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非 牛顿流体 密度在线测量装置及方法

阅读：397发布：2020-05-14

专利汇可以提供非牛顿流体密度在线测量装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种非牛顿流体密度在线测量装置及方法，包括流体入口，文丘里流体加速限流装置，紊流管，均匀沉降管，层流测量管，流体排出口。采用电容式或其他微差压变送器在层流测量管处测量有一定高差的差压，差压信号送至可编程逻辑控制器 PLC或者单片机或者是计算机，经过计算得出流体密度值。适用流体包括：固液两相流；气固两相流；气（汽）液两相流；气液固三相流；也适用于溶液、胶体、血液等流体。本发明能够实现精确可靠的测量，关键在于可以实现在线连续测量。，下面是非牛顿流体密度在线测量装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种非牛顿流体密度在线测量装置，具有竖直的壳体，所述壳体上安装有流体入口管和流体排出口，其特征在于：所述壳体由均匀沉降管和层流测量管组成，所述壳体内安装有紊流搅拌管，所述紊流搅拌管的底部依次与加速限流装置和流体入口管相连通，所述流体排出口安装于壳体的底部，所述层流测量管的侧壁上设有上下排列的第一差压测口和第二差压测口，所述第一差压测口和第二差压测口连接到微差压变送器。
2.根据权利要求1所述的非牛顿流体密度在线测量装置，其特征在于：所述加速限流装置是文丘里管。
3.根据权利要求1所述的非牛顿流体密度在线测量装置，其特征在于：所述第一差压测口和第二差压测口上均通过三通连接至正压平衡吹扫口。
4.根据权利要求1所述的非牛顿流体密度在线测量装置，其特征在于：所述壳体、第一差压测口和第二差压测口的尺寸参数满足
式中h1第一差压测口高度，h2第二差压测口高度，v2第二差压测口流体速度，g重力加速度，ζ局部阻力系数。
5.根据权利要求1所述的非牛顿流体密度在线测量装置，其特征在于：所述层流测量管为均匀直管段，内径加工误差不大于千分之一管径。
6.根据权利要求1所述的非牛顿流体密度在线测量装置，其特征在于：所述流体排出口直通大气。
7.一种应用上述装置在线测量非牛顿流体密度的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，流体从流体入口管进入
步骤2，流体在文丘里流体加速限流装置处被加速，同时依据流体入口压力入口流量被限制在一定范围；
步骤3，在紊流搅拌管处流体在文丘里流体加速限流装置高速作用下充分搅拌混合，同时压力降低，速度降低；
步骤4，在均匀沉降，4处流体速度发生变化，即流体速度上升后降至0，同时在重力作用下开始向下运动，速度流场重新均布，均匀沉降；
步骤5，流体在层流测量管5内处于层流状态；微差压变送器取得第一差压测口和第二差压测口的微差压信号，基于公式计算密度，式中p2第
二差压测口的静压力；p1第一差压测口的静压力；v1第一差压测口流体速度；v2第二差压测口流体速度；ρ流体密度；g重力加速度；ζ局部阻力系数；h1第一差压测口高度，h2第二差压测口高度；
步骤6，最终流体经过流体排出口排出。

说明书全文

非 牛顿流体 密度在线测量装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用流体的流动特性测试材料的密度或比重的装置或方法，具体涉及一种非牛顿流体密度在线测量装置及方法。

背景技术

[0002] 密度是物质的特性之一，是很多工业领域各类工艺过程必须监测的内容。目前在线密度测量的方法主要为科氏力法。科氏力法主要依据牛顿第二定律：力＝质量×加速度(F＝ma)，当质量为m的质点以速度V在对P轴作角速度ω旋转的管道内移动时，质点受两个分量的加速度及其力：

[0003] (1)法向加速度，即向心加速度αr，其量值等于2ωr，朝向P轴；

[0004] (2)切向角速度αt，即科里奥利加速度，其值等于2ωV，方向与αr垂直。由于复合运动，在质点的αt方向上作用着科里奥利力Fc＝2ωVm，管道对质点作用着一个反向力-Fc＝-2ωVm。

