多相流产量仪 一.技术领域
本发明涉及浓度和多相流的测量方法及装置，尤其是一种测量管道输送浆体和或多相流的产量仪。
二.背景技术
目前在冶金、化工、石油、医药、河流疏浚、电力等部门，物料输送广泛采用管道系统。两相(或多相)流体在管道系统中不间断流动，以供生产系统连续运转。不论是从安全输送角度考虑还是从经济运行方面考虑，浆体在管道输送过程中，其浓度的测定是至关重要的，它是实施控制调节必不可少的测定参数。例如：前述行业在进行多相流(固、液、气)管道输送时，浆体在管道中必需有一个合理的输送量，既不能发生淤堵，又必需保证经济运行，这一产量的测定，按照流体力学的经典公式进行：产量＝CT×Q×S。CT为输送浆体浓度，Q为一定压力下输送浆体流量，S为时间。流量和压力的测定已是很容易解决的问题，然而对于浓度的测定，看似简单，实则很难。由于压力管道上取样会带来密封等一系列问题，加上放进管道中的测定传感器因被浆体包裹或磨损容易失去精度要求而导致测定失败。目前国内外应用较多的、精度尚可的浓度计有二种：一是核辐射浓度计，它的优点是精度较高，可达到3％以内的误差，缺点是核辐射对人体有危害，对环境造成核污染，一般情况下不宜轻易使用。二是超声多普勒Micro ADv系统——从美国引进的多普勒流速仪，用来测定浓度，在含沙是15kg/M3范围内，即体积浓度范围Cv≤0.006以内时才具有足够的精度，且该仪器费用较高，台为3.5万美元。因此输送管道内浆体浓度和多相流动态值的测定，一直是工程上没有完全彻底解决的问题，直接影响多相流浆体的控制，调节以及产量核定。
三.发明内容
本发明的目的是提供一种只需通过测量管道输送浆体和多相流的流量和压力，用数理模型地方法间接测定其浓度进而解决其产量计算问题。
本发明利用浆体多相流管道输送中阻力与流量的变化规律随浓度的不同而变化的特点，总结归纳大量实验数据并作出深入的理论分析确立了计算浓度的数理模型，此模型中只有多相流的流量和压力参数待测定，所述产量仪即为测量该压力和流量并通过对含有此两变量的所述数理模型的计算求出浓度值并由此而求得产量值。
数理模型的建立
浆体和多相流在管道中输送时它的能耗与平均流速之间存在着如图1示关系。图中：Jm表示能坡，即单位长度上的能量损失，V是管道断面的平均流速，从图中可以看出，清水随Jm～V增大而Jm增大，呈直线关系。对浑水而言分四区：1区是均匀悬浮区：2区是非均匀悬浮区：3区是管底层移层区，即有推移质运动，4区是堵管危险区。
在管道输送中，总是使浆体处于1或2区输送，该两区基本上是平行于清水的直线。也就是说，只要处于均匀悬浮区或非均匀悬浮区时，它可看成基本上是平行于清水线的。
由电磁流量计测流量，清水时流量为Q清，清水平均流速为V＝Q清/0.25d2对，即V∝Q清。对于浑水，在动力设备及管道输送系统保持不变的条件下应遵循质量守衡定律：即管道系统动力设备不变条件下，能输送清水及浑水的质量保持不变，也即系统的出力是一定的，清水容重小，流量就大；而浑水容重大，则流量就小，但保持Υ×Q＝m。式中Υ为被测浆体容重，Q为被测浆体流量，m为被测浆体质量。
由图2可得浑水流量减少值与流速相对减少成正比，令其为Rc′即若清水单位时间输送质量：m清＝Υ清×Q清 ……………(2)则浑水流量由(1)式
Q清-Q浑＝Rc′×Q清 得：
Q浑＝(1-Rc′)×Q清 ……………………………(3)
则单位时间输送浑水时的质量为：
m浑＝Υm×Q浑＝Υm(1-Rc′)×Q清 …………………(4)
当管输能力质量不变时(2)＝(4)
Υm(1-Rc′)×Q清＝Υ清×Q清 …………………(5)
又浆体容重Υm＝Υ清(1-CT)+Υ沙×CT ………………(6)
(5)＝(6)
得：
当Υ清＝1.0T/m3，Υ沙＝2.65T/m3时(水的容量、泥沙的容重)代入(7)式：CT=(11-Rc'-1)/1.65]]>
此处CT表示浆体输送浓度，在浆体处于均匀悬浮输送时：CT＝CV(体积浓度)。
由于0≤CT＜1所以1.0≤Υm＜2.65T/m3
根据流量减少相对值Rc′的不同求得不同浆体的容量和相对的浆体输送浓度；在正常挖掘时CT值一般15～25％，最大值近30％，根据实际运行，我们把报警浓度限制在35％，以免发生堵管，或者误差增大。
我们需要的条件：1)由于设备的磨损、老化，在一定的周期内要率定清水值；2)浓度限制区域在35％以下运行，3)输送的浆体处于充分的悬浮状态下。
式(1)～(7)中，Q清为不同压力下清水流量值，Q浑为不同压力下浑水流量值，V清为清水平均流速，V浑为浑水平均流速，Rc′为浑水流量相对减少值，Υm为浆体容重，Υ清为清水容重，Υ沙为泥沙容重，CT为浆体输送浓度，m清为清水质量，m浑为浑水质量。
