壓縮空氣流量測量方法分析


一、前言

壓縮空氣流量是表述空氣壓縮機性能的重要參數,也是工業過程中測量的重要參數。隨著空氣壓縮機的廣泛應用,其流量的准確測量對于日本**色在线视频升級、工業生産過程的控制和監測以及節能減排都顯得至關重要。壓縮空氣流量是指在短暫時間內流過某上等通截面的壓縮空氣數量與通過時間之比。壓縮空氣數量以體積表示稱爲體積流量,以質量表示稱爲質量流量。

二、流量測量

流量測量方法大致可以歸納爲以下四種:①利用伯努利方程原理,通過測量流體差壓信號反映流量的差壓式流量測量法,用這種方法制成的儀表如轉子流量計、靶式流量計和彎管流量計等。②通過直接測量流體流速得出流量的速度式流量測量法,用這種方法制成的儀表如渦輪流量計、渦街流量計、電磁流量計和超聲波流量計等。③利用標准小容積連續測量流量的容積式測量法,用這種方法制成的儀表如橢圓齒輪流量計、腰輪流量計和刮板流量計等。④以測量流體質量流量爲目的的質量流量測量法,用這種方法制成的儀表如熱式質量流量計、科氏質量流量計和沖量式質量流量計等。但並非所有測量方法或測量儀表都適合壓縮空氣流量的測量,應根據壓縮空氣本身的特性、測量要求和使用條件不同,選擇合適的測量方法或儀表。以下就幾種適合壓縮空氣的常用的流量測量方法和流量計進行介紹。
1.節流裝置流量測量節流裝置測量流量是差壓式流量測量法的一種,在壓縮空氣流量測量中,該方法使用*爲普遍,其精度和穩定性也較好。其測量原理爲在充滿流體的管線中安裝節流裝置,則該裝置的上遊側與喉部或下遊側之間産生一個靜壓差,該壓差與壓縮空氣流量之間有確定的數值關系,通過測量差壓值可以求得流量。

qm=C(1-β4)-1/2 επ(d/2)2(2Δpρ1)1/2 (1)

其體積流量可用下面的公式確定:

qv=qm/ρ

式中 qm——单位时间内流过节流装置的流体质量流量,单位为kg/s;

d——工況條件下一次裝置節流孔直徑,單位爲m;

β——直徑比,指工作條件下一次裝置節流孔或喉部直徑與上遊管道內徑之比;

Δp——差壓,單位爲Pa;

ρ——流體密度,單位爲kg/m3;

ε——流体可膨胀性系数;壓縮空氣流量測量方法分析

C——流出系數。

常用的節流測量裝置有:ASME噴嘴測量裝置、ISA1932噴嘴測量裝置、孔板測量裝置和文丘裏噴嘴測量裝置。其中ASME噴嘴和ISA1932噴嘴測量裝置的氣體流出系數值較大,精度也較高,使用也較多。ASME噴嘴測量裝置由于氣體通常直接排空,且要求測量噴嘴壓差的壓差計量程較小,因此測量大流量時,該裝置的尺寸也比較大,不便于移動測量,如圖1所示


                                              图1 ASME喷嘴测量装置示意

                                                1.隔板2.導板3.ASME噴嘴

ISA1932噴嘴測量裝置則相對緊湊,體積小,便于攜帶和安裝,測量範圍也相對較廣,如圖2所示。

                                                      图2 ISA1932喷嘴测量装置示意

爲了研究ISA1932噴嘴測量裝置與ASME噴嘴測量裝置的重複性和一致性,將兩段ISA1932噴嘴測量段串接,再與ASME測量段串接。試驗中,進行了ISA1932噴嘴前後測量段的差異試驗和ISA1932噴嘴前後測量段兩組壓力表的偏差試驗,將儀表帶來的誤差盡可能地減小,爲更好地進行比對試驗准備了條件。
在進行兩套ISA1932噴嘴測量裝置(1#裝置與2#裝置)之間對比時,分別對直徑爲5.56mm、9.53mm和15.88mm的噴嘴進行試驗。試驗結果見表1。

