[導(dǎo)讀] 【摘要】目前常用的大管徑水流量測(cè)量儀表有節(jié)流差壓流量計(jì)、電磁流量計(jì)、插入式渦輪流量計(jì)、插入式渦街流量計(jì)、均速管流量計(jì)以及超聲波流量計(jì)等。本文試圖對(duì)各種儀表在測(cè)量過程中的能量消耗、流速分布影響、安裝直管段要求,對(duì)水質(zhì)的要求等作些分布比較,供選用時(shí)參考。
1 幾種大管徑流量儀表的原理和特點(diǎn)
1·1 節(jié)流差壓式流量計(jì)
這種儀表的測(cè)量原理是伯努力方程和流體的連續(xù)性方程。利用節(jié)流裝置前后的差壓與平均流量的關(guān)系,測(cè)得差壓值,推算出流量。如圖1所示,充滿管道的水流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)(圖中為孔板,在多數(shù)大管徑輸水測(cè)量中常用文丘利管,如圖2)。流束在節(jié)流裝置處由于流通面積急劇收縮,從而流速增加,水的靜壓從P1降到P2,利用差壓變送器可測(cè)得節(jié)流裝置前后產(chǎn)生的差壓ΔP=P1-P2。根據(jù)伯努力方程可知,水的流量與差壓ΔP的平方根成正比關(guān)系,即:
式中M是一個(gè)綜合比例系數(shù),它與節(jié)流裝置截面比、水的密度等有關(guān),可由實(shí)驗(yàn)求得。
如圖1所示,管道中水壓經(jīng)節(jié)流裝置后從P1降到P2,再流過一段后回升到P3,則P1-P3即為流過節(jié)流裝置的阻力損失,換言之,也就是這種測(cè)量過程的能量消耗。節(jié)流差壓式流量儀表常用孔板、噴嘴、文丘利管,比較來說,孔板的結(jié)構(gòu)最簡單、價(jià)格低,文丘利管結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、價(jià)格也最貴,噴嘴介于兩者中間。在壓力損失方面從大到小依次是孔板、噴嘴、文丘利管。孔板和噴嘴安裝長度都較短,而文丘利管安裝長度很長。這3種節(jié)流裝置中孔板和噴嘴已有國家標(biāo)準(zhǔn),可按照工藝參數(shù)通過計(jì)算確定,不須實(shí)流標(biāo)定。文丘利管可參照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算,但應(yīng)實(shí)流標(biāo)定。
1·2 電磁流量計(jì)
本儀表的工作原理是法拉第電磁感應(yīng)定律。如圖3所示,導(dǎo)電液體在管道內(nèi)流過,穿過垂直于管道的磁場(chǎng),相當(dāng)于長度為D的導(dǎo)電體切割磁力線,在與流向和磁力線都垂直的方向就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E,即:
式中B———磁通密度,Gs
D———管道內(nèi)徑,cm
V———液體平均流速,cm/s
則液體的體積流量可用下式表示。
從電磁流量計(jì)的測(cè)量原理可以看出,管道中沒有任何阻流元件,所以不會(huì)帶來壓力損失,這是此儀表最顯著的優(yōu)點(diǎn)。電磁流量計(jì)還可測(cè)量含雜質(zhì)的固液兩相流,也適用于測(cè)未經(jīng)處理的江河原水。電磁流量計(jì)須進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定。
1·3 插入式渦輪流量計(jì)
插入式渦輪流量計(jì)的原理是測(cè)量管道橫截面上某一局部流速,乘以該局部流速與平均流速之間的系數(shù)和截面積,以求得體積流量。這種儀表有隔離閥,可以在不停水的情況下安裝或調(diào)換渦輪頭。渦輪頭位置可以在管道中心,也可插在平均流速區(qū)。流速的分布對(duì)測(cè)量精度影響很大,因此要遠(yuǎn)離影響流速正態(tài)分布的彎頭、閥門等,也就是說對(duì)安裝直管段的要求較高。
1·4 插入式渦街流量計(jì)
插入式渦街流量計(jì)是基于卡門渦街原理制成的。流體流經(jīng)插入到管道中的旋渦發(fā)生體時(shí),發(fā)生體兩側(cè)交替產(chǎn)生旋渦,并產(chǎn)生壓力脈動(dòng)從而使發(fā)生體產(chǎn)生交變應(yīng)力,封裝在檢測(cè)體內(nèi)的壓電膜片在此交變應(yīng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生與旋渦頻率相同的電信號(hào),產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)過處理,轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)輸出,在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi),流量與旋渦的頻率成正比。這種儀表也可以不停流拆裝,對(duì)被測(cè)液體的流速有最大(最小)流速的要求,而對(duì)大管徑輸水管道往往是流速太低,因此為了提高流速以滿足使用要求,往往需要縮管。另外此種儀表對(duì)振動(dòng)要求比較高。
1·5 均速管流量計(jì)
均速管流量計(jì)是基于伯努力方程工作的。如圖4所示.
