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(yīng)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(shù)，也是工業(yè)過程中測量的重要參數(shù)。隨著空氣壓縮機的廣泛應(yīng)用，其流量的準(zhǔn)確測量對于產(chǎn)品升級、工業(yè)生產(chǎn)過程的控制和監(jiān)測以及節(jié)能減排都顯得至關(guān)重要。壓縮空氣流量是指在短暫時間內(nèi)流過某一流通截面的壓縮空氣數(shù)量與通過時間之比。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。

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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)小容積連續(xù)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(zhì)量流量為目的的質(zhì)量流量測量法，用這種方法制成的儀表如熱式質(zhì)量流量計、科氏質(zhì)量流量計和沖量式質(zhì)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(yīng)根據(jù)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(jìn)行介紹。

    1.節(jié)流裝置流量測量

    節(jié)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(wěn)定性也較好。其測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)生一個靜壓差，該壓差與壓縮空氣流量之間有確定的數(shù)值關(guān)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(nèi)流過節(jié)流裝置的流體質(zhì)量流量，單位為kg/s；

    d——工況條件下一次裝置節(jié)流孔直徑，單位為m；

    β——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；

    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(shù)；

    C——流出系數(shù)。

    常用的節(jié)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(shù)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(fù)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(jìn)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(jìn)行比對試驗準(zhǔn)備了條件。

    在進(jìn)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(jìn)行試驗。試驗結(jié)果見表1。
 為了驗證ISA1932噴嘴測量裝置的重復(fù)性，選取直徑為9.53mm的噴嘴進(jìn)行試驗。保證試驗工況基本相同的情況下，試驗結(jié)果見表2。
 以上數(shù)據(jù)是在壓力和流量差異較大時的測量結(jié)果，可以看出ISA1932噴嘴測量裝置的精度、一致性和重復(fù)性都比較良好，且有較大的使用范圍，已經(jīng)達(dá)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(jié)果進(jìn)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(jié)果的平均值。試驗結(jié)果見表3。
 

    通過試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)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(jié)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(dǎo)致噴嘴壓差增大，測量結(jié)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(lián)，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(jìn)行試驗，且交換位置后再次進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果見表4。
   測量結(jié)果表明在安裝水分離器和油過濾器后，測量數(shù)據(jù)與真實值保持一致，誤差也在允許范圍以內(nèi)。因此，對于ISA1932噴嘴以及同原理的孔板等安裝在管道內(nèi)的測量裝置，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。同時在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)壓力的偏差對于該類裝置的測量結(jié)果影響較大，為保證測量精度，應(yīng)選擇0.4級或等級更高的壓力表或壓力傳感器。

    節(jié)流測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量的精度和穩(wěn)定性，通常用于試驗室穩(wěn)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(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可以在工廠復(fù)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(dá)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(guān)系成正比，量程比也很小，因此測量范圍窄。

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

    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)，造成測量失靈。

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

    5）標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴壓損大，對工廠節(jié)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(fā)生體。當(dāng)流體流過旋渦發(fā)生體時，在發(fā)生體兩側(cè)會交替地產(chǎn)生旋渦，并在它的下游形成規(guī)則的兩列不對稱的旋渦列，如圖3所示。
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ν有確定的關(guān)系：

    f=Stv/d   （2）

    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，即可通過測量旋渦產(chǎn)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(shù)，一般通過試驗測得。

    渦街流量計的優(yōu)點：

    1）結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護方便。

    2）無內(nèi)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(shù)的測量。

    3.熱式質(zhì)量流量計

    熱式質(zhì)量流量計的原理是通過測量氣體流經(jīng)流量計內(nèi)加熱元件時的冷卻效應(yīng)來計量氣體流量的。氣體通過的測量段內(nèi)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(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)量流量有一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系來反映氣體的流量，如圖4所示。
    熱式質(zhì)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(huán)境和管壁內(nèi)的結(jié)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(zhì)量流量計。大部分浸入式熱式質(zhì)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(nèi)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(jù)儀表設(shè)計結(jié)構(gòu)而定的安裝建議。熱式質(zhì)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(huán)境影響等優(yōu)點。其缺點在于響應(yīng)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(jù)對美國所安裝的千余臺流量儀表的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)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(jù)測量精度、穩(wěn)定性等要求，對儀表進(jìn)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(xiàn)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(xiàn)讀數(shù)。最后，從經(jīng)濟方面考慮，如工廠在線監(jiān)測的流量計選擇，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，減少管路安裝等，以節(jié)約成本。另外，應(yīng)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(zhì)量不好或者測量小流量時應(yīng)加裝油分離器和水分離器等凈化設(shè)備。

    四、結(jié)語

    壓縮 空氣流量計 量是工業(yè)過程中非常重要的環(huán)節(jié)，而流量測量儀表多種多樣，在選擇儀表時應(yīng)充分考慮到精確度、測量環(huán)境、重復(fù)性、測量范圍、壓力損失和響應(yīng)時間等因素，才能選擇到合適的儀表進(jìn)行正確的測量。隨著傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)的進(jìn)步，壓縮空氣流量測量將向高可靠性、廣泛的適應(yīng)性及良好的信號傳輸?shù)确矫姘l(fā)展。