大口径管路液体流量测量

大口径管路液体流量测量
    (1)大口径管路液体流量测量的特点
    ①管路口径大要求压损越小越好。一般不允许用局部缩径的方法提高流速。
    ②流速一般都不高。新设计安装的管路，一般均选择经济流速。因为流速太低，势必增加管路的投资，流速太高，会造成动力损耗大幅度增加，导致运行成本上升，都是不经济的。但有些老管路，由于增产的需要而提高了流速。
    ③由于流速较低，流体中的污垢、淤泥等极易在管道内壁沉积。作系统设计时应考滤仪表与流体接触部分的清洗。
    ④测量范围度要求大。有些水管夜间和日间、冬季和夏季流量相差悬殊，多达10~20倍，有些空调用水，到一定季节干脆就停用，因此，这些水的流量计就要求范围度特别大。
    ⑤防护等级要求高。大口径管路大多埋地敷设，为的是节省空间，在北方，也是防冻的需要。因此流量传感器大多被安装在仪表井内的管段上。由于雨水、井壁渗漏和管路外漏等原因常常引起井内水位上升而淹没流量传感器，所以设计时就应估计到这种情况，选用防持续浸水影响的流量传感器，例如IP68的防护等级。
    (2)仪表选型
    ①电磁流量计。电磁流量计在大口径水流量测量中占有极其重要的地位，这是因为该种仪表具有下列特点。
    a.无可动部件，可靠性高，长期稳定性好。
    b.无附加阻力。这一点对大口径流量计有特别重要的意义。
    c.测量精确度高。典型产品在v≥1m/s时，精确度可达到±0.3%R甚至±0.2%R。
    d.范围度大。保证精确度的范围度一般可达40：1，可测范围可达200：1，例如1FM多系列产品，在v=0.06m/s时，基本误差仍可小于±2%R。
    e.直管段要求相对较低。对于大口径管路，这一点也很重要。有多种流量计要求前后直管达到30D，对于管径lm以上的管路，就意味着须具备30m以上的直管段，这在多数情况下难以满足。
    f.有大口径产品。国内最大可提供DN3000的产品，从而能满足大口径水流量测量的需要。
    g.品种齐全。有防浸水型IP67及防持续浸水型IP68产品。
    h.其不足之处是大口径产品价格高，而且口径越大价格增长得越快。尽管如此，像水厂、成品水和源水等计量，因牵涉到贸易结算，对计量精确度要求高，还是愿意花较多的钱选用电磁流量计。
    ②超声流量计。超声流量计在大口径管路的流量测量中占有重要地位，原因如下。
    a.超声流量计中的夹装式，其价格与口径无关，用来测量大口径管路流量，投资较省。
    b.超声流量计能得到的测量精确度同管径有关，管径越大，有可能得到的精确度越高。有的供应商能提供带测量管的多声道时差式超声流量计，精确度最高可达0.15级，但价格也相应升高。
    c.既可测量导电液体，如水等，也可测量不导电液体。
    现在有很多单位添置数台携带式(时差法)超声流量计用于现场较大口径液体流量计比对，一般都收到较好的效果。在DN≥150mm，v≥0.3m/s时，精确度可达±2%R。
    ③插入式流量计。上述电磁流量计用在大口径管道上，固然很好，但价格较贵，因此，在测量精确度要求不高的场合，插入式流量计就成为受欢迎的方法。
    插入式流量计的价格只及满管流量计的几分之一到十几分之一，是流量计的一种补充。另外，重量轻，压损小，易于安装和维修，是这种流量计的另一优点。
    在大口径管路流量计中，由于流速普遍较低，泥沙、污垢等容易在仪表表面沉积，因此，插入式流量计常常带配套球阀，实现在不断流情况下拆下仪表维护和检查，从而提高测量系统的可靠性。
    a.插入式流量计的结构。插入式仪表有点流速计型和径流速计型。其中插入式涡街、涡轮、电磁流量传感器以及皮托管等属点流速计型。差压式均速管流量传感器、热式均速管流量传感器等为径流速型。
插入式流量表的原理虽多种多样，但其结构却大同小异。图3.76所示为点流速计型结构。图3.77为径流速计型结构。

    点流速计型传感器由测量头、插入杆、插入机构、转换器和仪表表体五部分组成。
    测量头：其结构实际上就是一台流量传感器，不过这里作为局部流速测量的流速计使用。
    插入杆：支撑测量头的一根支杆。支杆内可将测量头的信号电缆引至仪表表体外部。
    插入机构：由连接法兰、插入杆提升机构及球阀组成.可在不断流的情况下将测量头白管道内提升到表体外，以便检查维修。
    转换器：测量头信号枪出转换的电子部件。
    仪表表体：对于大口径一般都不带仪表表体，而是利用工艺管道的一段作为测量管。
    差压式均速管流量传感器包括检测件(均速管)、阀、插入机构和取压装置等部件。
b.点流速计型工作原理。测量头插于管道中特定位置(一般为管道轴线或管道平均流速处)，测量该处局部流速，然后根据管道内流速分布和传感器的几何尺寸等推算管道内的流量。其流量计算式如下。

