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| 現(xiàn)行流量計(jì)的特點(diǎn)以及選型 |
| 現(xiàn)行流量計(jì)的特點(diǎn)以及選型 | | 發(fā)布時(shí)間：2017/3/9 9:55:42 |
摘 要： 流量是工業(yè)生產(chǎn)中一種常見的測量對象，但由于流量計(jì)的類型繁多，對設(shè)計(jì)選型造成了困擾。介紹了工業(yè)控制中常用到的幾種流量計(jì)類型，討論了其測量原理及主要特。針對工業(yè)生產(chǎn)的不同應(yīng)用要求，總結(jié)了流量計(jì)的選型方法和要點(diǎn)。
關(guān)鍵字： 流量計(jì) 流量測量 選型管道
0 前言
在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，存在著種類繁多的流量計(jì)，對設(shè)計(jì)人員選型造成了一定的難度。流量計(jì)按測量原理大致可以分為容積式、速度式、差壓式、面積式、質(zhì)量式等。不同類型的流量計(jì)其特點(diǎn)也略有不同，需針對不同的測量領(lǐng)域、不同的測量介質(zhì)、不同的工作范圍，選擇不同種類、不同型號(hào)的流量計(jì)，以取得更好的測量效果。本文以幾種常用的流量計(jì)為例，介紹流量計(jì)的測量原理以及主要選型特點(diǎn)。
1 流量計(jì)介紹
1.1 孔板流量計(jì)
孔板流量計(jì)是最常用的一種流量計(jì)，屬于差壓式流量計(jì)，以流動(dòng)連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）為基礎(chǔ)。充滿管道的流體在經(jīng)過管道內(nèi)節(jié)流元件時(shí)（如標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴等），流體流線在節(jié)流元件處形成局部收縮，流速加快，在節(jié)流元件前后形成壓差。根據(jù)壓差的大小可以衡量流量的大小，如圖1所示。
圖1 孔板流量計(jì)原理
計(jì)算公式為：
式中
qm——質(zhì)量流量，kg/s；
qv——體積流量，m3/s；
c——流出系數(shù)；
ε——可膨脹性系數(shù)；
β——直徑比，β=d/D
d——工作條件下節(jié)流件的孔徑，m；
D——工作條件下上游管道內(nèi)徑，m；
Δp——差壓，Pa；
ρ1——上游流體密度，kg/m3。
孔板流量計(jì)一般由節(jié)流裝置（節(jié)流件、測量管、直管段、流動(dòng)調(diào)整器、取壓管路）和差壓流量計(jì)組成，對工況變化準(zhǔn)確度要求高的場合則需配置壓力計(jì)（傳感器或變送器）并進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。其主要特點(diǎn)是：
（1）結(jié)構(gòu)易于復(fù)制，簡單，牢固，性能穩(wěn)定可靠。
（2）價(jià)格低廉。
（3）應(yīng)用廣泛，液、氣、蒸汽皆可測量。
（4）準(zhǔn)確度不高，壓損大。
1.2 渦街流量計(jì)
在流體中設(shè)置漩渦發(fā)生體（阻流體），從漩渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生兩列規(guī)則的交替排列的漩渦渦街，漩渦的分離頻率與流經(jīng)渦街流量傳感器處流體的體積流量成正比，如圖2所示。
圖2 渦街流量計(jì)原理
漩渦列在漩渦發(fā)生體下游非對稱地排列，設(shè)漩渦的發(fā)生頻率為f，被測流體平均速度為υ，漩渦發(fā)生體迎流面寬度為d，表體通徑為D，可得關(guān)系式：
式中 St——斯特勞哈爾數(shù)，在ReD=2′104-7′108范圍內(nèi)，St可視為常數(shù)。
渦街流量計(jì)的流量方程為：
式中
qv、qm——分別為體積流量和質(zhì)量流量；
f——輸出頻率；
K——流量計(jì)儀表系數(shù)；
ρ——流體密度。
當(dāng)測量氣體流量時(shí)，渦街流量計(jì)的流量計(jì)算式為：
式中
pn、Tn——分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力和溫度；
Z、Zn——分別為工作狀態(tài)下和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)；
qvn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量
p、T——分別為工作壓力和溫度。
主要特點(diǎn)：
