大口徑循環(huán)水計(jì)量?jī)x表的分類

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(cè)量誤差。為使其得到準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)，需要在測(cè)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(zhǎng)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(cè)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(cè)量?jī)x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(cè)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(cè)量?jī)x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?jī)x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(cè)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(cè)液體的溫度、壓力、黏度等影響，可測(cè)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(zhǎng)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(cè)量誤差受外界電磁場(chǎng)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(chǎng)。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(zhǎng)度，一般可取5D。③電極表面易污染。在測(cè)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(cè)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(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)。線性測(cè)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(cè)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(cè)量及與計(jì)算機(jī)聯(lián)用等優(yōu)勢(shì)，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(cè)量?jī)羲?、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(cè)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(cè)量誤差，使得測(cè)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(cè)量偏差較大。一般在0.4m/s以下，不能準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量流體的流量。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)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(cè)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(cè)量管內(nèi)壁相對(duì)粗糙的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，使測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)不到要求。③測(cè)量范圍小，僅為3∶1。測(cè)量范圍一般在設(shè)計(jì)流量的30%～90%為正常測(cè)量。如果低于30%，則測(cè)量結(jié)果更低于實(shí)際量；而大于90%以上，則測(cè)量結(jié)果更高于實(shí)際量。另外，孔板測(cè)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(cè)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(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，只有在測(cè)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，并且在國(guó)際電工委員會(huì)的IEC6041規(guī)程和美國(guó)國(guó)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(cè)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是國(guó)際電工委員會(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(cè)流技術(shù)亦在快速發(fā)展，近來市場(chǎng)上已出現(xiàn)了二重積分?jǐn)?shù)學(xué)模型，該技術(shù)徹底擺脫了修正系數(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，徹底擺脫了修正系數(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(jiǎn)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)超聲換能器、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(cè)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(cè)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(cè)量普遍存在著大管徑、大流量測(cè)量的問題，并且隨著國(guó)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(gòu)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(cè)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(cè)量結(jié)果不受流體成分、壓力、溫度變化的影響，測(cè)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)品無可比擬的優(yōu)越性、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(chǎng)合。