摘要(yao):利用π定理推導(dao)出孔闆、文丘裏(li)、電磁及
渦輪流(liú)量計
水力特性(xing)。将4種流量計
串(chuàn)聯組成測試裝(zhuāng)置進行試驗研(yan)究,利用軟件采(cǎi)集各流量計測(cè)試數據,與稱重(zhong)法測量數據進(jin)行對比。用Origin軟件(jiàn)繪出流量曲線(xian),分析在不同流(liú)量條件下各種(zhǒng)流量計的精度(dù)和誤差率,以期(qī)爲流量計的選(xuǎn)型和應用提供(gòng)有價值的參考(kǎo)依據。
在泵的運(yùn)行與調節中,對(duì)泵流量的測量(liàng)是泵性能檢測(cè)的重要指标,實(shí)際中要用到大(da)量的流量計,流(liú)量計性能将直(zhi)接反映出泵的(de)流量精度[1-2],因此(ci)，有必要對流量(liang)計的性能有所(suǒ)了解和掌握。本(běn)文對常用的4種(zhǒng)流量計進行試(shi)驗對比,得出了(le)相關結論,以期(qī)爲實際應用及(ji)選型提供依據(ju)。
1常用的4種流量(liang)計
1.1孔闆、文丘裏(li)流量計
孔闆、文(wen)丘裏流量計是(shì)基于伯努利方(fāng)程原理.制造的(de)流量儀表,如圖(tú)1和圖2所示。它利(li)用流體流經節(jiē)流裝置所産生(sheng)的壓差來測量(liàng)流量，因此叫作(zuo)差壓流量計,是(shi)目前應用最廣(guǎng)泛的一類流量(liang)測量儀表。其特(te)點是:所測介質(zhi)爲單相、均質的(de)牛頓流體，在通(tong)過節流裝置時(shí)不發生相變和(hé)析出雜質,在節(jie)流裝置中不得(dé)有物質黏附或(huò)聚集。适用于圓(yuán)管和上下遊有(you)較長間距的直(zhí)管段。流動應連(lián)續、穩定,流線與(yǔ)管軸線平行。節(jiē)流裝置結構簡(jiǎn)單,使用壽命長(zhang),适應性比較廣(guǎng)，能夠測量各種(zhong)工況下的流體(tǐ),精度可達.±1%;但其(qí)壓力損失較大(dà),刻度呈非線性(xing)。
1.2電磁流(liú)量計
電磁流量(liàng)計
是基于法拉(lā)第電磁感應定(ding)律制成的測量(liang)導電性液體的(de)儀表,如圖3所示(shì)。即利用電磁感(gǎn)應原理來測量(liang)導管中導電液(yè)體的平均流速(sù)。
其特點是(shì):測量通道爲光(guāng)滑直管,不會阻(zu)塞,适用于測量(liàng)含固體顆粒的(de)液固二相流體(tǐ)(如紙漿、泥漿.污(wū)水等),沒有壓力(li)損失,所測體積(jī)流量不受流體(tǐ)密度、黏度、溫度(du)、壓力和電導率(lü)(>10-5Ω/cm)的影響,測量範(fàn)圍大(流速爲0.3~10m/s),口(kǒu)徑範圍寬(3mm至3m),測(ce)量精度比較高(gao)(基本誤差值的(de)±0.2%~±0.5%),輸出與被測介(jie)質平均流速成(cheng)正比，與流動狀(zhuang)态無關,可測量(liang)瞬時脈動流量(liàng)。但是它不能測(ce)量電導率很低(dī)的液體(如石油(yóu)制品),不能測量(liang)氣體、蒸汽和含(han)有較大氣泡的(de)液體,不能用于(yu)測量較高溫度(du)的介質(易受外(wai)界電磁幹擾)。
1.3渦(wō)輪流量計
渦輪(lún)流量計
是基于(yú)動量矩守恒原(yuan)理制造的速度(dù)式流量儀表,即(jí)利用置于流體(tǐ)中葉輪的旋轉(zhuan)角速度與流體(tǐ)流速成比例的(de)關系,通過測量(liang)葉輪的轉速來(lai)反映通過管道(dào)的體積流量,是(shì)目前流量儀表(biǎo)中比較成熟的(de)高精度儀表,工(gōng)作原理如4所示(shi)。
