壓縮空氣流量計量方法分(fēn)析

摘  要： 介紹了(le)幾種适合壓縮空氣流量的(de)計量方法，研究了(le)幾種流量計量方法和(hé)測量儀表的(de)原理(lǐ)和(hé)特點，分(fēn)析了(le)壓縮空氣流量計量的(de)趨勢，并提出流量計量方法的(de)選擇和(hé)流量計選型時(shí)應考慮的(de)因素。
一、前言

    壓縮空氣流量是表述空氣壓縮機性能的(de)重要參數，也(yě)是工業過程中測量的(de)重要參數。随著(zhe)空氣壓縮機的(de)廣泛應用(yòng)，其流量的(de)準确測量對(duì)于産品升級、工業生産過程的(de)控制和(hé)監測以及節能減排都顯得(de)至關重要。壓縮空氣流量是指在短暫時(shí)間内流過某一流通(tōng)截面的(de)壓縮空氣數量與通(tōng)過時(shí)間之比。壓縮空氣數量以體積表示稱爲體積流量，以質量表示稱爲質量流量。

二、流量測量

    流量計量方法大(dà)緻可(kě)以歸納爲以下(xià)四種：①利用(yòng)伯努利方程原理(lǐ)，通(tōng)過測量流體差壓信号反映流量的(de)差壓式流量測量法，用(yòng)這(zhè)種方法制成的(de)儀表如轉子流量計、靶式流量計和(hé)彎管流量計等。②通(tōng)過直接測量流體流速得(de)出流量的(de)速度式流量測量法，用(yòng)這(zhè)種方法制成的(de)儀表如渦輪流量計、渦街(jiē)流量計、電磁流量計和(hé)超聲波流量計等。③利用(yòng)标準小容積連續測量流量的(de)容積式測量法，用(yòng)這(zhè)種方法制成的(de)儀表如橢圓齒輪流量計、腰輪流量計和(hé)刮闆流量計等。④以測量流體質量流量爲目的(de)的(de)質量流量測量法，用(yòng)這(zhè)種方法制成的(de)儀表如熱(rè)式質量流量計、科氏質量流量計和(hé)沖量式質量流量計等。但并非所有測量方法或測量儀表都适合壓縮空氣流量的(de)測量，應根據壓縮空氣本身的(de)特性、測量要求和(hé)使用(yòng)條件不同，選擇合适的(de)測量方法或儀表。以下(xià)就幾種适合壓縮空氣的(de)常用(yòng)的(de)流量計量方法和(hé)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(de)一種，在壓縮空氣流量計量中，該方法使用(yòng)最爲普遍，其精度和(hé)穩定性也(yě)較好。其測量原理(lǐ)爲在充滿流體的(de)管線中安裝節流裝置，則該裝置的(de)上遊側與喉部或下(xià)遊側之間産生一個(gè)靜壓差，該壓差與壓縮空氣流量之間有确定的(de)數值關系，通(tōng)過測量差壓值可(kě)以求得(de)流量。    

