壓縮空氣流量計量方法分析

摘  要： 介紹了幾種適合壓縮空氣流量的計量方法，研究了幾種流量計量方法和測量儀表的原理和特點，分析了壓縮空氣流量計量的趨勢，并提出流量計量方法的選擇和流量計選型時應考慮的因素。
一、前言

    壓縮空氣流量是表述空氣壓縮機性能的重要參數，也是工業過程中測量的重要參數。隨著空氣壓縮機的廣泛應用，其流量的準確測量對于產品升級、工業生產過程的控制和監測以及節能減排都顯得至關重要。壓縮空氣流量是指在短暫時間內流過某一流通截面的壓縮空氣數量與通過時間之比。壓縮空氣數量以體積表示稱為體積流量，以質量表示稱為質量流量。

二、流量測量

    流量計量方法大致可以歸納為以下四種：①利用伯努利方程原理，通過測量流體差壓信號反映流量的差壓式流量測量法，用這種方法制成的儀表如轉子流量計、靶式流量計和彎管流量計等。②通過直接測量流體流速得出流量的速度式流量測量法，用這種方法制成的儀表如渦輪流量計、渦街流量計、電磁流量計和超聲波流量計等。③利用標準小容積連續測量流量的容積式測量法，用這種方法制成的儀表如橢圓齒輪流量計、腰輪流量計和刮板流量計等。④以測量流體質量流量為目的的質量流量測量法，用這種方法制成的儀表如熱式質量流量計、科氏質量流量計和沖量式質量流量計等。但并非所有測量方法或測量儀表都適合壓縮空氣流量的測量，應根據壓縮空氣本身的特性、測量要求和使用條件不同，選擇合適的測量方法或儀表。以下就幾種適合壓縮空氣的常用的流量計量方法和流量計進行介紹。

    1.節流裝置流量測量

    節流裝置測量流量是差壓式流量測量法的一種，在壓縮空氣流量計量中，該方法使用最為普遍，其精度和穩定性也較好。其測量原理為在充滿流體的管線中安裝節流裝置，則該裝置的上游側與喉部或下游側之間產生一個靜壓差，該壓差與壓縮空氣流量之間有確定的數值關系，通過測量差壓值可以求得流量。    

    qm=C（1－β4）-1/2 επ（d/2）2（2Δpρ1）1/2    （1）

    其體積流量可用下面的公式確定：

    qv=qm/ρ

    式中  qm——單位時間內流過節流裝置的流體質量流量，單位為kg/s；

    d——工況條件下一次裝置節流孔直徑，單位為m；

    β——直徑比，指工作條件下一次裝置節流孔或喉部直徑與上游管道內徑之比；

    Δp——差壓，單位為Pa；

    ρ——流體密度，單位為kg/m3；

    ε——流體可膨脹性系數；

    C——流出系數。

    常用的節流測量裝置有：ASME噴嘴測量裝置、ISA1932噴嘴測量裝置、孔板測量裝置和文丘里噴嘴測量裝置。其中ASME噴嘴和ISA1932噴嘴測量裝置的氣體流出系數值較大，精度也較高，使用也較多。ASME噴嘴測量裝置由于氣體通常直接排空，且要求測量噴嘴壓差的壓差計量程較小，因此測量大流量時，該裝置的尺寸也比較大，不便于移動測量，如圖1所示。
 ISA1932噴嘴測量裝置則相對緊湊，體積小，便于攜帶和安裝，測量范圍也相對較廣，如圖2所示。
   為了研究ISA1932噴嘴測量裝置與ASME噴嘴測量裝置的重復性和一致性，將兩段ISA1932噴嘴測量段串接，再與ASME測量段串接。試驗中，進行了ISA1932噴嘴前后測量段的差異試驗和ISA1932噴嘴前后測量段兩組壓力表的偏差試驗，將儀表帶來的誤差盡可能地減小，為更好地進行比對試驗準備了條件。

    在進行兩套ISA1932噴嘴測量裝置（1#裝置與2#裝置）之間對比時，分別對直徑為5.56mm、9.53mm和15.88mm的噴嘴進行試驗。試驗結果見表1。
 為了驗證ISA1932噴嘴測量裝置的重復性，選取直徑為9.53mm的噴嘴進行試驗。保證試驗工況基本相同的情況下，試驗結果見表2。
 以上數據是在壓力和流量差異較大時的測量結果，可以看出ISA1932噴嘴測量裝置的精度、一致性和重復性都比較良好，且有較大的使用范圍，已經達到了試驗室測量壓縮 空氣流量計 量的要求。

    最后將ISA1932噴嘴測量裝置與ASME噴嘴測量裝置的測量結果進行比較。由于兩套ISA1932噴嘴測量裝置一致性良好，用于比較的是兩套裝置測量結果的平均值。試驗結果見表3。
 

    通過試驗結果可以發現ISA1932噴嘴測量裝置在使用直徑為9.53和15.88mm噴嘴與ASME噴嘴測量裝置在測量結果上保持一致，偏差均小于1%。而ISA1932噴嘴測量裝置在使用直徑5.56mm的噴嘴時，誤差很大，且是偏大方向。分析原因可能由于5.56mm的ISA1932噴嘴直徑太小，氣體中存在的水滴或油滴吸附在噴嘴上，導致噴嘴壓差增大，測量結果偏大。于是在測量裝置前加裝了水分離器和油過濾器，再次將兩個ISA1932噴嘴測量裝置串聯，并將直徑為5.56mm和9.53mm的噴嘴分別安裝在位于兩個測量裝置中進行試驗，且交換位置后再次進行試驗。試驗結果見表4。
   測量結果表明在安裝水分離器和油過濾器后，測量數據與真實值保持一致，誤差也在允許范圍以內。因此，對于ISA1932噴嘴以及同原理的孔板等安裝在管道內的測量裝置，其上游應加裝水分離器和油過濾器，保證氣體具有一定的潔凈度。同時在試驗過程中，發現壓力的偏差對于該類裝置的測量結果影響較大，為保證測量精度，應選擇0.4級或等級更高的壓力表或壓力傳感器。

