壓縮空氣流量測(cè)量方法分析

1、壓縮空氣流量測(cè)量方法分析4M刖呂壓縮空氣流量是表述空氣壓縮機(jī)性能的重要參數(shù)，也是工業(yè)過程中測(cè)量的重要 參數(shù)。隨 著空氣壓縮機(jī)的廣泛應(yīng)用，其流量的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于產(chǎn)品升級(jí)、工業(yè)生產(chǎn)過程的控制和監(jiān)測(cè)以 及節(jié)能減排都顯得至矢重要。壓縮空氣流量是指在短暫時(shí)間內(nèi)流過某一流通截面的壓縮空氣數(shù)量與通過時(shí)間之比。壓縮空氣數(shù)量以體積表示稱為體 積流量，以質(zhì)量表示稱為質(zhì)量流量。流量測(cè)量流量測(cè)量方法大致可以歸納為以下四種：？利用伯努利方程原理，通過測(cè)量流體 差壓信號(hào) 反映流量的差壓式流量測(cè)量法，用這種方法制成的儀表如轉(zhuǎn)子流量計(jì)、靶 式流量計(jì)和彎管流量計(jì)等。？通過直接測(cè)量流體流速得出流量的速度式流量測(cè)量 法，用這種方法制

2、成的儀表如 渦輪流量訃、渦街流量訃、電磁流量計(jì)和超聲波流量 計(jì)等。？利用標(biāo)準(zhǔn)小容積連續(xù)測(cè)量流量 的容積式測(cè)量法 , 用這種方法制成的儀表如 橢圓齒輪流量訃、腰輪流量計(jì)和刮板流量訃 等。？以測(cè)量流體質(zhì)量流量為 LI 的的質(zhì)量流量測(cè)量法，用這種方法制成的儀表如熱式質(zhì)量流 量計(jì)、科氏質(zhì)量流量計(jì)和沖量式質(zhì)量流量計(jì)等。但并非所有測(cè)量方法或測(cè)量?jī)x表都適合壓縮 空氣流量的測(cè)量，應(yīng)根據(jù)壓縮空氣本身的特性、測(cè)量要求和使用條件不同，選擇合適的測(cè)量 方法或儀表。以下就兒種適合壓縮空氣的常用的流量測(cè)量方法和流量計(jì)進(jìn)行介紹。1 ?節(jié)流裝置流量測(cè)量節(jié)流裝置測(cè)量流量是差壓式流量測(cè)量法的一種，在壓縮空氣流量測(cè)量中，該方法使用

3、最 為普遍，其精度和穩(wěn)定性也較好。其測(cè)量原理為在充滿流體的管線中安裝節(jié)流裝置，則該裝 置的上游側(cè)與喉部或下游側(cè)之間產(chǎn)生一個(gè)靜壓差，該壓差與壓縮空氣流量之間有確定的數(shù)值矢系，通過測(cè)量差壓值可以求得流量。4-1/221/2 q 二 C(l, P) n (d/2) (2 A p p ) (1) ml其體積流量可用下面的公式確定4Mkg/s; mq 二 q/P vm式中q單位時(shí)間內(nèi)流過節(jié)流裝置的流體質(zhì)量流量，單位為d工況條件下一次裝置節(jié)流孔直徑，單位為m;B直徑比，指工作條件下一次裝置節(jié)流孔或喉部直徑與上游管道內(nèi)徑之比;Ap -差壓？單位為Pa;3 P流體密度，單位為kg/m;流體可膨脹性系數(shù)；C流出

