近年來,國內(nèi)外流量儀表總的發(fā)展趨勢有以下幾個特點:`
1.由于經(jīng)典式的節(jié)流儀表(孔板、噴嘴、文丘利管)在現(xiàn)場使用中暴露出不少缺點,它保持已久的壟斷地位已經(jīng)消失,但仍占有較大的比童。
2.新型儀表(渦街、電磁、超聲)日益成熟,在現(xiàn)場應(yīng)用中的比重逐漸增大。
3、為提高流量測量的準(zhǔn)確度,適應(yīng)經(jīng)濟(jì)核算的要求,各種間接補償及直接的質(zhì)量流量計不斷出現(xiàn)。
4.微電子技術(shù)已滲透到流量儀表領(lǐng)域,出現(xiàn)了不少新型智能化儀表。
5.工業(yè)的現(xiàn)代化、大型化要求流量儀表的結(jié)構(gòu)力求簡單、壓損力求減小,各種插入式流量儀表應(yīng)運而生,發(fā)展迅速。
一、孔板儀表的現(xiàn)狀及改進(jìn)
孔板流量計結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)的口徑及工況寬闊,特別是長期以來積累了大量的設(shè)計、制造、使用的經(jīng)驗數(shù)據(jù),國內(nèi)外均已制定了標(biāo)準(zhǔn),即使不進(jìn)行實際校驗,也可確定流量系數(shù),因而為設(shè)計、使用部門廣泛采用,幾乎占現(xiàn)場使用流量儀表的80%左右,但在使用中也暴露出不多缺點,如:
1.壓損太大�？装宓牟豢苫謴�(fù)壓損約占輸出差壓的50腸~90呱。一臺用于中30。口徑蒸汽管道上的孔板,由于壓損可使年運行費達(dá)上萬人民幣。
2.特性受幾何尺寸的影響較大。由于流體的沖刷、腐蝕以及油污的粘附,孔板銳邊的流量系數(shù)有可能偏離設(shè)計值約10%。缺乏維修而又長期使用的孔板,準(zhǔn)確度最好也只有3~5%左右。
3.裝拆困難。對使用于大口徑管道的孔板來說尤為突出。
4.輸出差壓與流量呈非線性關(guān)系,量程比僅為3：1。
為適應(yīng)自動化對流量儀表提出的各種要求,在不斷出現(xiàn)各種新型儀表的同時,孔板也在不斷改善中。例如,為擴(kuò)大量程,它本質(zhì)上仍是節(jié)流儀表,但孔徑可隨流量值的大小自行改變,從而使輸出差壓與流量成線性關(guān)系。該儀表的量程比可達(dá)100：1,準(zhǔn)確度為土1%,并可用水標(biāo)定后用于蒸汽管道上。
二、渦街、電磁等新型流量儀聲的應(yīng)用領(lǐng)域不斷增大
渦街流量計的原理是:當(dāng)流體流過非線性物體時將在其后產(chǎn)生周期性的旋渦脫落,脫落的頻率與流速成正比,因此,只要測出頻率的大小即可推算出流量值。
渦街流量計自七十年代問世以來發(fā)展迅速,目前國內(nèi)外已有十多利`產(chǎn)品。其主要優(yōu)點是:輸出量與流量成線性關(guān)系,量程比可達(dá)10:1;輸出量為脈沖信號,便于遠(yuǎn)傳、數(shù)據(jù)處理及與計算機(jī)聯(lián)機(jī);輸出量與介質(zhì)的溫度、壓力、粘度、密度、成份無關(guān);無可動部件,便于維護(hù),工作可靠。
雖然渦街流量計有以上突出的優(yōu)點,但在現(xiàn)場應(yīng)用中尚未達(dá)到預(yù)期的目的。可能是由于管內(nèi)的流速分布對它的工作影響較大,特別是渦街的形成還有隨機(jī)的不穩(wěn)定現(xiàn)象,降低了流量總量的準(zhǔn)確度。其次是它不適用于測粘度太大的流體以及采用某些檢測方法時輸出信號靈敏度有衰減的現(xiàn)象。因此,渦街流量計的研究主要有三個方面:
(l)研究產(chǎn)生穩(wěn)定、強烈的旋渦發(fā)生體。目前發(fā)生體主要為柱狀,從斷面來看有圓、三角、梯形、矩形以及各種復(fù)合形狀。針對二維柱體在三維圓管流可能產(chǎn)生隨機(jī)不穩(wěn)定現(xiàn)象,日本的高本正樹近年曾提出過采用一種環(huán)形旋渦發(fā)生體(見圖1),并進(jìn)行了一些試驗。他認(rèn)為當(dāng)環(huán)厚W為環(huán)平均直徑d的1/6時,可產(chǎn)生穩(wěn)定的渦街。當(dāng)然,這種環(huán)狀渦街流量計進(jìn)入實用尚有不少間題有待解決,如環(huán)狀發(fā)生體的支承、渦街頻率的檢測等。
