1 引(yǐn) 言
轉子流量(liàng)計和差壓式(shi)流量計是工(gōng)業上和實驗(yan)室中的流量(liang)計. 雖然都是(shi)測量流量❗的(de)儀㊙️表,但是其(qi)原理卻大相(xiang)徑庭,其流量(liàng)基本方程的(de)推導☎️也不相(xiang)同,因此,導緻(zhi)儀表的特點(dian)和适用場合(hé)也有所區别(bie) .
2 流量計組成(chéng)與流量測量(liàng)原理
2.1 轉子流(liú)量計
轉子流(liu)量計,是由一(yi)個自下往上(shàng)逐漸擴大的(de)帶刻度❄️的錐(zhuī)形管和一個(ge)置于錐形管(guǎn)内可以自由(yóu)上下移動的(de)轉子構成. 工(gong)作時,被測流(liu)體由錐形管(guan)下端進入,沿(yan)着錐形管向(xiang)上運動,流過(guò)轉子與錐形(xing)管之間的環(huan)隙,再從錐形(xíng)管上端流出(chū) . 受流動🚶流體(ti)帶動作用,轉(zhuǎn)子受到一個(gè)自下向上流(liú)體對轉子的(de)動壓力,正好(hǎo)等于轉⭕子在(zai)被測流體中(zhōng)的重力(即轉(zhuǎn)子自🔞身的重(zhòng)力減去流體(ti)對轉子的浮(fu)力).
垂直安裝(zhuang)流量計時,轉(zhuan)子重心就在(zài)錐形管中心(xin)軸線上,轉🔞子(zi)所受的三個(gè)力都平行于(yu)中心軸線 . 當(dang)受❤️力平衡時(shí),轉子就穩定(dìng)在錐管内某(mou)一位置上 . 對(duì)于給定的轉(zhuan)子流量計,轉(zhuan)子的材料、大(da)小🥵和形狀都(dōu)可确定,所以(yǐ)轉子在被測(ce)流體中的重(zhòng)力是已知的(de),隻⛷️有流體對(duì)轉子的動壓(ya)力是随流體(tǐ)流速大小而(ér)變化的 . 因此(ci)當流㊙️體流速(sù)變大或變小(xiao)時,轉子受到(dào)的動壓力增(zeng)大或減💯小,轉(zhuan)子将作向上(shàng)💜或向下的移(yí)動,轉子與錐(zhuī)形管壁之♌間(jian)的環隙面積(ji)也發生變化(huà),即👣流動截面(miàn)積也發生變(biàn)化,待變化到(dào)某一流速轉(zhuan)子受力平衡(héng)時,轉子就穩(wen)定在新的位(wei)置上 . 對于一(yi)台☔給定的轉(zhuan)子流量計,轉(zhuǎn)子在錐管中(zhong)平衡位置的(de)高低反應了(le)被測流體流(liú)經錐形管🆚的(de)流量大小 .
2.2 差(chà)壓式流量計(ji)
差壓式流量(liang)計由三部分(fèn)組成,即由節(jiē)流裝置、導壓(yā)管🚶♀️和差壓🙇♀️計(ji) . 差壓式流量(liàng)計是利用流(liú)體流動的節(jiē)流原理來🌈實(shi)現流量測量(liang)的.節流原理(li)是流體在有(you)節流裝置的(de)管道中流💃🏻動(dong)時,在節流裝(zhuang)置前後的管(guan)🥰壁處,流體的(de)靜壓力産生(sheng)差異的現象(xiang) .