（1）結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。
（2）適用流體種類多，液、氣、蒸汽皆可測量。
（3）準(zhǔn)確度較高，測量范圍寬，壓損小。
（4）不適用于低雷諾數(shù)測量。
（5）抗干擾能力差。
1.3 電磁流量計(jì)
電磁流量計(jì)的原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，它是一種測量導(dǎo)電性液體的體積流量儀表。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)切割磁力線，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢，利用右手定則即可確定感應(yīng)電動(dòng)勢，如圖3所示。計(jì)算式如下：
圖3 電磁流量計(jì)原理
式中
E——感應(yīng)電動(dòng)熱勢；
k——補(bǔ)償系數(shù)；
B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；
D——測量管徑；
υ——液體平均流速。
式中
主要特點(diǎn)：
（1）沒有阻流元件，不會(huì)堵塞，適用于帶有懸浮物、固體顆粒的液體和污水的測量。
（2）沒有附加壓力損失，節(jié)約能耗。
（3）儀表測量范圍大，流速可在0.5～10m/s內(nèi)選定。
（4）不能用于低導(dǎo)電率液體。
（5）由于內(nèi)襯材料為絕緣材料的限制，不能用于較高溫的場合。
1.4 均速管流量計(jì)
均速管流量計(jì)（國外稱Annbar、Torbar、Probar、Verabar、Itabar……等），是基于皮托管測速原理，以測管道中直線上幾個(gè)點(diǎn)的流速來推算流量的一種插入式流量儀表，如圖4所示。它是一根沿直徑插入管道中的中空金屬桿，在影響流體流動(dòng)方向有成對的測壓孔，一般有三對，其外形似笛子。迎流面的多點(diǎn)測壓孔測量的是總壓，與全壓管相連通，引出平均全壓p1；背流面的中心處有一開孔，與靜壓管相通，引出靜壓p2。利用全壓與靜壓之差來計(jì)算流速，其計(jì)算式為：
圖4 均速管流量計(jì)原理
式中
Qv——體積流量；
α——流量系數(shù)；
ε——可膨脹系數(shù)；
D——管道內(nèi)徑；
ρ1——被測流體密度；
Δp——差壓，Δp=p1-p2。
主要特點(diǎn)：
（1）結(jié)構(gòu)簡單，重量輕。
（2）適應(yīng)范圍寬闊，可適用于多種流體（氣、液、蒸汽）。
（3）壓損小，節(jié)能效果顯著。
（4）在直管段長度不足時(shí)，準(zhǔn)確度難以高于±2%～±3%，不宜作為計(jì)量儀表。
（5）易于堵塞，要求流體潔凈。
1.5 平衡流量計(jì)
平衡流量計(jì)（balancedflowmeter，BFM）是一種新型的流量計(jì)，是美國國家航空航天局（NASA）下屬馬歇爾航空飛行中心（NASA-MSFC）針對航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)液氧測量而設(shè)計(jì)發(fā)明的一種新型流量計(jì)，由A+FlowTek公司生產(chǎn)，亦稱為A+K平衡流量計(jì)，如圖5所示。
圖5 平衡流量計(jì)原理
A+K平衡流量計(jì)（BFM）對傳統(tǒng)節(jié)流裝置進(jìn)行了極大的改進(jìn)，將節(jié)流原理由邊緣節(jié)流改為平衡節(jié)流。平衡流量傳感器是一個(gè)多孔的圓盤節(jié)流整流器，安裝在管道的截面上，每個(gè)孔的尺寸和分布基于獨(dú)特的公式和測試數(shù)據(jù)定制，稱為函數(shù)孔。當(dāng)流體穿過圓盤的函數(shù)孔時(shí)，流體將被平衡調(diào)整，渦流被最小化，形成近似理想流體，通過標(biāo)準(zhǔn)取壓裝置，可獲得穩(wěn)定的差壓信號(hào)，再根據(jù)伯努利方程可計(jì)算出體積流量、質(zhì)量流量。
主要特點(diǎn)：
（1）測量精度高，其測量精度可達(dá)±0.5%。
（2）直管段要求低，最小可達(dá)0.5D。
（3）壓損小，節(jié)約能耗。
（4）適用范圍廣，可以測量氣體、液體、蒸汽等各種介質(zhì)。
2 關(guān)于流量計(jì)的選型
首先，必須熟悉儀表和被測介質(zhì)兩方面的情況，按照流體的特性及應(yīng)用范圍剔除不適合的方法和儀表，初步選擇測量方法和儀表。然后，按照以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析比較。