                                                                  表1 试验结果

爲了驗證ISA1932噴嘴測量裝置的重複性,選取直徑爲9.53mm的噴嘴進行試驗。保證試驗工況基本相同的情況下,試驗結果見表2。

                                       表2 试验结果(直径为9.53mm)

以上數據是在壓力和流量差異較大時的測量結果,可以看出ISA1932噴嘴測量裝置的精度、一致性和重複性都比較良好,且有較大的使用範圍,已經達到了試驗室測量壓縮空氣流量的要求。
*後將ISA1932噴嘴測量裝置與ASME噴嘴測量裝置的測量結果進行比較。由于兩套ISA1932噴嘴測量裝置一致性良好,用于比較的是兩套裝置測量結果的平均值。試驗結果見表3。

        表3 ISA1932喷嘴测量装置与ASME喷嘴测量装置的测量结果

通過試驗結果可以發現ISA1932噴嘴測量裝置在使用直徑爲9.53和15.88mm噴嘴與ASME噴嘴測量裝置在測量結果上保持一致,偏差均小于1%。而ISA1932噴嘴測量裝置在使用直徑5.56mm的噴嘴時,誤差很大,且是偏大方向。分析原因可能由于5.56mm的ISA1932噴嘴直徑太小,氣體中存在的水滴或油滴吸附在噴嘴上,導致噴嘴壓差增大,測量結果偏大。于是在測量裝置前加裝了水分離器和油過濾器,再次將兩個ISA1932噴嘴測量裝置串聯,並將直徑爲5.56mm和9.53mm的噴嘴分別安裝在位于兩個測量裝置中進行試驗,且交換位置後再次進行試驗。試驗結果見表4。

                            表4 试验结果(加装水分离器和油过滤器)

測量結果表明在安裝水分離器和油過濾器後,測量數據與真實值保持一致,誤差也在允許範圍以內。因此,對于ISA1932噴嘴以及同原理的孔板等安裝在管道內的測量裝置,其上遊應加裝水分離器和油過濾器,保證氣體具有一定的潔淨度。同時在試驗過程中,發現壓力的偏差對于該類裝置的測量結果影響較大,爲保證測量精度,應選擇0.4級或等級更高的壓力表或壓力傳感器。

節流測量裝置通過選擇合適的節流裝置公稱直徑和直徑比,可以很好地保證流量測量的精度和穩定性,通常用于試驗室穩定工況條件下的流量測量,適合測量流量的瞬時值。雖然由于采集技術和PLC技術的進步,利用該原理制成的各類差壓式流量計可以在工廠複雜條件測量流量的瞬時值和累計值,通過溫度和壓力的補償也能達到較高的精度。但實際工廠條件使用時,仍有很多缺點。

1)由于差壓與流量平方關系成正比,量程比也很小,因此測量範圍窄。

2)現場安裝條件高,尤其是節流裝置前直管段或後直管段現場要求往往難以滿足。

3)節流裝置與差壓儀表間需要有引管或閥門等連接,容易泄漏、堵塞和凍結,造成測量失靈。

4)尤其對于標准孔板來說,標准孔板的尖銳度隨運行時間延長不斷磨損變鈍,測量准確度下降;大管徑標准孔板在高溫下運行容易變形,形成凹凸面,影響測量准確度。

5)標准孔板、噴嘴壓損大,對工廠節能不利。

2.渦街流量計

橫河渦街流量計的測量主體是非流線型旋渦發生體。當流體流過旋渦發生體時,在發生體兩側會交替地産生旋渦,並在它的下遊形成規則的兩列不對稱的旋渦列,如圖3所示。

                        图3 旋涡发生原理

所示在一定雷諾數範圍內,穩定的旋渦産生頻率f與旋渦發生體出的流速ν有確定的關系:

f=Stv/d (2)

