大口徑管路液體流量測(cè)量
(1)大口徑管路液體流量測(cè)量的特點(diǎn)
①管路口徑大要求壓損越小越好。一般不允許用局部縮徑的方法提高流速。
②流速一般都不高。新設(shè)計(jì)安裝的管路，一般均選擇經(jīng)濟(jì)流速。因?yàn)榱魉偬停瑒?shì)必增加管路的投資，流速太高，會(huì)造成動(dòng)力損耗大幅度增加，導(dǎo)致運(yùn)行成本上升，都是不經(jīng)濟(jì)的。但有些老管路，由于增產(chǎn)的需要而提高了流速。
③由于流速較低，流體中的污垢、淤泥等極易在管道內(nèi)壁沉積。作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮儀表與流體接觸部分的清洗。
④測(cè)量范圍度要求大。有些水管夜間和日間、冬季和夏季流量相差懸殊，多達(dá)10~20倍，有些空調(diào)用水，到一定季節(jié)干脆就停用，因此，這些水的流量計(jì)就要求范圍度特別大。
⑤防護(hù)等級(jí)要求高。大口徑管路大多埋地敷設(shè)，為的是節(jié)省空間，在北方，也是防凍的需要。因此流量傳感器大多被安裝在儀表井內(nèi)的管段上。由于雨水、井壁滲漏和管路外漏等原因常常引起井內(nèi)水位上升而淹沒(méi)流量傳感器，所以設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)估計(jì)到這種情況，選用防持續(xù)浸水影響的流量傳感器，例如IP68的防護(hù)等級(jí)。
(2)儀表選型
①電磁流量計(jì)。電磁流量計(jì)在大口徑水流量測(cè)量中占有極其重要的地位，這是因?yàn)樵摲N儀表具有下列特點(diǎn)。
a.無(wú)可動(dòng)部件，可靠性高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。
b.無(wú)附加阻力。這一點(diǎn)對(duì)大口徑流量計(jì)有特別重要的意義。
c.測(cè)量精確度高。典型產(chǎn)品在υ≥1m/s時(shí)，精確度可達(dá)到±0.3%R甚至±0.2%R。
d.范圍度大。保證精確度的范圍度一般可達(dá)40:1，可測(cè)范圍可達(dá)200:1，例如IFM系列產(chǎn)品，在υ=0.06m/s時(shí)，基本誤差仍可小于±2%R。
e.直管段要求相對(duì)較低。對(duì)于大口徑管路，這一點(diǎn)也很重要。有多種流量計(jì)要求前后直管達(dá)到30D，對(duì)于管徑1m以上的管路，就意味著須具備30m以上的直管段，這在多數(shù)情況下難以滿足。
f.有大口徑產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)最大可提供DN3000的產(chǎn)品，從而能滿足大口徑水流量測(cè)量的需要。
g.品種齊全。有防浸水型IP67及防持續(xù)浸水型IP68產(chǎn)品。
h.其不足之處是大口徑產(chǎn)品價(jià)格高，而且口徑越大價(jià)格增長(zhǎng)得越快。盡管如此，像水廠、成品水和源水等計(jì)量，因牽涉到貿(mào)易結(jié)算，對(duì)計(jì)量精確度要求高，還是愿意花較多的錢選用電磁流量計(jì)。
②超聲流量計(jì)。超聲流量計(jì)在大口徑管路的流量測(cè)量中占有重要地位，原因如下。
a.超聲流量計(jì)中的夾裝式，其價(jià)格與口徑無(wú)關(guān)，用來(lái)測(cè)量大口徑管路流量，投資較省。
b.超聲流量計(jì)能得到的測(cè)量精確度同管徑有關(guān)，管徑越大，有可能得到的精確度越高。有的供應(yīng)商能提供帶測(cè)量管的多聲道時(shí)差式超聲流量計(jì)，精確度最高可達(dá)0.15級(jí)，但價(jià)格也相應(yīng)升高。
c.既可測(cè)量導(dǎo)電液體，如水等，也可測(cè)量不導(dǎo)電液體。
現(xiàn)在有很多單位添置數(shù)臺(tái)攜帶式(時(shí)差法)超聲流量計(jì)用于現(xiàn)場(chǎng)較大口徑液體流量計(jì)比對(duì)，一般都收到較好的效果。在DN≥150mm、υ≥0.3m/s時(shí)，精確度可達(dá)±2%R。
