近年來,國內(nèi)外流量儀表總的發(fā)展趨勢有以下幾個(gè)特點(diǎn):`
1.由于經(jīng)典式的節(jié)流儀表(孔板、噴嘴、文丘利管)在現(xiàn)場使用中暴露出不少缺點(diǎn),它保持已久的壟斷地位已經(jīng)消失,但仍占有較大的比童。
2.新型儀表(渦街、電磁、超聲)日益成熟,在現(xiàn)場應(yīng)用中的比重逐漸增大。
3、為提高流量測量的準(zhǔn)確度,適應(yīng)經(jīng)濟(jì)核算的要求,各種間接補(bǔ)償及直接的質(zhì)量流量計(jì)不斷出現(xiàn)。
4.微電子技術(shù)已滲透到流量儀表領(lǐng)域,出現(xiàn)了不少新型智能化儀表。
5.工業(yè)的現(xiàn)代化、大型化要求流量儀表的結(jié)構(gòu)力求簡單、壓損力求減小,各種插入式流量儀表應(yīng)運(yùn)而生,發(fā)展迅速。
一、孔板儀表的現(xiàn)狀及改進(jìn)
孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)的口徑及工況寬闊,特別是長期以來積累了大量的設(shè)計(jì)、制造、使用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),國內(nèi)外均已制定了標(biāo)準(zhǔn),即使不進(jìn)行實(shí)際校驗(yàn),也可確定流量系數(shù),因而為設(shè)計(jì)、使用部門廣泛采用,幾乎占現(xiàn)場使用流量儀表的80%左右,但在使用中也暴露出不多缺點(diǎn),如:
1.壓損太大。孔板的不可恢復(fù)壓損約占輸出差壓的50腸~90呱。一臺(tái)用于中30。口徑蒸汽管道上的孔板,由于壓損可使年運(yùn)行費(fèi)達(dá)上萬人民幣。
2.特性受幾何尺寸的影響較大。由于流體的沖刷、腐蝕以及油污的粘附,孔板銳邊的流量系數(shù)有可能偏離設(shè)計(jì)值約10%。缺乏維修而又長期使用的孔板,準(zhǔn)確度最好也只有3~5%左右。
3.裝拆困難。對使用于大口徑管道的孔板來說尤為突出。
4.輸出差壓與流量呈非線性關(guān)系,量程比僅為3：1。
為適應(yīng)自動(dòng)化對流量儀表提出的各種要求,在不斷出現(xiàn)各種新型儀表的同時(shí),孔板也在不斷改善中。例如,為擴(kuò)大量程,它本質(zhì)上仍是節(jié)流儀表,但孔徑可隨流量值的大小自行改變,從而使輸出差壓與流量成線性關(guān)系。該儀表的量程比可達(dá)100：1,準(zhǔn)確度為土1%,并可用水標(biāo)定后用于蒸汽管道上。
二、渦街、電磁等新型流量儀聲的應(yīng)用領(lǐng)域不斷增大
渦街流量計(jì)的原理是:當(dāng)流體流過非線性物體時(shí)將在其后產(chǎn)生周期性的旋渦脫落,脫落的頻率與流速成正比,因此,只要測出頻率的大小即可推算出流量值。
渦街流量計(jì)自七十年代問世以來發(fā)展迅速,目前國內(nèi)外已有十多利`產(chǎn)品。其主要優(yōu)點(diǎn)是:輸出量與流量成線性關(guān)系,量程比可達(dá)10:1;輸出量為脈沖信號,便于遠(yuǎn)傳、數(shù)據(jù)處理及與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī);輸出量與介質(zhì)的溫度、壓力、粘度、密度、成份無關(guān);無可動(dòng)部件,便于維護(hù),工作可靠。
雖然渦街流量計(jì)有以上突出的優(yōu)點(diǎn),但在現(xiàn)場應(yīng)用中尚未達(dá)到預(yù)期的目的。可能是由于管內(nèi)的流速分布對它的工作影響較大,特別是渦街的形成還有隨機(jī)的不穩(wěn)定現(xiàn)象,降低了流量總量的準(zhǔn)確度。其次是它不適用于測粘度太大的流體以及采用某些檢測方法時(shí)輸出信號靈敏度有衰減的現(xiàn)象。因此,渦街流量計(jì)的研究主要有三個(gè)方面:
(l)研究產(chǎn)生穩(wěn)定、強(qiáng)烈的旋渦發(fā)生體。目前發(fā)生體主要為柱狀,從斷面來看有圓、三角、梯形、矩形以及各種復(fù)合形狀。針對二維柱體在三維圓管流可能產(chǎn)生隨機(jī)不穩(wěn)定現(xiàn)象,日本的高本正樹近年曾提出過采用一種環(huán)形旋渦發(fā)生體(見圖1),并進(jìn)行了一些試驗(yàn)。他認(rèn)為當(dāng)環(huán)厚W為環(huán)平均直徑d的1/6時(shí),可產(chǎn)生穩(wěn)定的渦街。當(dāng)然,這種環(huán)狀渦街流量計(jì)進(jìn)入實(shí)用尚有不少間題有待解決,如環(huán)狀發(fā)生體的支承、渦街頻率的檢測等。
