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现行流量计的特点以及选型

时间:2012/9/24 14:45:55 点击:2010

  核心提示:0前言在当前的工业生产应用中,存在着种类繁多的流量计,对设计人员选型造成了一定的难度。流量计按测量原理大致可以分为容积式、速度式、差压式、面积式、质量式等。不同类型的流量计其优点也略有不同,需针对不同的测量领域、不同的测量介质、不同的工作范围,选择不同种类、不同型号的流量计,以取得更好的测量效果。本...
    0 前言

    在当前的工业生产应用中,存在着种类繁多的流量计,对设计人员选型造成了一定的难度。流量计按测量原理大致可以分为容积式、速度式、差压式、面积式、质量式等。不同类型的流量计其优点也略有不同,需针对不同的测量领域、不同的测量介质、不同的工作范围,选择不同种类、不同型号的流量计,以取得更好的测量效果。本文以几种常用的流量计为例,介绍流量计的测量原理以及主要选型优点。

    1 流量计介绍

    1.1 孔板流量计

    孔板流量计是最常用的一种流量计,属于差压式流量计,以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础。充满管道的流体在经过管道内节流元件时(如标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴等),流体流线在节流元件处形成局部收缩,流速加快,在节流元件前后形成压差。根据压差的大小可以衡量流量的大小,如图1所示。

图1 孔板流量计原理

    计算公式为:

   

    式中

    qm——质量流量,kg/s;

    qv——体积流量,m3/s;

    c——流出系数;

    ε——可膨胀性系数;

    β——直径比,β=d/D

    d——工作条件下节流件的孔径,m;

    D——工作条件下上游管道内径,m;

    Δp——差压,Pa;

    ρ1——上游流体密度,kg/m3

    孔板流量计一般由节流设备(节流件、测量管、直管段、流动调整器、取压管路)和差压流量计组成,对工况变化准确度要求高的场合则需配置压力计(传感器或变送器)并进行温压补偿。其主要优点是:

    (1)结构易于复制,简单,牢固,性能稳定可靠。

    (2)价格低廉。

    (3)应用广泛,液、气、蒸汽皆可测量。

    (4)准确度不高,压损大。

    1.2 涡街流量计

    在流体中设置漩涡发生体(阻流体),从漩涡发生体两侧交替地产生两列规则的交替排列的漩涡涡街,漩涡的分离频率与流经涡街流量传感器处流体的体积流量成正比,如图2所示。

图2 涡街流量计原理

    漩涡列在漩涡发生体下游非对称地排列,设漩涡的发生频率为f,被测流体平均速度为υ,漩涡发生体迎流面宽度为d,表体通径为D,可得关系式:

   

    式中 St——斯特劳哈尔数,在ReD=2´104-7´108范围内,St可视为常数。

    涡街流量计的流量方程为:

   

    式中

    qv、qm——分别为体积流量和质量流量;

    f——输出频率;

    K——流量计仪表系数;

    ρ——流体密度。

    当测量气体流量时,涡街流量计流量计算式为:

   

    式中

    pn、Tn——分别为标准状态下的压力和温度;

    Z、Zn——分别为工作状态下和标准状态下的气体压缩系数;

    qvn——标准状态下的体积流量

    p、T——分别为工作压力和温度。

    主要优点:

    (1)结构简单,维护方便。

    (2)适用流体种类多,液、气、蒸汽皆可测量。

    (3)准确度较高,测量范围宽,压损小。

    (4)不适用于低雷诺数测量。

    (5)抗干扰能力差。

    1.3 电磁流量计

    电磁流量计的原理是根据法拉第电磁感应定律,它是一种测量导电性液体的体积流量仪表。根据法拉第电磁感应定律,导体在磁场中运动时切割磁力线,在导体两端产生感应电势,利用右手定则即可确定感应电动势,如图3所示。计算式如下:

图3 电磁流量计原理

    式中

    E——感应电动热势;

    k——补偿系数;

    B——磁感应强度;

    D——测量管径;

    υ——液体平均流速。

   

    式中

    主要优点:

