國外一位流量專家F.C.King horo曾說過,流量計是少數(shù)幾種使用比制造艱難的儀表之一。這是因為流量是一個動態(tài)量,處于運動狀態(tài)的液體內(nèi)部不僅存在著粘性摩擦作用,還會產(chǎn)生不穩(wěn)定的旋渦和二次流等復(fù)雜流動現(xiàn)象。測量儀表本身受到眾多因素,如:管道、口徑大小、形狀(圓形、矩形)、邊界條件、介質(zhì)的物性(溫度、壓力、密度、粘度、臟污性、腐蝕性等)、流體的流動狀態(tài)(紊流狀態(tài)、速度分布等)以及安裝條件與水平的影響。面對國內(nèi)外十幾類、上百個品種的流量儀表(先后發(fā)展起來的容積式、差壓式、渦輪式、面積式、電磁式、超聲波式和熱式流量計等類型),如何根據(jù)流量、流態(tài)、安裝要求與環(huán)境條件、經(jīng)濟性等因素合理選型,是應(yīng)用好流量儀表的前提和基礎(chǔ)。除了儀表自身質(zhì)量要得到保證,工藝數(shù)據(jù)的提供和儀表的安裝、使用、維護是否合理也相當(dāng)重要。本文介紹電磁式、渦街式、節(jié)流式等幾種流量計的選型設(shè)計。
1.渦街流量計選型設(shè)計
渦街流量計作為一種新型流量計,80年代中期以來發(fā)展較快,它在流量測量方面有著諸多的優(yōu)點和長處,在現(xiàn)代流量測量中應(yīng)用越來越廣泛。在國內(nèi)使用渦街流量計進行流量測量也愈來愈得到重視,目前我國已有性能優(yōu)良并有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品系列。渦街流量計是基于流體振動發(fā)展起來的,根據(jù)旋渦的不同,檢測方式從熱絲式、熱敏式逐漸發(fā)展了應(yīng)力式、磁敏式及差動開關(guān)電容式、超聲波式等。渦街流量計幾乎可用于一切可形成旋渦列的場合,不僅可用于封閉的管道,還可用于開放的溝槽。與渦輪流量計相比,渦街流量計沒有可動的機械部件,維護工作量小,儀表常數(shù)穩(wěn)定;與孔板式流量計相比,渦街流量 計測量范圍大,壓力損失小,準(zhǔn)確度高,安裝與維護簡單。但渦街流量計的環(huán)境相關(guān)參數(shù)較多,容易在使用現(xiàn)場被忽略而影響流量計性能的正確發(fā)揮。
渦街流量計的原理是在流量計管道中,設(shè)置一阻流件,當(dāng)流體流經(jīng)阻流件時,由于阻流件表面的阻流作用等原因,在其下游會產(chǎn)生兩列不對稱的旋渦,這些旋渦在阻流件的側(cè)后方分開,形成所謂的卡門 (Karman)旋渦列,兩列旋渦的旋轉(zhuǎn)方向是相反的,卡門從理論上證明了當(dāng)h/L=0.281(h為兩旋渦列之間的寬度,L為兩個相鄰旋渦間的距離)時,旋渦列是穩(wěn)定的,在此情況下,產(chǎn)生旋渦的頻率f與流量計管道中流體流速υ呈線性關(guān)系。
經(jīng)過實踐,如下幾個方面對渦街流量計的使用都有影響,應(yīng)對這些問題進行分析。
(1)渦街流量計的測量范圍較大,一般10:1,但測量下限受許多因素限制:Re>10000是渦街流量計工作的zui基本條件,除此以外,它還受旋渦能量的限制,介質(zhì)流速較低,則旋渦的強度、旋轉(zhuǎn)速度也低,難以引起傳感元件產(chǎn)生響應(yīng)信號,旋渦頻率f也小,還會使信號處理發(fā)生困難。測量上限則受傳感器的頻率響應(yīng)(如磁敏式一般不超過400Hz)和電路的頻率限制,因此設(shè)計時一定要對流速范圍進行計算、核算,根據(jù)流體的流速進行選擇。使用現(xiàn)場環(huán)境條件復(fù)雜,選型時除注意環(huán)境溫度、濕度、氣氛等條件外,還要考慮電磁干擾。在強干擾如高壓輸電電站、大型整流所等場合,磁敏式、壓電應(yīng)力式等儀表不能正常工作或不能準(zhǔn)確測量。
(2)振動也是該類儀表的一大勁敵。因此在使用時注意避免機械振動,尤其是管道的橫向振動(垂直于管道軸線又垂直旋渦發(fā)生體軸線的振動),這種影響在流量計結(jié)構(gòu)設(shè)計上是無法抑制和消除的。由于渦街信號對流場影響同樣敏感,故直管段長度不能保證穩(wěn)定渦街所必要的流動條件時,是不宜直接選用的(要加裝整流器)。即使是抗振性較強的電容式、超聲波式,保證流體為充分發(fā)展的單向流,也是不可忽略的。
(3)介質(zhì)溫度對渦街流量計的使用性能也有很大的影響。如壓電應(yīng)力式渦街流量計不能長期使用在300℃狀態(tài)下,因其絕緣阻抗會由常溫下的10 MΩ~100 MΩ急降至1 MΩ~10 KΩ,輸出信號也變小,導(dǎo)致測量特性惡化,對此宜選用磁敏式或電容式結(jié)構(gòu)。在測量系統(tǒng)中,傳感器與轉(zhuǎn)換器宜采用分離安裝方式,以免長期高溫影響儀表可靠性和使用壽命。
渦街流量計是一種比較新型的流量計,如果選擇不當(dāng),性能也不能很好發(fā)揮。只有經(jīng)過合理選型、正確安裝后,還需要在使用過程中認真定期維護,不斷積累經(jīng)驗,提高對系統(tǒng)故障的預(yù)見性以及判斷、處理問題的能力,從而達到令人滿意的效果。
2. 電磁流量計選型設(shè)計
