准的读数。类似地，流速指示计也可以提供加仑/分钟、立方尺/秒或其它标准的读数。
如果不用电的或电子的检拾和记录系统，则螺旋桨可以直接机械地驱动记录仪或指示计，这可以是用一从螺旋桨起延伸穿过管状安装臂46到一记录仪(未画出)的柔性轴来完成，该记录仪直接装在支承弯管46的外端。这种形式的驱动的优点在于，它本身是独立的，即无须为记录系统提供电源。
使用时，螺旋桨42受到流经管道10的流体的推动，其转速和流体流速成正比。因而便起到了探测和测量流体流速的作用。由于管道的直径已知，所以可以可靠地测定流量大小。
此外，在管道中一已知阻力的区域内加上测量压降的装置，通过所获得的流体的压力差和流速便可测定牛顿流体或基本上为牛顿流体的质量流量。在一较佳的设备中，用一传感器(未示)来测定流体流过流体偏移元件34时的压力差，该传感器的测定方式详细地揭示在4,638,672号专利中，其内容援引在此以供参考。为了达到上述的目的，管子12的管壁上设置了一入口孔50(在所述结构中通常被一塞子52所封闭)，以有助于安装一用来深测构件34两端的压降的装置。在测定了流体的压力差和流速之后便可容易地计算出流体的质量和/或重量，该结果可以是流动的始末质量比和/或流体的总的重量。与已有技术相比，本发明提供的。质量流量的测试方法是在一极短的线形运行条件下进行的。质量流量的测试对大量诸如食品加工厂之类的加工行业而言都是非常有价值的辅助手段。
因而，本发明可为多种流体流动情况和多种流体特性的提供精确的测量。
除了对带水泵的消防装置进行检验的场合之外，本发明的流量稳定和调节装置30还可以运用在很多需要对流体流动进行稳定和调节的场合，以及用于加强其它流体测量系统和仪器的精确度、可靠性和性能。
流经管道10的媒质可以是气体、液体或粘性物，或是它们的组合，也可以是夹带有颗粒或固体物质的。几乎在所有情况下，装置30都可有效地在半管12的出口处将流体均匀化、稳定和调节至一恒定的、与管道同轴的、平的流动断面或分布面。这样便可在管子14中获得精确、可靠的种种测量值。
而且，可用一种简便、经济、实用的方式达到本发明的目的和优点。
尽管上面详细描述了本发明的较佳实施例，但是应该理解，在不偏离本发明实质的前提下所作的改变、重新安排、以及变型等都应落入所附权利要求限定的保护范围之内。