4、系數(shù)。常用的節(jié)流測(cè)量裝置有：ASME噴嘴測(cè)量裝置、ISA1932噴嘴測(cè)量裝置、孔板測(cè) 量裝置和文丘里噴嘴測(cè)量裝置。其中 ASME噴嘴和ISA1932噴嘴測(cè)量裝置的氣體流出系數(shù)值較大，精度也 較 高，使用也較多。ASME噴嘴測(cè)量裝置LU于氣體通常直接排空，且要求測(cè)量噴嘴壓差的壓差計(jì)量程較小，因此測(cè)量大流量時(shí)，該裝置的尺寸也比較大，不便于移動(dòng)測(cè)量，如圖 1所示。Ei;*!圖1 ASME噴嘴測(cè)量裝置示意1?隔板2.導(dǎo)板3. ASME噴嘴測(cè)量范圍也相對(duì)較廣，如圖2ISA1932噴嘴測(cè)量裝置則相對(duì)緊湊，體積小，便于攜帶和安裝, 所示。m1口 血圖2 ISA1932噴嘴測(cè)量裝置示意為了研究ISA1932噴

5、嘴測(cè)量裝置與 ASME噴嘴測(cè)量裝置的重復(fù)性和一致性 ,將兩段 ISA1932噴嘴測(cè)量段串接，再與 ASME測(cè)量段串接。試驗(yàn)中,進(jìn)行了 ISA1932噴嘴前后測(cè)量段 的差異試驗(yàn)和ISA1932噴嘴前后測(cè)量段兩組壓力表的偏差試驗(yàn)，將儀表帶來的誤差盡可能地減小，為更好地進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)準(zhǔn)備了條件。坤在進(jìn)行兩套ISA1932噴嘴測(cè)量裝置(1裝置與2裝置)之間對(duì)比時(shí)，分別對(duì)直 彳圣為5.56mm、9. 53mm和15. 88mm的噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表 1。表1試驗(yàn)結(jié)果15A1932Mr Aff Hns試題庠號(hào)休幸艮流量Cm5 am)丈測(cè)溪蟄(32*a55.5611. 5751. 377059 ? 53

6、12.0682. 0540.683.潮3 ? 6360. 3SL5. 3813. 3-325.3090.25.2865.2470. 74為了驗(yàn)證ISA1932噴嘴測(cè)量裝置的重復(fù)性,選取直徑為9. 53mm的噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)。保證 試驗(yàn)工況基本相同的情況下，試驗(yàn)結(jié)果見表表 2 試驗(yàn)結(jié)果（直徑為 9.53mm)項(xiàng)H試驗(yàn)序號(hào)2哉亙* (m!)12. 5022.4812. 5002.48532.47&42, m2-470平均值2.4962. 4790.2S0. 36以上數(shù)據(jù)是在壓力和流量差異較大時(shí)的測(cè)量結(jié)果，可以看出ISA1932噴嘴測(cè)量裝置的精 度、一致性和重復(fù)性都比較良好，且有較大的使用范圉，已經(jīng)達(dá)到

7、了試驗(yàn)室測(cè)量壓縮空氣流量的要 求。最后將ISA1932噴嘴測(cè)量裝置與ASME噴嘴測(cè)量裝置的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。ill于兩套ISA1932噴嘴測(cè)量裝置一致f生良好,用于比較的是兩套裝置測(cè)量結(jié)果的平均值。試驗(yàn)結(jié)表3 ISA1932噴嘴測(cè)量裝置與 ASME果見表3oISA1932甲號(hào)休積流蚩/ Cm3/min !實(shí)測(cè)虞? - ?ASME端嗨5.5611.57 6L. 3204. 239.5312.-1702. 4 人 30.42n_3. 722S.7150. 6715.8815. &32&3090. 45nA5.3865.2470.74噴嘴測(cè)量裝置的測(cè)量結(jié)果通過試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)ISA1932噴嘴測(cè)量裝