流動流體的(de)能量有靜壓(yā)能和動能兩(liǎng)種形式.流體(tǐ)具有靜壓👉能(neng)是因爲有壓(yā)力,具有動能(neng)是因爲有流(liú)🏒動速度,在一(yī)定條件下,這(zhè)兩種形式的(de)能量是可以(yi)相互轉化 . 根(gen)據能量守恒(heng)定律,在沒有(yǒu)♈外加能量的(de)前提下,流體(tǐ)所具有的靜(jing)壓能和動能(neng),再加上用以(yǐ)克服流體流(liu)🔞動阻力的能(néng)量損失,其能(neng)量總和是相(xiang)等的 . 圖 2 表示(shi)在🐅節流裝置(zhi)前後截面Ⅰ、Ⅱ及(jí)Ⅲ處流體壓力(li)與速度的分(fen)布情況 . 流體(ti)在到達截面(mian)Ⅰ之前,以一定(dìng)的流速 v1流動(dòng),此時靜🏃♂️壓力(li)爲 p1. 在接近節(jie)流裝置時,由(yóu)于遇到節流(liu)裝置的阻礙(ài),使靠近管壁(bì)處的流體受(shou)🛀🏻到節流裝置(zhi)的阻擋作用(yong),使部分動能(neng)轉👣化爲靜壓(yā)🔞能,使得節流(liu)裝置入口端(duan)面靠近管壁(bì)處的流體靜(jing)壓力🏒升高,并(bìng)且遠大于管(guan)徑中心處的(de)壓力,因此節(jiē)流裝置入📐口(kou)端面處産生(shēng)一徑向壓差(chà) . 在徑向壓差(cha)的作用下,流(liú)體🐅産生徑向(xiàng)加速度,從而(er)使靠近管壁(bi)處的流體質(zhì)點的流動方(fang)向傾斜于管(guan)道中心軸線(xiàn)🈲,出現縮脈現(xiàn)象.由于受到(dao)慣性作用,流(liú)束🏃♂️的最小截(jie)面并不在節(jie)流裝置的孔(kong)口處,而是經(jīng)過節🈲流裝置(zhì)之後仍繼續(xu)收縮,到截面(miàn)Ⅱ處流束達到(dào)最小,此時流(liu)速最大,即 v2,之(zhī)後流束又逐(zhu)漸擴大,至截(jie)面Ⅲ後完全恢(hui)📧複,流速逐漸(jian)降到原值,即(ji) v3=v1.
由于節流裝(zhuang)置産生流束(shu)的局部收縮(suo)現象,使流體(tǐ)的流速☂️随之(zhī)變化,即動能(neng)也跟着變化(hua) . 根據能量守(shǒu)恒定律,表征(zhēng)流體靜壓能(néng)的靜壓力也(ye)要變化 . 在截(jié)面Ⅰ處,流體具(ju)有靜壓力 p1. 在(zài)截面Ⅱ處,流速(sù)增到最大 v2,靜(jing)🌈壓力就降到(dao)最小 p2,而後又(yòu)随着流束的(de)恢複而恢複(fu) . 由于在節流(liú)裝置端面處(chu)流通面突然(ran)縮小,而節流(liu)💃裝置之後流(liú)通面積突然(ran)又擴大,使流(liú)體形成局部(bu)渦流,部分能(néng)量被消耗,同(tong)⛱️時流體流經(jing)孔闆時,爲克(ke)服🔴摩擦力也(yě)需消耗能量(liàng),所以流體在(zài)截面Ⅲ處的靜(jìng)壓力 p3不能恢(hui)複到原值 p1,而(ér)産生永久的(de)壓力損♍失. 截(jié)面Ⅰ與Ⅱ處的壓(yā)差(δp=p1- p2)與💔流體在(zài)節流裝置前(qian)的流量有一(yī)一對應關系(xi),隻要測出節(jie)🏃流⛷️裝置前後(hòu)的壓差大小(xiǎo)即可表示流(liu)量大小 .
2.3 總結
轉子流(liu)量計與差壓(ya)式流量計在(zài)工作原理上(shàng)是不相同的(de)⛱️ . 轉子式流量(liàng)計,是在節流(liu)面積(如孔闆(pǎn)流通🌏面積)不(bú)變的條件下(xia),以差🍓壓變化(huà)來反映流量(liang)的大小;而差(cha)壓式流量計(ji),卻是以壓降(jiang)不變,利用節(jie)流面積的變(bian)化來測量流(liu)量的大小.即(jí)轉子流量計(ji)的測量原理(li)可以🌏簡化爲(wei):恒壓🐅降、變節(jie)流;差壓式流(liu)量計的測量(liàng)原理簡化爲(wèi):變壓降、恒節(jiē)流 .
3 流量方程(cheng)推導
3.1 轉子流(liú)量計
轉子流(liu)量計中當轉(zhuan)子穩定時,對(duì)轉子進行受(shòu)力分☀️析:
其中(zhong):ρt爲轉子的密(mì)度;ρf爲流體的(de)密度;V 爲轉子(zi)的體積;Δp 爲轉(zhuan)🏒子‼️前後的壓(ya)差(常數);A 爲轉(zhuǎn)子的最大截(jie)面積 .
