《能源監測與評價》——能源監測技術(七)
(2)轉子流量計。轉子流量計是以轉子在垂直錐形管中隨著流量變化而升降來測量流量的,又稱為變面積流量計、浮子流量計。與節流壓差式流量計不同,轉子流量計在測量過程中是通過改變流通面積、保持節流元件前后壓降不變的情況下測量流量的,因此它也稱為恒壓降流量計。
轉子流量計的檢測元件是由一個自下向上擴大的垂直錐形管和一個置于錐形管中可以上下自由移動的轉子所組成,如圖2-49所示。被測流體從下向上經過錐形管和轉子形成的環形空間時,轉子上下端產生差壓形成轉子上升的力,當轉子所受上升力大于浸在流體中轉子重量時,轉子便上升,環形空間面積隨之增大,環形空間處流體流速立即下降,轉子上下端差壓降低,作用于轉子的上升力也隨之減少,直到上升力等于浸在流體中轉子重量時,轉子便穩定在某一高度。因此轉子在錐形管中高度和通過的流量有對應關系。
根據流體連續性方程和伯努利方程,轉子流量計的體積流量可表示為
轉子流量計有兩種主要形式:①玻璃管轉子流量計,它主要由玻璃錐形管、轉子和支撐結構組成,流量示值刻在錐形管上。②金屬管轉子流量計,它的錐形管采用金屬材料制成,其流量檢測原理與玻璃管轉子流量計相同。金屬管轉子流量計有就地指示型和電氣信號遠傳型兩種。電遠傳式轉子流量計的工作原理見圖2-50。
轉子流量計具有結構簡單、使用方便、價格便宜、測量范圍比較寬、刻度均勻、直觀性好、對儀表前后直管段長度要求不高、壓力損失小且恒定、工作可靠且線性刻度、適用性廣等特點,可測量各種液體和氣體的體積流量,并可將所測得的流量信號就地顯示或變成標準的電信號或氣信號遠距離傳送;其缺點是管壁大多為玻璃制品,不能承受高溫和高壓,易破碎。轉子流量計是一種非通用性儀表,出廠時其刻度需單獨標定。儀表廠在工業標準狀態下,以空氣標定測量氣體流量的轉子流量計;以水標定測量液體流量的轉子流量計。若被測介質不是水或空氣,則流量計的指示值與實際流量值之間存在差別,必須對流量指示值按照實際被測介質的密度、溫度、壓力等參數的具體情況進行刻度修正,其修正公式為
(3)渦輪流量計。渦輪流量計是利用置于流體中的葉輪旋轉角速度與流體流速成比例,通過測量葉輪的轉速來反映通過管道流體的體積流量。
渦輪流量計結構如圖2-51所示。流體流過渦輪流量計時,先經過前導流件,再推動鐵磁材料制成的渦輪旋轉。旋轉的渦輪切割殼體上的磁電感應轉換器的磁力線,磁路中的磁阻便發生周期性地變化,從而感應出交流電信號。信號的頻率與被測流體的體積流量成正比。渦輪流量計的輸出信號經前置放大器放大后輸至顯示儀表,進行流量指示和計算。渦輪轉速信號還可用光電效應、霍耳效應等轉換器檢出。渦輪流量計可精確地測量潔凈的液體和氣體。
渦輪流量計的體積流量可表示為
渦輪流量計結構緊湊輕巧、安裝方便,磁電感應轉換器與葉片之間不需密封和齒輪傳動機構,因而測量精度高.可耐高壓,靜壓可達50MPa。由于基于磁電感應轉換原理,因此反應快,可測脈動流量;輸出信號為電頻率信號,便于遠傳,不受干擾。但渦輪流量計的渦輪容易磨損,被測介質中不應帶機械雜質,否則會影響測量精度和損壞機件。因此,一般應加過濾器。此外,流體物性(密度、黏度)對儀表特性有較大影響,難以長期保持校準特性,需要定期校驗。渦輪流量計安裝時,必須保證前后有一定的直管段,以使流向比較穩定,一般人口直管段的長度取管道內徑的10倍以上,出口取5倍以上。
(4)渦街流量計。渦街流量計是利用流體流過置于其中的非流線型阻流體所產生的規則旋渦變化規律而制成的。眾所周知,在流體中設置旋渦發生體(非流線型阻流體,如圓柱形或三角柱形等),在某一雷諾數范圍內,在旋渦發生體兩側會交替地產生有規則的旋渦,這種旋渦稱為卡門渦街,如圖2-52所示。由于旋渦之間的相互影響,其形成通常是不穩定的。馮·卡門對渦列的穩定條件進行了研究,于1911年得出結論:只有當兩旋渦列之間的距離h和同列的兩旋渦之間的距離Z之比滿足h/l=0.281時,渦街才是穩定的,且有規則。根據斯特勞哈爾試驗得知,旋渦產生的頻率與流體流速成正比,因此測出旋渦頻率即可得出體積流量。
旋渦分離的頻率與流速成正比,與柱體的寬度成反比。設旋渦的發生頻率為f,被測介質來流的平均速度為“,旋渦發生體迎面寬度為d,管道內徑為D,根據卡門渦街原理,有如下關系式
管道內流體的體積流量可表示為
由此可見,通過測量旋渦頻率便可測出流體流速和瞬時流量。斯特勞哈爾數(Sr)是可通過試驗確定的無因次數,圖2—53中表示出了斯特勞哈爾數(Sr)與雷諾數(RP)的關系。在一定的Re范圍內,Sr可視為常數。
曲線的平直部分對應渦街流量計的測量流量的范圍,只要檢測出頻率廠即可求得管內流體的流速,由流速可求出體積流量。內輸出的脈沖數與流過流體的體積量之比,稱為儀表的系數K,即
渦街流量計可用來測量流體的瞬時流量(流率),也可以用來測量累計流量(總量)。用來測量瞬時流量時其測量值可表示為
渦街流量計中的旋渦發生體形狀繁多,它可分為單旋渦發生體和多旋渦發生體兩類,如圖2-54所示。單旋渦發生體的基本形狀有圓柱、矩形柱和三角柱,其他形狀皆為這些基本形狀的變形。為提高渦街強度和穩定性,可采用多旋渦發生體,不過它的應用并不普遍。
旋渦頻率信號可通過熱敏元件、熱絲、壓電晶體和應變等元件檢測出來。圖2-55所示為三角柱體渦街檢測器原理示意圖。在三角柱體的迎流面對稱地嵌入兩個熱敏電阻組成橋路的兩臂,以恒定電流加熱使其溫度稍高于流體,在交替產生的旋渦的作用下,兩個電阻被周期性地冷卻,使其阻值改變,阻值的變化由橋路測出,即可測得旋渦產生頻率,從而測出流量。
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