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1 大口徑循環(huán)水管道計(jì)量的特點(diǎn)
由于循環(huán)水管道口徑較大,流量也很大,儀表運(yùn)行中稍有偏差,就會(huì)帶來很大測量誤差。為使其得到準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù),需要在測量過程中達(dá)到如下要求:①壓力損失小。由于能量損失與壓損和流量的乘積成正比,如果壓力損失過大,在流量計(jì)長期運(yùn)行中會(huì)使流體動(dòng)能損失巨大,造成能源浪費(fèi)。為使大口徑管道計(jì)量,需在測量過程中壓力損失足夠小。②能實(shí)現(xiàn)在線維修。因大口徑管道安裝處較潮濕且又不易斷流維護(hù),一般很難為裝設(shè)流量計(jì)而安排旁通,即使裝有旁通及閥門,啟閉困難,且難以保證閥門的嚴(yán)密,因此選用的測量儀表應(yīng)維護(hù)量小且便于維修。③受介質(zhì)內(nèi)雜物影響小。因循環(huán)水管道內(nèi)介質(zhì)含有的雜質(zhì)較多,管道內(nèi)經(jīng)常會(huì)含有泥土、油污、雜物等,應(yīng)注意機(jī)械強(qiáng)度和水內(nèi)雜質(zhì)對(duì)測量元件的污染、纏繞、覆蓋等問題。因此應(yīng)選用無可動(dòng)機(jī)械部件或傳感器不易受影響的測量儀表。④能夠?qū)崿F(xiàn)在線標(biāo)定。管道口徑大,流量也大,標(biāo)定時(shí)會(huì)有許多麻煩與困難,因此只能在運(yùn)行中在線標(biāo)定。
2 其他類型流量計(jì)應(yīng)用中存在的問題
大口徑循環(huán)水計(jì)量儀表大致有以下幾種:超聲波流量計(jì),電磁流量計(jì),渦街流量計(jì),差壓式流量計(jì)等,各種流量計(jì)主要存在問題如下。
2.1 電磁流量計(jì)
電磁流量計(jì)是利用電磁感應(yīng)原理測出導(dǎo)管中導(dǎo)電液體的平均流速,進(jìn)一步求得液體的體積流量。它具有壓力損失小,不受被測液體的溫度、壓力、黏度等影響,可測量含雜質(zhì)液體,量程寬、口徑大、反應(yīng)靈敏、前后直管段要求不高、耐腐蝕、壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn),因此在循環(huán)水計(jì)量中廣泛采用。但實(shí)際工作中仍存在一定問題:①測量誤差受外界電磁場影響。因此安裝時(shí)應(yīng)特別注意避免劇烈震動(dòng)和交直流強(qiáng)磁場。②受流速分布影響,在流速軸對(duì)稱分布的情況下,流量信號(hào)與平均流速成正比,由于流速分布和渦流的影響,流量計(jì)上游直管段應(yīng)有一定的長度,一般可取5D。③電極表面易污染。在測量有附著沉淀物的流體時(shí),電極表面將受到污染,常常引起零點(diǎn)漂移,因此在使用中,需注意電極的定期清洗。
2.2 渦街流量計(jì)
渦街流量計(jì)是利用“卡門渦街”原理進(jìn)行流量測量。由渦街流量傳感器和流量顯示儀表兩部分構(gòu)成。表內(nèi)部無可動(dòng)部件,構(gòu)造簡單,使用壽命長。線性測量范圍寬達(dá)30∶1。在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)漩渦產(chǎn)生的頻率只與液體流速有關(guān),幾乎不受被測液體參數(shù)(如溫度、壓力、密度、成分及黏度等)變化的影響。儀表輸出頻率信號(hào),易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測量及與計(jì)算機(jī)聯(lián)用等優(yōu)勢,在小管徑循環(huán)水中應(yīng)用較多,大管徑上應(yīng)用較少,原因如下:①漩渦發(fā)生體易受污染。渦街流量計(jì)比較適用于測量凈水、凝結(jié)水等雜質(zhì)較少的液體,在介質(zhì)較臟污的情況下,漩渦發(fā)生體容易結(jié)垢甚至被水中含有的其他雜質(zhì)纏繞,產(chǎn)生假信號(hào),影響正常測量。②受管道震動(dòng)影響較大。管線震動(dòng)較大則容易引起測量誤差,使得測量結(jié)果與實(shí)際發(fā)生嚴(yán)重偏離。在安裝時(shí)需在管線上加裝支架,防止震動(dòng)干擾。③直管段要求較高。直管段要求為前20D、后5D。在流速較低情況下,測量偏差較大。一般在0.4m/s以下,不能準(zhǔn)確測量。④存在整體拆卸標(biāo)定麻煩、維修困難等問題,無法保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性。