式(1)中不同压力下清水流量值Q清，清水平均流速V清实测获得，并预存于工控机内作计算参量，其中获取Q清、V清采样号是成熟的现有技术。式(7)中清水容重Υ清为1，泥沙容重Υ沙为2.65T/m3(泥沙通用常数)，以上各项均为已知量，惟有浑水流量相对减少值Rc′中尚含有不同压力浑水流量值Q浑和浑水平均流速V浑待测定，如果采集到浑水流量、压力，即可依式(7)数理模型而方便地间接获得浑水或称浆体的浓度变化和多相流的动态值，如此即可解决现有技术浆体浓度不易测定的问题。基于此，本发明用装置于浆体输送管道上的压力传感器25和流量传感器8作测定浆体浓度、多相流动态值的一次转换器件，经压力变送器17和流量转换器9转换成标准电信号，经A/D转换后输入到工控机11；工控机内设置有用于处理被测管道压力和管道流量的数据采集转换模块12，依式(7)计算多相流浓度和产量的数理方程计算模块13，浓度报警模块16，以及一些通用的产量累计和统计、帮助、查询、画面处理、打印、存档读档、退出等模块。
本发明利用浆体管道输送中阻力与流量的变化规律随浓度的不同而变化的特点，从理论上推导出利用实测浆体流量和压力参数建立测定浆体浓度的数理模型，并提出了完整的测量浆体浓度变化和多相流动态值的检测、数理计算、显示、报警、储存、累计、帮助、查询、画面处理、打印、存档读档之方法和装置，并可预留控制输出接口、网络监控接口，可以做到不要浓度计仅仅只需通过测量输送管道浆体压力、流量而间接测量浓度，从而解决了工程上输送管道浆体多相流浓度不易测量及产量不易核定的问题。具有原理清楚、方法简便、精度高、装置简单、易于操作等优点。
四.附图说明
图1是本发明所述浆体在管道输送时能耗与管道平均流速之间关系图；
图2是电磁流量计与时测过程关系图；
图3是本发明原理方框图；
图4是本发明所述装置布置纵剖面图；
图5是本发明所述装置布置示意图；
图6是A/D转换板电路图；
图7是本发明所述装置电路图。
图中：1—均匀悬浮区，2—非均匀悬浮区，3—管底层移层区(有推移质运动)，4—堵管危险区，5—浑水曲线，6—清水曲线，7—交流电压，8—流量传感器，9—流量传感转换器，10—A/D板，11—工控机，12—数据采集转换模块，13—数理方程计算模块，14、15—产量累计和统计、帮助、查询、画面处理、打印、存档读档、退出等模块，16—报警模块，17—压力变送器，18—直流电源，19—吸泥管，20—轴绞刀，21—伸缩软管，22—吸泥泵，23—支承面，24—支承架，25—压力传感器，26—采样阀，27—排泥管，28—I/V板。
五.实施方式
工控机硬件环境
486以上的PC工控机
八位32路A/D板
软件环境
中文windows9x
软件主要提供五方面功能：
1、采集与统计功能
挖泥船工作时，实时采集数据，统计挖泥的产量(有班产，日产，月产，年产)；
挖泥船的实际工作和空闲时间(各班，日，月，年)；
2、查询功能
查询功能
查询指定班，日，月，年的产量；
查询指定班，日，月，年的实际工作和空闲时间；
3、报警功能
当挖泥船管道中泥浆的浓度超出预设的报警浓度值时报警；
4、自动功能
开机时自动读档；
自动进入相应的日期和班次；到了时间自动换班；
隔一段时间自动存盘；
5、其它功能
显示帮助信息；
显示挖泥船的原理图；
快捷键，不需鼠标也可操作；
处理流程
1、系统初启时，读取存档文件，导入数据库，设置各全局变量；
2、然后进入事件等待状态，各专门功能模块由事件驱动机制激活，分别执行完各项功能后仍进入事件等待状态；
3、最后由关闭系统事件引导激活关闭系统模块，退出整个系统。
功能分配
1、系统控制功能
设置初始化模块；
设置系统功能模块；
2、采集与统计功能
设置A/D转换的数据采集模块；
设置数据转换和计算模块；
查询功能
设置查询模块；
4、报警功能
设置报警浓度的输入模块；
设置报警模块；
5、自动功能
设置班次转换模块；
设置存档模块；
设置读档模块；
6、其它功能
设置显示帮助信息模块；
设置显示挖泥船的原理图模块；
用户界面
采用广泛应用的GUI，即诸如窗口、菜单、对话框、滚动条等，主控界面是数据采集单。
主视界面
是一个主要的用户界面，包括了即时的管道压力，浓度，流量，产量，累计的班产，日产，月产，年产。此外还有一个系统的时间包括年，月，日和时，分，秒。数据每秒更新一次。
软件接口
运行于Windows95及更高版本具有win32API的操作系统之上。
硬件接口
支持一般x86系列微机，A/D转换卡。
内部接口
初始模块：显示封面，进行检查，系统注册表中有相符标识，不允许有多个实例运行，否则退出；
