摘要:從原理、計(jì)算方法和性能等方面對(duì)目前應(yīng)用廣泛的幾種流量計(jì)進(jìn)行比較和分析,得出了節(jié)流型流量計(jì)是一種經(jīng)濟(jì)性好、穩(wěn)定性好、使用方便的流量計(jì)的結(jié)論。介紹了幾種節(jié)流型流量計(jì)的選型方法,具體介紹了新型節(jié)流裝置德爾塔巴流量計(jì)在某選礦廠浮選作業(yè)空氣流量檢測(cè)中的應(yīng)用情況。
0引言
流量檢測(cè)在工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)輸.科學(xué)研究、國(guó)防事業(yè)中都發(fā)揮著重要作用,檢測(cè)對(duì)象可以是氣體、液體和混合流體3種不同特性的流體。隨著自動(dòng)化水平的不斷提高,流量測(cè)量和控制已經(jīng)由原來的保證基本生產(chǎn)功能過渡到實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。當(dāng)前,我國(guó)節(jié)能減排形式嚴(yán)峻,為了提高資源利用率和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指標(biāo)的增長(zhǎng),流量?jī)x表就成為了自動(dòng)化控制中不可缺少的檢測(cè)儀表之一。
1流量計(jì)的種類
流量檢測(cè)的方法可以劃分為以下幾種:利用伯努利原理,通過測(cè)量流體差壓信號(hào)來反映流量的差壓式流量測(cè)量法;利用標(biāo)準(zhǔn)小容積來連續(xù)測(cè)量流量的容積式測(cè)量方法;通過直接測(cè)量流體流速來測(cè)量流量的速度式測(cè)量法;以測(cè)量流體質(zhì)量流量的質(zhì)量流量測(cè)量法。
流量計(jì)是指用以測(cè)量管路流體流量即單位時(shí)間內(nèi)通過的流體體積的儀表,種類繁多。但按照測(cè)量方法和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類,大致可以分為兩類:測(cè)體積流量和測(cè)質(zhì)量流量。體積流量計(jì)又可以分為容積式流量計(jì)和速度式流量計(jì)。具體分類如表1所示。
2幾種常用流量計(jì)的比較
2.1從經(jīng)濟(jì)角度比較.
對(duì)于渦街流量計(jì),儀表購(gòu)置費(fèi)用高,安裝費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用低，維護(hù)費(fèi)用中等;對(duì)于節(jié)流型流量計(jì),儀表購(gòu)置費(fèi)用比渦街流量計(jì)低，安裝費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用較低,維護(hù)費(fèi)用中等;對(duì)于轉(zhuǎn)子流量計(jì),儀表購(gòu)置費(fèi)用、安裝費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用均低。所以從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上看,轉(zhuǎn)子流量計(jì)比較優(yōu)越。
2.2從使用環(huán)境角度比較
渦街流量計(jì)受溫度影響最小,但是受電磁干擾、射頻干擾最大;在差壓計(jì)良好的情況下,節(jié)流型流量計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)均能很好地防爆和防水,但是節(jié)流型流量計(jì)的抗電磁干擾、射頻干擾能力明顯優(yōu)于轉(zhuǎn)子流量計(jì)。故從環(huán)境因素上看,選用節(jié)流型流量計(jì)比較合適。
2.3安裝條件的比較
節(jié)流型流量計(jì)的公稱直徑范圍最廣，可以從50~1200mm,且對(duì)上下游直管段長(zhǎng)度要求較小;轉(zhuǎn)子流量計(jì)雖然可以測(cè)量小流量流體的流量，但是可測(cè)量范圍最小，且傳感器安裝方位只能是垂直由下向上;渦街流量計(jì)測(cè)量范圍適中,但其不能測(cè)雙向流。
2.4儀表性能方面的比較
渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適用的流體種類多,與節(jié)流型、轉(zhuǎn)子式比較具有較高的精度,但是其不適用于低雷諾數(shù)測(cè)量,在高黏度、低流速、小口徑情況下使用受到限制;轉(zhuǎn)子流量計(jì)可用于小口徑和低流速,多用于現(xiàn)場(chǎng)指示,但玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)容易碎,且不能在高溫高壓下工作,大流量?jī)x表結(jié)構(gòu)笨重,當(dāng)使用爐體和出廠標(biāo)定不--致時(shí)需要重新進(jìn)行流量示值標(biāo)定;節(jié)流型流量計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)孔板使用廣泛,結(jié)構(gòu)易于復(fù)制,簡(jiǎn)單牢固,穩(wěn)定性好,使用壽命長(zhǎng),并且價(jià)格低廉。節(jié)流型流量計(jì)性能優(yōu)越,液體、氣體蒸汽皆可測(cè)量,便于形成專業(yè)化規(guī)模生產(chǎn),標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置無需實(shí)際校準(zhǔn)即可使用。
綜上所述，節(jié)流型流量計(jì)由于性能優(yōu)越價(jià)格適中、安裝和使用方便,故實(shí)際應(yīng)用廣泛。
3幾種節(jié)流型流量計(jì)的應(yīng)用選型
節(jié)流型流量計(jì)的節(jié)流裝置有孔板、噴嘴、文丘里管等,根據(jù)取壓方式，安裝的管道條件,測(cè)量的流體性質(zhì)等可以選用不同的節(jié)流裝置。企業(yè)主要能源消耗的水、風(fēng)、燃?xì)�、蒸汽、氧等流體的計(jì)量,如天然氣、水或企業(yè)自產(chǎn)能源總量等,盡量選用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置,因標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置有國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)作支撐。
3.1孔板流量計(jì)
孔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于批量生產(chǎn),節(jié)省材料,價(jià)格低廉,是實(shí)際應(yīng)用中的首選類型,在測(cè)量大流量高溫蒸汽或者混合液體時(shí)具有比較大的優(yōu)勢(shì)。但是壓力損失大,且不適用于測(cè)量含顆粒纖維漿或腐蝕性流體。
我國(guó)常選用孔板作為測(cè)量給水、中低壓蒸汽流量的節(jié)流件。在被測(cè)流體為臟污介質(zhì)時(shí)推薦使用圓缺孔板和偏心孔板,如對(duì)焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、濕氣體的測(cè)量�？装辶髁坑�(jì)亦在天然氣流量測(cè)量和高溫蒸汽測(cè)量等領(lǐng)域被視為主力儀表之一,占有不可替代的地位。
3.2噴嘴流量計(jì)
噴嘴是廊形節(jié)流裝置,無尖銳的棱角,耐高流速?zèng)_擊與磨損,流量特性長(zhǎng)期穩(wěn)定，因此比容易邊緣鈍化的孔板流量計(jì)檢定周期長(zhǎng)。噴嘴節(jié)流裝置適用于腐蝕性流體或高速流體,對(duì)于臟污流體也有比較長(zhǎng)的壽命。與孔板相比,噴嘴的加工成本高,所需直管段比孔板短,而成本又比文丘里管低。當(dāng)被測(cè)量流體為高壓蒸汽時(shí),常選用噴嘴作為節(jié)流裝置。
噴嘴流量計(jì)曾被廣泛的使用在真空行業(yè)中。但在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)盡量避免在小于3kPa壓力的情況下使用,因?yàn)榇藭r(shí)氣流的均勻和穩(wěn)定性變差,將對(duì)測(cè)量產(chǎn)生較大的偏差。噴嘴流量計(jì)結(jié)構(gòu)牢固,檢定周期長(zhǎng),維護(hù)量少,從而減少了運(yùn)行成本。因此近年來,業(yè)內(nèi)更提出使用一體化定值噴嘴流量計(jì)對(duì)天然氣流量進(jìn)行檢測(cè)。
3.3文丘里管流量計(jì)
文丘里管結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工困難,比孔板和噴嘴浪費(fèi)材料,因此造價(jià)高。在同樣差壓下,經(jīng)典文丘里管比孔板和噴嘴的壓力損失要小很多，且對(duì)上下游直管段要求小,比較適合于低壓損和狹小地段的中大流量測(cè)量。在測(cè)量中要求低壓損時(shí),可以選用文丘.里管或者文丘里噴嘴。
