1　几种大管径流量仪表的原理和特点

 

　　1·1　节流差压式流量计

 

　　这种仪表的测量原理是伯努力方程和流体的连续性方程。利用节流装置前后的差压与平均流量的关系,测得差压值,推算出流量。如图1所示,充满管道的水流经节流装置时(图中为孔板,在多数大管径输水测量中常用文丘利管,如图2)。流束在节流装置处由于流通面积急剧收缩,从而流速增加,水的静压从P1降到P2,利用差压变送器可测得节流装置前后产生的差压ΔP=P1-P2。根据伯努力方程可知,水的流量与差压ΔP的平方根成正比关系,即:

 

 

 

式中M是一个综合比例系数,它与节流装置截面比、水的密度等有关,可由实验求得。

 

 

 

　　如图1所示,管道中水压经节流装置后从P1降到P2,再流过一段后回升到P3,则P1-P3即为流过节流装置的阻力损失,换言之,也就是这种测量过程的能量消耗。节流差压式流量仪表常用孔板、喷嘴、文丘利管,比较来说,孔板的结构最简单、价格低,文丘利管结构最复杂、价格也最贵,喷嘴介于两者中间。在压力损失方面从大到小依次是孔板、喷嘴、文丘利管。孔板和喷嘴安装长度都较短,而文丘利管安装长度很长。这3种节流装置中孔板和喷嘴已有国家标准,可按照工艺参数通过计算确定,不须实流标定。文丘利管可参照相应标准计算,但应实流标定。

 

　　1·2　电磁流量计

 

　　本仪表的工作原理是法拉第电磁感应定律。如图3所示,导电液体在管道内流过,穿过垂直于管道的磁场,相当于长度为D的导电体切割磁力线,在与流向和磁力线都垂直的方向就产生感应电动势E,即:

 

 

 

式中B———磁通密度,Gs

 

　　D———管道内径,cm

 

　　V———液体平均流速,cm/s

 

 

 

　　则液体的体积流量可用下式表示。

 

 

 

　　从电磁流量计的测量原理可以看出,管道中没有任何阻流元件,所以不会带来压力损失,这是此仪表最显著的优点。电磁流量计还可测量含杂质的固液两相流,也适用于测未经处理的江河原水。电磁流量计须进行实流标定。

 

　　1·3　插入式涡轮流量计

 

　　插入式涡轮流量计的原理是测量管道横截面上某一局部流速,乘以该局部流速与平均流速之间的系数和截面积,以求得体积流量。这种仪表有隔离阀,可以在不停水的情况下安装或调换涡轮头。涡轮头位置可以在管道中心,也可插在平均流速区。流速的分布对测量精度影响很大,因此要远离影响流速正态分布的弯头、阀门等,也就是说对安装直管段的要求较高。

 

　　1·4　插入式涡街流量计

 

　　插入式涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的。流体流经插入到管道中的旋涡发生体时,发生体两侧交替产生旋涡,并产生压力脉动从而使发生体产生交变应力,封装在检测体内的压电膜片在此交变应力的作用下会产生与旋涡频率相同的电信号,产生的电信号经过处理,转换成脉冲信号或标准模拟信号输出,在一定的雷诺数范围内,流量与旋涡的频率成正比。这种仪表也可以不停流拆装,对被测液体的流速有最大(最小)流速的要求,而对大管径输水管道往往是流速太低,因此为了提高流速以满足使用要求,往往需要缩管。另外此种仪表对振动要求比较高。

 

　　1·5　均速管流量计

 

　　均速管流量计是基于伯努力方程工作的。如图4所示.

