摘要(yao):利用(yong)π定理(li)推導(dao)出孔(kong)闆、文(wen)丘裏(li)、電磁(ci)及
渦(wo)輪流(liu)量計(ji)
水力(li)特性(xing)。将4種(zhong)流量(liang)計
串(chuan)聯組(zu)成測(ce)試裝(zhuang)置進(jin)行試(shi)驗研(yan)究,利(li)用軟(ruan)件采(cai)集各(ge)流量(liang)計測(ce)試數(shu)據,與(yu)稱重(zhong)法測(ce)量數(shu)據進(jin)行對(dui)比。用(yong)Origin軟件(jian)繪出(chu)流量(liang)曲線(xian),分析(xi)在不(bu)同流(liu)量條(tiao)件下(xia)各種(zhong)流量(liang)計的(de)精度(du)和誤(wu)差率(lü),以期(qi)爲流(liu)量計(ji)的選(xuan)型和(he)應用(yong)提供(gong)有價(jia)值的(de)參考(kao)依據(ju)。
在泵(beng)的運(yun)行與(yu)調節(jie)中,對(dui)泵流(liu)量的(de)測量(liang)是泵(beng)性能(neng)檢測(ce)的重(zhong)要指(zhi)标,實(shi)際中(zhong)要用(yong)到大(da)量的(de)流量(liang)計,流(liu)量計(ji)性能(neng)将直(zhi)接反(fan)映出(chu)泵的(de)流量(liang)精度(du)[1-2],因此(ci)，有必(bi)要對(dui)流量(liang)計的(de)性能(neng)有所(suo)了解(jie)和掌(zhang)握。本(ben)文對(dui)常用(yong)的4種(zhong)流量(liang)計進(jin)行試(shi)驗對(dui)比,得(de)出了(le)相關(guan)結論(lun),以期(qi)爲實(shi)際應(ying)用及(ji)選型(xing)提供(gong)依據(ju)。
1常用(yong)的4種(zhong)流量(liang)計
1.1孔(kong)闆、文(wen)丘裏(li)流量(liang)計
孔(kong)闆、文(wen)丘裏(li)流量(liang)計是(shi)基于(yu)伯努(nu)利方(fang)程原(yuan)理.制(zhi)造的(de)流量(liang)儀表(biao),如圖(tu)1和圖(tu)2所示(shi)。它利(li)用流(liu)體流(liu)經節(jie)流裝(zhuang)置所(suo)産生(sheng)的壓(ya)差來(lai)測量(liang)流量(liang)，因此(ci)叫作(zuo)差壓(ya)流量(liang)計,是(shi)目前(qian)應用(yong)最廣(guang)泛的(de)一類(lei)流量(liang)測量(liang)儀表(biao)。其特(te)點是(shi):所測(ce)介質(zhi)爲單(dan)相、均(jun)質的(de)牛頓(dun)流體(ti)，在通(tong)過節(jie)流裝(zhuang)置時(shi)不發(fa)生相(xiang)變和(he)析出(chu)雜質(zhi),在節(jie)流裝(zhuang)置中(zhong)不得(de)有物(wu)質黏(nian)附或(huo)聚集(ji)。适用(yong)于圓(yuan)管和(he)上下(xia)遊有(you)較長(zhang)間距(ju)的直(zhi)管段(duan)。流動(dong)應連(lian)續、穩(wen)定,流(liu)線與(yu)管軸(zhou)線平(ping)行。節(jie)流裝(zhuang)置結(jie)構簡(jian)單,使(shi)用壽(shou)命長(zhang),适應(ying)性比(bi)較廣(guang)，能夠(gou)測量(liang)各種(zhong)工況(kuang)下的(de)流體(ti),精度(du)可達(da).±1%;但其(qi)壓力(li)損失(shi)較大(da),刻度(du)呈非(fei)線性(xing)。
1.2電(dian)磁流(liu)量計(ji)
