壓縮空氣流量計(jì)量方法分析

摘  要： 介紹了幾種適合壓縮空氣流量的計(jì)量方法，研究了幾種流量計(jì)量方法和測(cè)量?jī)x表的原理和特點(diǎn)，分析了壓縮空氣流量計(jì)量的趨勢(shì)，并提出流量計(jì)量方法的選擇和流量計(jì)選型時(shí)應(yīng)考慮的因素。
一、前言

    壓縮空氣流量是表述空氣壓縮機(jī)性能的重要參數(shù)，也是工業(yè)過(guò)程中測(cè)量的重要參數(shù)。隨著空氣壓縮機(jī)的廣泛應(yīng)用，其流量的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于產(chǎn)品升級(jí)、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制和監(jiān)測(cè)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(shí)間內(nèi)流過(guò)某一流通截面的壓縮空氣數(shù)量與通過(guò)時(shí)間之比。壓縮空氣數(shù)量以體積表示稱(chēng)為體積流量，以質(zhì)量表示稱(chēng)為質(zhì)量流量。

二、流量測(cè)量

    流量計(jì)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(guò)測(cè)量流體差壓信號(hào)反映流量的差壓式流量測(cè)量法，用這種方法制成的儀表如轉(zhuǎn)子流量計(jì)、靶式流量計(jì)和彎管流量計(jì)等。②通過(guò)直接測(cè)量流體流速得出流量的速度式流量測(cè)量法，用這種方法制成的儀表如渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)等。③利用標(biāo)準(zhǔn)小容積連續(xù)測(cè)量流量的容積式測(cè)量法，用這種方法制成的儀表如橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)和刮板流量計(jì)等。④以測(cè)量流體質(zhì)量流量為目的的質(zhì)量流量測(cè)量法，用這種方法制成的儀表如熱式質(zhì)量流量計(jì)、科氏質(zhì)量流量計(jì)和沖量式質(zhì)量流量計(jì)等。但并非所有測(cè)量方法或測(cè)量?jī)x表都適合壓縮空氣流量的測(cè)量，應(yīng)根據(jù)壓縮空氣本身的特性、測(cè)量要求和使用條件不同，選擇合適的測(cè)量方法或儀表。以下就幾種適合壓縮空氣的常用的流量計(jì)量方法和流量計(jì)進(jìn)行介紹。

    1.節(jié)流裝置流量測(cè)量

    節(jié)流裝置測(cè)量流量是差壓式流量測(cè)量法的一種，在壓縮空氣流量計(jì)量中，該方法使用最為普遍，其精度和穩(wěn)定性也較好。其測(cè)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(gè)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(guò)測(cè)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(shí)間內(nèi)流過(guò)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(cè)量裝置有：ASME噴嘴測(cè)量裝置、ISA1932噴嘴測(cè)量裝置、孔板測(cè)量裝置和文丘里噴嘴測(cè)量裝置。其中ASME噴嘴和ISA1932噴嘴測(cè)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(cè)量裝置由于氣體通常直接排空，且要求測(cè)量噴嘴壓差的壓差計(jì)量程較小，因此測(cè)量大流量時(shí)，該裝置的尺寸也比較大，不便于移動(dòng)測(cè)量，如圖1所示。
 ISA1932噴嘴測(cè)量裝置則相對(duì)緊湊，體積小，便于攜帶和安裝，測(cè)量范圍也相對(duì)較廣，如圖2所示。
   為了研究ISA1932噴嘴測(cè)量裝置與ASME噴嘴測(cè)量裝置的重復(fù)性和一致性，將兩段ISA1932噴嘴測(cè)量段串接，再與ASME測(cè)量段串接。試驗(yàn)中，進(jìn)行了ISA1932噴嘴前后測(cè)量段的差異試驗(yàn)和ISA1932噴嘴前后測(cè)量段兩組壓力表的偏差試驗(yàn)，將儀表帶來(lái)的誤差盡可能地減小，為更好地進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)準(zhǔn)備了條件。

    在進(jìn)行兩套ISA1932噴嘴測(cè)量裝置（1#裝置與2#裝置）之間對(duì)比時(shí)，分別對(duì)直徑為5.56mm、9.53mm和15.88mm的噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
 為了驗(yàn)證ISA1932噴嘴測(cè)量裝置的重復(fù)性，選取直徑為9.53mm的噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)。保證試驗(yàn)工況基本相同的情況下，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
 以上數(shù)據(jù)是在壓力和流量差異較大時(shí)的測(cè)量結(jié)果，可以看出ISA1932噴嘴測(cè)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(yàn)室測(cè)量壓縮 空氣流量計(jì) 量的要求。

    最后將ISA1932噴嘴測(cè)量裝置與ASME噴嘴測(cè)量裝置的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。由于兩套ISA1932噴嘴測(cè)量裝置一致性良好，用于比較的是兩套裝置測(cè)量結(jié)果的平均值。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。
 

    通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)ISA1932噴嘴測(cè)量裝置在使用直徑為9.53和15.88mm噴嘴與ASME噴嘴測(cè)量裝置在測(cè)量結(jié)果上保持一致，偏差均小于1%。而ISA1932噴嘴測(cè)量裝置在使用直徑5.56mm的噴嘴時(shí)，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(cè)量結(jié)果偏大。于是在測(cè)量裝置前加裝了水分離器和油過(guò)濾器，再次將兩個(gè)ISA1932噴嘴測(cè)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(gè)測(cè)量裝置中進(jìn)行試驗(yàn)，且交換位置后再次進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。
   測(cè)量結(jié)果表明在安裝水分離器和油過(guò)濾器后，測(cè)量數(shù)據(jù)與真實(shí)值保持一致，誤差也在允許范圍以?xún)?nèi)。因此，對(duì)于ISA1932噴嘴以及同原理的孔板等安裝在管道內(nèi)的測(cè)量裝置，其上游應(yīng)加裝水分離器和油過(guò)濾器，保證氣體具有一定的潔凈度。同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)壓力的偏差對(duì)于該類(lèi)裝置的測(cè)量結(jié)果影響較大，為保證測(cè)量精度，應(yīng)選擇0.4級(jí)或等級(jí)更高的壓力表或壓力傳感器。