2.3 孔板流量計(jì)
孔板流量計(jì)根據(jù)流體流經(jīng)節(jié)流件所產(chǎn)生的壓力差與流量間關(guān)系來測量流體的流量。具有結(jié)構(gòu)簡單、無可動(dòng)部件,可靠性較高,復(fù)現(xiàn)性能好,適應(yīng)性廣,可適用于大管徑流量測量等優(yōu)點(diǎn)。在多年實(shí)際應(yīng)用過程中,常出現(xiàn)變送器零點(diǎn)漂移和引壓管被臟污介質(zhì)堵塞等現(xiàn)象,具體分析如下:①安裝精度要求嚴(yán)格。盡管安裝規(guī)范一般都能夠掌握,但有些細(xì)節(jié)往往沒有引起重視,導(dǎo)致較大的計(jì)量誤差。如密封墊片內(nèi)孔未按環(huán)室尺寸加工,墊片伸出環(huán)室,干擾流體穩(wěn)定流動(dòng);導(dǎo)壓管走向不合理,差壓無法順利傳導(dǎo);平衡器不水平,直接產(chǎn)生計(jì)量誤差等。②受介質(zhì)影響較大。循環(huán)水管道中的介質(zhì)易聚集在孔板截面收縮、流速突變的孔口銳邊上,甚至對(duì)孔板產(chǎn)生沖刷和腐蝕,特別是對(duì)孔板直角入口邊緣和測量管內(nèi)壁的沖刷腐蝕特別嚴(yán)重,這將影響到孔板直角入口邊緣圓弧半徑和測量管內(nèi)壁相對(duì)粗糙的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),使測量準(zhǔn)確度達(dá)不到要求。③測量范圍小,僅為3∶1。測量范圍一般在設(shè)計(jì)流量的30%~90%為正常測量。如果低于30%,則測量結(jié)果更低于實(shí)際量;而大于90%以上,則測量結(jié)果更高于實(shí)際量。另外,孔板測量的一個(gè)主要欠缺在于存在較大的壓力損失,系統(tǒng)準(zhǔn)確度不高。
3 超聲流量計(jì)的工作原理
目前常見的超聲技術(shù)分為兩種,時(shí)間差法和多普勒法。時(shí)間差法雖然出現(xiàn)稍晚,但其應(yīng)用廣泛,并且可以實(shí)現(xiàn)較高的準(zhǔn)確度和較好的穩(wěn)定性,也是今后超聲產(chǎn)品發(fā)展的主推動(dòng)力。
3.1 工作原理
時(shí)間差法超聲流量計(jì)是指通過測量超聲脈沖順流和逆流時(shí)往返于兩個(gè)換能器之間的時(shí)間,來確定管道內(nèi)流體流速的技術(shù)。每個(gè)換能器先后作為發(fā)射器和接收器,在流體充滿管道并且靜止的條件下,理論上超聲脈沖往返于換能器的時(shí)間是一致的。因?yàn)樵陟o止的流體中,向不同方向傳播的超聲聲速是不變的。如果流體流經(jīng)管道,超聲波脈沖順流傳播的速度比逆流傳播的速度要快,這兩者的時(shí)間差與管道內(nèi)流體的流速成比例。其中,超聲波在靜止流體中的傳播速度為C,管道直徑為D,流體在管道橫截面上流速為V,夾角為θ。
計(jì)算公式如下:
超聲在液體中順流向與逆流向傳播的時(shí)間t1與t2分別為
t1=D/[(C+vcosθ)]sinθ (1)
t2=D/[(C+vcosθ)]sinθ (2)
式中,C為聲速。
傳播時(shí)間差
(3)
在常用的流速范圍內(nèi)由于,因此上面的公式可以轉(zhuǎn)換為:
(4)
超聲傳播聲路上的平均流速
(5)
管道橫截面積上平均流速,K為速度分布修正系數(shù)
(6)
進(jìn)而通過管道橫截面上平均流速乘管道橫截面面積A就可獲得管道內(nèi)液體的體積流量qv。
(7)
3.2 流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型
通過以上數(shù)據(jù)可以清楚的得知單聲道流量計(jì)截面平均流速與該聲道速度(如圖1管道內(nèi)水流態(tài)分布)存在特定關(guān)系,容易受到流速分布廓形的影響,因此為了提高測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,只有在測量截面上平行地布置多條聲道并獲得各相應(yīng)平行條帶內(nèi)的平均速度,再依據(jù)各條帶所占的權(quán)重系數(shù),用加權(quán)積分的方法計(jì)算流量,公式如下:
式中,A為管道橫截面面積;Ki為聲道加權(quán)積分系數(shù);n為聲路數(shù);vi為沿聲道的平均軸向流速。
圖1 管道內(nèi)水流態(tài)分布
3.3 多聲道超聲流量計(jì)的加權(quán)積分系數(shù)
對(duì)于多聲道超聲流量計(jì),其每個(gè)聲道的積分加權(quán)系數(shù)是一個(gè)固定值,并且在電工委員會(huì)的IEC6041規(guī)程和美國國家規(guī)程ASMEPTC18中作了明確的規(guī)定。為了滿足各種不同流態(tài)分布測量的需要,多聲道流量計(jì)具有多種聲道布置,對(duì)應(yīng)每種聲道布置,積分加權(quán)系數(shù)都有確定的值。表1是電工委員會(huì)IEC6041規(guī)程關(guān)于4/8聲道超聲流量計(jì)的聲道位置和加權(quán)積分系數(shù)的規(guī)定值。
表1 聲道位置和權(quán)積分系數(shù)
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,多聲道超聲測流技術(shù)亦在快速發(fā)展,近來市場上已出現(xiàn)了二重積分?jǐn)?shù)學(xué)模型,該技術(shù)*擺脫了修正系數(shù)。
采用對(duì)流速分布函數(shù)和面積分布函數(shù)的插值并積分的數(shù)學(xué)模型,流量計(jì)算不受雷諾數(shù)和摩擦系數(shù)的影響,*擺脫了修正系數(shù)(加權(quán)指數(shù)),消除了換能器安裝時(shí)因聲道高度偏差所引起的誤差,使得安裝工作簡單化。
4 多聲道超聲流量計(jì)的構(gòu)成
多聲道超聲流量計(jì)是由3對(duì)、4對(duì)、5對(duì)/6對(duì)、8對(duì)、10對(duì)/16對(duì)、18對(duì)*、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分構(gòu)成。超聲流量計(jì)的電子線路包括發(fā)射、接受、信號(hào)處理、顯示電路。測得的瞬時(shí)流量和累積流量值用數(shù)字量或模擬量顯示。超聲發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為聲能量,并將其發(fā)射到被測液體中,接收器接收到超聲信號(hào),經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供給顯示器。
5 多聲超聲流量計(jì)的特點(diǎn)
工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量的問題,并且隨著國家政策對(duì)能源網(wǎng)改造的提出,企業(yè)對(duì)各個(gè)二級(jí)單位考核的更細(xì)節(jié)化,要求能夠在降低生產(chǎn)成本的前提下采購性能更好、操作更方便的產(chǎn)品顯得更為迫切。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)形式流量計(jì)隨著測量管徑的增大會(huì)帶來制造、運(yùn)輸、安裝上的種種困難。多聲超聲流量計(jì)可以避免以上問題。它具有不停水在線安裝、維護(hù),并且無流阻、無壓力損失、量程寬、測量結(jié)果不受流體成分、壓力、溫度變化的影響,測量穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高,可在線校驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn),更重要的是它的性能價(jià)格比要比傳統(tǒng)大口徑流量計(jì)高很多。正是由于多聲道超聲流量計(jì)具有其它傳統(tǒng)流量計(jì)產(chǎn)品*的*性、適應(yīng)性,才使得它越來越向產(chǎn)品的系統(tǒng)化、通用化發(fā)展,越來越多的使用在工業(yè)企業(yè)的各個(gè)場合。
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