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常用4種流量計原理結構與選型對比

  利用π定理推導出孔板、文丘里、電磁及渦輪流量計水力特性。將4種流量計串聯組成測試裝置進行試驗研究,利用軟件采集各流量計測試數據,與稱重法測量數據進行對比。用Origin軟件繪出流量曲線,分析在不同流量條件下各種流量計的準確度和誤差率,以期為流量計的選型和應用提供有價值的參考依據。 
    1常用的4種流量計

  1.1 孔板、文丘里流量計

  孔板[3]、文丘里流量計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。它利用流體流經節流裝置所產生的壓差來測量流量,因此叫作差壓流量計,是目前應用***廣泛的一類流量測量儀表。其特點是:所測介質為單相、均質的牛頓流體,在通過節流裝置時不發生相變和析出雜質,在節流裝置中不得有物質黏附或聚集。適用于圓管和上下游有較長間距的直管段。流動應連續、穩定,流線與管軸線平行。節流裝置結構簡單,使用壽命長,適應性比較廣,能夠測量各種工況下的流體,度可達±1%;但其壓力損失較大,刻度呈非線性。

  常用4種流量計原理結構與選型對比

 

  1.2 電磁流量計

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

 

常用4種流量計原理結構與選型對比

 

  其特點是: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%),輸出與被測介質平均流速成正比,與流動狀態無關,可測量瞬時脈動流量。但是它不能測量電導率很低的液體(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(易受外界電磁干擾)。

  1.3 渦輪流量計

  渦輪流量計[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角速度與流體流速成比例的關系,通過測量葉輪的轉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。

 

常用4種流量計原理結構與選型對比

 

  其特點是:結構簡單、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),易實現脈沖遠距離傳送,可適應高參數(高溫、高壓和低溫)的測量需要,測量度較高,測量范圍較寬,動態響應好,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,不能長期保持校準特性,對被測介質清潔度要求較高,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。

  2π定理推導水力特性

  2.1 孔板、文丘里流量計水力特性

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

 

常用4種流量計原理結構與選型對比

 

  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為循環量,Δp,μ,d2為無量綱數π1,π2,π3。

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

 

常用4種流量計原理結構與選型對比

 

  Re,考慮損失,引入流量系數μQ,得流量表達式:

 

常用4種流量計原理結構與選型對比

 

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

  2.2 電磁流量計水力特性

  當流體的電導率大于10-5Ω/cm時,電磁流量計流速與流體的物性無關,流速v的影響因素有:電磁感應強度e、磁場強度B、管道直徑D。據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為循環量,e為無量綱數π0,π0=evaDbBc。

  代入各量綱整理得:

 

常用4種流量計原理結構與選型對比

 

  則流量表達式:

 

常用4種流量計原理結構與選型對比

 

  由(4)式可知,當磁場強度B、管道直徑D為常數時,流量Q僅與電磁感應強度e相關且成正比。

  2.3 渦輪流量計水力特性

  當渦輪結構一定時,渦輪流量計流速v與葉輪的轉速相關,故影響因素有:葉輪的旋轉角速度ω、流體密度ρ、動力黏度系數μ、管徑D、葉輪轉動的阻力矩M(包括摩擦阻力矩和磁阻尼力矩等)。據π定理:

 

常用4種流量計原理結構與選型對比

 

 

常用4種流量計原理結構與選型對比

 

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

  3 試驗裝置及方法

  試驗測試裝置由電磁、渦輪、文丘里和孔板4個同口徑(Φ25mm)的流量計,組成串聯管路、自動切換控制儀、計算機測控系統、自循環供水系統及輔助補水機構,如圖5所示。

 

常用4種流量計原理結構與選型對比

 

  孔板流量計采用標準孔板角接取壓,β=0.450;文丘里流量計采用圓錐形文丘里管,β=0.628;電磁流量計傳感器型號LDG225S,度1級;渦輪流量計傳感器型號LWGY225A,度0.5級。輔助補水機構的作用是當用稱重法測量時,對水箱進行補水以保持水箱水位不變,形成管道內恒速定常運動。系統管徑Φ25mm,流量范圍0~3m3/h。各流量計數據由計算機瞬時采集。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,通過分析對比,揭示各自的性能特點。

  4 試驗數據及分析

  本試驗測得流量計及稱重法5組實驗數據,按試驗順序計算匯總如表1和表2所示。為了便于研究,將稱重法測量數據為X軸,各流量計數據與稱重法數據之差為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。

 

常用4種流量計原理結構與選型對比

 

 

常用4種流量計原理結構與選型對比

 

  分析圖6和圖7,當流量0.451m3/h時,管中水速為0.255m/s,雷諾數Re=6336,處于紊流狀態。對于電磁流量計,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,說明電磁流量計在小流量時度較低。對于渦輪流量計,流量與渦輪轉速成比例,與儀表常數有關,小流量時出現偏差,測量值偏小,這是因為此時葉輪的機械摩擦阻力及磁阻尼力矩相對旋轉力矩較大,因此所測的流量值偏小;隨著流量的增加,旋轉力矩增大,誤差逐漸減小,精度、可靠性增加。對于文丘里流量計,屬于平緩節流,所測過程中受旋渦影響較小,且沒有旋轉部件,精度取決于試驗標定,因此精度、可靠性較高,說明文丘里流量計適應性較廣。對于孔板流量計,小流量時所測數據偏大,這是因為此時壓差Δp較小,易受流體擾動的影響,孔板前后區域存在旋渦,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,電磁流量計的度要略高于渦輪、文丘里和孔板流量計,精度都能達到1級。流量從1.899m3/h增加2.963m3/h的過程中,各流量計精度都較高,表現在圖7中的曲線趨于一點。以上分析可知,電磁、渦輪、孔板流量計均不適于較小的流量,而文丘里流量計因為壓損小,對旋渦不敏感,較接近真值。大流量時各流量計都有一定的波動,但測值接近真值,說明它們的性能是可靠的。

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