轉子和(hé)錐形管間的(de)環隙面積相(xiang)當于節流式(shi)流量計的節(jie)流面積,但它(tā)是變化的,并(bing)與轉子高度(dù) h成近似的線(xiàn)性關系,因此(cǐ)🔴,轉子流量計(jì)的流量可以(yi)表示爲:
式中(zhong),ф 爲儀表常數(shu);h 爲轉子浮起(qǐ)的高度 .由于(yu)轉子流量計(jì)在生産中進(jìn)行刻度的時(shi)候,通常選擇(ze)在工業基準(zhun)狀态(20℃,0.10133Mpa)下用☔水(shuǐ)或者空氣進(jìn)行标定的 . 所(suǒ)以,在實際使(shǐ)用時,如果被(bèi)測介🏃♂️質的密(mi)度和工🌂作狀(zhuàng)态與刻度時(shí)的不⚽一緻,就(jiu)必須對流量(liang)🔅指示值按照(zhao)實際被✌️測介(jiè)質的密💘度、溫(wen)度、壓力等參(cān)數的具💜體情(qing)況進行修正(zhèng).
①液體流量測(ce)量時的修正(zhèng)
由于測量液(ye)體的轉子流(liu)量計是在常(chang)溫 20℃下用水标(biao)定的,根據式(shi)(1)可寫爲:
式中(zhōng),qv0爲用水标定(ding)時的流量刻(kè)度;ρw是水的密(mi)度 .
如果被測(cè)介質不是水(shuǐ),則需要對流(liú)量刻度進行(hang)重新修正.如(rú)⭐果被測介質(zhi)的黏度和水(shuǐ)的黏度相差(chà)不大,可🔞以近(jìn)似認爲 ф 是常(chang)數,有
式中,qvf爲(wèi)被測介質的(de)實際流量;ρf是(shi)被測介質的(de)密度 .
式(5)和式(shi)(4)相除,整理後(hòu)得:
②氣體流量(liang)測量時的修(xiu)正
當采用轉(zhuan)子流量計進(jìn)行氣體流量(liang)測量時,對其(qi)流量值也要(yao)進行修正,除(chu)了被測介質(zhì)的密度進行(hang)修正之外,還(hai)需要🈲對被測(ce)介質的工作(zuo)溫度和壓力(li)進行修正 . 當(dāng)已知儀表的(de)顯示刻🔴度爲(wèi) qv0,則被測介質(zhi)的實際流量(liang)(工業基準㊙️狀(zhuang)态)可按下式(shì)修正,即:
式中(zhōng),qvf爲被測介質(zhi)的實際流量(liàng);ρ0和 ρf是空氣和(hé)被測介質在(zài)标準✊狀态下(xia)的密度;Pf和 Tf分(fèn)别爲被測介(jiè)質的絕對壓(yā)力和熱力學(xué)溫度;P0和T0分别(bie)爲标準狀态(tai)下的絕對壓(yā)力和熱力學(xue)溫度(P0=0.10133Mpa,T0=293K);qv0爲刻度(du)流量值。
3.2 差壓(yā)式流量計
流(liú)體流經節流(liu)裝置時,不對(duì)外做功,沒有(yǒu)外加能量,流(liu)體👌本🈚身也沒(méi)有溫度變化(huà) . 在管道内流(liú)動的流體,對(dui)于管道中任(ren)意兩♻️個截面(mian)都符合伯努(nu)利方程,現選(xuǎn)截面Ⅰ和Ⅱ(見圖(tu) 2)進行分析。
流(liu)體的伯努利(li)方程:
從上式(shi)可以看出:流(liú)量與壓力差(cha) ΔP 的平方根成(cheng)正比 .
對于可(ke)壓縮流體流(liu)量監測,因其(qi)易發生體積(jī)變化,所以在(zài)流量📧方程中(zhong)要引入膨脹(zhang)系數 ε,則流量(liang)基本方程可(kě)寫爲:
式中:qv、qm分(fen)别爲被測介(jie)質的體積流(liú)量和質量流(liú)量;A0節流裝置(zhì)的開孔截面(mian)積;ρ 節流裝置(zhi)前的流體密(mi)度 .
式(13)、(14)爲節流(liu)式流量計的(de)流量方程,即(jí)壓差和流量(liàng)間的🔴定量關(guan)🚶♀️系 .
由流量基(ji)本方程可以(yǐ)看出,在其他(tā)條件不變的(de)前提下,流🌐量(liang)與壓差的平(ping)方根成正比(bǐ),要知道流量(liàng)與📞壓力差的(de)真實關系,關(guān)鍵在于 α 的取(qu)值 .α 是受許多(duo)因素影響的(de)綜合性系數(shù),對于标☂️準節(jie)流裝置,其值(zhi)可🍓以從有關(guān)手冊中查出(chū);對于非标準(zhun)節流裝置,其(qi)值👉主要由實(shí)驗方法得到(dao) .