電磁(ci)流量(liang)計
是(shi)基于(yu)法拉(la)第電(dian)磁感(gan)應定(ding)律制(zhi)成的(de)測量(liang)導電(dian)性液(ye)體的(de)儀表(biao),如圖(tu)3所示(shi)。即利(li)用電(dian)磁感(gan)應原(yuan)理來(lai)測量(liang)導管(guan)中導(dao)電液(ye)體的(de)平均(jun)流速(su)。
其特(te)點是(shi):測量(liang)通道(dao)爲光(guang)滑直(zhi)管,不(bu)會阻(zu)塞,适(shi)用于(yu)測量(liang)含固(gu)體顆(ke)粒的(de)液固(gu)二相(xiang)流體(ti)(如紙(zhi)漿、泥(ni)漿.污(wu)水等(deng)),沒有(you)壓力(li)損失(shi),所測(ce)體積(ji)流量(liang)不受(shou)流體(ti)密度(du)、黏度(du)、溫度(du)、壓力(li)和電(dian)導率(lü)(>10-5Ω/cm)的影(ying)響,測(ce)量範(fan)圍大(da)(流速(su)爲0.3~10m/s),口(kou)徑範(fan)圍寬(kuan)(3mm至3m),測(ce)量精(jing)度比(bi)較高(gao)(基本(ben)誤差(cha)值的(de)±0.2%~±0.5%),輸出(chu)與被(bei)測介(jie)質平(ping)均流(liu)速成(cheng)正比(bi)，與流(liu)動狀(zhuang)态無(wu)關,可(ke)測量(liang)瞬時(shi)脈動(dong)流量(liang)。但是(shi)它不(bu)能測(ce)量電(dian)導率(lü)很低(di)的液(ye)體(如(ru)石油(you)制品(pin)),不能(neng)測量(liang)氣體(ti)、蒸汽(qi)和含(han)有較(jiao)大氣(qi)泡的(de)液體(ti),不能(neng)用于(yu)測量(liang)較高(gao)溫度(du)的介(jie)質(易(yi)受外(wai)界電(dian)磁幹(gan)擾)。
1.3渦(wo)輪流(liu)量計(ji)
渦輪(lun)流量(liang)計
是(shi)基于(yu)動量(liang)矩守(shou)恒原(yuan)理制(zhi)造的(de)速度(du)式流(liu)量儀(yi)表,即(ji)利用(yong)置于(yu)流體(ti)中葉(ye)輪的(de)旋轉(zhuan)角速(su)度與(yu)流體(ti)流速(su)成比(bi)例的(de)關系(xi),通過(guo)測量(liang)葉輪(lun)的轉(zhuan)速來(lai)反映(ying)通過(guo)管道(dao)的體(ti)積流(liu)量,是(shi)目前(qian)流量(liang)儀表(biao)中比(bi)較成(cheng)熟的(de)高精(jing)度儀(yi)表,工(gong)作原(yuan)理如(ru)4所示(shi)。
其特(te)點是(shi):結構(gou)簡單(dan)、加工(gong)零部(bu)件少(shao)、重量(liang)輕、維(wei)修方(fang)便、流(liu)通能(neng)力大(da)(同樣(yang)口徑(jing)可通(tong)過的(de)流量(liang)大),易(yi)實現(xian)脈沖(chong)遠距(ju)離傳(chuan)送,可(ke)适應(ying)高參(can)數(高(gao)溫、高(gao)壓和(he)低溫(wen))的測(ce)量需(xu)要,測(ce)量精(jing)度較(jiao)高,測(ce)量範(fan)圍較(jiao)寬，動(dong)态響(xiang)應好(hao),壓力(li)損失(shi)較小(xiao);但是(shi)被測(ce)流體(ti)的部(bu)分物(wu)性對(dui)測量(liang)精度(du)有一(yi)定的(de)影響(xiang),不能(neng)長期(qi)保持(chi)校準(zhun)特性(xing),對被(bei)測介(jie)質清(qing)潔度(du)要求(qiu)較高(gao),流體(ti)的溫(wen)度、黏(nian)度、密(mi)度對(dui)儀表(biao)指示(shi)值有(you)較大(da)影響(xiang),由于(yu)有轉(zhuan)動部(bu)件會(hui)帶來(lai)磨損(sun),儀表(biao)的使(shi)用年(nian)限受(shou)影響(xiang)。适宜(yi)測量(liang)比較(jiao)潔淨(jing)的低(di)黏度(du)液體(ti)。