式中 St——斯特罗哈尔数;

d——爲旋渦發生體的特征尺寸。

當旋渦發生體的形狀和尺寸確定後,即可通過測量旋渦産生頻率f來測量流量qv,其流量方程式爲:

qv=f/K (3)

式中 K——仪表系数,一般通过试验测得。

渦街流量計的優點:

1)結構簡單,安裝維護方便。

2)無內部可動部件,使用壽命長。

3)測量精度較高,測量範圍較寬。

4)壓力損失小。

其局限性主要是對振動和流體脈動較敏感,對安裝有一定的要求,且不適用于低雷諾數的測量。

3.熱式質量流量計

熱式質量流量計的原理是通過測量氣體流經流量計內加熱元件時的冷卻效應來計量氣體流量的。熱式質量流量計氣體通過的測量段內有兩個熱阻元件,其中一個作爲溫度檢測,另一個作爲加熱器。溫度傳感元件用于檢測氣體溫度,加熱器則通過改變電流來保持其溫度與被測氣體的溫度之間有一個恒定的溫度差。當氣體流速增加,冷卻效應越大,使須保持熱電阻間恒溫的電流也越大。此熱傳遞正比于氣體質量流量,即供給電流與氣體質量流量有一對應的函數關系來反映氣體的流量,如圖4所示。

                          图4 热式质量流量计原理

             n  1、4.热电偶2.管道3.加热器5.功率表

熱式質量流量計因爲測量位置不同可分爲熱分布式和浸入式。熱分布式由于在管外壁布置傳感器,因此對環境和管壁內的結垢有較高要求。因此測量壓縮空氣流量一般使用浸入式熱式質量流量計。大部分浸入式熱式質量流量計性能不受安裝姿勢影響。然而在低流速測量時因受管道內氣體對流的熱流影響,使安裝姿勢顯得重要。因此在低流速流動時要獲得**測量,必須遵循制造廠依據儀表設計結構而定的安裝建議。熱式質量流量計還具有壓損低,流量範圍度大,精度高,可靠性好以及不易受環境影響等優點。熱式質量流量計缺點在于響應慢、會對小流量氣體帶來熱量,對氣體清潔度和露點有一定的要求。

三、壓縮空氣流量計的選型

根据对美国所安装的千余台流量仪表的调查,发现约有60%所选择测量方法不是*合适的或使用不正确,剩余的大部分虽然采用合适的测量方法,却错误地布置和安装。由此可见正确选择和使用流量计并非易事。选择正确的壓縮空氣流量計首先要了解仪表性能,根据测量精度、稳定性等要求,对仪表进行大概的过滤。如:试验室**测量可选用差压式流量计。其次,要考虑安装条件,仪表处于管道的位置,前后直管段是否满足要求,管道和仪表是水平安装还是竖直安装,管道周围空间大小是否便于仪表维护等;还要考虑到现场的温度对仪表的影响,是否有电磁干扰,是否存在振动,例如涡街流量计即使在没有气体通过时,如果有振动,也可能会出现读数。*后,从经济方面考虑,如工厂在线监测的流量计选择,则要考虑减少压损,节约能耗;在大规格的管道上应尽量使用插入式流量计,减少管路安装等,以节约成本。另外,应尽可能保证压缩空气的洁净,以免影响测量精度,因此在气体质量不好或者测量小流量时应加装油分离器和水分离器等净化设备。

四、結語

壓縮空氣流量測量是工業過程中非常重要的環節,而流量測量儀表多種多樣,在選擇儀表時應充分考慮到**度、測量環境、重複性、測量範圍、壓力損失和響應時間等因素,才能選擇到合適的儀表進行正確的測量。隨著傳感器技術和計算機技術的進步,壓縮空氣流量測量將向高可靠性、廣泛的適應性及良好的信號傳輸等方面發展.
 
 

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