首先，根據(jù)儀表性能進(jìn)行選型，需要對精度的高低以及儀表的穩(wěn)定性等方面進(jìn)行大概的過濾。例如孔板的測量精度較差，相對來說質(zhì)量流量計(jì)的測量精度較高。因此在選型時(shí)需要注意，選擇精度符合工藝要求的儀表。其次，根據(jù)流體特性，選擇不同的流量計(jì)。舉例來說，孔板等差壓流量計(jì)對于黏稠液體的測量效果不佳；均速管類儀表一般測量潔凈的氣體或液體，對于介質(zhì)的潔凈程度有較高要求；電磁流量計(jì)用于測量可導(dǎo)電的介質(zhì)，但是對于介質(zhì)溫度的要求較高，不能高于180℃。然后，從安裝條件考慮，儀表處于管道的位置，前后直管段要求是否足夠，管道周圍空間大小是否便于儀表維護(hù)，管道是水平安裝還是豎直安裝等。從現(xiàn)場環(huán)境考慮，要考慮到現(xiàn)場的溫度對儀表的影響，是否有電磁干擾，是否存在震動(dòng)，例如渦街流量計(jì)，這種對環(huán)境要求比較高的流量計(jì)，在周圍有干擾和震動(dòng)的場合就不宜使用。最后，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，比如平衡流量計(jì)，就可以做到取代孔板，減少壓損，節(jié)約能耗。在大規(guī)格的管道上應(yīng)盡量使用插入式流量計(jì)，以節(jié)約成本。
3 結(jié)語
以上介紹了一些工業(yè)控制中常用到的流量計(jì)類型以及選型方法。在工廠的實(shí)際應(yīng)用中，儀表的選型比較紛繁，應(yīng)在眾多品種中揚(yáng)長避短，選擇最合適的儀表。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)已在流量計(jì)上得到應(yīng)用，不久的將來各種新型流量計(jì)將會(huì)應(yīng)運(yùn)而生，也將會(huì)給工業(yè)儀表應(yīng)用帶來新的革命！
參考文獻(xiàn)
[1]黃德民.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.
[2]樂嘉謙.儀表工手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.
[3]賈云飛，張濤，張清鵬.渦街流量計(jì)與孔板流量計(jì)壓力損失的比較研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2008，29（2）.
[4]孫延祚.流量儀表的合理選型[J].工業(yè)計(jì)量，2007，17（4） |
摘 要： 流量是工業(yè)生產(chǎn)中一種常見的測量對象，但由于流量計(jì)的類型繁多，對設(shè)計(jì)選型造成了困擾。介紹了工業(yè)控制中常用到的幾種流量計(jì)類型，討論了其測量原理及主要特。針對工業(yè)生產(chǎn)的不同應(yīng)用要求，總結(jié)了流量計(jì)的選型方法和要點(diǎn)。
關(guān)鍵字： 流量計(jì) 流量測量 選型管道
0 前言
在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，存在著種類繁多的流量計(jì)，對設(shè)計(jì)人員選型造成了一定的難度。流量計(jì)按測量原理大致可以分為容積式、速度式、差壓式、面積式、質(zhì)量式等。不同類型的流量計(jì)其特點(diǎn)也略有不同，需針對不同的測量領(lǐng)域、不同的測量介質(zhì)、不同的工作范圍，選擇不同種類、不同型號(hào)的流量計(jì)，以取得更好的測量效果。本文以幾種常用的流量計(jì)為例，介紹流量計(jì)的測量原理以及主要選型特點(diǎn)。
1 流量計(jì)介紹
1.1 孔板流量計(jì)
孔板流量計(jì)是最常用的一種流量計(jì)，屬于差壓式流量計(jì)，以流動(dòng)連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）為基礎(chǔ)。充滿管道的流體在經(jīng)過管道內(nèi)節(jié)流元件時(shí)（如標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴等），流體流線在節(jié)流元件處形成局部收縮，流速加快，在節(jié)流元件前后形成壓差。根據(jù)壓差的大小可以衡量流量的大小，如圖1所示。
圖1 孔板流量計(jì)原理
計(jì)算公式為：
式中
qm——質(zhì)量流量，kg/s；
qv——體積流量，m3/s；
c——流出系數(shù)；
ε——可膨脹性系數(shù)；
β——直徑比，β=d/D
d——工作條件下節(jié)流件的孔徑，m；
D——工作條件下上游管道內(nèi)徑，m；
Δp——差壓，Pa；
ρ1——上游流體密度，kg/m3。