2π定理(li)推導(dao)水力(li)特性(xing)
2.1孔闆(pan)、文丘(qiu)裏流(liu)量計(ji)水力(li)特性(xing)
對于(yu)孔闆(pan)、文丘(qiu)裏流(liu)量計(ji),流速(su)ʋ的影(ying)響因(yin)素有(you):進口(kou)管徑(jing)d1、孔徑(jing)(喉徑(jing))d2、流體(ti)的密(mi)度ρ、動(dong)力黏(nian)度系(xi)數μ及(ji)斷面(mian)間壓(ya)強差(cha)△p.據π定(ding)理:
由(you)(2)式可(ke)知,流(liu)量Q與(yu)流量(liang)系數(shu)μQ、管道(dao)雷諾(nuo)數Re及(ji)管徑(jing)與孔(kong)徑比(bi)d2/d1有關(guan)。
2.2電磁(ci)流量(liang)計水(shui)力特(te)性
當(dang)流體(ti)的電(dian)導率(lü)大于(yu)10-5s/cm時,電(dian)磁流(liu)量計(ji)
流速(su)與流(liu)體的(de)物性(xing)無關(guan),流速(su)ʋ的影(ying)響因(yin)素有(you):電磁(ci)感應(ying)強度(du)e、磁場(chang)強度(du)B、管道(dao)直徑(jing)D.據π定(ding)理:
由(you)(4)式可(ke)知,當(dang)磁場(chang)強度(du)B、管道(dao)直徑(jing)D爲常(chang)數時(shi)，流量(liang)Q僅與(yu)電磁(ci)感應(ying)強度(du)e相關(guan)且成(cheng)正比(bi)。
2.3渦輪(lun)流量(liang)計水(shui)力特(te)性
當(dang)渦輪(lun)結構(gou)一定(ding)時,渦(wo)輪流(liu)量計(ji)流速(su)v與葉(ye)輪的(de)轉速(su)相關(guan),故影(ying)響因(yin)素有(you):葉輪(lun)的旋(xuan)轉角(jiao)速度(du)w、流體(ti)密度(du)ρ、動力(li)黏度(du)系數(shu)μ、管徑(jing)D、葉輪(lun)轉動(dong)的阻(zu)力矩(ju)M(包括(kuo)摩擦(ca)阻力(li)矩和(he)磁阻(zu)尼力(li)矩等(deng)).據π定(ding)理:
由(you)(6)式可(ke)知,當(dang)管徑(jing)D一定(ding),流量(liang)Q與渦(wo)輪轉(zhuan)速n成(cheng)--定的(de)比例(li)關系(xi),和雷(lei)諾數(shu)Re、渦輪(lun)旋轉(zhuan)阻力(li)與流(liu)體慣(guan)性力(li)之比(bi)及渦(wo)輪平(ping)均半(ban)徑與(yu)管徑(jing)之比(bi)相關(guan)。
3試驗(yan)裝置(zhi)及方(fang)法
試(shi)驗測(ce)試裝(zhuang)置由(you)電磁(ci)、渦輪(lun)、文丘(qiu)裏和(he)孔闆(pan)4個同(tong)口徑(jing)(中25mm)的(de)流量(liang)計,組(zu)成串(chuan)聯管(guan)路、自(zi)動切(qie)換控(kong)制儀(yi)、計算(suan)機測(ce)控系(xi)統、自(zi)循環(huan)供水(shui)系統(tong)及輔(fu)助補(bu)水機(ji)構,如(ru)圖5所(suo)示。
孔(kong)闆流(liu)量計(ji)
