摘要:利用π定理推導(dǎo)出孔板、文丘里、電磁及渦輪流量計(jì)水力特性。將4種流量計(jì)串聯(lián)組成測(cè)試裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究,利用軟件采集各流量計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù),與稱重法測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(jì)的精度和誤差率,以期為流量計(jì)的選型和應(yīng)用提供有價(jià)值的參考依據(jù)。
在泵的運(yùn)行與調(diào)節(jié)中,對(duì)泵流量的測(cè)量是泵性能檢測(cè)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精度[1-2],因此，有必要對(duì)流量計(jì)的性能有所了解和掌握。本文對(duì)常用的4種流量計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)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、文丘里流量計(jì)是基于伯努利方程原理.制造的流量?jī)x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(lái)測(cè)量流量，因此叫作差壓流量計(jì),是目前應(yīng)用最廣泛的一類流量測(cè)量?jī)x表。其特點(diǎn)是:所測(cè)介質(zhì)為單相、均質(zhì)的牛頓流體，在通過(guò)節(jié)流裝置時(shí)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(zhǎng)間距的直管段。流動(dòng)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(jiǎn)單,使用壽命長(zhǎng),適應(yīng)性比較廣，能夠測(cè)量各種工況下的流體,精度可達(dá).±1%;但其壓力損失較大,刻度呈非線性。
1.2電磁流量計(jì)
電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律制成的測(cè)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(lái)測(cè)量導(dǎo)管中導(dǎo)電液體的平均流速。
其特點(diǎn)是:測(cè)量通道為光滑直管,不會(huì)阻塞,適用于測(cè)量含固體顆粒的液固二相流體(如紙漿、泥漿.污水等),沒(méi)有壓力損失,所測(cè)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(cè)量范圍大(流速為0.3~10m/s),口徑范圍寬(3mm至3m),測(cè)量精度比較高(基本誤差值的±0.2%~±0.5%),輸出與被測(cè)介質(zhì)平均流速成正比，與流動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān),可測(cè)量瞬時(shí)脈動(dòng)流量。但是它不能測(cè)量電導(dǎo)率很低的液體(如石油制品),不能測(cè)量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體,不能用于測(cè)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)是基于動(dòng)量矩守恒原理制造的速度式流量?jī)x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(guò)測(cè)量葉輪的轉(zhuǎn)速來(lái)反映通過(guò)管道的體積流量,是目前流量?jī)x表中比較成熟的高精度儀表,工作原理如4所示。
其特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)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(cè)量需要,測(cè)量精度較高,測(cè)量范圍較寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,壓力損失較小;但是被測(cè)流體的部分物性對(duì)測(cè)量精度有一定的影響,不能長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)特性,對(duì)被測(cè)介質(zhì)清潔度要求較高,流體的溫度、黏度、密度對(duì)儀表指示值有較大影響,由于有轉(zhuǎn)動(dòng)部件會(huì)帶來(lái)磨損,儀表的使用年限受影響。適宜測(cè)量比較潔凈的低黏度液體。
2π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(duì)于孔板、文丘里流量計(jì),流速ʋ的影響因素有:進(jìn)口管徑d1、孔徑(喉徑)d2、流體的密度ρ、動(dòng)力黏度系數(shù)μ及斷面間壓強(qiáng)差△p.據(jù)π定理:
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10-5s/cm時(shí),電磁流量計(jì)流速與流體的物性無(wú)關(guān),流速ʋ的影響因素有:電磁感應(yīng)強(qiáng)度e、磁場(chǎng)強(qiáng)度B、管道直徑D.據(jù)π定理:
由(4)式可知,當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度B、管道直徑D為常數(shù)時(shí)，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(shí),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w、流體密度ρ、動(dòng)力黏度系數(shù)μ、管徑D、葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩M(包括摩擦阻力矩和磁阻尼力矩等).據(jù)π定理:
由(6)式可知,當(dāng)管徑D一定,流量Q與渦輪轉(zhuǎn)速n成--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(cè)試裝置由電磁、渦輪、文丘里和孔板4個(gè)同口徑(中25mm)的流量計(jì),組成串聯(lián)管路、自動(dòng)切換控制儀、計(jì)算機(jī)測(cè)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(hào)LDG-25S,精度1級(jí);渦輪流.量計(jì)傳感器型號(hào)LWGY-25A,精度0.5級(jí)。輔助補(bǔ)水機(jī)構(gòu)的作用是當(dāng)用稱重法測(cè)量時(shí),對(duì)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(dòng)。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(shí)采集。稱重法由秒表記錄時(shí)間,電子秤測(cè)試重量,采用同一流量測(cè)3次,取平均值為測(cè)定流量。同一流量4個(gè)流量計(jì)和稱重法同時(shí)測(cè)量,測(cè)定流量值各不相同，以稱重法為真值基準(zhǔn)，通過(guò)分析對(duì)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(cè)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(cè)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(duì)誤差為Y軸,利用Origin軟件繪流量曲線如圖6、圖7所示。
分析圖6和圖7,當(dāng)流量0.451m3/h時(shí),管中水速為0.255m/s,雷諾數(shù)Re=6336,處于紊流狀態(tài)。對(duì)于電磁流量計(jì),測(cè)量精度主要受傳感器性能的影響，流速較低時(shí)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(guò)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(shuō)明電磁流量計(jì)在小流量時(shí)精度較低。對(duì)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(shí)出現(xiàn)偏差,測(cè)量值偏小,這是因?yàn)榇藭r(shí)葉輪的機(jī)械摩擦阻力及磁阻尼力矩相對(duì)旋轉(zhuǎn)力矩較大，因此所測(cè)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(duì)于文丘里流量計(jì),屬于平緩節(jié)流,所測(cè)過(guò)程中受旋渦影響較小，且沒(méi)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(shuō)明文丘里流量計(jì)適應(yīng)性較廣。對(duì)于孔板流量計(jì),小流量時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù)偏大,這是因?yàn)榇藭r(shí)壓差△p較小，易受流體擾動(dòng)的影響,孔板前后區(qū)域存在旋渦，因而測(cè)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(shuō)明孔板流量計(jì)不適于測(cè)量較小流量。流量從0.745m3/h增加1.899m3/h的過(guò)程中,電磁流量計(jì)的精度要略高于渦輪、文丘里和孔板流量計(jì),精度都能達(dá)到1級(jí)。流量從1.899m3/h增加2.963m3/h的過(guò)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(duì)旋渦不敏感,較接近真值。大流量時(shí)各流量計(jì)都有一定的波.動(dòng),但測(cè)值接近真值,說(shuō)明它們的性能是可靠的。
5結(jié)語(yǔ)
通過(guò)本次試驗(yàn)可知,在小流量時(shí),孔板與電磁流量計(jì)的數(shù)據(jù)偏大、相對(duì)誤差也較大,渦輪流量計(jì)數(shù)據(jù)偏小、相對(duì)誤差也較小,文丘里流量計(jì)則接近真值;大流量時(shí)各流量計(jì)讀數(shù)都有一定偏差,但所測(cè)值接近真值，說(shuō)明性能都較可靠。
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