平均流速與截面積(F)的乘積即為液體的體積流量。即:
式中N為一個(gè)綜合系數(shù),它與工作狀態(tài)被測(cè)液體的密度、流通面積、重力加速度等有關(guān),可通過實(shí)驗(yàn)求得。這種儀表也是一種差壓式儀表。由于大管徑輸水流速較低,差壓值較小,所以要配以低量程的差壓變送器。它的阻力損失較小,亦可不停流拆裝。均速管流量計(jì)受靜壓影響較大,且要進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定。
1·6 超聲波流量計(jì)
超聲波流量計(jì)是一種非接觸式測(cè)量儀表,它是利用超聲波的傳播速度來測(cè)量的,如圖5所示。設(shè)水流速度為V,水靜止時(shí)聲速為C,則從上游發(fā)射換能器T1發(fā)出的超聲波到達(dá)下游接收換能器R1的時(shí)間為t1=從下游發(fā)射換能器T2發(fā)出的超聲波到達(dá)上游接收換能器R2的時(shí)間為則時(shí)間差Δt為:
測(cè)出Δt就可推算出流速V,稱作時(shí)間差法。為克服水溫對(duì)聲速的影響,大管徑輸水多采用頻率差法。
超聲波流量計(jì)的拆裝不需停水,無額外阻力損失。它是以測(cè)得平均流速乘以截面積而得到體積流量,所以流速的分布對(duì)測(cè)量值影響較大,與電磁流量計(jì)相比易受流速分布影響而需略高的直管段要求。另外若水中含有雜質(zhì),超聲波在水中傳播將受到阻礙造成信號(hào)減弱或不穩(wěn)定,所以它不適合測(cè)量兩相流及江河原水等。
2 使用性能比較
2·1 能量消耗
當(dāng)今時(shí)代,節(jié)約用水、節(jié)能已被全社會(huì)所關(guān)注,流量測(cè)量的目的是節(jié)約用水,所以測(cè)量過程中的能量消耗不容忽視。測(cè)量過程中的能量消耗分為兩部分:第一部分是水流經(jīng)測(cè)量元件時(shí)阻力帶來的壓力損失,給水泵額外增加的負(fù)荷;第二部分是儀表本身的耗電量。第一種能量消耗在上述幾種儀表中,電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)最小,幾乎沒有額外的阻力損失。插入式渦輪、渦街流量計(jì)和均速管流量計(jì)雖在管道中有阻流元件,但壓力損失很小,而節(jié)流差壓式流量儀表的阻力損失較大,不容忽視。有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明,采用孔板測(cè)量大管徑輸水流量,僅因?yàn)樽枇p失給泵額外增加的負(fù)荷,一年的耗電費(fèi)用將超過儀表本身價(jià)格的十倍。第二部分能量消耗,上述幾種儀表均有。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,耗電量呈下降趨勢(shì),其中電磁流量計(jì)耗電量較大,通過改善勵(lì)磁電源可以改善此項(xiàng)指標(biāo),但總的來說,電磁流量計(jì)的耗電量還是居以上幾種儀表之首。
2·2 流速分布影響和直管段要求
由于測(cè)量原理不同,所以各種儀表對(duì)流速分布的敏感程度不同,電磁流量計(jì)測(cè)量全面積流速,受流速分布的影響最小,超聲波流量計(jì),均速管流量計(jì)和插入式渦街流量計(jì)影響居中,插入式渦輪流量計(jì)是測(cè)量局部流速,影響最大。影響流速分布的主要因素是上下游直管段的長度,所以不同儀表對(duì)上下游直管段的要求不同。一般來說,電磁流量計(jì)前置直管段要求5D即可,無后置直管段要求。超聲波、均速管、插入式渦街流量計(jì)上游則要求10D以上,下游則要求3~5D.插入式渦輪流量計(jì)上游則要求20D以上,下游則7D以上,差壓節(jié)流式儀表根據(jù)截面比不同,上下游則分別要求15~30D和4~7D.對(duì)大管徑輸水管道,由于直管段長度長,有時(shí)因場(chǎng)地制約可能成為選用時(shí)要考慮的主要因素。
2·3 對(duì)水質(zhì)的要求
大管徑輸水管路中除了清潔水,也有含雜質(zhì)的濁水,如江河原水,各種儀表對(duì)水質(zhì)清潔程度要求不同,電磁流量計(jì)適應(yīng)性最強(qiáng),不限制水中雜質(zhì)的含量,甚至可用來測(cè)量紙漿、礦漿等較粘稠流體的流量。超聲波流量計(jì)雖然結(jié)構(gòu)上無阻流元件,但如前所述,雜質(zhì)將影響超聲波的傳播,使用上受到一定限制。節(jié)流差壓式流量計(jì)、均速管流量計(jì)和插入式渦街流量計(jì)可用來測(cè)量含少量雜質(zhì)的水,但要采取沖洗、排污等措施。插入式渦輪流量計(jì)對(duì)水質(zhì)要求最嚴(yán)格,必須對(duì)介質(zhì)進(jìn)行過濾或沉淀處理,否則渦輪頭磨損嚴(yán)重,會(huì)大幅度降低使用壽命。
2·4 量程比
量程比是儀表能準(zhǔn)確測(cè)量的最大流量和最小流量的比值,它是選用儀表的一個(gè)重要參數(shù)。電磁流量計(jì)量程比通常為20,超聲波和插入式渦街流量計(jì)可做到10,插入式渦輪流量計(jì)約為5。節(jié)流差壓式流量計(jì)和均速管流量計(jì)由于受流量和差壓成平方根非線性關(guān)系及臨界雷諾數(shù)的限制,量程比較小,節(jié)流差壓式流量計(jì)的量程比只有3,均速管流量計(jì)約為3·5左右。