1　幾種大管徑流量儀表的原理和特點

 

　　1·1　節流差壓式流量計

 

　　這種儀表的測量原理是伯努力方程和流體的連續性方程。利用節流裝置前后的差壓與平均流量的關系,測得差壓值,推算出流量。如圖1所示,充滿管道的水流經節流裝置時(圖中為孔板,在多數大管徑輸水測量中常用文丘利管,如圖2)。流束在節流裝置處由于流通面積急劇收縮,從而流速增加,水的靜壓從P1降到P2,利用差壓變送器可測得節流裝置前后產生的差壓ΔP=P1-P2。根據伯努力方程可知,水的流量與差壓ΔP的平方根成正比關系,即:

 

 

 

式中M是一個綜合比例系數,它與節流裝置截面比、水的密度等有關,可由實驗求得。

 

 

 

　　如圖1所示,管道中水壓經節流裝置后從P1降到P2,再流過一段后回升到P3,則P1-P3即為流過節流裝置的阻力損失,換言之,也就是這種測量過程的能量消耗。節流差壓式流量儀表常用孔板、噴嘴、文丘利管,比較來說,孔板的結構最簡單、價格低,文丘利管結構最復雜、價格也最貴,噴嘴介于兩者中間。在壓力損失方面從大到小依次是孔板、噴嘴、文丘利管。孔板和噴嘴安裝長度都較短,而文丘利管安裝長度很長。這3種節流裝置中孔板和噴嘴已有國家標準,可按照工藝參數通過計算確定,不須實流標定。文丘利管可參照相應標準計算,但應實流標定。

 

　　1·2　電磁流量計

 

　　本儀表的工作原理是法拉第電磁感應定律。如圖3所示,導電液體在管道內流過,穿過垂直于管道的磁場,相當于長度為D的導電體切割磁力線,在與流向和磁力線都垂直的方向就產生感應電動勢E,即:

 

 

 

式中B———磁通密度,Gs

 

　　D———管道內徑,cm

 

　　V———液體平均流速,cm/s

 

 

 

　　則液體的體積流量可用下式表示。

 

 

 

　　從電磁流量計的測量原理可以看出,管道中沒有任何阻流元件,所以不會帶來壓力損失,這是此儀表最顯著的優點。電磁流量計還可測量含雜質的固液兩相流,也適用于測未經處理的江河原水。電磁流量計須進行實流標定。

 

　　1·3　插入式渦輪流量計

 

　　插入式渦輪流量計的原理是測量管道橫截面上某一局部流速,乘以該局部流速與平均流速之間的系數和截面積,以求得體積流量。這種儀表有隔離閥,可以在不停水的情況下安裝或調換渦輪頭。渦輪頭位置可以在管道中心,也可插在平均流速區。流速的分布對測量精度影響很大,因此要遠離影響流速正態分布的彎頭、閥門等,也就是說對安裝直管段的要求較高。

 

　　1·4　插入式渦街流量計

 

　　插入式渦街流量計是基于卡門渦街原理制成的。流體流經插入到管道中的旋渦發生體時,發生體兩側交替產生旋渦,并產生壓力脈動從而使發生體產生交變應力,封裝在檢測體內的壓電膜片在此交變應力的作用下會產生與旋渦頻率相同的電信號,產生的電信號經過處理,轉換成脈沖信號或標準模擬信號輸出,在一定的雷諾數范圍內,流量與旋渦的頻率成正比。這種儀表也可以不停流拆裝,對被測液體的流速有最大(最小)流速的要求,而對大管徑輸水管道往往是流速太低,因此為了提高流速以滿足使用要求,往往需要縮管。另外此種儀表對振動要求比較高。

 

　　1·5　均速管流量計

 

　　均速管流量計是基于伯努力方程工作的。如圖4所示.

