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)空氣流量檢測中的應(yīng)用情況。
0引言
流量檢測在工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)輸.科學(xué)研究、國防事業(yè)中都發(fā)揮著重要作用,檢測對(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,流量儀表就成為了自動(dòng)化控制中不可缺少的檢測儀表之一。
1流量計(jì)的種類
流量檢測的方法可以劃分為以下幾種:利用伯努利原理,通過測量流體差壓信號(hào)來反映流量的差壓式流量測量法;利用標(biāo)準(zhǔn)小容積來連續(xù)測量流量的容積式測量方法;通過直接測量流體流速來測量流量的速度式測量法;以測量流體質(zhì)量流量的質(zhì)量流量測量法。
流量計(jì)是指用以測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。但按照測量方法和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類,大致可以分為兩類:測體積流量和測質(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)上下游直管段長度要求較小;轉(zhuǎn)子流量計(jì)雖然可以測量小流量流體的流量，但是可測量范圍最小，且傳感器安裝方位只能是垂直由下向上;渦街流量計(jì)測量范圍適中,但其不能測雙向流。
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,大流量儀表結(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,簡單牢固,穩(wěn)定性好,使用壽命長,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)狻⒄羝�、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)流裝置有國際和國家標(biāo)準(zhǔn)作支撐。
3.1孔板流量計(jì)
孔板結(jié)構(gòu)簡單,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,且不適用于測量含顆粒纖維漿或腐蝕性流體。
我國常選用孔板作為測量給水、中低壓蒸汽流量的節(jié)流件。在被測流體為臟污介質(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、濕氣體的測量�？装辶髁坑�(jì)亦在天然氣流量測量和高溫蒸汽測量等領(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。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,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。
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量。在測量中要求低壓損時(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、蒸汽的流量測量。德爾塔巴具有使用壽命長、長期運(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)安裝的測點(diǎn)或介質(zhì)很臟需定期檢修的測點(diǎn)，在各冶煉廠熔煉爐氧氣流量檢測中得到了廣泛應(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)行雙向測量。德爾塔巴探頭長度為流體管道內(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)定地測得被測流體低流速時(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,將一定直徑的測量管插入被測介質(zhì)管道。流體流經(jīng)測量管時(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,在測量管后部的低壓區(qū)域產(chǎn)生部分真空,使測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)律的分布在測量管兩側(cè)的取壓孔來檢測流體的差壓，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,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)德爾塔巴檢測件
德爾塔巴的檢測件為德爾塔巴探頭,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采用的德爾塔巴檢測件,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,德爾塔巴檢測件形成的差壓范圍大約為0~1.3kPa。德爾塔巴檢測件后帶三閥組,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件的差壓檢測。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,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。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。現(xiàn)場安裝時(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,否則將影響測量效果。
6結(jié)束語
以節(jié)流裝置為檢測元件的節(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)檢測壓縮空氣流量,可節(jié)省大約2/3的投資,并且檢測精度達(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,選擇德爾塔巴流量計(jì)的經(jīng)濟(jì)性更加顯著。
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