電磁流量計自20世紀50年代末國內(nèi)工業(yè)應(yīng)用以來,七八十年代在流量測量中運用和發(fā)展很快。電磁流量計的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律,即被測介質(zhì)垂直于磁力線方向流動,因而在與介質(zhì)流動和磁力線都垂直的方向上產(chǎn)生一感應(yīng)電動勢EX,當(dāng)磁場強度B與兩極間距離d一定時,則感應(yīng)電動勢EX與被測介質(zhì)流量(流速)成正比。電磁流量計不受溫度、壓力、粘度、重度等外界因素的影響,測量管內(nèi)部無收縮或凸出部分的壓力損失,另外,流量元件檢測出的zui初信號,是一個與流體平均流速成線性變化的電壓,它與流體的其他性質(zhì)無關(guān),具有很大的*性。根據(jù)污水具有流量變化大、含雜質(zhì)、腐蝕性小、有一定的導(dǎo)電能力等特性,測量污水的流量,電磁流量計是一個很好的選擇。它結(jié)構(gòu)緊湊、體積小,安裝、操作、維護方便,如測量系統(tǒng)采用智能化設(shè)計,整體密封加強,能在較惡劣的環(huán)境下正常工作。可選用氯丁橡膠襯里,含鉬不銹鋼(OCrI8Ni12Mo2Ti)電極的電磁流量計,即可滿足污水流量測量的要求。選型時要注意以下幾點:
1 )被測量液體必須是導(dǎo)電的液體或漿液;
2 )口徑與量程,是正常量程超過滿量程的一半(我的選擇一般為正常流量的4~8倍),流速在 2 -4 米 之間;
3 )使用壓力必須小于流量計耐壓;
4 )不同溫度及腐蝕性介質(zhì)選用不同內(nèi)襯材料和電極材料。
電磁流量計的優(yōu)點:無節(jié)流部件,因此壓力損失小,減少能耗,只與被測流體的平均速度有關(guān),測量范圍寬;只需經(jīng)水標(biāo)定后即可測量其他介質(zhì),無須修正,作為結(jié)算用計量設(shè)備使用。由于技術(shù)及工藝材料的不斷改進,穩(wěn)定性、線性度、精度和壽命的不斷提高和管徑的不斷擴大,對于固液兩相的介質(zhì)的測量采用了可更換電極以及刮刀電極的方式,解決了高壓( 32MPA )、耐腐蝕(防強酸、堿襯里)介質(zhì)的測量問題,以及口徑的不斷擴大(zui大作到 3200MM 口徑),壽命的不斷增長(一般大于 10 年),電磁流量計得到越來越廣泛的應(yīng)用,其成本也得到了降低,但整體價格特別是大管徑的價格仍較高,因此在流量儀表的采購中有重要的地位。
某冶煉廠在生產(chǎn)中,由于生產(chǎn)工藝的需要,會產(chǎn)生大量的工業(yè)污水,污水處理分廠必須對污水的流量進行監(jiān)控。在以往的設(shè)計中,由于選用了其它的流量儀表,而在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)測量的流量顯示值與實際流量偏差較大,而改用電磁流量計偏差大大減小。
3.節(jié)流式流量計選型設(shè)計
節(jié)流式流量計是一種使用歷史悠久,實驗數(shù)據(jù)較完善的測量裝置。它是以測量流體流經(jīng)節(jié)流裝置所產(chǎn)生的靜壓差來顯示流量大小的一種流量計。zui基本的配置是由節(jié)流裝置、差壓信號管路和差壓變送器組成。工業(yè)上zui常用的是節(jié)流裝置是已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了的“標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置”。如,標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴、文丘利噴嘴、文丘利管?,F(xiàn)在節(jié)流裝置特別是噴嘴流量測量朝一體化方向,將高精度的差壓變送器和溫度補償與噴嘴做成一體化,大大提高了精度。采用皮托管技術(shù)可對節(jié)流裝置進行在線標(biāo)定?,F(xiàn)今在工業(yè)測量中也采用一些非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置,如雙重孔板,圓缺孔板,環(huán)形孔板等,這些儀表一般需要實流標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)比較簡單,但由于它尺寸公差、形狀和位置公差的要求比較高,加工的技術(shù)難度較高。以標(biāo)準(zhǔn)孔板為例,它屬于超薄板狀零件,加工易產(chǎn)生變形,較大的孔板在使用過程中也易產(chǎn)生變形而影響精度。節(jié)流裝置的取壓孔一般不會開得太大,在使用過程中也會產(chǎn)生變形而影響測量精度。標(biāo)準(zhǔn)孔板由于在使用過程中經(jīng)過流體對它的摩擦,也會使其與測量有關(guān)的結(jié)構(gòu)要素(如銳角)產(chǎn)生磨損而降低測量精度。
盡管差壓流量計發(fā)展較早,但隨著其他各種形式的流量儀表的不斷完善和開發(fā),隨著工業(yè)發(fā)展對流量計量要求的不斷提高,差壓流量計在工業(yè)測量中的地位已經(jīng)部分地被*的、高精度的、便利的流量儀表所取代。