3.3 總結
兩種流(liu)量計依據的(de)原理不同,得(de)到的流量方(fāng)程截然不同(tong)✔️ . 轉子♌流量計(jì)的流量基本(ben)方程主要是(shì)根據轉子受(shou)力平衡👉進行(hang)推導☔而得到(dao)的,而差壓式(shì)流量計的流(liú)🏃🏻量基本方程(cheng)主要是根據(jù)伯努利方程(cheng)和流體連續(xù)性方程進行(háng)👅推導而得到(dào)的 .
4 流量計的(de)特點
4.1 轉子流(liu)量計
轉子流(liú)量計用以測(cè)量單相非脈(mo)動流體(液體(tǐ)或氣體🔞 ) 的流(liu)量,廣泛應用(yòng)于化工、石油(you)、輕工、醫藥、環(huán)保、食品及計(ji)量測試、科學(xue)♊研究等部門(men) .
4.1.1 轉子流量計(jì)的優點 :
① 轉子(zǐ)流量計适用(yong)于小管徑和(hé)低流速 . 常用(yong)轉子流量計(jì)口徑在 40-50mm 以下(xia),最小口徑可(kě)達1.5-4mm. 在測量液(yè)體流速時,口(kǒu)徑 10mm 以下玻璃(lí)管轉子流量(liang)計徑,流速隻(zhī)在0.2-0.6m/s之間💛,甚至(zhi)低于 0.1m/s;金屬☀️管(guǎn)轉子流量計(ji)和口徑大于(yú) 15mm的玻璃管轉(zhuǎn)子流量計,流(liu)速在 0.5-1.5m/s 之間 .
② 轉(zhuan)子流量計可(kě)用于較低雷(lei)諾數,在轉子(zi)與管壁的環(huán)隙處㊙️流動的(de)流體雷諾數(shu)隻要大于 40 或(huo)500,即使雷諾數(shu)變化流量系(xì)數也要保持(chí)常數,即流體(ti)粘度對流量(liàng)系數⚽無影響(xiang).這數值遠低(di)于節流差壓(yā)式儀表最✨低(dī)雷諾數🔞 104-105 的要(yao)求 .
③ 大部分轉(zhuan)子流量計沒(mei)有上遊直管(guǎn)段要求,對安(ān)裝條件要👉求(qiu)較低 .
④ 轉子流(liu)量計流量測(ce)量範圍較廣(guang),一般爲10:1,最低(dī)爲 5:1,最高爲 25:1.
⑤ 與(yǔ)節流式流量(liàng)計相比,轉子(zǐ)流量計壓力(li)損失較低 .
⑥ 玻(bō)璃管轉子流(liú)量計結構簡(jian)單,價格低廉(lian),使用方便 .
4.1.2 轉(zhuan)子流量計的(de)缺點:
① 轉子流(liu)量計用來檢(jiǎn)測的流體,若(ruo)與出廠标定(dìng)時使用的🐇流(liu)體不同,則需(xū)作流量示值(zhi)修正 . 測量液(yè)體的轉子流(liu)量計通📐常以(yǐ)水标定,氣體(ti)用空氣标定(ding),如實際使用(yòng)流體密度、粘(zhān)度🐉與之不同(tong),流量❌要偏離(li)原分度值,要(yào)作換算修正(zheng) . 因此,測量🈲精(jing)度受流體物(wù)理參數變化(huà)的影響 .
② 玻璃(li)轉子流量計(ji)因爲有玻璃(lí)管,所以存在(zai)易碎的風險(xian),尤其是用來(lái)檢測氣體流(liu)🔞量的無導向(xiang)結構轉子 .
③ 大(dà)部分結構轉(zhuan)子流量計隻(zhi)能用于自下(xia)向上垂直流(liú)的管⛷️道安裝(zhuāng) .
④ 轉子流量計(ji)應用僅适合(hé)于于中小管(guan)徑,普通全流(liu)型轉子流量(liang)計不适用于(yú)大管徑,玻璃(li)管轉子流量(liàng)✔️計适用的最(zui)大口徑爲 150mm,金(jin)屬轉子流量(liàng)計适用的最(zui)大口徑爲 200mm.
4.2 差(chà)壓式流量計(jì)
差壓式流量(liang)計應用廣泛(fan)、曆史悠久,在(zai)各類流量儀(yi)表中⁉️其使用(yong)量大. 近來,各(gè)種新型流量(liang)計的出現,緻(zhi)使它的用量(liàng)有所下降,但(dan)差壓式流量(liàng)計目前仍在(zài)🏃♂️整個流量計(jì)量領域起🌐着(zhe)作用,廣泛應(ying)用于石油、化(hua)工、冶金、電力(li)、輕工等🈲各部(bu)門 .