插入式流量計(jì)。上述電磁流量計(jì)用在大口徑管道上，固然很好，但價(jià)格較貴，因此，在測(cè)量精確度要求不高的場(chǎng)合，插入式流量計(jì)就成為受歡迎的方法。
插入式流量計(jì)的價(jià)格只及滿管流量計(jì)的幾分之一到十幾分之一，是流量計(jì)的一種補(bǔ)充。另外，重量輕，壓損小，易于安裝和維修，是這種流量計(jì)的另一優(yōu)點(diǎn)。
在大口徑管路流量計(jì)中，由于流速普遍較低，泥沙、污垢等容易在儀表表面沉積，因此，插入式流量計(jì)常常帶配套球閥，實(shí)現(xiàn)在不斷流情況下拆下儀表維護(hù)和檢查，從而提高測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。
a.插入式流量計(jì)的結(jié)構(gòu)。插入式儀表有點(diǎn)流速計(jì)型和徑流速計(jì)型。其中插入式渦街、渦輪、電磁流量傳感器以及皮托管等屬點(diǎn)流速計(jì)型。差壓式均速管流量傳感器、熱式均速管流量傳感器等為徑流速型。
插入式流量表的原理雖多種多樣，但其結(jié)構(gòu)卻大同小異。圖3.76所示為點(diǎn)流速計(jì)型結(jié)構(gòu)。圖3.77為徑流速計(jì)型結(jié)構(gòu)。
點(diǎn)流速計(jì)型傳感器由測(cè)量頭、插入桿、插入機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)換器和儀表表體五部分組成。
測(cè)量頭:其結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是一臺(tái)流量傳感器，不過(guò)這里作為局部流速測(cè)量的流速計(jì)使用。
插入桿:支撐測(cè)量頭的一根支桿。支桿內(nèi)可將測(cè)量頭的信號(hào)電纜引至儀表表體外部。插入機(jī)構(gòu):由連接法蘭、插入桿提升機(jī)構(gòu)及球閥組成?？稍诓粩嗔鞯那闆r下將測(cè)量頭由管道內(nèi)提升到表體外，以便檢查維修。
轉(zhuǎn)換器:測(cè)量頭信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換的電子部件。
儀表表體:對(duì)于大口徑一般都不帶儀表表體，而是利用工藝管道的一段作為測(cè)量管。差壓式均速管流量傳感器包括檢測(cè)件(均速管)、閥、插入機(jī)構(gòu)和取壓裝置等部件。
b.點(diǎn)流速計(jì)型工作原理。測(cè)量頭插于管道中特定位置(一般為管道軸線或管道平均流速處)，測(cè)量該處局部流速，然后根據(jù)管道內(nèi)流速分布和傳感器的幾何尺寸等推算管道內(nèi)的流量。其流量計(jì)算式如下。
式(3.127)阻塞系數(shù)計(jì)算式是在測(cè)量頭為某種結(jié)構(gòu)求得的，因此該式只能作為一種參考計(jì)算式，要得到高精確度的計(jì)算式需依據(jù)具體結(jié)構(gòu)的測(cè)量頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)求得專用阻塞系數(shù)計(jì)算式。
干擾系數(shù)γ的確定。干擾系數(shù)的定義:流量計(jì)所處管段前后阻流件之間直管段長(zhǎng)度不足所引起的儀表系數(shù)變化的修正系數(shù)。干擾系數(shù)是非充分發(fā)展管流的修正系數(shù)，目前還缺乏成熟的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般可在現(xiàn)場(chǎng)直接校驗(yàn)確定。
管道橫截面面積A的確定。管道橫截面面積A可通過(guò)實(shí)測(cè)管道內(nèi)徑或管道外周長(zhǎng)推算出，由管道外周長(zhǎng)推算橫截面面積按下式計(jì)算。
(3)幾種插入式流量計(jì)的性能比較
①插入式渦輪流量計(jì)。價(jià)格較低，適合測(cè)量潔凈液體的流量。流體中含固體顆粒或黏稠物時(shí)，極易導(dǎo)致渦輪卡滯。流體中夾帶的纖維、四氟生料帶之類的異物，極易繞在渦輪葉片上，導(dǎo)致流量系數(shù)改變，而大口徑管路上要加裝網(wǎng)目數(shù)滿足要求的過(guò)濾器又不大現(xiàn)實(shí)，因而影響了人們對(duì)該種儀表的選用。