8、置在使用直徑為 9? 53和15. 88mm噴嘴與ASME噴嘴測(cè)量裝置在測(cè)量結(jié)果上保持一致 ，偏差均小于1%。而ISA1932噴 嘴測(cè)量裝置在使 用 直徑5.56mm的噴嘴時(shí)，誤差很大，且是偏大方向。分析原因可能 III于5. 56mm的ISA 1932噴嘴直徑太小，氣體中存在的水滴或油滴吸附在噴嘴上，導(dǎo)致噴嘴壓差增大，測(cè)量 結(jié)果偏大。于是在測(cè)量裝置前加裝了水分離器和油過濾器，再次將兩個(gè)ISA1932噴嘴測(cè)量裝 置串 聯(lián)，并將直徑為5. 56mm和9. 53mm的噴嘴分別安裝在位于兩個(gè)測(cè)量裝置中進(jìn)行試驗(yàn)，且交換位置后再次進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4o表4試驗(yàn)結(jié)果（加裝水分離器和油過濾器）壩目試驗(yàn)字

9、 號(hào)15X9衛(wèi)噴瑞1 9 -)實(shí)河。體積流量/ 11.4331.4380.3521.1111.4350.62測(cè)量結(jié)果表明在安裝水分離器和油過濾器后，測(cè)量數(shù)據(jù)與真實(shí)值保持一致，誤差也在允 許范圍以內(nèi)。因此，對(duì)于ISA1932噴嘴以及同原理的孔板等安裝在管道內(nèi)的測(cè)量裝置，其上游應(yīng)加裝水分離器和油過濾器，保證氣體具有一定的潔凈度。同時(shí)在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)壓力的偏差對(duì)于該類裝置的測(cè)量結(jié)果影響較大，為保證測(cè)量精度，應(yīng)選擇0.4級(jí)或等級(jí)更高的壓 力表或壓力傳感器。節(jié)流測(cè)量裝置通過選擇合適的節(jié)流裝置公稱直徑和直徑比，可以很好地保證流量測(cè)量的 精度和穩(wěn)定性，通常用于試驗(yàn)室穩(wěn)定_1況條件下的流量測(cè)量，適合測(cè)量流量

10、的瞬時(shí)值。雖然 LU于采集技術(shù)和PLC技術(shù)的進(jìn)步，利用該原理制成的各類差壓式流量計(jì)可以在工廠復(fù)雜條件測(cè)量流量的瞬時(shí)值和累計(jì)值，通過溫度和壓力的補(bǔ)償也能達(dá)到較高的精度。但實(shí) 際工廠條件使用時(shí)，仍有很多缺點(diǎn)由于差壓與流量平方矢系成正比，量程比也很小，因此測(cè)量范圍窄現(xiàn)場(chǎng)安裝條件高，尤其是節(jié)流裝置前直管段或后直管段現(xiàn)場(chǎng)要求往往難以滿足量失3）節(jié)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(jié)，造成測(cè)靈。4)尤其對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)孔板來說，標(biāo)準(zhǔn)孔板的尖銳度隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)不斷磨損變鈍，測(cè)量準(zhǔn)確度下降；大管徑標(biāo)準(zhǔn)孔板在高溫下運(yùn)行容易變形，形成凹凸面，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。5)標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴壓損大，對(duì)工廠節(jié)能不

11、利。2.渦街流量計(jì)渦街流量訃的測(cè)量主體是非流線型旋渦發(fā)生體。當(dāng)流體流過旋渦發(fā)生體時(shí)，在發(fā)生體兩側(cè)會(huì)交替地產(chǎn)生旋渦，并在它的下游形成規(guī)則的兩列不對(duì)稱的旋渦列，如圖3所示。施烈岌生W、二Hi動(dòng)方網(wǎng)圖3旋渦發(fā)生原理所示在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，穩(wěn)定的旋渦產(chǎn)生頻率f與旋渦發(fā)生體出的流速 V有確定的矢 系:f=Sv/d (2) t式中St斯特羅哈爾數(shù)；d為旋渦發(fā)生體的特征尺寸。當(dāng)旋渦發(fā)生體的形狀和尺寸確定后，即可通過測(cè)量旋渦產(chǎn)生頻率f來測(cè)量流量q, v其流量方程式為：q-f/K (3) v式中K儀表系數(shù)，一般通過試驗(yàn)測(cè)得渦街流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便。無內(nèi)部可動(dòng)部件，使用壽命長(zhǎng)。測(cè)量精度較高，測(cè)