[0005] 其优点如下：

[0006] 1.直接测量质量流量，有很高的测量精确度；

[0007] 2.测量流体范围广泛，包括高粘度液的各种液体、含有固形物的浆液、含有微量气体的液体、有足够密度的中高压气体；

[0008] 3.测量管的振动幅小，可视作非活动件，测量管路内无阻碍件和活动件；

[0009] 4.对应对迎流流速分布不敏感，无上下游直管段要求；

[0010] 5.测量值对流体粘度不敏感，流体密度变化对测量值得值的影响微小；

[0011] 6.可做多参数测量，如同期测量密度，并由此派生出测量溶液中溶质所含的浓度。

[0012] 但也具有以下不足：

[0013] 1.零点不稳定形成零点漂移，影响其精确度；

[0014] 2.不能测量低密度介质和低压气体；液体中含气量超过某一限制(按型号而异)会显着著影响测量值；

[0015] 3.对外界振动干扰较为敏感，因而对流量传感器安装固定要求较高；

[0016] 4.不能用于较大管径，目前尚局限于200mm以下；

[0017] 5.测量管内壁磨损腐蚀或沉积结垢会影响测量精确度；

[0018] 6.压力损失、重量、体积较大，价格昂贵。

[0019] 可见，设计一种可对非牛顿流体密度的在线连续测量，测量精确高、且测量可靠的测量装置及方法已成为亟待解决的技术问题。

发明内容

[0020] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种非牛顿流体密度在线测量装置及方法。

[0021] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的非牛顿流体密度在线测量装置，具有竖直的壳体，所述壳体上安装有流体入口管和流体排出口，所述壳体由均匀沉降管和层流测量管组成，所述壳体内安装有紊流搅拌管，所述紊流搅拌管的底部依次与加速限流装置和流体入口管相连通，所述流体排出口安装于壳体的底部，所述层流测量管的侧壁上设有上下排列的第一差压测口和第二差压测口，所述第一差压测口和第二差压测口连接到微差压变送器。

[0022] 具体地，所述加速限流装置是文丘里管。

[0023] 具体地，所述第一差压测口和第二差压测口上均通过三通连接至正压平衡吹扫口，正压平衡吹扫口连接压缩空气，运行中每隔4小时进行一次吹扫，可避免第二差压测口和第一差压测口堵塞或污染。

[0024] 具体地，所述壳体、第一差压测口和第二差压测口的尺寸参数满足[0025]

[0026] 式中h1第一差压测口高度，h2第二差压测口高度，v2第二差压测口流体速度，g重力加速度，ζ局部阻力系数。装置的尺寸设计使v1和v2的绝对速度足够小，可以提高测量精度。

[0027] 具体地，所述层流测量管为均匀直管段，内径加工误差不大于千分之一管径，使管径足够光滑，确保v1＝v2。

[0028] 具体地，所述流体排出口直通大气，确保流体自由沉降。

[0029] 本发明同时提供应用上述装置在线测量非牛顿流体密度的方法，包括以下步骤：

[0030] 步骤1，流体从流体入口管进入

[0031] 步骤2，流体在文丘里流体加速限流装置处被加速，同时依据流体入口压力入口流量被限制在一定范围；

[0032] 步骤3，在紊流搅拌管处流体在文丘里流体加速限流装置高速作用下充分搅拌混合，同时压力降低，速度降低；

[0033] 步骤4，在均匀沉降，4处流体速度发生变化，即流体速度上升后降至0，同时在重力作用下开始向下运动，速度流场重新均布，均匀沉降；

[0034] 步骤5，流体在层流测量管5内处于层流状态；微差压变送器取得第一差压测口和第二差压测口的微差压信号，基于公式计算密度，式中p2第二差压测口的静压力；p1第一差压测口的静压力；v1第一差压测口流体速度；v2第二差压测口流体速度；ρ流体密度；g重力加速度；ζ局部阻力系数；h1第一差压测口高度，h2第二差压测口高度；

