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3.4 微小流量的测量

小流量测量分两种情况:一种是以较高的精确度测量流过细小管道的气体、液体;另一种是测量流动非常缓慢的流体的流量。

  关于微小流量的范围,目前还不能确定量地给出,本章所说的微小流量,是人们一般认为的微小流量范围[30]

3.4.1  几种在微小流量测量中应用的流量计

   适合用来测量微小的常用流量计有多种,例如差压式、浮子式、容积式、热式等,其中有些流量计既适合测量中大流量,也适合测量微小流量,而另一些专门为测量微小流量而设计。

  (1)差压式流量计   由标准节流装置和差压式组成的差压式流量计,在小流量测量中受到三方面的限制[30]

   第一个限值是雷诺数下限的限制。节流装置种类不同,其雷诺数下限也不同,就一般而言,雷诺数≥104是可以使用的界限。与此雷诺数下限相对应的平均流速和流量即为小流量的测量下限。雷诺数太小,流出系数会随雷诺数的变化而产生显著的变化,以致不确定度增大。

  第二个限制是管径的大小。标准节流装置适用于50mm和50mm以上管径。管径太小时,节流装置直径相应变小,按标准中规定的形状进行相似加工发生困难。

  第三个限制是差压太小。此差压同流速的平方成正比,当流速低到一定数值,差压就变得很小,以致无法分辨。

针对上述的三个限制,有些仪表公司开发了仅适合微小流量测量的内藏孔板差压式流量计。这种流量计同由标准节流装置为传感器的流量计在下面几点有显著的差别。第一个差别是结构上,前者是传感器与变送器合为一体,其典型的结构如图3.54所示,而后者是传感器与变送器相分离。

图3.54内藏孔板差压流量变送器

第二个差别是管径,前者适用的管径均小于50mm,典型的管道内径为10mm和20mm。由于管径缩小,流速以及同流速相关的雷诺数得以提高,因而能得到较高的差压。所以内藏孔板流量计弥补了标准节流装置型差压式流量计不适合测量小流量的不足。

  第三个差别是保证精确度的手段。前者是用实流标定的方法来保证测量精确度的,经过实流标定能得到1级(水)或1.5级(空气)精确度,如果实流标定后用合适的方法对误差进行自动校正,则可得到0.5级(水)和1级(空气)精确度。如果不经实流标定,只能得到5级准确度。图3.55和图3.56所示是一台内藏孔板流量计标定得到的误差以及校正曲线。

图3.55典型误差曲线                           图3.56典型校正曲线

现在,差压变送器多数已实现智能化,这为内藏孔板流量计改变量程提供了便捷的手段。内藏孔板流量计在调试和运行中,如果发现原先确定的满度流量值不合适,可将流量满度值扩大或缩小一挡,然后安差压同流量的关系计算新的差压上限,如式(3.91)所示。

                                          (3.91)

式中  qmax、 ——原有流量上限和新的流量上限,kg/h;

——原有差压上限和新的差压上限,Pa。

用手持终端将差压变送器的差压上限重新设置后,流量计的精确度不会有明显得变化。

内藏孔板流量计只适合安装在水平管道上,因为差压变送器偏离水平位置后,其两个膜盒所受的重力变得不对称,因而出现零点漂移。好在这种流量计由于管径小,仪表前后直管段绝对长度要求相应较短,所以水平安装不会给配管带来太大的困难。

内藏孔板流量计的结构常见的有两种,一种是流体流过差压变送器高低压室,如图3.57所示。另一种是流体不流过差压变送器高低压室,如图3.58所示。

图3.57内藏孔板结构之一                         图3.58内藏孔板结构之二

对于前面一种结构,流过差压式高低压室的流量同流过节流的流量相等,当流量近似等于0时,流速很低,流体流过高压室和低压室所产生的压降可忽略,因此,差压变送器测量到的差压同节流件两端的永久压将相等。但当流量增大,流速升高到一定数值时,流过高压室的压降相应增大,差压变送器测量到的差压明显高于节流件两端压降,从而产生相应的测量误差。现在市场上的差压变送器体积做得越来越小,高低压室内膜盒与壳体之间的间隙做得更小,这就使得该结构的缺陷更为突出。而图3.58所示的结构完全不存在此问题。

内藏孔板流量计安装时应防止可能出现的冷凝液和气体在高低压室中的聚集,即测量气体流量时,高低压室应高于节流件(如图3.59所示),以免可能存在的冷凝液流入高低压室。测量液体流量时,高低压室低于节流件,以免可能存在的气体钻入高低压室。

(a)被测介质为气体                                  (b)被测介质为液体

                     图3.59内藏孔板流量计安装方位

                1-差压变送器高低压室空腔;2-节流件

(2)浮子流量计  浮子流量计主要由浮子和锥形管组成。玻璃管浮子流量计中的锥管为玻璃管;金属管浮子流量计的锥形管用金属制成,流体温度可达180℃,流体压力达13MPa。

小口径浮子流量计的流量测量范围已经可以做得很小,其中水为0.3~3L/h,空气为5~50L/h。环境保护中用得很多的大气采样器,流程在线分析仪器和实验室分析仪器等普遍使用的微型玻璃浮子流量计,其测量范围可更小。

浮子流量计属中低精确度仪表,金属浮子流量计的基本误差,就地指示型为1%~2.5%FS,远传型为1%~4%FS;小口径玻璃管浮子流量计为2.5%~5%FS。因此,一般只适用于流量监视,而不用于核算计量。

玻璃管浮子流量计只适用于气体和透明度较高的液体,否则浮子在锥形管中的高度不易看清。而金属管浮子流量计却无此限制。

在工业过程的液位、流量、密度测量中,被测介质如果黏度较大或有腐蚀性。常用吹气或吹液的方法进行隔离,吹气、吹液流量常用浮子流量计测量。在气(液)源压力波动较大或被测介质压力波动较大的场合,为了使吹气、吹液的流量稳定和准确地测量,有的产品将浮子流量计与调节器(恒流器)配成一套恒差压流量调节器。图3.60(a)所示的RE型用于稳定入口气体或液体压力变化,保证指示和输出流量稳定。图3.60(b)为RA型,用于稳定出口压力变化,只用于气体。图3.61(a)为RE型仪表输出流量随入口压力变化曲线;图3.61(b)为RA型仪表输出随出口压力变化曲线。而输出流量的大小则可通过浮子流量计所带的阀门设定。

入口压力调节器RE                               出口压力调节器RA

例:入口压力变化≤0.5MPa                        例:入口压力变化0.3MPa,

                                                 出口压力≤0.3MPa

空气20℃,0.1013MPa(绝压)                  空气20℃,0.1013MPa(绝压)

qv=流量                                         qv=流量

     图3.60浮子流量计配用的压力调节器

图3.61压力调节器特性曲线

 

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