采用(yong)标準(zhun)孔闆(pan)角接(jie)取壓(ya),β=0.450;文丘(qiu)裏流(liu)量計(ji)采用(yong)圓錐(zhui)形文(wen)丘裏(li)管,β=0.628;電(dian)磁流(liu)量計(ji)傳感(gan)器型(xing)号LDG-25S,精(jing)度1級(ji);渦輪(lun)流.量(liang)計傳(chuan)感器(qi)型号(hao)LWGY-25A,精度(du)0.5級。輔(fu)助補(bu)水機(ji)構的(de)作用(yong)是當(dang)用稱(cheng)重法(fa)測量(liang)時,對(dui)水箱(xiang)進行(hang)補水(shui)以保(bao)持水(shui)箱水(shui)位不(bu)變,形(xing)成管(guan)道内(nei)恒速(su)定常(chang)運動(dong)。系統(tong)管徑(jing)φ25mm,流量(liang)範圍(wei)0~3m3/h。各流(liu)量計(ji)數據(ju)由計(ji)算機(ji)瞬時(shi)采集(ji)。稱重(zhong)法由(you)秒表(biao)記錄(lu)時間(jian),電子(zi)秤測(ce)試重(zhong)量,采(cai)用同(tong)一流(liu)量測(ce)3次,取(qu)平均(jun)值爲(wei)測定(ding)流量(liang)。同一(yi)流量(liang)4個流(liu)量計(ji)和稱(cheng)重法(fa)同時(shi)測量(liang),測定(ding)流量(liang)值各(ge)不相(xiang)同，以(yi)稱重(zhong)法爲(wei)真值(zhi)基準(zhun)，通過(guo)分析(xi)對比(bi),揭示(shi)各自(zi)的性(xing)能特(te)點。
4試(shi)驗數(shu)據及(ji)分析(xi)
本試(shi)驗測(ce)得流(liu)量計(ji)及稱(cheng)重法(fa)5組實(shi)驗數(shu)據,按(an)試驗(yan)順序(xu)計算(suan)彙總(zong)如表(biao)1和表(biao)2所示(shi)。爲了(le)便于(yu)研究(jiu),将稱(cheng)重法(fa)測量(liang)數據(ju)爲X軸(zhou),各流(liu)量計(ji)數據(ju)與稱(cheng)重法(fa)數據(ju)之差(cha)爲Y軸(zhou),以及(ji)相對(dui)誤差(cha)爲Y軸(zhou),利用(yong)Origin軟件(jian)繪流(liu)量曲(qu)線如(ru)圖6、圖(tu)7所示(shi)。
分析(xi)圖6和(he)圖7,當(dang)流量(liang)0.451m3/h時,管(guan)中水(shui)速爲(wei)0.255m/s,雷諾(nuo)數Re=6336,處(chu)于紊(wen)流狀(zhuang)态。對(dui)于電(dian)磁流(liu)量計(ji),測量(liang)精度(du)主要(yao)受傳(chuan)感器(qi)性能(neng)的影(ying)響，流(liu)速較(jiao)低時(shi)積聚(ju)在電(dian)極上(shang)的電(dian)荷較(jiao)少,受(shou)縱向(xiang)速度(du)影響(xiang)明顯(xian),因此(ci)出現(xian)較大(da)的偏(pian)差;在(zai)流量(liang)逐漸(jian)增加(jia)的過(guo)程中(zhong),縱向(xiang)速度(du)的影(ying)響逐(zhu)漸減(jian)小,誤(wu)差減(jian)小,精(jing)度、可(ke)靠性(xing)增加(jia),說明(ming)電磁(ci)流量(liang)計在(zai)小流(liu)量時(shi)精度(du)較低(di)。