孔板流量計(jì)一般由節(jié)流裝置（節(jié)流件、測量管、直管段、流動(dòng)調(diào)整器、取壓管路）和差壓流量計(jì)組成，對工況變化準(zhǔn)確度要求高的場合則需配置壓力計(jì)（傳感器或變送器）并進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。其主要特點(diǎn)是：
（1）結(jié)構(gòu)易于復(fù)制，簡單，牢固，性能穩(wěn)定可靠。
（2）價(jià)格低廉。
（3）應(yīng)用廣泛，液、氣、蒸汽皆可測量。
（4）準(zhǔn)確度不高，壓損大。
1.2 渦街流量計(jì)
在流體中設(shè)置漩渦發(fā)生體（阻流體），從漩渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生兩列規(guī)則的交替排列的漩渦渦街，漩渦的分離頻率與流經(jīng)渦街流量傳感器處流體的體積流量成正比，如圖2所示。
圖2 渦街流量計(jì)原理
漩渦列在漩渦發(fā)生體下游非對稱地排列，設(shè)漩渦的發(fā)生頻率為f，被測流體平均速度為υ，漩渦發(fā)生體迎流面寬度為d，表體通徑為D，可得關(guān)系式：
式中 St——斯特勞哈爾數(shù)，在ReD=2′104-7′108范圍內(nèi)，St可視為常數(shù)。
渦街流量計(jì)的流量方程為：
式中
qv、qm——分別為體積流量和質(zhì)量流量；
f——輸出頻率；
K——流量計(jì)儀表系數(shù)；
ρ——流體密度。
當(dāng)測量氣體流量時(shí)，渦街流量計(jì)的流量計(jì)算式為：
式中
pn、Tn——分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力和溫度；
Z、Zn——分別為工作狀態(tài)下和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)；
qvn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量
p、T——分別為工作壓力和溫度。
主要特點(diǎn)：
（1）結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。
（2）適用流體種類多，液、氣、蒸汽皆可測量。
（3）準(zhǔn)確度較高，測量范圍寬，壓損小。
（4）不適用于低雷諾數(shù)測量。
（5）抗干擾能力差。
1.3 電磁流量計(jì)
電磁流量計(jì)的原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，它是一種測量導(dǎo)電性液體的體積流量儀表。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)切割磁力線，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢，利用右手定則即可確定感應(yīng)電動(dòng)勢，如圖3所示。計(jì)算式如下：
圖3 電磁流量計(jì)原理
式中
E——感應(yīng)電動(dòng)熱勢；
k——補(bǔ)償系數(shù)；
B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；
D——測量管徑；
υ——液體平均流速。
式中
主要特點(diǎn)：
（1）沒有阻流元件，不會(huì)堵塞，適用于帶有懸浮物、固體顆粒的液體和污水的測量。
（2）沒有附加壓力損失，節(jié)約能耗。
（3）儀表測量范圍大，流速可在0.5～10m/s內(nèi)選定。
（4）不能用于低導(dǎo)電率液體。
（5）由于內(nèi)襯材料為絕緣材料的限制，不能用于較高溫的場合。
1.4 均速管流量計(jì)
均速管流量計(jì)（國外稱Annbar、Torbar、Probar、Verabar、Itabar……等），是基于皮托管測速原理，以測管道中直線上幾個(gè)點(diǎn)的流速來推算流量的一種插入式流量儀表，如圖4所示。它是一根沿直徑插入管道中的中空金屬桿，在影響流體流動(dòng)方向有成對的測壓孔，一般有三對，其外形似笛子。迎流面的多點(diǎn)測壓孔測量的是總壓，與全壓管相連通，引出平均全壓p1；背流面的中心處有一開孔，與靜壓管相通，引出靜壓p2。利用全壓與靜壓之差來計(jì)算流速，其計(jì)算式為：
圖4 均速管流量計(jì)原理
式中
Qv——體積流量；
α——流量系數(shù)；
ε——可膨脹系數(shù)；
D——管道內(nèi)徑；
ρ1——被測流體密度；
Δp——差壓，Δp=p1-p2。
主要特點(diǎn)：
（1）結(jié)構(gòu)簡單，重量輕。
（2）適應(yīng)范圍寬闊，可適用于多種流體（氣、液、蒸汽）。
（3）壓損小，節(jié)能效果顯著。