    節(jié)流測(cè)量裝置通過(guò)選擇合適的節(jié)流裝置公稱(chēng)直徑和直徑比，可以很好地保證流量測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，通常用于試驗(yàn)室穩(wěn)定工況條件下的流量測(cè)量，適合測(cè)量流量的瞬時(shí)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(lèi)差壓式流量計(jì)可以在工廠復(fù)雜條件測(cè)量流量的瞬時(shí)值和累計(jì)值，通過(guò)溫度和壓力的補(bǔ)償也能達(dá)到較高的精度。但實(shí)際工廠條件使用時(shí)，仍有很多缺點(diǎn)。

    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(cè)量范圍窄。

    2）現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(mén)等連接，容易泄漏、堵塞和凍結(jié)，造成測(cè)量失靈。

    4）尤其對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)孔板來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)孔板的尖銳度隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)不斷磨損變鈍，測(cè)量準(zhǔn)確度下降；大管徑標(biāo)準(zhǔn)孔板在高溫下運(yùn)行容易變形，形成凹凸面，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。

    5）標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴壓損大，對(duì)工廠節(jié)能不利。

    2.渦街流量計(jì)

    渦街流量計(jì)的測(cè)量主體是非流線型旋渦發(fā)生體。當(dāng)流體流過(guò)旋渦發(fā)生體時(shí)，在發(fā)生體兩側(cè)會(huì)交替地產(chǎn)生旋渦，并在它的下游形成規(guī)則的兩列不對(duì)稱(chēng)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(guò)測(cè)量旋渦產(chǎn)生頻率f來(lái)測(cè)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(guò)試驗(yàn)測(cè)得。

    渦街流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：

    1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便。

    2）無(wú)內(nèi)部可動(dòng)部件，使用壽命長(zhǎng)。

    3）測(cè)量精度較高，測(cè)量范圍較寬。

    4）壓力損失小。

    其局限性主要是對(duì)振動(dòng)和流體脈動(dòng)較敏感，對(duì)安裝有一定的要求，且不適用于低雷諾數(shù)的測(cè)量。

    3.熱式質(zhì)量流量計(jì)

    熱式質(zhì)量流量計(jì)的原理是通過(guò)測(cè)量氣體流經(jīng)流量計(jì)內(nèi)加熱元件時(shí)的冷卻效應(yīng)來(lái)計(jì)量氣體流量的。氣體通過(guò)的測(cè)量段內(nèi)有兩個(gè)熱阻元件，其中一個(gè)作為溫度檢測(cè)，另一個(gè)作為加熱器。溫度傳感元件用于檢測(cè)氣體溫度，加熱器則通過(guò)改變電流來(lái)保持其溫度與被測(cè)氣體的溫度之間有一個(gè)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(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系來(lái)反映氣體的流量，如圖4所示。
    熱式質(zhì)量流量計(jì)因?yàn)闇y(cè)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(duì)環(huán)境和管壁內(nèi)的結(jié)垢有較高要求。因此測(cè)量壓縮 空氣流量計(jì) 量一般使用浸入式熱式質(zhì)量流量計(jì)。大部分浸入式熱式質(zhì)量流量計(jì)性能不受安裝姿勢(shì)影響。然而在低流速測(cè)量時(shí)因受管道內(nèi)氣體對(duì)流的熱流影響，使安裝姿勢(shì)顯得重要。因此在低流速流動(dòng)時(shí)要獲得精確測(cè)量，必須遵循制造廠依據(jù)儀表設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)而定的安裝建議。熱式質(zhì)量流量計(jì)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(diǎn)。其缺點(diǎn)在于響應(yīng)慢、會(huì)對(duì)小流量氣體帶來(lái)熱量，對(duì)氣體清潔度和露點(diǎn)有一定的要求。     

    三、壓縮空氣流量計(jì)的選型

    根據(jù)對(duì)美國(guó)所安裝的千余臺(tái)流量?jī)x表的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)約有60%所選擇測(cè)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(cè)量方法，卻錯(cuò)誤地布置和安裝。由此可見(jiàn)正確選擇和使用流量計(jì)并非易事。選擇正確的壓縮空氣流量計(jì)首先要了解儀表性能，根據(jù)測(cè)量精度、穩(wěn)定性等要求，對(duì)儀表進(jìn)行大概的過(guò)濾。如：試驗(yàn)室精確測(cè)量可選用差壓式流量計(jì)。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?chē)臻g大小是否便于儀表維護(hù)等；還要考慮到現(xiàn)場(chǎng)的溫度對(duì)儀表的影響，是否有電磁干擾，是否存在振動(dòng)，例如渦街流量計(jì)即使在沒(méi)有氣體通過(guò)時(shí)，如果有振動(dòng)，也可能會(huì)出現(xiàn)讀數(shù)。最后，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，如工廠在線監(jiān)測(cè)的流量計(jì)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(jì)，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(cè)量精度，因此在氣體質(zhì)量不好或者測(cè)量小流量時(shí)應(yīng)加裝油分離器和水分離器等凈化設(shè)備。

    四、結(jié)語(yǔ)

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