摘要:利用π定理推導(dǎo)出孔板、文丘里、電磁及渦輪流量計水力特性。將4種流量計串聯(lián)組成測試裝置進行試驗研究,利用軟件采集各流量計測試數(shù)據(jù),與稱重法測量數(shù)據(jù)進行對比。用Origin軟件繪出流量曲線,分析在不同流量條件下各種流量計的精度和誤差率,以期為流量計的選型和應(yīng)用提供有價值的參考依據(jù)。
在泵的運行與調(diào)節(jié)中,對泵流量的測量是泵性能檢測的重要指標,實際中要用到大量的流量計,流量計性能將直接反映出泵的流量精度[1-2],因此，有必要對流量計的性能有所了解和掌握。本文對常用的4種流量計進行試驗對比,得出了相關(guān)結(jié)論,以期為實際應(yīng)用及選型提供依據(jù)。
1常用的4種流量計
1.1孔板、文丘里流量計
孔板、文丘里流量計是基于伯努利方程原理.制造的流量儀表,如圖1和圖2所示。它利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置所產(chǎn)生的壓差來測量流量，因此叫作差壓流量計,是目前應(yīng)用最廣泛的一類流量測量儀表。其特點是:所測介質(zhì)為單相、均質(zhì)的牛頓流體，在通過節(jié)流裝置時不發(fā)生相變和析出雜質(zhì),在節(jié)流裝置中不得有物質(zhì)黏附或聚集。適用于圓管和上下游有較長間距的直管段。流動應(yīng)連續(xù)、穩(wěn)定,流線與管軸線平行。節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)簡單,使用壽命長,適應(yīng)性比較廣，能夠測量各種工況下的流體,精度可達.±1%;但其壓力損失較大,刻度呈非線性。
1.2電磁流量計
電磁流量計是基于法拉第電磁感應(yīng)定律制成的測量導(dǎo)電性液體的儀表,如圖3所示。即利用電磁感應(yīng)原理來測量導(dǎo)管中導(dǎo)電液體的平均流速。
其特點是:測量通道為光滑直管,不會阻塞,適用于測量含固體顆粒的液固二相流體(如紙漿、泥漿.污水等),沒有壓力損失,所測體積流量不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導(dǎo)率(>10-5Ω/cm)的影響,測量范圍大(流速為0.3~10m/s),口徑范圍寬(3mm至3m),測量精度比較高(基本誤差值的±0.2%~±0.5%),輸出與被測介質(zhì)平均流速成正比，與流動狀態(tài)無關(guān),可測量瞬時脈動流量。但是它不能測量電導(dǎo)率很低的液體(如石油制品),不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體,不能用于測量較高溫度的介質(zhì)(易受外界電磁干擾)。
1.3渦輪流量計
渦輪流量計是基于動量矩守恒原理制造的速度式流量儀表,即利用置于流體中葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成比例的關(guān)系,通過測量葉輪的轉(zhuǎn)速來反映通過管道的體積流量,是目前流量儀表中比較成熟的高精度儀表,工作原理如4所示。
其特點是:結(jié)構(gòu)簡單、加工零部件少、重量輕、維修方便、流通能力大(同樣口徑可通過的流量大),易實現(xiàn)脈沖遠距離傳送,可適應(yīng)高參數(shù)(高溫、高壓和低溫)的測量需要,測量精度較高,測量范圍較寬，動態(tài)響應(yīng)好,壓力損失較小;但是被測流體的部分物性對測量精度有一定的影響,不能長期保持校準特性,對被測介質(zhì)清潔度要求較高,流體的溫度、黏度、密度對儀表指示值有較大影響,由于有轉(zhuǎn)動部件會帶來磨損,儀表的使用年限受影響。適宜測量比較潔凈的低黏度液體。
2π定理推導(dǎo)水力特性
2.1孔板、文丘里流量計水力特性
對于孔板、文丘里流量計,流速ʋ的影響因素有:進口管徑d1、孔徑(喉徑)d2、流體的密度ρ、動力黏度系數(shù)μ及斷面間壓強差△p.據(jù)π定理:
由(2)式可知,流量Q與流量系數(shù)μQ、管道雷諾數(shù)Re及管徑與孔徑比d2/d1有關(guān)。
2.2電磁流量計水力特性
當流體的電導(dǎo)率大于10-5s/cm時,電磁流量計流速與流體的物性無關(guān),流速ʋ的影響因素有:電磁感應(yīng)強度e、磁場強度B、管道直徑D.據(jù)π定理:
由(4)式可知,當磁場強度B、管道直徑D為常數(shù)時，流量Q僅與電磁感應(yīng)強度e相關(guān)且成正比。
2.3渦輪流量計水力特性
當渦輪結(jié)構(gòu)一定時,渦輪流量計流速v與葉輪的轉(zhuǎn)速相關(guān),故影響因素有:葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度w、流體密度ρ、動力黏度系數(shù)μ、管徑D、葉輪轉(zhuǎn)動的阻力矩M(包括摩擦阻力矩和磁阻尼力矩等).據(jù)π定理:
由(6)式可知,當管徑D一定,流量Q與渦輪轉(zhuǎn)速n成--定的比例關(guān)系,和雷諾數(shù)Re、渦輪旋轉(zhuǎn)阻力與流體慣性力之比及渦輪平均半徑與管徑之比相關(guān)。
3試驗裝置及方法
試驗測試裝置由電磁、渦輪、文丘里和孔板4個同口徑(中25mm)的流量計,組成串聯(lián)管路、自動切換控制儀、計算機測控系統(tǒng)、自循環(huán)供水系統(tǒng)及輔助補水機構(gòu),如圖5所示。
孔板流量計采用標準孔板角接取壓,β=0.450;文丘里流量計采用圓錐形文丘里管,β=0.628;電磁流量計傳感器型號LDG-25S,精度1級;渦輪流.量計傳感器型號LWGY-25A,精度0.5級。輔助補水機構(gòu)的作用是當用稱重法測量時,對水箱進行補水以保持水箱水位不變,形成管道內(nèi)恒速定常運動。系統(tǒng)管徑φ25mm,流量范圍0~3m3/h。各流量計數(shù)據(jù)由計算機瞬時采集。稱重法由秒表記錄時間,電子秤測試重量,采用同一流量測3次,取平均值為測定流量。同一流量4個流量計和稱重法同時測量,測定流量值各不相同，以稱重法為真值基準，通過分析對比,揭示各自的性能特點。
4試驗數(shù)據(jù)及分析
本試驗測得流量計及稱重法5組實驗數(shù)據(jù),按試驗順序計算匯總?cè)绫?和表2所示。為了便于研究,將稱重法測量數(shù)據(jù)為X軸,各流量計數(shù)據(jù)與稱重法數(shù)據(jù)之差為Y軸,以及相對誤差為Y軸,利用Origin軟件繪流量曲線如圖6、圖7所示。
分析圖6和圖7,當流量0.451m3/h時,管中水速為0.255m/s,雷諾數(shù)Re=6336,處于紊流狀態(tài)。對于電磁流量計,測量精度主要受傳感器性能的影響，流速較低時積聚在電極上的電荷較少,受縱向速度影響明顯,因此出現(xiàn)較大的偏差;在流量逐漸增加的過程中,縱向速度的影響逐漸減小,誤差減小,精度、可靠性增加,說明電磁流量計在小流量時精度較低。對于渦輪流量計,流量與渦輪轉(zhuǎn)速成比例,與儀表常數(shù)有關(guān),小流量時出現(xiàn)偏差,測量值偏小,這是因為此時葉輪的機械摩擦阻力及磁阻尼力矩相對旋轉(zhuǎn)力矩較大，因此所測的流量值偏小;隨著流量的增加,旋轉(zhuǎn)力矩增大,誤差逐漸減小,精度、可靠性增加。.對于文丘里流量計,屬于平緩節(jié)流,所測過程中受旋渦影響較小，且沒有旋轉(zhuǎn)部件,精度取決于試驗標定,因此精度、可靠性較高,說明文丘里流量計適應(yīng)性較廣。對于孔板流量計,小流量時所測數(shù)據(jù)偏大,這是因為此時壓差△p較小，易受流體擾動的影響,孔板前后區(qū)域存在旋渦，因而測量偏差較大;隨著流量的增加,旋渦的影響減小,精度、可靠性增加,說明孔板流量計不適于測量較小流量。流量從0.745m3/h增加1.899m3/h的過程中,電磁流量計的精度要略高于渦輪、文丘里和孔板流量計,精度都能達到1級。流量從1.899m3/h增加2.963m3/h的過程中,各流量計精度都較高,表現(xiàn)在圖7中的曲線趨于一點。
以上分析可知,電磁、渦輪、孔板流量計均不適于較小的流量，而文丘里流量計因為壓損小,對旋渦不敏感,較接近真值。大流量時各流量計都有一定的波.動,但測值接近真值,說明它們的性能是可靠的。
5結(jié)語
通過本次試驗可知,在小流量時,孔板與電磁流量計的數(shù)據(jù)偏大、相對誤差也較大,渦輪流量計數(shù)據(jù)偏小、相對誤差也較小,文丘里流量計則接近真值;大流量時各流量計讀數(shù)都有一定偏差,但所測值接近真值，說明性能都較可靠。
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