(2)研究檢測渦街頻率的方法。檢測頻率的方法很多,如:熱絲、熱敏、超聲、電磁、應(yīng)變、擴(kuò)散硅、電容、壓電等。早期的熱絲、熱敏方法靈敏度雖然較高,但由于檢測元件暴露在流體之中,易受污染而導(dǎo)致靈敏度下降,允許承受的溫度也較低,近年來不少廠家將壓電或擴(kuò)散硅封裝在渦街發(fā)生體內(nèi)或管道外的檢測桿上,使渦街流量計的溫度上限提高到300℃,抗污染能力也大有提高,擴(kuò)大了儀表的應(yīng)用領(lǐng)域。
(3)研究頻率的信息處理。在信息處理上采取一些措施可以提高頻率檢測的穩(wěn)定性,降低低頻波動的噪聲源等,以彌補流體振蕩信息之不足。其次,為提高流量測量的精確度,除了渦街頻率信息外,還可引入溫度、壓力檢測信息組成質(zhì)量流量計。微型機(jī)的普及、推廣和成本不斷下降,也為渦街流量計的智能化辟開了廣闊的前景。
2.電磁流量計
電磁流量計也是一種很有前途的流量儀表。由于儀表中沒有任何障礙物,特別適用于測含有固相物的液體流量,如污水、紙漿、礦漿等。近年來,歐、美、日等先進(jìn)國家生產(chǎn)這種儀表的廠家約占流量儀表廠家的10~2。腸,現(xiàn)場應(yīng)用比重也不斷增加,特別在以下幾個方面有了較大的發(fā)展:
(l)擴(kuò)大了流體的應(yīng)用范圍。限制使用電磁流量計的主要因素是流體導(dǎo)電率,其下限為50微姆歐/厘米。1984年國外推出了高靈敏度的電磁流量計,流體的導(dǎo)電率可低至1微姆歐/厘米,儀表口徑為里~4英寸。
(2)增加了抗干擾能力。過去,電磁流量計勵磁采用50Hz交流電,電源雖簡單,但易受市電干擾,零漂較嚴(yán)重�，F(xiàn)在采用了鍵控開關(guān)電路,低頻方波勵磁,排除了干擾,減少了零漂,儀表準(zhǔn)確度從1.5級提高到0.5級。
(3)非接觸電極。傳統(tǒng)的電磁流量計在管內(nèi)有一對與被測介質(zhì)相接觸的電極,在測強腐蝕液體及污穢漿液時,電極裸露部份易被腐蝕或污損。一種電容禍合電極的電磁流量計,口徑中65至中500,在管道內(nèi)不再有裸露部分,克服了被腐蝕、污損的缺點。
(4)微型化。由于管內(nèi)流速分布是非均勻的,因此,采用非均勻磁場可以有效地利用磁場強度,從而使電磁流量計的口徑進(jìn)一步微型化。
三、插入式流量儀表發(fā)展迅速
流量儀表的體積與重量是隨口徑成立方增長的,如果按比例放大結(jié)構(gòu),將使大口徑流量僅表顯得特別笨重。其次,當(dāng)口徑較小時,流量儀表的壓損無關(guān)緊要,而當(dāng)口徑(如孔板)增大時,其壓損折合年運行費將大得難以為人們所接受。因此,大口徑流量儀表應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡單、壓損較小的特點,按此要求,插入式流量儀表用于大口徑流量測量較為適宜。
插入式流量儀表是一種以插入式安裝形式為特征的儀表,如插入式渦輪、插入式渦街流量計、插入式電磁流量計以及皮托管、皮托文丘利管等等。這些插入式流量儀表一般指測管道內(nèi)某一點流速以推算流量的儀表。這種測量方法對直管道長度有較高的要求,而現(xiàn)場中的流速分布不可能那么嚴(yán)格規(guī)范,因此,按ISO7145的推算,用該方法測流量的準(zhǔn)確度很難超過±3%。
為提高插入式流量儀表的準(zhǔn)確度,有人提出了這樣的設(shè)想:安裝仍保持方便的插入形式,而在管道直徑方向測多點流速以適應(yīng)管道中流速分布的變化。
近年來,一種雙槳反向插入式渦輪流量計(見圖3),它其有二個槳葉,旋轉(zhuǎn)方向相反,沿管道直徑方向插入。測試表明它可以在較寬的范圍內(nèi)適應(yīng)流速分布的變化,即使是較惡劣的流場下,如在緊接900彎頭不到ZD的地方安裝流量計,仍可保持較高準(zhǔn)確度。與單槳葉插入式渦輪流量計比較,準(zhǔn)確度可提高約三倍。
提高插入式流量計準(zhǔn)確度的另一途徑是通過檢測頭的微型化來減小對流場的干擾。插入式渦輪流量計檢測頭直徑不到2英寸,這種儀表還有一個定位機(jī)構(gòu)以保證安裝時葉輪的軸線與管道軸線相平行;插入式電磁流量計的檢測頭直徑僅l英寸,可用于在4、60英寸管道上測流量。除此而外,有些儀表還附屬了一些機(jī)構(gòu),使儀表功能更趨完善,如插入式電磁流量計,具有檢測流量變化范圍的數(shù)字開關(guān)以及監(jiān)測管道中流動情況的信號開關(guān)和低流量開關(guān)。
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