 

 

 

　　平均流速与截面积(F)的乘积即为液体的体积流量。即:

 

 

 

式中N为一个综合系数,它与工作状态被测液体的密度、流通面积、重力加速度等有关,可通过实验求得。这种仪表也是一种差压式仪表。由于大管径输水流速较低,差压值较小,所以要配以低量程的差压变送器。它的阻力损失较小,亦可不停流拆装。均速管流量计受静压影响较大,且要进行实流标定。

 

　　1·6　超声波流量计

 

 

 

　　超声波流量计是一种非接触式测量仪表,它是利用超声波的传播速度来测量的,如图5所示。设水流速度为V,水静止时声速为C,则从上游发射换能器T1发出的超声波到达下游接收换能器R1的时间为t1=从下游发射换能器T2发出的超声波到达上游接收换能器R2的时间为则时间差Δt为:

 

 

 

　　测出Δt就可推算出流速V,称作时间差法。为克服水温对声速的影响,大管径输水多采用频率差法。

 

 

 

　　超声波流量计的拆装不需停水,无额外阻力损失。它是以测得平均流速乘以截面积而得到体积流量,所以流速的分布对测量值影响较大,与电磁流量计相比易受流速分布影响而需略高的直管段要求。另外若水中含有杂质,超声波在水中传播将受到阻碍造成信号减弱或不稳定,所以它不适合测量两相流及江河原水等。

 

　　2　使用性能比较

 

　　2·1　能量消耗

 

　　当今时代,节约用水、节能已被全社会所关注,流量测量的目的是节约用水,所以测量过程中的能量消耗不容忽视。测量过程中的能量消耗分为两部分:第一部分是水流经测量元件时阻力带来的压力损失,给水泵额外增加的负荷;第二部分是仪表本身的耗电量。第一种能量消耗在上述几种仪表中,电磁流量计和超声波流量计最小,几乎没有额外的阻力损失。插入式涡轮、涡街流量计和均速管流量计虽在管道中有阻流元件,但压力损失很小,而节流差压式流量仪表的阻力损失较大,不容忽视。有关统计表明,采用孔板测量大管径输水流量,仅因为阻力损失给泵额外增加的负荷,一年的耗电费用将超过仪表本身价格的十倍。第二部分能量消耗,上述几种仪表均有。随着电子技术的发展,耗电量呈下降趋势,其中电磁流量计耗电量较大,通过改善励磁电源可以改善此项指标,但总的来说,电磁流量计的耗电量还是居以上几种仪表之首。

 

　　2·2　流速分布影响和直管段要求

 

　　由于测量原理不同,所以各种仪表对流速分布的敏感程度不同,电磁流量计测量全面积流速,受流速分布的影响最小,超声波流量计,均速管流量计和插入式涡街流量计影响居中,插入式涡轮流量计是测量局部流速,影响最大。影响流速分布的主要因素是上下游直管段的长度,所以不同仪表对上下游直管段的要求不同。一般来说,电磁流量计前置直管段要求5D即可,无后置直管段要求。超声波、均速管、插入式涡街流量计上游则要求10D以上,下游则要求3~5D.插入式涡轮流量计上游则要求20D以上,下游则7D以上,差压节流式仪表根据截面比不同,上下游则分别要求15~30D和4~7D.对大管径输水管道,由于直管段长度长,有时因场地制约可能成为选用时要考虑的主要因素。

 

　　2·3　对水质的要求

 

　　大管径输水管路中除了清洁水,也有含杂质的浊水,如江河原水,各种仪表对水质清洁程度要求不同,电磁流量计适应性最强,不限制水中杂质的含量,甚至可用来测量纸浆、矿浆等较粘稠流体的流量。超声波流量计虽然结构上无阻流元件,但如前所述,杂质将影响超声波的传播,使用上受到一定限制。节流差压式流量计、均速管流量计和插入式涡街流量计可用来测量含少量杂质的水,但要采取冲洗、排污等措施。插入式涡轮流量计对水质要求最严格,必须对介质进行过滤或沉淀处理,否则涡轮头磨损严重,会大幅度降低使用寿命。

 

　　2·4　量程比

 

　　量程比是仪表能准确测量的最大流量和最小流量的比值,它是选用仪表的一个重要参数。电磁流量计量程比通常为20,超声波和插入式涡街流量计可做到10,插入式涡轮流量计约为5。节流差压式流量计和均速管流量计由于受流量和差压成平方根非线性关系及临界雷诺数的限制,量程比较小,节流差压式流量计的量程比只有3,均速管流量计约为3·5左右。