[0035] 步骤6，最终流体经过流体排出口排出。

[0036] 发明原理：非牛顿流体同样适用于满足伯努利能量守恒方程：

[0037] 公式1

[0038] 推到得出公式2

[0039] 式中p1：测点1的静压力；v1测点1流体速度

[0040] p2：测点2的静压力；v2测点2流体速度

[0041] ρ：流体密度；g：重力加速度；ζ：局部阻力系数

[0042] 由公式2可知引起误差因素有：

[0043] 引起误差因素1：测点1与侧点2的速度差，该误差可通过提高所述非牛顿流体的密度测量装置的加工精度来消除。

[0044] 引起误差因素2：玉力损失，测点1与测点2均为直管段，ζ＜0.1；同时在所述非牛顿流体的密度测量装置设计时v1和v2的绝对速度足够小，使得仅为g(h2-h1)的1％以提高精度。

[0045] 引起误差因素3：Δp＝p2-p1；该值为微差压变送器测得数值，采用高精度的微差压变送器提高测量精度。

[0046] 引起误差因素4：Δh＝h1-h2；所述非牛顿流体的密度测量装置固有特性测点1和测点2的高度差，安装完成后采用标准流体，例如空气、水来标定该高度差，以消除该误差因素，同时在计算程序中设置有温度补偿以消除温度对高度差的影响。

[0047] 有益效果：本发明采用微差压法间接测量流体的密度，通过组织流场和标准流体的修正校验减小误差，测量精确可靠，而且实现了对非牛顿流体密度的在线连续测量。

[0048] 除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的非牛顿流体密度在线测量装置及方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

[0049] 图1是本发明的实施例的结构示意图；

[0050] 图中：1-流体入口管；2-文丘里流体加速限流装置；3-紊流搅拌管；4-均匀沉降管；5-层流测量管；6-流体排出口；7-第二差压测口；8-第一差压测口；9-第二差压导管；10-第一差压导管；11-微差压变送器；12-第二差压吹扫口；13-第一差压吹扫口。

具体实施方式

[0051] 实施例：本专利装置的结构如图1所示，其材料根据流体的工作特性进行选择，可以为玻璃，有机玻璃，PP，聚四氟乙烯，不锈钢，合金，石墨等等。装置的尺寸根据所测流体的特性不同而进行设计。关键在于控制流体不发生沉积密度不均，流场分布不均匀等现象。所测非牛顿流体由流体入口管1进入，在文丘里流体加速限流装置2处流体被加速，同时依据流体入口压力入口流量被限制在一定范围，在紊流搅拌管3处流体在文丘里流体加速限流装置2高速作用下充分搅拌混合，同时压力降低，速度降低；在均匀沉降管4处流体速度发生变化，即：流体速度上升后降至0，同时在重力作用下开始向下运动，速度流场重新均布，均匀沉降；流体在层流测量管5内处于层流状态，层流测量管5为均匀直管段，内径加工误差不大于千分之一管径，确保v1＝v2，同时管径足够光滑，降低第二差压测口7和第一差压测口8之间的局部阻力损失使得仅为g(h2-h1)的1％以提高精度。最终流体经过流体排出口6排出，流体排出口6直通大气，确保流体自由沉降。层流测量管5区间内进行微差压测量，微差压变送器11 接口分别为第二差压测口7和第一差压测口8。在初次启动时压缩空气接入第二差压吹扫口12和第一差压吹扫口13进行吹扫，运行中每隔4小时进行一次吹扫，避免第二差压测口7和第一差压测口8堵塞或污染。微差压变送器11取得微差压信号的输入计算机或PLC或单片机进行计算。其密度计算公式基于公式2，同时加入一定的经验和标准流体的修正系数。

[0052] 以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

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