3.4德爾塔巴流量計(jì)
德爾塔巴屬于差壓式流量計(jì),插人式工作方式是一種精度高、量程比大、壓損小的勻速流量探頭，可用于氣體、液體、蒸汽的流量測(cè)量。德爾塔巴具有使用壽命長(zhǎng)、長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用低、安裝費(fèi)用低廉.不易.磨損、受油脂的影響小等特點(diǎn),可以在不停產(chǎn)的情況下進(jìn)行安裝、拆卸和檢修,特別適用于無法停產(chǎn)安裝的測(cè)點(diǎn)或介質(zhì)很臟需定期檢修的測(cè)點(diǎn)，在各冶煉廠熔煉爐氧氣流量檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。
4德爾塔巴流量計(jì)的工作原理及計(jì)算方法
4.1結(jié)構(gòu)
德爾塔巴流量計(jì)由德爾塔巴節(jié)流裝置、安裝支架、溫度傳感器，壓力變送器、差壓變送器組成。其中差壓探頭是關(guān)鍵部件,決定著流量檢測(cè)精度。如圖1所示,德爾塔巴節(jié)流裝置為獨(dú)特的對(duì)稱曲面設(shè)計(jì),可以進(jìn)行雙向測(cè)量。德爾塔巴探頭長(zhǎng)度為流體管道內(nèi)徑,兩側(cè)分布不均勻8mm取壓孔。面向流體進(jìn)人的曲面上的取壓孔為高壓取壓孔,另一面的為低壓取壓孔。德爾塔巴低壓取壓孔在傳感器側(cè)后兩邊,在傳感器與被測(cè)流體分開前避免了低壓取壓孔被堵塞和受到渦流的影響。德爾塔巴傳感器表面粗糙處理,使流體流速變化大時(shí)仍能使流體在傳感器表面保持紊流狀態(tài),使德爾塔巴可以穩(wěn)定地測(cè)得被測(cè)流體低流速時(shí)的流量。
4.2工作原理
德爾塔巴流量計(jì)用差壓式工作原理進(jìn)行流量檢測(cè),將一定直徑的測(cè)量管插入被測(cè)介質(zhì)管道。流體流經(jīng)測(cè)量管時(shí),首先經(jīng)過一個(gè)壓力大于管道靜壓的高壓區(qū)域,流體在高壓孔后的加速段速度迅速增大，高壓區(qū)域的壓力上升,在經(jīng)過高低壓分界點(diǎn)后,阻力消失,在測(cè)量管后部的低壓區(qū)域產(chǎn)生部分真空,使測(cè)量管前后的壓力差增大。德爾塔巴流量計(jì)利用高、低壓區(qū)按科學(xué)計(jì)算有規(guī)律的分布在測(cè)量管兩側(cè)的取壓孔來檢測(cè)流體的差壓，得出由平均流速產(chǎn)生的平均差壓,把這個(gè)差壓傳送給差壓變送器并進(jìn)行分析計(jì)算。德爾塔巴采用了不均勻分布的兩排取壓孔進(jìn)行取壓,避免了單一取壓孔只能取得某一點(diǎn)流速而不是平均流速,這樣能更好地反映被測(cè)管道的真實(shí)流量。
4.3計(jì)算方法
德爾塔巴的流量計(jì)算基本是按照ENISO5167-1標(biāo)準(zhǔn)中指定的方法計(jì)算。計(jì)算方法如下:
式中:qm為質(zhì)量流量(kg/s);ζ為探頭的阻斷系數(shù);ε為流體膨脹系數(shù);d為管道內(nèi)徑(m);OP為壓差(Pa);p為工作狀態(tài)下介質(zhì)密度(kg/m3)。
德爾塔巴的阻斷系數(shù)ζ只與探頭的結(jié)構(gòu)有關(guān),與介質(zhì)無關(guān)，可在每個(gè)探頭的計(jì)算書中找到。下標(biāo)為B表示工作狀態(tài)下，下標(biāo)為D表示設(shè)計(jì)時(shí)的狀態(tài)。
由于德爾塔巴引起的壓力損失極小，所以膨脹系數(shù)ε非常接近于1,但在計(jì)算時(shí)ε是-一個(gè)常數(shù),在被測(cè)量介質(zhì)為可壓縮介質(zhì)比如氧氣時(shí)，要按當(dāng)前工作狀態(tài)下的可膨脹系數(shù)計(jì)算。一般可按照最大流量的2/3時(shí)的可膨脹系數(shù)計(jì)算:
式中:εp可在計(jì)算書中查找。
流量計(jì)算的精確度受管道內(nèi)徑的影響大,需要精確確定管道內(nèi)徑的取值。管道內(nèi)徑受材料和溫度影響與設(shè)計(jì)尺寸發(fā)生偏離,需要在線計(jì)算管道內(nèi)徑:
式中:a表示管道材料的縱向膨脹系數(shù)。
工作情況下介質(zhì)的密度與當(dāng)時(shí)的溫度、壓力和介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。若設(shè)計(jì)狀態(tài)與工作狀態(tài)相近時(shí),也可按照以下公式計(jì)算:
