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孔板|文丘里|電磁|渦輪流量計(jì)性能對比

在泵的運(yùn)行與調(diào)節(jié)中,對泵流量的測量是泵性能檢測的重要指標(biāo),實(shí)際中要用到大量的流量計(jì),流量計(jì)性能將直接反映出泵的流量準(zhǔn)確度[1-2],因此,有必要對流量計(jì)的性能有所了解和掌握。本文對常用的4種流量計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)對比,得出了相關(guān)結(jié)論,以期為實(shí)際應(yīng)用及選型提供依據(jù)。

  1、常用的4種流量計(jì):

  1.1、孔板、文丘里流量計(jì):

  孔板[3]、文丘里流量計(jì)是基于伯努利方程原理制造的流量儀表,如圖1和圖2所示。它利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置所產(chǎn)生的壓差來測量流量,因此叫作差壓流量計(jì),是目前應(yīng)用***廣泛的一類流量測量儀表。其特點(diǎn)是:所測介質(zhì)為單相、均質(zhì)的牛頓流體,在通過節(jié)流裝置時不發(fā)生相變和析出雜質(zhì),在節(jié)流裝置中不得有物質(zhì)黏附或聚集。適用于圓管和上下游有較長間距的直管段。流動應(yīng)連續(xù)、穩(wěn)定,流線與管軸線平行。節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)簡單,使用壽命長,適應(yīng)性比較廣,能夠測量各種工況下的流體,度可達(dá)±1%;但其壓力損失較大,刻度呈非線性。

  圖 1 孔板流量計(jì)原理圖 圖2文丘里流量計(jì)原理圖

 

  1.2、電磁流量計(jì):

  電磁流量計(jì)[4]是基于法拉第電磁感應(yīng)定律制成的測量導(dǎo)電性液體的儀表,如圖3所示。即利用電磁感應(yīng)原理來測量導(dǎo)管中導(dǎo)電液體的平均流速。

 

電磁流量計(jì)原理圖

 

  其特點(diǎn)是:測量通道為光滑直管,不會阻塞,適用于測量含固體顆粒的液固二相流體(如紙漿、泥漿、污水等),沒有壓力損失,所測體積流量不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導(dǎo)率(>10-5Ω/cm)的影響,測量范圍大(流速為0.3~10m/s),口徑范圍寬(3mm至3m),測量精度比較高(基本誤差值的±0.2%~±0.5%),輸出與被測介質(zhì)平均流速成正比,與流動狀態(tài)無關(guān),可測量瞬時脈動流量。但是它不能測量電導(dǎo)率很低的液體(如石油制品),不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體,不能用于測量較高溫度的介質(zhì)(易受外界電磁干擾)。

  1.3、渦輪流量計(jì):

  渦輪流量計(jì)[5]是基于動量矩守恒原理制造的速度式流量儀表,即利用置于流體中葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成比例的關(guān)系,通過測量葉輪的轉(zhuǎn)速來反映通過管道的體積流量,是目前流量儀表中比較成熟的高精度儀表,工作原理如4所示。

 

圖4 渦輪流量計(jì)原理圖

 

  其特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡單、加工零部件少、重量輕、維修方便、流通能力大(同樣口徑可通過的流量大),易實(shí)現(xiàn)脈沖遠(yuǎn)距離傳送,可適應(yīng)高參數(shù)(高溫、高壓和低溫)的測量需要,測量度較高,測量范圍較寬,動態(tài)響應(yīng)好,壓力損失較小;但是被測流體的部分物性對測量度有一定的影響,不能長期保持校準(zhǔn)特性,對被測介質(zhì)清潔度要求較高,流體的溫度、黏度、密度對儀表指示值有較大影響,由于有轉(zhuǎn)動部件會帶來磨損,儀表的使用年限受影響。適宜測量比較潔凈的低黏度液體。

  2、π定理推導(dǎo)水力特性:

  2.1、孔板、文丘里流量計(jì)水力特性:

  對于孔板、文丘里流量計(jì),流速v的影響因素有:進(jìn)口管徑d1、孔徑(喉徑)d2、流體的密度ρ、動力黏度系數(shù)μ及斷面間壓強(qiáng)差Δp。據(jù)π定理:

 

孔板|文丘里|電磁|渦輪流量計(jì)性能對比

 

  其量綱[v]=[LT-1];[d1]=[L];[d2]=[L];[ρ]=[L-3M];[μ]=[L-1MT-1];[Δp]=[L-1MT-2],選ρ,v,d1為循環(huán)量,Δp,μ,d2為無量綱數(shù)π1,π2,π3。

  π1=Δpρavbdc1;π2=μρavbdc1;π3=d2ρavbdc1代入各量綱整理得:

 

孔板|文丘里|電磁|渦輪流量計(jì)性能對比

 

  Re,考慮損失,引入流量系數(shù)μQ,得流量表達(dá)式:

 

孔板|文丘里|電磁|渦輪流量計(jì)性能對比

 

  由(2)式可知,流量Q與流量系數(shù)μQ、管道雷諾數(shù)Re及管徑與孔徑比d2/d1有關(guān)。

  2.2 電磁流量計(jì)水力特性

  當(dāng)流體的電導(dǎo)率大于10-5Ω/cm時,電磁流量計(jì)流速與流體的物性無關(guān),流速v的影響因素有:電磁感應(yīng)強(qiáng)度e、磁場強(qiáng)度B、管道直徑D。據(jù)π定理:

  f(v,D,e,B)=0(3)

  其量綱[ω]=[LT-1];[D]=[L];[e]=[L2MT-3I-1];[B]=[MT-2I-1],選v,D,B為循環(huán)量,e為無量綱數(shù)π0,π0=evaDbBc。

