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孔板|文丘里|电磁|涡轮流量计性能对比



在泵的运行与调节中,对泵流量的测量是泵性能检测的重要指标,实际中要用到大量的流量计,流量计性能将直接反映出泵的流量准确度[1-2],因此,有必要对流量计的性能有所了解和掌握。本文对常用的4种流量计进行试验对比,得出了相关结论,以期为实际应用及选型提供依据。

  1、常用的4种流量计:

  1.1、孔板、文丘里流量计:

  孔板[3]、文丘里流量计是基于伯努利方程原理制造的流量仪表,如图1和图2所示。它利用流体流经节流装置所产生的压差来测量流量,因此叫作差压流量计,是目前应用最广泛的一类流量测量仪表。其特点是:所测介质为单相、均质的牛顿流体,在通过节流装置时不发生相变和析出杂质,在节流装置中不得有物质黏附或聚集。适用于圆管和上下游有较长间距的直管段。流动应连续、稳定,流线与管轴线平行。节流装置结构简单,使用寿命长,适应性比较广,能够测量各种工况下的流体,精确度可达±1%;但其压力损失较大,刻度呈非线性。

  图 1 孔板流量计原理图 图2文丘里流量计原理图

 

  1.2、电磁流量计

  电磁流量计[4]是基于法拉第电磁感应定律制成的测量导电性液体的仪表,如图3所示。即利用电磁感应原理来测量导管中导电液体的平均流速。

 

电磁流量计原理图

 

  其特点是:测量通道为光滑直管,不会阻塞,适用于测量含固体颗粒的液固二相流体(如纸浆、泥浆、污水等),没有压力损失,所测体积流量不受流体密度、黏度、温度、压力和电导率(>10-5Ω/cm)的影响,测量范围大(流速为0.3~10m/s),口径范围宽(3mm至3m),测量精度比较高(基本误差值的±0.2%~±0.5%),输出与被测介质平均流速成正比,与流动状态无关,可测量瞬时脉动流量。但是它不能测量电导率很低的液体(如石油制品),不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体,不能用于测量较高温度的介质(易受外界电磁干扰)。

  1.3、涡轮流量计

  涡轮流量计[5]是基于动量矩守恒原理制造的速度式流量仪表,即利用置于流体中叶轮的旋转角速度与流体流速成比例的关系,通过测量叶轮的转速来反映通过管道的体积流量,是目前流量仪表中比较成熟的高精度仪表,工作原理如4所示。

 

图4 涡轮流量计原理图

 

  其特点是:结构简单、加工零部件少、重量轻、维修方便、流通能力大(同样口径可通过的流量大),易实现脉冲远距离传送,可适应高参数(高温、高压和低温)的测量需要,测量精确度较高,测量范围较宽,动态响应好,压力损失较小;但是被测流体的部分物性对测量精确度有一定的影响,不能长期保持校准特性,对被测介质清洁度要求较高,流体的温度、黏度、密度对仪表指示值有较大影响,由于有转动部件会带来磨损,仪表的使用年限受影响。适宜测量比较洁净的低黏度液体。

  2、π定理推导水力特性:

  2.1、孔板、文丘里流量计水力特性:

  对于孔板、文丘里流量计,流速v的影响因素有:进口管径d1、孔径(喉径)d2、流体的密度ρ、动力黏度系数μ及断面间压强差Δp。据π定理:

 

 

  其量纲[v]=[LT-1];[d1]=[L];[d2]=[L];[ρ]=[L-3M];[μ]=[L-1MT-1];[Δp]=[L-1MT-2],选ρ,v,d1为循环量,Δp,μ,d2为无量纲数π1,π2,π3。

  π1=Δpρavbdc1;π2=μρavbdc1;π3=d2ρavbdc1代入各量纲整理得:

 

 

  Re,考虑损失,引入流量系数μQ,得流量表达式:

 

 

  由(2)式可知,流量Q与流量系数μQ、管道雷诺数Re及管径与孔径比d2/d1有关。

  2.2 电磁流量计水力特性

  当流体的电导率大于10-5Ω/cm时,电磁流量计流速与流体的物性无关,流速v的影响因素有:电磁感应强度e、磁场强度B、管道直径D。据π定理:

  f(v,D,e,B)=0(3)