    (1)没有阻流元件,不会堵塞,适用于带有悬浮物、固体颗粒的液体和污水的测量。

    (2)没有附加压力损失,节约能耗。

    (3)仪表测量范围大,流速可在0.5~10m/s内选定。

    (4)不能用于低导电率液体。

    (5)由于内衬材料为绝缘材料的限制,不能用于较高温的场合。

    1.4 均速管流量计

    均速管流量计(国外称Annbar、Torbar、Probar、Verabar、Itabar……等),是根据皮托管测速原理,以测管道中直线上几个点的流速来推算流量的一种插入式流量仪表,如图4所示。它是一根沿直径插入管道中的中空金属杆,在影响流体流动方向有成对的测压孔,一般有三对,其外形似笛子。迎流面的多点测压孔测量的是总压,与全压管相连通,引出平均全压p1;背流面的中心处有一开孔,与静压管相通,引出静压p2。利用全压与静压之差来计算流速,其计算式为:

图4 均速管流量计原理

    式中

    Qv——体积流量;

    α——流量系数;

    ε——可膨胀系数;

    D——管道内径;

    ρ1——被测流体密度;

    Δp——差压,Δp=p1-p2

    主要优点:

    (1)结构简单,重量轻。

    (2)适应范围宽阔,可适用于多种流体(气、液、蒸汽)。

    (3)压损小,节能效果显著。

    (4)在直管段长度不足时,准确度难以高于±2%~±3%,不宜作为计量仪表。

    (5)易于堵塞,要求流体洁净。

    1.5 平衡流量计

    平衡流量计(balancedflowmeter,BFM)是一种新型的流量计,是美国国家航空航天局(NASA)下属马歇尔航空飞行中心(NASA-MSFC)针对航天飞机的主发动机液氧测量而设计发明的一种新型流量计,由A+FlowTek公司生产,亦称为A+K平衡流量计,如图5所示。

图5 平衡流量计原理

    A+K平衡流量计(BFM)对传统节流设备进行了极大的改进,将节流原理由边缘节流改为平衡节流。平衡流量传感器是一个多孔的圆盘节流整流器,安装在管道的截面上,每个孔的尺寸和分布根据独特的公式和测试数据定制,称为函数孔。当流体穿过圆盘的函数孔时,流体将被平衡调整,涡流被最小化,形成近似理想流体,通过标准取压设备,可获得稳定的差压信号,再根据伯努利方程可计算出体积流量、质量流量。

    主要优点:

    (1)测量精度高,其测量精度可达±0.5%。

    (2)直管段要求低,最小可达0.5D。

    (3)压损小,节约能耗。

    (4)适用范围广,可以测量气体、液体、蒸汽等各种介质。

    2 关于流量计的选型

    首先,必须熟悉仪表和被测介质两方面的情况,按照流体的特性及应用范围剔除不适合的方法和仪表,初步选择测量方法和仪表。然后,按照以下几个方面进行分析比较。

    首先,根据仪表性能进行选型,需要对精度的高低以及仪表的稳定性等方面进行大概的过滤。例如孔板的测量精度较差,相对来说质量流量计的测量精度较高。因此在选型时需要注意,选择精度符合工艺要求的仪表。其次,根据流体特性,选择不同的流量计。举例来说,孔板等差压流量计对于黏稠液体的测量效果不佳;均速管类仪表一般测量洁净的气体或液体,对于介质的洁净程度有较高要求;电磁流量计用于测量可导电的介质,但是对于介质温度的要求较高,不能高于180℃。然后,从安装条件考虑,仪表处于管道的位置,前后直管段要求是否足够,管道周围空间大小是否便于仪表维护,管道是水平安装还是竖直安装等。从现场环境考虑,要考虑到现场的温度对仪表的影响,是否有电磁干扰,是否存在震动,例如涡街流量计,这种对环境要求比较高的流量计,在周围有干扰和震动的场合就不宜使用。最后,从经济方面考虑,比如平衡流量计,就可以做到取代孔板,减少压损,节约能耗。在大规格的管道上应尽量使用插入式流量计,以节约成本。

    3 结语

    以上介绍了一些工业控制中常用到的流量计类型以及选型方法。在工厂的实际应用中,仪表的选型比较纷繁,应在众多品种中扬长避短,选择最合适的仪表。随着科学技术的发展,传感技术、计算机技术、微电子技术、通信技术已在流量计上得到应用,不久的将来各种新型流量计将会应运而生,也将会给工业仪表应用带来新的革命!

    参考文献

    [1]黄德民.石油化工自动控制设计手册[M].北京:化学工业出版社,2000.
    [2]乐嘉谦.仪表工手册[M].北京:化学工业出版社,2003.
    [3]贾云飞,张涛,张清鹏.涡街流量计与孔板流量计压力损失的比较研究[J].计量学报,2008,29(2).
    [4]孙延祚.流量仪表的合理选型[J].工业计量,2007,17(4).

作者:佚名 来源:不详
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