 

 

 

　　平均流速與截面積(F)的乘積即為液體的體積流量。即:

 

 

 

式中N為一個綜合系數,它與工作狀態被測液體的密度、流通面積、重力加速度等有關,可通過實驗求得。這種儀表也是一種差壓式儀表。由于大管徑輸水流速較低,差壓值較小,所以要配以低量程的差壓變送器。它的阻力損失較小,亦可不停流拆裝。均速管流量計受靜壓影響較大,且要進行實流標定。

 

　　1·6　超聲波流量計

 

 

 

　　超聲波流量計是一種非接觸式測量儀表,它是利用超聲波的傳播速度來測量的,如圖5所示。設水流速度為V,水靜止時聲速為C,則從上游發射換能器T1發出的超聲波到達下游接收換能器R1的時間為t1=從下游發射換能器T2發出的超聲波到達上游接收換能器R2的時間為則時間差Δt為:

 

 

 

　　測出Δt就可推算出流速V,稱作時間差法。為克服水溫對聲速的影響,大管徑輸水多采用頻率差法。

 

 

 

　　超聲波流量計的拆裝不需停水,無額外阻力損失。它是以測得平均流速乘以截面積而得到體積流量,所以流速的分布對測量值影響較大,與電磁流量計相比易受流速分布影響而需略高的直管段要求。另外若水中含有雜質,超聲波在水中傳播將受到阻礙造成信號減弱或不穩定,所以它不適合測量兩相流及江河原水等。

 

　　2　使用性能比較

 

　　2·1　能量消耗

 

　　當今時代,節約用水、節能已被全社會所關注,流量測量的目的是節約用水,所以測量過程中的能量消耗不容忽視。測量過程中的能量消耗分為兩部分:第一部分是水流經測量元件時阻力帶來的壓力損失,給水泵額外增加的負荷;第二部分是儀表本身的耗電量。第一種能量消耗在上述幾種儀表中,電磁流量計和超聲波流量計最小,幾乎沒有額外的阻力損失。插入式渦輪、渦街流量計和均速管流量計雖在管道中有阻流元件,但壓力損失很小,而節流差壓式流量儀表的阻力損失較大,不容忽視。有關統計表明,采用孔板測量大管徑輸水流量,僅因為阻力損失給泵額外增加的負荷,一年的耗電費用將超過儀表本身價格的十倍。第二部分能量消耗,上述幾種儀表均有。隨著電子技術的發展,耗電量呈下降趨勢,其中電磁流量計耗電量較大,通過改善勵磁電源可以改善此項指標,但總的來說,電磁流量計的耗電量還是居以上幾種儀表之首。

 

　　2·2　流速分布影響和直管段要求

 

　　由于測量原理不同,所以各種儀表對流速分布的敏感程度不同,電磁流量計測量全面積流速,受流速分布的影響最小,超聲波流量計,均速管流量計和插入式渦街流量計影響居中,插入式渦輪流量計是測量局部流速,影響最大。影響流速分布的主要因素是上下游直管段的長度,所以不同儀表對上下游直管段的要求不同。一般來說,電磁流量計前置直管段要求5D即可,無后置直管段要求。超聲波、均速管、插入式渦街流量計上游則要求10D以上,下游則要求3~5D.插入式渦輪流量計上游則要求20D以上,下游則7D以上,差壓節流式儀表根據截面比不同,上下游則分別要求15~30D和4~7D.對大管徑輸水管道,由于直管段長度長,有時因場地制約可能成為選用時要考慮的主要因素。

 

　　2·3　對水質的要求

 

　　大管徑輸水管路中除了清潔水,也有含雜質的濁水,如江河原水,各種儀表對水質清潔程度要求不同,電磁流量計適應性最強,不限制水中雜質的含量,甚至可用來測量紙漿、礦漿等較粘稠流體的流量。超聲波流量計雖然結構上無阻流元件,但如前所述,雜質將影響超聲波的傳播,使用上受到一定限制。節流差壓式流量計、均速管流量計和插入式渦街流量計可用來測量含少量雜質的水,但要采取沖洗、排污等措施。插入式渦輪流量計對水質要求最嚴格,必須對介質進行過濾或沉淀處理,否則渦輪頭磨損嚴重,會大幅度降低使用壽命。

 

　　2·4　量程比

 

　　量程比是儀表能準確測量的最大流量和最小流量的比值,它是選用儀表的一個重要參數。電磁流量計量程比通常為20,超聲波和插入式渦街流量計可做到10,插入式渦輪流量計約為5。節流差壓式流量計和均速管流量計由于受流量和差壓成平方根非線性關系及臨界雷諾數的限制,量程比較小,節流差壓式流量計的量程比只有3,均速管流量計約為3·5左右。