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

    其體積流量可(kě)用(yòng)下(xià)面的(de)公式确定：

    qv=qm/ρ

    式中  qm——單位時(shí)間内流過節流裝置的(de)流體質量流量，單位爲kg/s；

    d——工況條件下(xià)一次裝置節流孔直徑，單位爲m；

    β——直徑比，指工作條件下(xià)一次裝置節流孔或喉部直徑與上遊管道内徑之比；

    Δp——差壓，單位爲Pa；

    ρ——流體密度，單位爲kg/m3；

    ε——流體可(kě)膨脹性系數；

    C——流出系數。

    常用(yòng)的(de)節流測量裝置有：ASME噴嘴測量裝置、ISA1932噴嘴測量裝置、孔闆測量裝置和(hé)文丘裏噴嘴測量裝置。其中ASME噴嘴和(hé)ISA1932噴嘴測量裝置的(de)氣體流出系數值較大(dà)，精度也(yě)較高(gāo)，使用(yòng)也(yě)較多(duō)。ASME噴嘴測量裝置由于氣體通(tōng)常直接排空，且要求測量噴嘴壓差的(de)壓差計量程較小，因此測量大(dà)流量時(shí)，該裝置的(de)尺寸也(yě)比較大(dà)，不便于移動測量，如圖1所示。
 ISA1932噴嘴測量裝置則相對(duì)緊湊，體積小，便于攜帶和(hé)安裝，測量範圍也(yě)相對(duì)較廣，如圖2所示。
   爲了(le)研究ISA1932噴嘴測量裝置與ASME噴嘴測量裝置的(de)重複性和(hé)一緻性，将兩段ISA1932噴嘴測量段串接，再與ASME測量段串接。試驗中，進行了(le)ISA1932噴嘴前後測量段的(de)差異試驗和(hé)ISA1932噴嘴前後測量段兩組壓力表的(de)偏差試驗，将儀表帶來(lái)的(de)誤差盡可(kě)能地減小，爲更好地進行比對(duì)試驗準備了(le)條件。

    在進行兩套ISA1932噴嘴測量裝置（1#裝置與2#裝置）之間對(duì)比時(shí)，分(fēn)别對(duì)直徑爲5.56mm、9.53mm和(hé)15.88mm的(de)噴嘴進行試驗。試驗結果見表1。
 爲了(le)驗證ISA1932噴嘴測量裝置的(de)重複性，選取直徑爲9.53mm的(de)噴嘴進行試驗。保證試驗工況基本相同的(de)情況下(xià)，試驗結果見表2。
 以上數據是在壓力和(hé)流量差異較大(dà)時(shí)的(de)測量結果，可(kě)以看出ISA1932噴嘴測量裝置的(de)精度、一緻性和(hé)重複性都比較良好，且有較大(dà)的(de)使用(yòng)範圍，已經達到了(le)試驗室測量壓縮 空氣流量計 量的(de)要求。

    最後将ISA1932噴嘴測量裝置與ASME噴嘴測量裝置的(de)測量結果進行比較。由于兩套ISA1932噴嘴測量裝置一緻性良好，用(yòng)于比較的(de)是兩套裝置測量結果的(de)平均值。試驗結果見表3。
 

    通(tōng)過試驗結果可(kě)以發現ISA1932噴嘴測量裝置在使用(yòng)直徑爲9.53和(hé)15.88mm噴嘴與ASME噴嘴測量裝置在測量結果上保持一緻，偏差均小于1%。而ISA1932噴嘴測量裝置在使用(yòng)直徑5.56mm的(de)噴嘴時(shí)，誤差很大(dà)，且是偏大(dà)方向。分(fēn)析原因可(kě)能由于5.56mm的(de)ISA1932噴嘴直徑太小，氣體中存在的(de)水(shuǐ)滴或油滴吸附在噴嘴上，導緻噴嘴壓差增大(dà)，測量結果偏大(dà)。于是在測量裝置前加裝了(le)水(shuǐ)分(fēn)離器和(hé)油過濾器，再次将兩個(gè)ISA1932噴嘴測量裝置串聯，并将直徑爲5.56mm和(hé)9.53mm的(de)噴嘴分(fēn)别安裝在位于兩個(gè)測量裝置中進行試驗，且交換位置後再次進行試驗。試驗結果見表4。
   測量結果表明(míng)在安裝水(shuǐ)分(fēn)離器和(hé)油過濾器後，測量數據與真實值保持一緻，誤差也(yě)在允許範圍以内。因此，對(duì)于ISA1932噴嘴以及同原理(lǐ)的(de)孔闆等安裝在管道内的(de)測量裝置，其上遊應加裝水(shuǐ)分(fēn)離器和(hé)油過濾器，保證氣體具有一定的(de)潔淨度。同時(shí)在試驗過程中，發現壓力的(de)偏差對(duì)于該類裝置的(de)測量結果影(yǐng)響較大(dà)，爲保證測量精度，應選擇0.4級或等級更高(gāo)的(de)壓力表或壓力傳感器。