系统功能模块：接收系统功能区相应事件，启动查询、报警浓度输入，显示原理图，显示帮助信息，存盘，关闭系统等模块；
A/D转换的数据采集模块：在A/D转换卡的特定通道进行数据采集，返回结果；
数据转换和计算模块：计算相应的压力，流量、浓度、产量等等数据；
查询模块：一个弹出窗口，对给定的日期或班次，返回班，日，月，年的产量和实际工作和平共处空闲时间；
报警浓度的输入模块：一个弹出窗口，输入新的报警浓度值；
报警模块：实际浓度超过报警浓度时，报警；
班次转换模块：进入相应的班次，显示在数据采集单上；
存档模块：将内存中的数据写入文件；
读档模块：将文件中的数据调入内存；
显示帮助信息模块：一个弹出窗口，有一些本系统的基本信息和操作说明；
显示挖泥船的原理图模块：一个弹出窗口，描绘系统的原理图。
流量传感器选用IFS400电磁流量传感器，流量变送器选用相应的SC100AS流量变送器。压力变送器选用CY系列压力变送器，本发明选用的型号是CY3011A。计算机若采用单片机，则整机可做成便携式，单片机应以Intel公司所产32位或64位系列芯片为宜。
数据采集转换模块12接收压力和流量信号电流，输出压力值和流量值；数理方程计算模块13接收采集的压力和流量信号，计算相应的压力、流量、浓度、产量等数据，输出浓度和产量值；报警模块16输入项目是报警浓度和实际浓度，当实际浓度超过报警浓度时，输出浓度报警信号。
以下表格是所述产量仪与实际产量对照表，由试运行测试而得。本发明精度由三块组成，电磁流量计精度±0.5％，压力变送器精度0.2％，计算机浓度误差值(与实测比较)±1～1.5％间(可调整)，按加权平均法，仪表精度小于5％，而不受浓度值变化和其它因素影响。
仪表产量与实际产量对照表 7月26日 船上仪表读数 产量实测值 P (kg/cm2) 真空泵值 (Cv) P(kg/cm2) Q (m2/s) Cv 产量 W (m2/s)累积产量 ∑W (m3) 8：40 0.45 0.68 (0.241) 0.45 0.873 0.244 0.213 8：50 0.42 0.64 (0.239) 0.41 0.680 0.240 0.163 128 9：10 0.39 0.62 (0.22) 0.386 0.898 0.220 0.198 324 9：20 0.43 0.64 (0.22) 0.417 0.740 0.223 0.165 442.8 9：25 0.30 0.31 (0.18) 0.295 0.928 0.181 0.168 492.3 9：32 0.38 0.58 (0.15) 0.38 0.908 0.160 0.145 562.9 9：40 0.36 0.57 (0.14) 0.352 0.912 0.140 0.128 632.5 9：46 0.30 0.25 (0.11) 0.30 0.928 0.115 0.107 678.6 9：52 0.44 0.65 (0.22) 0.442 0.720 0.220 0.158 717.1 10：07 0.37 0.58 (0.19) 0.38 0.910 0.188 0.171 859.3 10：12 0.33 0.39 (0.17) 0.34 0.916 0.170 0.156 910.6 10：20 0.30 0.22 (0.09) 0.30 0.928 0.090 0.083 985.5 10：26 0.38 0.60 (0.20) 0.38 0.909 0.194 0.176 1015.4 10：32 0.45 0.68 (0.24) 0.45 0.874 0.241 0.211 1078.8 10：41 0.42 0.64 (0.24) 0.42 0.681 0.244 0.166 1192.7 10：52 0.38 0.60 (0.19) 0.378 0.910 0.194 0.177 1302.3 11：08 0.43 0.64 (0.23) 0.43 0.742 0.230 0.171 1473.2 11：16 0.30 0.21 (0.08) 0.30 0.928 0.090 0.083 1554.3 11：22 0.35 0.55 (0.20) 0.36 0.914 0.200 0.183 1584.2 11：34 1716.0 7月29日 船上仪表读数 产量实测值 P(kg/cm2) 真空泵值 (Cv) P(kg/cm2) Q (m2/s) Cv 产量 W (m2/s)累积产量 ∑W (m2) 9：20 0.30 0.30 (0.18) 0.290 