4.2.1 差壓式流(liú)量計的優點(diǎn):
① 标準差壓式(shi)流量計應用(yong)廣泛,結構簡(jiǎn)單牢固,性能(néng)穩定可靠,使(shǐ)用壽命長,安(ān)裝方便,适用(yong)于大流量的(de)測量 .
② 标準節(jiē)流裝置适用(yòng)于測量管道(dao)直徑大于50mm,雷(lei)諾數📱在指♻️數(shù) 104-105以上,流體應(yīng)當清潔且充(chōng)滿全部管道(dào),同時不發👅生(sheng)相變 .
4.2.2 差壓式(shì)流量計的缺(que)點:
① 差壓式流(liu)量計的測量(liang)精度偏低,測(cè)量的重複性(xing)、精度在流量(liàng)計中處于中(zhōng)等水平,由于(yú)各種因素的(de)綜合影響,其(qi)精度難以提(tí)高 .
② 流量測量(liàng)範圍度窄,由(yóu)于流量與儀(yí)表信号( 差壓(yā) ) 的平⭐方根成(cheng)正🈲比關系,範(fan)圍度一般僅(jin) 3:1-4:1.
③ 現場安裝條(tiao)件要求較高(gao),爲保證流體(tǐ)在節流裝置(zhì)前後🍉爲穩定(ding)的流動狀态(tài),在節流裝置(zhi)的上、下遊必(bì)須配置一定(dìng)長度的直管(guan)段 (指孔闆,噴(pēn)嘴),一般難以(yi)滿足 .
④ 差壓式(shi)流量計的壓(yā)損較大,孔闆(pan)流量計的壓(yā)損最大,噴嘴(zuǐ)流量計次之(zhi),文丘裏管流(liu)量計最小,當(dang)不允許有較(jiào)大的管道壓(ya)😘損時,不宜采(cai)用 .
⑤ 檢測件與(yu)差壓顯示儀(yí)表之間的引(yǐn)壓管線容易(yì)産生💃🏻洩漏🏃、堵(du)塞、凍結及信(xìn)号失真等故(gù)障 .
4.3 總結
差壓(ya)式流量計僅(jǐn)适用于測量(liang)管道直徑大(dà)于50mm,雷諾數在(zài)指🚩數 104-105以上的(de)流體,而轉子(zi)流量計适用(yong)于小管徑、低(dī)流速、較低⛷️雷(léi)諾數的流速(sù)測量 . 差壓式(shì)流量計 ( 指孔(kong)闆,噴嘴 ),爲保(bǎo)證流體在節(jiē)流裝置前後(hòu)爲穩定的流(liú)動狀态,需在(zài)節流裝置的(de)上、下遊必須(xū)配置一定長(zhǎng)度的直管段(duàn),而轉子流量(liàng)計對上✔️遊直(zhi)管段要求不(bú)高,其現場安(ān)裝條件要求(qiú)較低. 差壓式(shi)流量計的壓(yā)損較大,而轉(zhuǎn)子流量計壓(ya)力損失較低(dī) .
5 結 論
從對轉(zhuǎn)子流量計與(yu)差壓式流量(liàng)計工作原理(lǐ)的分析㊙️、流量(liang)基本方程的(de)推導及優缺(quē)點分析中得(de)到如下體會(huì):
轉子流量計(jì)是一種恒壓(yā)降、變節流面(miàn)積的流量儀(yí)表,轉子流量(liàng)計在出廠前(qián)是在工業基(jī)準狀态(20℃,0.10133Mpa)下用(yòng)水或者空氣(qì)進🔴行刻度的(de),其流量基本(běn)方程在使用(yong)時需進行修(xiu)正,适用于小(xiao)管徑、低流速(sù)和低雷諾數(shu),壓力損失💚較(jiào)小 .
差壓式流(liú)量計是一種(zhong)恒節流、變壓(ya)降的流量儀(yí)表,由流量基(jī)本方程可以(yǐ)看出,在流量(liang)系數、膨脹系(xi)數及節🍉流面(mian)積不變的前(qian)提下,流量與(yu)壓差的平方(fang)根成正比,該(gāi)壓力計應用(yong)廣泛,結💘構簡(jiǎn)單牢固,性能(néng)穩定可靠,使(shi)用壽命長,安(an)裝方便,适用(yòng)于大流量的(de)測量,壓損較(jiào)大 .
在化工生(shēng)産中使用時(shí)應根據現場(chang)要求,再結合(hé)各儀⭕表的📱特(tè)點,選擇使用(yong)哪種流量計(ji)來進行測量(liang) .