    節流測量裝置通過選擇合適的節流裝置公稱直徑和直徑比，可以很好地保證流量測量的精度和穩定性，通常用于試驗室穩定工況條件下的流量測量，適合測量流量的瞬時值。雖然由于采集技術和PLC技術的進步，利用該原理制成的各類差壓式流量計可以在工廠復雜條件測量流量的瞬時值和累計值，通過溫度和壓力的補償也能達到較高的精度。但實際工廠條件使用時，仍有很多缺點。

    1）由于差壓與流量平方關系成正比，量程比也很小，因此測量范圍窄。

    2）現場安裝條件高，尤其是節流裝置前直管段或后直管段現場要求往往難以滿足。

    3）節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，造成測量失靈。

    4）尤其對于標準孔板來說，標準孔板的尖銳度隨運行時間延長不斷磨損變鈍，測量準確度下降；大管徑標準孔板在高溫下運行容易變形，形成凹凸面，影響測量準確度。

    5）標準孔板、噴嘴壓損大，對工廠節能不利。

    2.渦街流量計

    渦街流量計的測量主體是非流線型旋渦發生體。當流體流過旋渦發生體時，在發生體兩側會交替地產生旋渦，并在它的下游形成規則的兩列不對稱的旋渦列，如圖3所示。
所示在一定雷諾數范圍內，穩定的旋渦產生頻率f與旋渦發生體出的流速ν有確定的關系：

    f=Stv/d   （2）

    式中  St——斯特羅哈爾數；

    d——為旋渦發生體的特征尺寸。

    當旋渦發生體的形狀和尺寸確定后，即可通過測量旋渦產生頻率f來測量流量qv，其流量方程式為：

    qv=f/K   （3）

    式中  K——儀表系數，一般通過試驗測得。

    渦街流量計的優點：

    1）結構簡單，安裝維護方便。

    2）無內部可動部件，使用壽命長。

    3）測量精度較高，測量范圍較寬。

    4）壓力損失小。

    其局限性主要是對振動和流體脈動較敏感，對安裝有一定的要求，且不適用于低雷諾數的測量。

    3.熱式質量流量計

    熱式質量流量計的原理是通過測量氣體流經流量計內加熱元件時的冷卻效應來計量氣體流量的。氣體通過的測量段內有兩個熱阻元件，其中一個作為溫度檢測，另一個作為加熱器。溫度傳感元件用于檢測氣體溫度，加熱器則通過改變電流來保持其溫度與被測氣體的溫度之間有一個恒定的溫度差。當氣體流速增加，冷卻效應越大，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量流量，即供給電流與氣體質量流量有一對應的函數關系來反映氣體的流量，如圖4所示。
    熱式質量流量計因為測量位置不同可分為熱分布式和浸入式。熱分布式由于在管外壁布置傳感器，因此對環境和管壁內的結垢有較高要求。因此測量壓縮 空氣流量計 量一般使用浸入式熱式質量流量計。大部分浸入式熱式質量流量計性能不受安裝姿勢影響。然而在低流速測量時因受管道內氣體對流的熱流影響，使安裝姿勢顯得重要。因此在低流速流動時要獲得精確測量，必須遵循制造廠依據儀表設計結構而定的安裝建議。熱式質量流量計還具有壓損低，流量范圍度大，精度高，可靠性好以及不易受環境影響等優點。其缺點在于響應慢、會對小流量氣體帶來熱量，對氣體清潔度和露點有一定的要求。     

    三、壓縮空氣流量計的選型

    根據對美國所安裝的千余臺流量儀表的調查，發現約有60%所選擇測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量方法，卻錯誤地布置和安裝。由此可見正確選擇和使用流量計并非易事。選擇正確的壓縮空氣流量計首先要了解儀表性能，根據測量精度、穩定性等要求，對儀表進行大概的過濾。如：試驗室精確測量可選用差壓式流量計。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，管道周圍空間大小是否便于儀表維護等；還要考慮到現場的溫度對儀表的影響，是否有電磁干擾，是否存在振動，例如渦街流量計即使在沒有氣體通過時，如果有振動，也可能會出現讀數。最后，從經濟方面考慮，如工廠在線監測的流量計選擇，則要考慮減少壓損，節約能耗；在大規格的管道上應盡量使用插入式流量計，減少管路安裝等，以節約成本。另外，應盡可能保證壓縮空氣的潔凈，以免影響測量精度，因此在氣體質量不好或者測量小流量時應加裝油分離器和水分離器等凈化設備。

    四、結語

    壓縮 空氣流量計 量是工業過程中非常重要的環節，而流量測量儀表多種多樣，在選擇儀表時應充分考慮到精確度、測量環境、重復性、測量范圍、壓力損失和響應時間等因素，才能選擇到合適的儀表進行正確的測量。隨著傳感器技術和計算機技術的進步，壓縮空氣流量測量將向高可靠性、廣泛的適應性及良好的信號傳輸等方面發展。