對于(yu)渦輪(lun)流量(liang)計,流(liu)量與(yu)渦輪(lun)轉速(su)成比(bi)例,與(yu)儀表(biao)常數(shu)有關(guan),小流(liu)量時(shi)出現(xian)偏差(cha),測量(liang)值偏(pian)小,這(zhe)是因(yin)爲此(ci)時葉(ye)輪的(de)機械(xie)摩擦(ca)阻力(li)及磁(ci)阻尼(ni)力矩(ju)相對(dui)旋轉(zhuan)力矩(ju)較大(da)，因此(ci)所測(ce)的流(liu)量值(zhi)偏小(xiao);随着(zhe)流量(liang)的增(zeng)加,旋(xuan)轉力(li)矩增(zeng)大,誤(wu)差逐(zhu)漸減(jian)小,精(jing)度、可(ke)靠性(xing)增加(jia)。.對于(yu)文丘(qiu)裏流(liu)量計(ji),屬于(yu)平緩(huan)節流(liu),所測(ce)過程(cheng)中受(shou)旋渦(wo)影響(xiang)較小(xiao)，且沒(mei)有旋(xuan)轉部(bu)件,精(jing)度取(qu)決于(yu)試驗(yan)标定(ding),因此(ci)精度(du)、可靠(kao)性較(jiao)高,說(shuo)明文(wen)丘裏(li)流量(liang)計适(shi)應性(xing)較廣(guang)。對于(yu)孔闆(pan)流量(liang)計,小(xiao)流量(liang)時所(suo)測數(shu)據偏(pian)大,這(zhe)是因(yin)爲此(ci)時壓(ya)差△p較(jiao)小，易(yi)受流(liu)體擾(rao)動的(de)影響(xiang),孔闆(pan)前後(hou)區域(yu)存在(zai)旋渦(wo)，因而(er)測量(liang)偏差(cha)較大(da);随着(zhe)流量(liang)的增(zeng)加,旋(xuan)渦的(de)影響(xiang)減小(xiao),精度(du)、可靠(kao)性增(zeng)加,說(shuo)明孔(kong)闆流(liu)量計(ji)不适(shi)于測(ce)量較(jiao)小流(liu)量。流(liu)量從(cong)0.745m3/h增加(jia)1.899m3/h的過(guo)程中(zhong),電磁(ci)流量(liang)計的(de)精度(du)要略(lue)高于(yu)渦輪(lun)、文丘(qiu)裏和(he)孔闆(pan)流量(liang)計,精(jing)度都(dou)能達(da)到1級(ji)。流量(liang)從1.899m3/h增(zeng)加2.963m3/h的(de)過程(cheng)中,各(ge)流量(liang)計精(jing)度都(dou)較高(gao),表現(xian)在圖(tu)7中的(de)曲線(xian)趨于(yu)一點(dian)。
以上(shang)分析(xi)可知(zhi),電磁(ci)、渦輪(lun)、孔闆(pan)流量(liang)計均(jun)不适(shi)于較(jiao)小的(de)流量(liang)，而文(wen)丘裏(li)流量(liang)計因(yin)爲壓(ya)損小(xiao),對旋(xuan)渦不(bu)敏感(gan),較接(jie)近真(zhen)值。大(da)流量(liang)時各(ge)流量(liang)計都(dou)有一(yi)定的(de)波.動(dong),但測(ce)值接(jie)近真(zhen)值,說(shuo)明它(ta)們的(de)性能(neng)是可(ke)靠的(de)。
5結語(yu)
通過(guo)本次(ci)試驗(yan)可知(zhi),在小(xiao)流量(liang)時,孔(kong)闆與(yu)電磁(ci)流量(liang)計的(de)數據(ju)偏大(da)、相對(dui)誤差(cha)也較(jiao)大,渦(wo)輪流(liu)量計(ji)數據(ju)偏小(xiao)、相對(dui)誤差(cha)也較(jiao)小,文(wen)丘裏(li)流量(liang)計則(ze)接近(jin)真值(zhi);大流(liu)量時(shi)各流(liu)量計(ji)讀數(shu)都有(you)一定(ding)偏差(cha),但所(suo)測值(zhi)接近(jin)真值(zhi)，說明(ming)性能(neng)都較(jiao)可靠(kao)。