  代入各量綱整理得:

 

孔板|文丘里|電磁|渦輪流量計(jì)性能對比

 

  則流量表達(dá)式:

 

孔板|文丘里|電磁|渦輪流量計(jì)性能對比

 

  由(4)式可知,當(dāng)磁場強(qiáng)度B、管道直徑D為常數(shù)時,流量Q僅與電磁感應(yīng)強(qiáng)度e相關(guān)且成正比。

  2.3、渦輪流量計(jì)水力特性:

  當(dāng)渦輪結(jié)構(gòu)一定時,渦輪流量計(jì)流速v與葉輪的轉(zhuǎn)速相關(guān),故影響因素有:葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度ω、流體密度ρ、動力黏度系數(shù)μ、管徑D、葉輪轉(zhuǎn)動的阻力矩M(包括摩擦阻力矩和磁阻尼力矩等)。據(jù)π定理:

 

孔板|文丘里|電磁|渦輪流量計(jì)性能對比

 

 

孔板|文丘里|電磁|渦輪流量計(jì)性能對比

 

  由(6)式可知,當(dāng)管徑D一定,流量Q與渦輪轉(zhuǎn)速n成一定的比例關(guān)系,和雷諾數(shù)Re、渦輪旋轉(zhuǎn)阻力與流體慣性力之比及渦輪平均半徑與管徑之比相關(guān)。

  3、試驗(yàn)裝置及方法:

  試驗(yàn)測試裝置由電磁、渦輪、文丘里和孔板4個同口徑(Φ25mm)的流量計(jì),組成串聯(lián)管路、自動切換控制儀、計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)、自循環(huán)供水系統(tǒng)及輔助補(bǔ)水機(jī)構(gòu),如圖5所示。

 

孔板|文丘里|電磁|渦輪流量計(jì)性能對比

 

  孔板流量計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)孔板角接取壓,β=0.450;文丘里流量計(jì)采用圓錐形文丘里管,β=0.628;電磁流量計(jì)傳感器型號LDG225S,度1級;渦輪流量計(jì)傳感器型號LWGY225A,度0.5級。輔助補(bǔ)水機(jī)構(gòu)的作用是當(dāng)用稱重法測量時,對水箱進(jìn)行補(bǔ)水以保持水箱水位不變,形成管道內(nèi)恒速定常運(yùn)動。系統(tǒng)管徑Φ25mm,流量范圍0~3m3/h。各流量計(jì)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)瞬時采集。稱重法由秒表記錄時間,電子秤測試重量,采用同量測3次,取平均值為測定流量。同量4個流量計(jì)和稱重法同時測量,測定流量值各不相同,以稱重法為真值基準(zhǔn),通過分析對比,揭示各自的性能特點(diǎn)。

  4、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析:

  本試驗(yàn)測得流量計(jì)及稱重法5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),按試驗(yàn)順序計(jì)算匯總?cè)绫?和表2所示。為了便于研究,將稱重法測量數(shù)據(jù)為X軸,各流量計(jì)數(shù)據(jù)與稱重法數(shù)據(jù)之差為Y軸,以及相對誤差為Y軸,利用Origin軟件繪流量曲線如圖6、圖7所示。

 

孔板|文丘里|電磁|渦輪流量計(jì)性能對比

 

 

孔板|文丘里|電磁|渦輪流量計(jì)性能對比

 

  分析圖6和圖7,當(dāng)流量0.451m3/h時,管中水速為0.255m/s,雷諾數(shù)Re=6336,處于紊流狀態(tài)。對于電磁流量計(jì),測量精度主要受傳感器性能的影響,流速較低時積聚在電極上的電荷較少,受縱向速度影響明顯,因此出現(xiàn)較大的偏差;在流量逐漸增加的過程中,縱向速度的影響逐漸減小,誤差減小,精度、可靠性增加,說明電磁流量計(jì)在小流量時度較低。
  對于渦輪流量計(jì),流量與渦輪轉(zhuǎn)速成比例,與儀表常數(shù)有關(guān),小流量時出現(xiàn)偏差,測量值偏小,這是因?yàn)榇藭r葉輪的機(jī)械摩擦阻力及磁阻尼力矩相對旋轉(zhuǎn)力矩較大,因此所測的流量值偏小;隨著流量的增加,旋轉(zhuǎn)力矩增大,誤差逐漸減小,精度、可靠性增加。對于文丘里流量計(jì),屬于平緩節(jié)流,所測過程中受旋渦影響較小,且沒有旋轉(zhuǎn)部件,精度取決于試驗(yàn)標(biāo)定,因此精度、可靠性較高,說明文丘里流量計(jì)適應(yīng)性較廣。
  對于孔板流量計(jì),小流量時所測數(shù)據(jù)偏大,這是因?yàn)榇藭r壓差Δp較小,易受流體擾動的影響,孔板前后區(qū)域存在旋渦,因而測量偏差較大;隨著流量的增加,旋渦的影響減小,精度、可靠性增加,說明孔板流量計(jì)不適于測量較小流量。
  流量從0.745m3/h增加1.899m3/h的過程中,電磁流量計(jì)的度要略高于渦輪、文丘里和孔板流量計(jì),精度都能達(dá)到1級。流量從1.899m3/h增加2.963m3/h的過程中,各流量計(jì)精度都較高,表現(xiàn)在圖7中的曲線趨于一點(diǎn)。以上分析可知,電磁、渦輪、孔板流量計(jì)均不適于較小的流量,而文丘里流量計(jì)因?yàn)閴簱p小,對旋渦不敏感,較接近真值。大流量時各流量計(jì)都有一定的波動,但測值接近真值,說明它們的性能是可靠的。

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