5德爾塔巴流量計(jì)在浮選作業(yè)空氣流量檢測(cè)中的應(yīng)用
5.1應(yīng)用條件
某選礦廠浮選作業(yè)設(shè)有7組壓縮空氣支管,用于浮選槽的充氣。全部選用德爾塔巴流量計(jì)進(jìn)行流量檢測(cè),并通過氣動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥對(duì)壓縮空氣流量進(jìn)行控制,壓縮空氣從浮選槽底部噴出,形成浮選槽泡沫,壓縮空氣流量是否合理直接關(guān)系到浮選槽的生產(chǎn)指標(biāo)。壓縮空氣管徑為DN50,工作狀態(tài)下氣體溫度約為40℃,壓力為0.6MPa。德爾塔巴流量計(jì)的檢測(cè)信號(hào)輸人PLC控制系統(tǒng),進(jìn)行流量的計(jì)算、累計(jì)和控制。
5.2德爾塔巴流量計(jì)的組成及選型
1)德爾塔巴檢測(cè)件
德爾塔巴的檢測(cè)件為德爾塔巴探頭,探頭由探頭套管和探頭本體組成。探頭套管即探頭支架,是與管道焊接的部件，探頭本體安裝在管道內(nèi)部，可以單/雙面支撐。本體與套管用法蘭或焊接的方式連接。某選礦廠浮選作業(yè)7組壓縮空氣支管流量檢測(cè)采用的德爾塔巴檢測(cè)件,型號(hào)為HLVD25,量程0~2000N·m3/h,工作溫度40C,工作壓力0.6MPa,量程比大于30:1,探頭材料為316L不銹鋼。在此應(yīng)用條件下,德爾塔巴檢測(cè)件形成的差壓范圍大約為0~1.3kPa。德爾塔巴檢測(cè)件后帶三閥組,可以直接安裝差壓變送器。
2)差壓變送器
差壓變送器作為德爾塔巴檢測(cè)件的差壓檢測(cè)。選用的差壓變送器型號(hào)為7MF4433-1FA02-2AB6-ZA01+Y01,量程0~2.kPa,二線制,電源24VDC,帶表頭,精度0.5級(jí),輸出4~20mA信號(hào)到PLC進(jìn)行處理。
3)溫度傳感器
溫度傳感器用于壓縮空氣溫度的檢測(cè),在總管上設(shè)置一個(gè)溫度傳感器即可。溫度傳感器為Pt100熱電阻，型號(hào)為WZP-230/LXl=300x150/36/,304套管,M27x2螺紋。熱電阻信號(hào)通過三線制方式接入PLC。
4)壓力變送器
壓力變送器作為管道壓力的檢測(cè)。壓力變送器型號(hào)為7MF4033-1DA01-2AB6-ZA01+Y01,量程0~1.0MPa,二線制,輸出4~20mA,電源24VDC,帶表頭,管道壓力通過導(dǎo)壓管經(jīng)截止閥引到壓力變送器。
5.3現(xiàn)場(chǎng)安裝
德爾塔巴探頭安裝示意圖如圖2所示。德爾塔巴探頭必須根據(jù)管道尺寸選型,確保檢測(cè)桿的尺寸必須與管道直徑一致。為了使德爾塔巴探頭更有效地工作,現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)需要注意以下幾個(gè)細(xì)節(jié):1)在探頭上標(biāo)有流體流向和差壓極性的標(biāo)牌，安裝時(shí)確認(rèn)探頭極性;2)必須保證探頭的高壓側(cè)與變送器的正極連接,低壓側(cè)與變送器的負(fù)極連接;3)將差壓變送器按照手冊(cè)進(jìn)行線路連接。
由于被測(cè)介質(zhì)是壓縮空氣,差壓信號(hào)通過氣體介質(zhì)傳遞到差壓變送器,所以安裝差壓變送器時(shí)應(yīng)盡量由.上往下插入，或者傾斜3%,使冷凝水能順利返回管道中�，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí),三閥組和差壓變送器的位置必須高于探頭差壓輸出端口,否則將影響測(cè)量效果。
6結(jié)束語(yǔ)
以節(jié)流裝置為檢測(cè)元件的節(jié)流型流量計(jì)是歷史悠久,理論底蘊(yùn)深厚,實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富,應(yīng)用成熟,性價(jià)比很高的一-類流量計(jì),目前節(jié)流型流量計(jì)的種類有上百種,應(yīng)用選型時(shí)需要根據(jù)實(shí)際工藝要求綜合考慮。與渦街流量計(jì)比較,該文選擇德爾塔巴節(jié)流型流量計(jì)檢測(cè)壓縮空氣流量,可節(jié)省大約2/3的投資,并且檢測(cè)精度達(dá)到1.5%左右，與新的渦街流量計(jì)精度(1%~2%)相當(dāng)，而對(duì)于大型管道(DN200以上)的流量檢測(cè),選擇德爾塔巴流量計(jì)的經(jīng)濟(jì)性更加顯著。
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