0.928 0.20 0.186 9：25 0.39 0.62 (0.21) 0.386 0.898 0.21 0.189 55.8 9：31 0.42 0.64 (0.24) 0.42 0.681 0.24 0.163 123.8 9：40 0.43 0.64 (0.23) 0.43 0.873 0.23 0.201 211.8 9：55 0.45 0.68 (0.24) 0.45 0.744 0.24 0.179 392.7 10：04 0.39 0.61 (0.22) 0.39 0.898 0.21 0.189 489.4 10：15 0.35 0.56 (0.20) 0.348 0.912 0.14 0.128 614.1 10：21 0.30 0.31 (0.12) 0.30 0.928 0.11 0.102 660.2 10：25 0.34 0.57 (0.21) 0.338 0.917 0.18 0.165 684.7 10：31 0.38 0.60 (0.20) 0.382 0.910 0.16 0.146 744.1 10：40 0.30 0.30 (0.09) 0.30 0.928 0.09 0.084 822.9 10：50 0.40 0.62 (0.21) 0.396 0.684 0.23 0.157 873.3 11：00 0.43 0.64 (0.23) 0.426 0.742 0.24 0.178 967.5 11：10 0.46 0.69 (0.243) 0.460 0.740 0.26 0.192 1074.3 11：20 0.42 0.64 (0.24) 0.420 0.740 0.24 0.178 1189.5 11：30 0.39 0.62 (0.22) 0.39 0.909 0.22 0.200 1296.3 11：38 0.36 0.57 (0.14) 0.361 0.914 0.19 0.174 1392.3 11：42 0.32 0.28 (0.11) 0.322 0.920 0.19 0.175 1434.1 11：52 0.30 0.21 (0.08) 0.302 0.928 0.09 0.084 1539.1 13：30 0.42 0.64 (0.24) 0.42 0.681 0.24 0.163 2600.9 13：40 0.45 0.68 (0.24) 0.45 0.873 0.242 0.211 2698.7 13：50 0.44 0.66 (0.24) 0.44 0.88 0.24 0.211 2825.3 14：00 0.40 0.61 (0.21) 0.40 0.684 0.21 0.144 2951.9 14：10 0.38 0.60 (0.20) 0.38 0.898 0.21 0.189 3038.3 14：18 0.36 0.57 (0.15) 0.36 0.914 0.152 0.139 3129 14：25 0.32 0.27 (0.11) 0.318 0.920 0.108 0.099 3187.4 14：35 0.30 0.21 (0.09) 0.30 0.929 0.09 0.084 3246.8 14：44 0.39 0.62 (0.22) 0.291 0.898 0.22 0.198 3292.2 14：56 0.41 0.63 (0.23) 0.412 0.689 0.23 0.158 3434.8 15：07 0.36 0.57 (0.15) 0.359 0.914 0.15 0.137 3539.1 15：18 0.43 0.64 (0.23) 0.43 0.873 0.231 0.202 3629.5 15：26 0.45 0.69 (0.24) 0.45 0.744 0.24 0.179 3726.5 15：35 0.37 0.58 (0.13) 0.37 0.910 0.13 0.118 3823.2 15：44 0.35 0.56 (0.14) 0.352 0.908 0.14 0.127 3886.9 15：58 0.41 0.63 (0.23) 0.41 0.690 0.23 0.158 3993.6 16：08 0.43 0.64 (0.23) 0.43 0.873 0.289 0.252 4088.4 16：20 0.45 0.68 (0.24) 0.45 0.744 0.24 0.179 4269.8 16：28 0.41 0.63 (0.23) 0.41 0.690 0.23 0.159 4355.7 16：38 4451.1