    節流測量裝置通(tōng)過選擇合适的(de)節流裝置公稱直徑和(hé)直徑比，可(kě)以很好地保證流量測量的(de)精度和(hé)穩定性，通(tōng)常用(yòng)于試驗室穩定工況條件下(xià)的(de)流量測量，适合測量流量的(de)瞬時(shí)值。雖然由于采集技術和(hé)PLC技術的(de)進步，利用(yòng)該原理(lǐ)制成的(de)各類差壓式流量計可(kě)以在工廠複雜(zá)條件測量流量的(de)瞬時(shí)值和(hé)累計值，通(tōng)過溫度和(hé)壓力的(de)補償也(yě)能達到較高(gāo)的(de)精度。但實際工廠條件使用(yòng)時(shí)，仍有很多(duō)缺點。

    1）由于差壓與流量平方關系成正比，量程比也(yě)很小，因此測量範圍窄。

    2）現場(chǎng)安裝條件高(gāo)，尤其是節流裝置前直管段或後直管段現場(chǎng)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，容易洩漏、堵塞和(hé)凍結，造成測量失靈。

    4）尤其對(duì)于标準孔闆來(lái)說，标準孔闆的(de)尖銳度随運行時(shí)間延長(cháng)不斷磨損變鈍，測量準确度下(xià)降；大(dà)管徑标準孔闆在高(gāo)溫下(xià)運行容易變形，形成凹凸面，影(yǐng)響測量準确度。

    5）标準孔闆、噴嘴壓損大(dà)，對(duì)工廠節能不利。

    2.渦街(jiē)流量計

    渦街(jiē)流量計的(de)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(shí)，在發生體兩側會交替地産生旋渦，并在它的(de)下(xià)遊形成規則的(de)兩列不對(duì)稱的(de)旋渦列，如圖3所示。
所示在一定雷諾數範圍内，穩定的(de)旋渦産生頻(pín)率f與旋渦發生體出的(de)流速ν有确定的(de)關系：