②差壓式均速管流量計(jì)。這種流量計(jì)在大口徑水流量測(cè)量中用得較多。主要原因是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，維修方便。因?qū)購(gòu)搅魉儆?jì)型，只要儀表插入桿長(zhǎng)度同管徑相吻合，儀表示值受管內(nèi)流速分布的影響較小。
均速管在安裝時(shí)要特別注意引壓管中不能有氣體存在。
在水平管上的安裝位置如圖3.78所示。對(duì)于埋地敷設(shè)的大口徑管道，均速管要安裝在儀表井中，而配套的差壓計(jì)為了避免浸入水中，一般均安裝在地面上方。儀表投運(yùn)時(shí)，分別打開(kāi)差壓變送器的高低壓室上排氣口，排盡引壓管中的氣體，均速管測(cè)量到的信號(hào)就能準(zhǔn)確地傳遞到變送器。
有的使用者誤認(rèn)為管道中全是水，均速管從管道上方插人也不要緊，尤其是在大口徑管道貼近地面敷設(shè)，均速管按圖3.78安裝有困難時(shí)，就采用圖3.79所示的安裝方法。于是在開(kāi)表投運(yùn)時(shí)，經(jīng)過(guò)排氣閥和變送器上的上排氣口充分排氣，儀表指示正常。但經(jīng)數(shù)天后由于大管道內(nèi)水所溶解的氣體不斷析出，并且聚集在引壓管的最高點(diǎn)，影響差壓信號(hào)的正常傳遞，以致儀表示值發(fā)生變化(一般是流量示值逐漸減小)。
管道內(nèi)水所溶解的氣體析出，同水的溫度和壓力的變化有關(guān)。水溫較高或壓力較低時(shí)，其氣體飽和溶解度比溫度較低或壓力較高時(shí)的氣體飽和溶解度小，所以水在輸送過(guò)程中，溫度升高和壓力降低都易引起它所溶解的氣體析出。
這種儀表的不足之處如下。
a.水中泥沙易將取樣孔堵死而引起故障，因此應(yīng)視流體中泥沙含量多少?zèng)Q定引壓管排污掃線周期。并在選閥和配管時(shí)，考慮拆卸和疏通的方便。
b.相對(duì)流量較小時(shí)，誤差增大。因此只適合一般檢測(cè)和過(guò)程控制。
c.標(biāo)定困難。JJG640檢定規(guī)程規(guī)定，差壓式均速管流量計(jì)必須經(jīng)過(guò)流量系數(shù)的逐臺(tái)檢定，所以精確度要求較高的測(cè)量對(duì)象或用于貿(mào)易結(jié)算的測(cè)量對(duì)象，一般還有賴于滿管式電磁流量計(jì)。
③插入式渦街流量計(jì)。這種儀表測(cè)量頭本身精確度可達(dá)±1%R，耐臟性比插入式渦輪流量計(jì)好，被測(cè)液體中有少量泥沙時(shí)也不會(huì)像均速管那樣容易引起故障，但受其測(cè)量原理的制約，用來(lái)測(cè)量水流量時(shí)，可測(cè)流速下限只能達(dá)到0.3m/s，因此，在測(cè)量對(duì)象的流速下限要求更低時(shí)，不能勝任。
④插入式電磁流量計(jì)。同其他插入式流量計(jì)相比，用插入式電磁流量計(jì)測(cè)量大口徑管道水流量具有明顯的優(yōu)越性。
a.范圍度特別大。
b.測(cè)量頭有較高的精確度。
c.阻塞影響可忽略。
d.有浸沒(méi)型產(chǎn)品，安裝在儀表井中被水淹沒(méi)也不影響正常測(cè)量。該型的插入式電磁流量計(jì)，勵(lì)磁線圈和電極組成的測(cè)量頭置于插入桿的端面內(nèi)，導(dǎo)電流體流過(guò)其端面時(shí)，在電極和插入桿殼體之間產(chǎn)生相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，如圖3.80所示。其結(jié)構(gòu)如圖3.81所示。
儀表的滿量程可設(shè)置為1、2、3、4、5、6、7或8m/s。測(cè)量精確度在υ≥1m/s時(shí)為±2%R;在υ<1m/s時(shí)為±3%R。插入桿上刻有與管道內(nèi)徑相對(duì)應(yīng)的插入深度刻線，其插入深度為管道內(nèi)徑的1/8。此時(shí)阻塞面積小于2%，按式(3.127)阻塞對(duì)示值的影響可忽略不計(jì)。
插入式流量計(jì)是基于速度面積法工作的，不論測(cè)量頭是何種測(cè)量原理，管道中都必須充滿液體。為了防止液體中的氣體在管道中積聚，管道的最高點(diǎn)都應(yīng)安裝排氣閥，實(shí)行自動(dòng)排氣或人工定期排氣。