（4）在直管段長度不足時(shí)，準(zhǔn)確度難以高于±2%～±3%，不宜作為計(jì)量儀表。
（5）易于堵塞，要求流體潔凈。
1.5 平衡流量計(jì)
平衡流量計(jì)（balancedflowmeter，BFM）是一種新型的流量計(jì)，是美國國家航空航天局（NASA）下屬馬歇爾航空飛行中心（NASA-MSFC）針對航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)液氧測量而設(shè)計(jì)發(fā)明的一種新型流量計(jì)，由A+FlowTek公司生產(chǎn)，亦稱為A+K平衡流量計(jì)，如圖5所示。
圖5 平衡流量計(jì)原理
A+K平衡流量計(jì)（BFM）對傳統(tǒng)節(jié)流裝置進(jìn)行了極大的改進(jìn)，將節(jié)流原理由邊緣節(jié)流改為平衡節(jié)流。平衡流量傳感器是一個(gè)多孔的圓盤節(jié)流整流器，安裝在管道的截面上，每個(gè)孔的尺寸和分布基于獨(dú)特的公式和測試數(shù)據(jù)定制，稱為函數(shù)孔。當(dāng)流體穿過圓盤的函數(shù)孔時(shí)，流體將被平衡調(diào)整，渦流被最小化，形成近似理想流體，通過標(biāo)準(zhǔn)取壓裝置，可獲得穩(wěn)定的差壓信號(hào)，再根據(jù)伯努利方程可計(jì)算出體積流量、質(zhì)量流量。
主要特點(diǎn)：
（1）測量精度高，其測量精度可達(dá)±0.5%。
（2）直管段要求低，最小可達(dá)0.5D。
（3）壓損小，節(jié)約能耗。
（4）適用范圍廣，可以測量氣體、液體、蒸汽等各種介質(zhì)。
2 關(guān)于流量計(jì)的選型
首先，必須熟悉儀表和被測介質(zhì)兩方面的情況，按照流體的特性及應(yīng)用范圍剔除不適合的方法和儀表，初步選擇測量方法和儀表。然后，按照以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析比較。
首先，根據(jù)儀表性能進(jìn)行選型，需要對精度的高低以及儀表的穩(wěn)定性等方面進(jìn)行大概的過濾。例如孔板的測量精度較差，相對來說質(zhì)量流量計(jì)的測量精度較高。因此在選型時(shí)需要注意，選擇精度符合工藝要求的儀表。其次，根據(jù)流體特性，選擇不同的流量計(jì)。舉例來說，孔板等差壓流量計(jì)對于黏稠液體的測量效果不佳；均速管類儀表一般測量潔凈的氣體或液體，對于介質(zhì)的潔凈程度有較高要求；電磁流量計(jì)用于測量可導(dǎo)電的介質(zhì)，但是對于介質(zhì)溫度的要求較高，不能高于180℃。然后，從安裝條件考慮，儀表處于管道的位置，前后直管段要求是否足夠，管道周圍空間大小是否便于儀表維護(hù)，管道是水平安裝還是豎直安裝等。從現(xiàn)場環(huán)境考慮，要考慮到現(xiàn)場的溫度對儀表的影響，是否有電磁干擾，是否存在震動(dòng)，例如渦街流量計(jì)，這種對環(huán)境要求比較高的流量計(jì)，在周圍有干擾和震動(dòng)的場合就不宜使用。最后，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，比如平衡流量計(jì)，就可以做到取代孔板，減少壓損，節(jié)約能耗。在大規(guī)格的管道上應(yīng)盡量使用插入式流量計(jì)，以節(jié)約成本。
3 結(jié)語
以上介紹了一些工業(yè)控制中常用到的流量計(jì)類型以及選型方法。在工廠的實(shí)際應(yīng)用中，儀表的選型比較紛繁，應(yīng)在眾多品種中揚(yáng)長避短，選擇最合適的儀表。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)已在流量計(jì)上得到應(yīng)用，不久的將來各種新型流量計(jì)將會(huì)應(yīng)運(yùn)而生，也將會(huì)給工業(yè)儀表應(yīng)用帶來新的革命！
參考文獻(xiàn)
[1]黃德民.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.
[2]樂嘉謙.儀表工手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.
[3]賈云飛，張濤，張清鵬.渦街流量計(jì)與孔板流量計(jì)壓力損失的比較研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2008，29（2）.
[4]孫延祚.流量儀表的合理選型[J].工業(yè)計(jì)量，2007，17（4） |
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