  其量纲[ω]=[LT-1];[D]=[L];[e]=[L2MT-3I-1];[B]=[MT-2I-1],选v,D,B为循环量,e为无量纲数π0,π0=evaDbBc。

  代入各量纲整理得:

 

 

  则流量表达式:

 

 

  由(4)式可知,当磁场强度B、管道直径D为常数时,流量Q仅与电磁感应强度e相关且成正比。

  2.3、涡轮流量计水力特性:

  当涡轮结构一定时,涡轮流量计流速v与叶轮的转速相关,故影响因素有:叶轮的旋转角速度ω、流体密度ρ、动力黏度系数μ、管径D、叶轮转动的阻力矩M(包括摩擦阻力矩和磁阻尼力矩等)。据π定理:

 

 

 

 

  由(6)式可知,当管径D一定,流量Q与涡轮转速n成一定的比例关系,和雷诺数Re、涡轮旋转阻力与流体惯性力之比及涡轮平均半径与管径之比相关。

  3、试验装置及方法:

  试验测试装置由电磁、涡轮、文丘里和孔板4个同口径(Φ25mm)的流量计,组成串联管路、自动切换控制仪、计算机测控系统、自循环供水系统及辅助补水机构,如图5所示。

 

 

  孔板流量计采用标准孔板角接取压,β=0.450;文丘里流量计采用圆锥形文丘里管,β=0.628;电磁流量计传感器型号LDG225S,精确度1级;涡轮流量计传感器型号LWGY225A,精确度0.5级。辅助补水机构的作用是当用称重法测量时,对水箱进行补水以保持水箱水位不变,形成管道内恒速定常运动。系统管径Φ25mm,流量范围0~3m3/h。各流量计数据由计算机瞬时采集。称重法由秒表记录时间,电子秤测试重量,采用同一流量测3次,取平均值为测定流量。同一流量4个流量计和称重法同时测量,测定流量值各不相同,以称重法为真值基准,通过分析对比,揭示各自的性能特点。

  4、试验数据及分析:

  本试验测得流量计及称重法5组实验数据,按试验顺序计算汇总如表1和表2所示。为了便于研究,将称重法测量数据为X轴,各流量计数据与称重法数据之差为Y轴,以及相对误差为Y轴,利用Origin软件绘流量曲线如图6、图7所示。

 

 

 

 

  分析图6和图7,当流量0.451m3/h时,管中水速为0.255m/s,雷诺数Re=6336,处于紊流状态。对于电磁流量计,测量精度主要受传感器性能的影响,流速较低时积聚在电极上的电荷较少,受纵向速度影响明显,因此出现较大的偏差;在流量逐渐增加的过程中,纵向速度的影响逐渐减小,误差减小,精度、可靠性增加,说明电磁流量计在小流量时精确度较低。
  对于涡轮流量计,流量与涡轮转速成比例,与仪表常数有关,小流量时出现偏差,测量值偏小,这是因为此时叶轮的机械摩擦阻力及磁阻尼力矩相对旋转力矩较大,因此所测的流量值偏小;随着流量的增加,旋转力矩增大,误差逐渐减小,精度、可靠性增加。对于文丘里流量计,属于平缓节流,所测过程中受旋涡影响较小,且没有旋转部件,精度取决于试验标定,因此精度、可靠性较高,说明文丘里流量计适应性较广。
  对于孔板流量计,小流量时所测数据偏大,这是因为此时压差Δp较小,易受流体扰动的影响,孔板前后区域存在旋涡,因而测量偏差较大;随着流量的增加,旋涡的影响减小,精度、可靠性增加,说明孔板流量计不适于测量较小流量。
  流量从0.745m3/h增加1.899m3/h的过程中,电磁流量计的精确度要略高于涡轮、文丘里和孔板流量计,精度都能达到1级。流量从1.899m3/h增加2.963m3/h的过程中,各流量计精度都较高,表现在图7中的曲线趋于一点。以上分析可知,电磁、涡轮、孔板流量计均不适于较小的流量,而文丘里流量计因为压损小,对旋涡不敏感,较接近真值。大流量时各流量计都有一定的波动,但测值接近真值,说明它们的性能是可靠的。