(2)研究檢測渦街頻率的方法。檢測頻率的方法很多,如:熱絲、熱敏、超聲、電磁、應(yīng)變、擴(kuò)散硅、電容、壓電等。早期的熱絲、熱敏方法靈敏度雖然較高,但由于檢測元件暴露在流體之中,易受污染而導(dǎo)致靈敏度下降,允許承受的溫度也較低,近年來不少廠家將壓電或擴(kuò)散硅封裝在渦街發(fā)生體內(nèi)或管道外的檢測桿上,使渦街流量計(jì)的溫度上限提高到300℃,抗污染能力也大有提高,擴(kuò)大了儀表的應(yīng)用領(lǐng)域。
(3)研究頻率的信息處理。在信息處理上采取一些措施可以提高頻率檢測的穩(wěn)定性,降低低頻波動(dòng)的噪聲源等,以彌補(bǔ)流體振蕩信息之不足。其次,為提高流量測量的精確度,除了渦街頻率信息外,還可引入溫度、壓力檢測信息組成質(zhì)量流量計(jì)。微型機(jī)的普及、推廣和成本不斷下降,也為渦街流量計(jì)的智能化辟開了廣闊的前景。
2.電磁流量計(jì)
電磁流量計(jì)也是一種很有前途的流量儀表。由于儀表中沒有任何障礙物,特別適用于測含有固相物的液體流量,如污水、紙漿、礦漿等。近年來,歐、美、日等先進(jìn)國家生產(chǎn)這種儀表的廠家約占流量儀表廠家的10~2。腸,現(xiàn)場應(yīng)用比重也不斷增加,特別在以下幾個(gè)方面有了較大的發(fā)展:
(l)擴(kuò)大了流體的應(yīng)用范圍。限制使用電磁流量計(jì)的主要因素是流體導(dǎo)電率,其下限為50微姆歐/厘米。1984年國外推出了高靈敏度的電磁流量計(jì),流體的導(dǎo)電率可低至1微姆歐/厘米,儀表口徑為里~4英寸。
(2)增加了抗干擾能力。過去,電磁流量計(jì)勵(lì)磁采用50Hz交流電,電源雖簡單,但易受市電干擾,零漂較嚴(yán)重。現(xiàn)在采用了鍵控開關(guān)電路,低頻方波勵(lì)磁,排除了干擾,減少了零漂,儀表準(zhǔn)確度從1.5級提高到0.5級。
(3)非接觸電極。傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)在管內(nèi)有一對與被測介質(zhì)相接觸的電極,在測強(qiáng)腐蝕液體及污穢漿液時(shí),電極裸露部份易被腐蝕或污損。一種電容禍合電極的電磁流量計(jì),口徑中65至中500,在管道內(nèi)不再有裸露部分,克服了被腐蝕、污損的缺點(diǎn)。
(4)微型化。由于管內(nèi)流速分布是非均勻的,因此,采用非均勻磁場可以有效地利用磁場強(qiáng)度,從而使電磁流量計(jì)的口徑進(jìn)一步微型化。
三、插入式流量儀表發(fā)展迅速
流量儀表的體積與重量是隨口徑成立方增長的,如果按比例放大結(jié)構(gòu),將使大口徑流量僅表顯得特別笨重。其次,當(dāng)口徑較小時(shí),流量儀表的壓損無關(guān)緊要,而當(dāng)口徑(如孔板)增大時(shí),其壓損折合年運(yùn)行費(fèi)將大得難以為人們所接受。因此,大口徑流量儀表應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡單、壓損較小的特點(diǎn),按此要求,插入式流量儀表用于大口徑流量測量較為適宜。
插入式流量儀表是一種以插入式安裝形式為特征的儀表,如插入式渦輪、插入式渦街流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)以及皮托管、皮托文丘利管等等。這些插入式流量儀表一般指測管道內(nèi)某一點(diǎn)流速以推算流量的儀表。這種測量方法對直管道長度有較高的要求,而現(xiàn)場中的流速分布不可能那么嚴(yán)格規(guī)范,因此,按ISO7145的推算,用該方法測流量的準(zhǔn)確度很難超過±3%。
為提高插入式流量儀表的準(zhǔn)確度,有人提出了這樣的設(shè)想:安裝仍保持方便的插入形式,而在管道直徑方向測多點(diǎn)流速以適應(yīng)管道中流速分布的變化。
近年來,一種雙槳反向插入式渦輪流量計(jì)(見圖3),它其有二個(gè)槳葉,旋轉(zhuǎn)方向相反,沿管道直徑方向插入。測試表明它可以在較寬的范圍內(nèi)適應(yīng)流速分布的變化,即使是較惡劣的流場下,如在緊接900彎頭不到ZD的地方安裝流量計(jì),仍可保持較高準(zhǔn)確度。與單槳葉插入式渦輪流量計(jì)比較,準(zhǔn)確度可提高約三倍。
提高插入式流量計(jì)準(zhǔn)確度的另一途徑是通過檢測頭的微型化來減小對流場的干擾。插入式渦輪流量計(jì)檢測頭直徑不到2英寸,這種儀表還有一個(gè)定位機(jī)構(gòu)以保證安裝時(shí)葉輪的軸線與管道軸線相平行;插入式電磁流量計(jì)的檢測頭直徑僅l英寸,可用于在4、60英寸管道上測流量。除此而外,有些儀表還附屬了一些機(jī)構(gòu),使儀表功能更趨完善,如插入式電磁流量計(jì),具有檢測流量變化范圍的數(shù)字開關(guān)以及監(jiān)測管道中流動(dòng)情況的信號開關(guān)和低流量開關(guān)。
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