12、量范圍較寬。壓力損失小。其局限性主要是對(duì)振動(dòng)和流體脈動(dòng)較敬感，對(duì)安裝有一定的要求，且不適用于低雷諾數(shù)的測(cè)a 里。3.熱式質(zhì)量流量計(jì)熱式質(zhì)量流量計(jì)的原理是通過測(cè)量氣體流經(jīng)流量訃內(nèi)加熱元件時(shí)的冷卻效應(yīng)來計(jì)量氣體流量的。氣體通過的測(cè)量段內(nèi)有兩個(gè)熱阻元件，其中一個(gè)作為溫度檢測(cè)，另一個(gè)作為加熱器。溫度傳感元件用于檢測(cè)氣體溫度，加熱器則通過改變電流來保持其溫度與被測(cè)氣體的溫度之間有一個(gè)恒定的溫度差。當(dāng)氣體流速增加，冷卻效應(yīng)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(zhì)量流量，即供給電流與氣體質(zhì)量流量有一對(duì)應(yīng)的函數(shù)矢系來反映氣體的流量，如圖4所示。圖4熱式質(zhì)量流量計(jì)原理1、4?熱電偶2.管道3

13、?加熱器5.功率表熱式質(zhì)量流量計(jì)因?yàn)闇y(cè)量位置不同可分為熱分布式和浸入式。熱分布式山于在管外壁布置傳感器，因此對(duì)環(huán)境和管壁內(nèi)的結(jié)垢有較高要求。因此測(cè)量壓縮空氣流量一般使用浸入式熱式質(zhì)量流量訃。大部分浸入式熱式質(zhì)量流量計(jì)性能不受安裝姿勢(shì)影響。然而在低流速測(cè)量時(shí)因受管道內(nèi)氣體對(duì)流的熱流影響，使安裝姿勢(shì)顯得重要。因此在低流速流動(dòng)時(shí)要獲得精確測(cè)量，必須遵循制造廠依據(jù)儀表設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)而定的安裝建議。熱式質(zhì)量流量計(jì)還具有壓損低， 流量范圍度大，精度高，可靠性好以及不易受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)在于響應(yīng)慢、會(huì)對(duì)小 流量氣體帶來熱量，對(duì)氣體清潔度和露點(diǎn)有一定的要求。壓縮空氣流量計(jì)的選型根據(jù)對(duì)美國所安裝的千余臺(tái)流量?jī)x表

14、的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)約有60%所選擇測(cè)量方法不是最合適的或使用不正確 ， 剩余的大部分雖然采用合適的測(cè)量方法，卻錯(cuò)誤地布置和安裝。山此可見 正確選擇和使用流量計(jì)并非易事。選擇正確的壓縮空氣流量訃首先要了解儀表性能，根據(jù)測(cè) 量精度、穩(wěn)定 14 等要求 ， 對(duì)儀表進(jìn)行大概的過濾。如：試驗(yàn)室精確測(cè)量可選用差壓式流量 計(jì)。其次，要考慮安裝條件, 儀表處于管道的位置 ， 前后直管段是否滿足要求， 管道和儀表是水平安裝還是豎直安裝，管道周圉空間大小是否便于儀表維護(hù)等; 還要考慮到現(xiàn)場(chǎng)的溫度對(duì)儀表的影響，是否有電磁干擾，是否存在振動(dòng)，例如渦街流量計(jì)即使在沒有氣體通過時(shí)， 如果有振動(dòng)，也可能 會(huì)出現(xiàn)讀數(shù)。最后，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，如工廠在線監(jiān)測(cè)的流量計(jì)選擇， 則要考慮減少壓損，節(jié)約能耗 ; 在大規(guī)格的管道上應(yīng)盡量使用插入式流量計(jì)，減少管路安裝