脉冲-频率型测量头(涡轮、涡街等)计算式为

    速度分布系数α的确定。速度分布系数定义：管道平均流速与测量头所处位置局部流速的比值。
测量头插于管道轴线处

    由式(3.122)可见，速度分布系数α为管壁相对粗糙度与管道雷诺数的函数，测量时流量大小的变化将引起α的变化。设△/D=0.001，ReD从2×104变到3×105，α约变化2.8%；反之，设管道雷诺数为3×105，而管道粗糙度从0.001变到0.002，则α约变化1.4%。
    阻塞系数β的确定。阻塞系数的定义：修正由于插入杆、插入机构及测量头引起的管道流通面积减小及速度分布畸变所产生影响的系数。
测量头插于管道轴线处时


    式(3.127)阻塞系数计算式是在测量头为某种结构求得的，因此该式只能作为一种参考计算式，要得到高精确度的计算式需依据具体结构的测量头进行实验求得专用阻塞系数计算式。
    干扰系数γ的确定。干扰系数的定义：流量计所处管段前后阻流件之间直管段长度不足所引起的仪表系数变化的修正系数。干扰系数是非充分发展管流的修正系数，目前还缺乏成熟的实验数据，一般可在现场直接校验确定。
管道横截面面积A的确定。管道横截面面积A可通过实测管道内径或管道外周长推算出，由管道外周长推算横截面面积按下式计算。

    当a>0.01D或表面凹陷，使测量软尺不能贴紧管道表面时，不能采用此法。
d.径流速计型工作原理。差压式均速管流量传感器(国外商品名为Annubar)由一根横贯管道直径的中空金属杆及引压管件组成。中空金属杆迎流面有多点测量孔测量总压，背流面有一点或多点测压孔测量静压。由总压与静压的差值(差压)反映流量值。流量计算式为

   (3)几种插入式流量计的性能比较
    ①插入式涡轮流量计。价格较低，适合测量洁净液体的流量。流体中含固体颗粒或黏稠物时，极易导致涡轮卡滞。流体中夹带的纤维、四氟生料带之类的异物，极易绕在涡轮叶片上，导致流量系数改变，而大口径管路上要加装网目数满足要求的过滤器又不大现实，因而影响了人们对该种仪表的选用。
    ②差压式均速管流量计。这种流量计在大口径水流量测量中用得较多。主要原因是结构简单，价格便宜，维修方便。因属径流速计型，只要仪表插入杆长度同管径相吻合，仪表示值受管内流速分布的影响较小。
    均速管在安装时要特别注意引压管中不能有气体存在。
    在水平管上的安装位置如图3.78所示。对于埋地敷设的大口径管道，均速管要安装在仪表井中，而配套的差压计为了避免浸人水中，一般均安装在地面上方。仪表投运时，分别打开差压变送器的高低压室上排气口，排尽引压管中的气体，均速管测量到的信号就能准确地传递到变送器。
有的使用者误认为管道中全是水，均速管从管道上方插入也不要紧，尤其是在大口径管道贴近地面敷设，均速管按图3.78安装有困难时，就采用图3.79所示的安装方法。于是在开表投运时，经过排气阀和变送器上的上排气口充分排气，仪表指示正常。但经数天后由于大管道内水所溶解的气体不断析出，并且聚集在引压管的最高点，影响差压信号的正常传递，以致仪表示值发生变化(一般是流量示值逐渐减小)。

    管道内水所溶解的气体析出，同水的温度和压力的变化有关。水温较高或压力较低时，其气体饱和溶解度比温度较低或压力较高时的气体饱和溶解度小，所以水在愉送过程中，温度升高和压力降低都易引起它所溶解的气体析出。
    这种仪表的不足之处如下。
    a.水中泥沙易将取样孔堵死而引起故障，因此应视流体中泥沙含量多少决定引压管排污扫线周期。并在选阀和配管时，考虑拆卸和疏通的方便。
    b.相对流量较小时，误差增大。因此只适合一般检测和过程控制。
    c.标定困难。JJG 640检定规程规定，差压式均速管流量计必须经过流量系数的逐台检定，所以精确度要求较高的测量对象或用于贸易结算的测量对象，一般还有赖于满管式电磁流量计。
    ③插入式涡街流量计。这种仪表测量头本身精确度可达±1%R，耐脏性比插入式涡轮流量计好，被测液体中有少量泥沙时也不会像均速管那样容易引起故障，但受其测量原理的制约，用来测量水流量时，可测流速下限只能达到0.3m/s，因此，在测量对象的流速下限要求更低时，不能胜任。
    ④插入式电磁流量计。同其他插入式流量计相比，用插入式电磁流量计测量大口径管道水流量具有明显的优越性。
    a.范围度特别大。
    b.测量头有较高的精确度。
    c.阻塞影响可忽略。
d.有浸没型产品，安装在仪表井中被水淹没也不影响正常测量。该型的插入式电磁流量计，励磁线圈和电极组成的测量头置于插入杆的端面内，导电流体流过其端面时，在电极和插人杆壳体之间产生相应的电动势，如图3.80所示。其结构如图3.81所示。

    仪表的满量程可设置为1、2、3、4、5、6、7或8m/s,测量精确度在v≥1m/s时为±2%R；在v<lm/s时为±3%R。插入杆上刻有与管道内径相对应的插入深度刻线，其插入深度为管道内径的1/8。此时阻塞面积小于2%，按式(3.127)阻塞对示值的影响可忽略不计。
    插入式流量计是基于速度面积法工作的，不论测量头是何种测量原理，管道中都必须充满液体。为了防止液体中的气体在管道中积聚，管道的最高点都应安装排气阀，实行自动排气或人工定期排气。
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