其特點是:結構(gou)簡單、加工零部(bù)件少、重量輕、維(wéi)修方便、流通能(neng)力大(同樣口徑(jìng)可通過的流量(liang)大),易實現脈沖(chòng)遠距離傳送,可(ke)适應高參數(高(gao)溫、高壓和低溫(wen))的測量需要,測(cè)量精度較高,測(cè)量範圍較寬，動(dong)态響應好,壓力(lì)損失較小;但是(shi)被測流體的部(bu)分物性對測量(liang)精度有一定的(de)影響,不能長期(qi)保持校準特性(xing),對被測介質清(qing)潔度要求較高(gāo),流體的溫度、黏(nian)度、密度對儀表(biǎo)指示值有較大(da)影響,由于有轉(zhuǎn)動部件會帶來(lai)磨損,儀表的使(shi)用年限受影響(xiang)。适宜測量比較(jiào)潔淨的低黏度(dù)液體。
2π定理推導(dǎo)水力特性
2.1孔闆(pan)、文丘裏流量計(ji)水力特性
對于(yu)孔闆、文丘裏流(liú)量計,流速ʋ的影(yǐng)響因素有:進口(kou)管徑d1、孔徑(喉徑(jing))d2、流體的密度ρ、動(dòng)力黏度系數μ及(ji)斷面間壓強差(cha)△p.據π定理:
由(2)式可(kě)知,流量Q與流量(liàng)系數μQ、管道雷諾(nuo)數Re及管徑與孔(kong)徑比d2/d1有關。
2.2電磁(ci)流量計水力特(tè)性
當流體的電(dian)導率大于10-5s/cm時,電(dian)磁流量計
流速(su)與流體的物性(xing)無關,流速ʋ的影(yǐng)響因素有:電磁(ci)感應強度e、磁場(chang)強度B、管道直徑(jing)D.據π定理:
由(4)式可(ke)知,當磁場強度(du)B、管道直徑D爲常(cháng)數時，流量Q僅與(yǔ)電磁感應強度(dù)e相關且成正比(bi)。
2.3渦輪流量計水(shui)力特性
當渦輪(lun)結構一定時,渦(wo)輪流量計流速(su)v與葉輪的轉速(su)相關,故影響因(yīn)素有:葉輪的旋(xuán)轉角速度w、流體(ti)密度ρ、動力黏度(dù)系數μ、管徑D、葉輪(lún)轉動的阻力矩(ju)M(包括摩擦阻力(li)矩和磁阻尼力(lì)矩等).據π定理:
由(you)(6)式可知,當管徑(jìng)D一定,流量Q與渦(wo)輪轉速n成--定的(de)比例關系,和雷(léi)諾數Re、渦輪旋轉(zhuan)阻力與流體慣(guàn)性力之比及渦(wō)輪平均半徑與(yu)管徑之比相關(guān)。
3試驗裝置及方(fāng)法
試驗測試裝(zhuang)置由電磁、渦輪(lun)、文丘裏和孔闆(pan)4個同口徑(中25mm)的(de)流量計,組成串(chuàn)聯管路、自動切(qie)換控制儀、計算(suàn)機測控系統、自(zi)循環供水系統(tǒng)及輔助補水機(jī)構,如圖5所示。
孔(kong)闆流量計
采用(yong)标準孔闆角接(jiē)取壓,β=0.450;文丘裏流(liú)量計采用圓錐(zhuī)形文丘裏管,β=0.628;電(dian)磁流量計傳感(gan)器型号LDG-25S,精度1級(jí);渦輪流.量計傳(chuan)感器型号LWGY-25A,精度(du)0.5級。輔助補水機(ji)構的作用是當(dāng)用稱重法測量(liang)時,對水箱進行(hang)補水以保持水(shuǐ)箱水位不變,形(xíng)成管道内恒速(sù)定常運動。系統(tong)管徑φ25mm,流量範圍(wei)0~3m3/h。各流量計數據(jù)由計算機瞬時(shí)采集。稱重法由(yóu)秒表記錄時間(jian),電子秤測試重(zhong)量,采用同一流(liu)量測3次,取平均(jun1)值爲測定流量(liang)。同一流量4個流(liú)量計和稱重法(fa)同時測量,測定(ding)流量值各不相(xiang)同，以稱重法爲(wei)真值基準，通過(guo)分析對比,揭示(shi)各自的性能特(te)點。