    f=Stv/d   （2）

    式中  St——斯特羅哈爾數；

    d——爲旋渦發生體的(de)特征尺寸。

    當旋渦發生體的(de)形狀和(hé)尺寸确定後，即可(kě)通(tōng)過測量旋渦産生頻(pín)率f來(lái)測量流量qv，其流量方程式爲：

    qv=f/K   （3）

    式中  K——儀表系數，一般通(tōng)過試驗測得(de)。

    渦街(jiē)流量計的(de)優點：

    1）結構簡單，安裝維護方便。

    2）無内部可(kě)動部件，使用(yòng)壽命長(cháng)。

    3）測量精度較高(gāo)，測量範圍較寬。

    4）壓力損失小。

    其局限性主要是對(duì)振動和(hé)流體脈動較敏感，對(duì)安裝有一定的(de)要求，且不适用(yòng)于低雷諾數的(de)測量。

    3.熱(rè)式質量流量計

    熱(rè)式質量流量計的(de)原理(lǐ)是通(tōng)過測量氣體流經流量計内加熱(rè)元件時(shí)的(de)冷(lěng)卻效應來(lái)計量氣體流量的(de)。氣體通(tōng)過的(de)測量段内有兩個(gè)熱(rè)阻元件，其中一個(gè)作爲溫度檢測，另一個(gè)作爲加熱(rè)器。溫度傳感元件用(yòng)于檢測氣體溫度，加熱(rè)器則通(tōng)過改變電流來(lái)保持其溫度與被測氣體的(de)溫度之間有一個(gè)恒定的(de)溫度差。當氣體流速增加，冷(lěng)卻效應越大(dà)，使須保持熱(rè)電阻間恒溫的(de)電流也(yě)越大(dà)。此熱(rè)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(duì)應的(de)函數關系來(lái)反映氣體的(de)流量，如圖4所示。
    熱(rè)式質量流量計因爲測量位置不同可(kě)分(fēn)爲熱(rè)分(fēn)布式和(hé)浸入式。熱(rè)分(fēn)布式由于在管外壁布置傳感器，因此對(duì)環境和(hé)管壁内的(de)結垢有較高(gāo)要求。因此測量壓縮 空氣流量計 量一般使用(yòng)浸入式熱(rè)式質量流量計。大(dà)部分(fēn)浸入式熱(rè)式質量流量計性能不受安裝姿勢影(yǐng)響。然而在低流速測量時(shí)因受管道内氣體對(duì)流的(de)熱(rè)流影(yǐng)響，使安裝姿勢顯得(de)重要。因此在低流速流動時(shí)要獲得(de)精确測量，必須遵循制造廠依據儀表設計結構而定的(de)安裝建議(yì)。熱(rè)式質量流量計還(hái)具有壓損低，流量範圍度大(dà)，精度高(gāo)，可(kě)靠性好以及不易受環境影(yǐng)響等優點。其缺點在于響應慢(màn)、會對(duì)小流量氣體帶來(lái)熱(rè)量，對(duì)氣體清潔度和(hé)露點有一定的(de)要求。     

    三、壓縮空氣流量計的(de)選型

    根據對(duì)美(měi)國所安裝的(de)千餘台流量儀表的(de)調查，發現約有60%所選擇測量方法不是最合适的(de)或使用(yòng)不正确，剩餘的(de)大(dà)部分(fēn)雖然采用(yòng)合适的(de)測量方法，卻錯誤地布置和(hé)安裝。由此可(kě)見正确選擇和(hé)使用(yòng)流量計并非易事。選擇正确的(de)壓縮空氣流量計首先要了(le)解儀表性能，根據測量精度、穩定性等要求，對(duì)儀表進行大(dà)概的(de)過濾。如：試驗室精确測量可(kě)選用(yòng)差壓式流量計。其次，要考慮安裝條件，儀表處于管道的(de)位置，前後直管段是否滿足要求，管道和(hé)儀表是水(shuǐ)平安裝還(hái)是豎直安裝，管道周圍空間大(dà)小是否便于儀表維護等；還(hái)要考慮到現場(chǎng)的(de)溫度對(duì)儀表的(de)影(yǐng)響，是否有電磁幹擾，是否存在振動，例如渦街(jiē)流量計即使在沒有氣體通(tōng)過時(shí)，如果有振動，也(yě)可(kě)能會出現讀數。最後，從經濟方面考慮，如工廠在線監測的(de)流量計選擇，則要考慮減少壓損，節約能耗；在大(dà)規格的(de)管道上應盡量使用(yòng)插入式流量計，減少管路安裝等，以節約成本。另外，應盡可(kě)能保證壓縮空氣的(de)潔淨，以免影(yǐng)響測量精度，因此在氣體質量不好或者測量小流量時(shí)應加裝油分(fēn)離器和(hé)水(shuǐ)分(fēn)離器等淨化(huà)設備。

    四、結語

    壓縮 空氣流量計 量是工業過程中非常重要的(de)環節，而流量測量儀表多(duō)種多(duō)樣，在選擇儀表時(shí)應充分(fēn)考慮到精确度、測量環境、重複性、測量範圍、壓力損失和(hé)響應時(shí)間等因素，才能選擇到合适的(de)儀表進行正确的(de)測量。随著(zhe)傳感器技術和(hé)計算(suàn)機技術的(de)進步，壓縮空氣流量測量将向高(gāo)可(kě)靠性、廣泛的(de)适應性及良好的(de)信号傳輸等方面發展。