4試驗數據及(jí)分析
本試驗測(ce)得流量計及稱(cheng)重法5組實驗數(shu)據,按試驗順序(xu)計算彙總如表(biǎo)1和表2所示。爲了(le)便于研究,将稱(chēng)重法測量數據(jù)爲X軸,各流量計(ji)數據與稱重法(fa)數據之差爲Y軸(zhóu),以及相對誤差(chà)爲Y軸,利用Origin軟件(jian)繪流量曲線如(ru)圖6、圖7所示。
分析(xi)圖6和圖7,當流量(liàng)0.451m3/h時,管中水速爲(wèi)0.255m/s,雷諾數Re=6336,處于紊(wěn)流狀态。對于電(dian)磁流量計,測量(liàng)精度主要受傳(chuan)感器性能的影(ying)響，流速較低時(shí)積聚在電極上(shàng)的電荷較少,受(shou)縱向速度影響(xiǎng)明顯,因此出現(xiàn)較大的偏差;在(zai)流量逐漸增加(jia)的過程中,縱向(xiàng)速度的影響逐(zhú)漸減小,誤差減(jiǎn)小,精度、可靠性(xìng)增加,說明電磁(ci)流量計在小流(liu)量時精度較低(dī)。對于渦輪流量(liàng)計,流量與渦輪(lún)轉速成比例,與(yǔ)儀表常數有關(guan),小流量時出現(xian)偏差,測量值偏(pian)小,這是因爲此(cǐ)時葉輪的機械(xie)摩擦阻力及磁(ci)阻尼力矩相對(dui)旋轉力矩較大(dà)，因此所測的流(liu)量值偏小;随着(zhe)流量的增加,旋(xuán)轉力矩增大,誤(wu)差逐漸減小,精(jing)度、可靠性增加(jiā)。.對于文丘裏流(liú)量計,屬于平緩(huǎn)節流,所測過程(chéng)中受旋渦影響(xiang)較小，且沒有旋(xuan)轉部件,精度取(qu)決于試驗标定(ding),因此精度、可靠(kào)性較高,說明文(wen)丘裏流量計适(shi)應性較廣。對于(yu)孔闆流量計,小(xiao)流量時所測數(shu)據偏大,這是因(yīn)爲此時壓差△p較(jiào)小，易受流體擾(rao)動的影響,孔闆(pan)前後區域存在(zài)旋渦，因而測量(liang)偏差較大;随着(zhe)流量的增加,旋(xuán)渦的影響減小(xiǎo),精度、可靠性增(zeng)加,說明孔闆流(liú)量計不适于測(ce)量較小流量。流(liú)量從0.745m3/h增加1.899m3/h的過(guo)程中,電磁流量(liang)計的精度要略(lue)高于渦輪、文丘(qiū)裏和孔闆流量(liang)計,精度都能達(da)到1級。流量從1.899m3/h增(zeng)加2.963m3/h的過程中,各(gè)流量計精度都(dōu)較高,表現在圖(tú)7中的曲線趨于(yú)一點。
以上分析(xī)可知,電磁、渦輪(lun)、孔闆流量計均(jun1)不适于較小的(de)流量，而文丘裏(lǐ)流量計因爲壓(ya)損小,對旋渦不(bú)敏感,較接近真(zhēn)值。大流量時各(gè)流量計都有一(yi)定的波.動,但測(ce)值接近真值,說(shuo)明它們的性能(neng)是可靠的。
5結語(yu)
通過本次試驗(yàn)可知,在小流量(liang)時,孔闆與電磁(ci)流量計的數據(ju)偏大、相對誤差(cha)也較大,渦輪流(liu)量計數據偏小(xiǎo)、相對誤差也較(jiao)小,文丘裏流量(liang)計則接近真值(zhi);大流量時各流(liu)量計讀數都有(yǒu)一定偏差,但所(suǒ)測值接近真值(zhi)，說明性能都較(jiao)可靠。
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