3.5.1.2 大口徑管路液體流量測量

1    大口徑管路液體流量測量的特點

①     管路口徑大要求壓損越小越好。一般不允許用局部縮徑的方法提高流速。

②     流速一般都很高。新設計安裝的管路，一般均選擇經濟流速。因為流速太低，勢必增加管路的投資，流速太高，會造成動力損耗大幅度增加，導致運行成本上升，都是不經濟的。但有些老管路，由于增產的需要而提高了流速。

③     由于流速較低，流體中的污垢、淤泥等極易在管道內壁沉積。作系統設計時應考慮儀表與流體接觸部分的清洗。

④     測量范圍度要求大。有些水管夜間和日間、冬季和夏季流量相差懸殊，多達10～20倍，有些空調用水，到一定季節干脆就停用，因此，這些水的流量計，就要求范圍度特別大。

⑤     防護等級要求高。大口徑管路大多埋地敷設，為的是節省空間，在北方，也是防凍的需要。因此流量傳感器大多被安裝在儀表井內管段上。由于雨水、井壁滲漏和管路外漏等原因常常引起井內水位上升而淹沒流量傳感器，所以設計時就應估計到這種情況，選用防持續浸水影響的流量傳感器，例如IP68的防護等級。

（2） 儀表選型

① 電磁流量計。電磁流量計在大口徑水流量測量中占有極其重要的地位，這是因為該種儀表具有下列特點。

a.       無可動部件，可靠性高，長期穩定性好。

b.       無附加阻力。這一點對大口徑流量計有特別重要的意義。

c.       測量精確度高。典型產品在 1m/s時，精確度可達到±0.3％R。

d.       范圍度大。保證精確度的范圍度一般可達40∶1，可測范圍可達200∶1，例如IFM系列產品，在v＝0.06m/s時，基本誤差仍可小于±2％R。

e.       直管段要求相對較低。對于大口徑管路，這一點也很重要。有多種流量計要求前后直管達到30D，對于管徑1m以上的管路，就意味著須具備30m以上的直管段，這在多數情況下難以滿足。

f.        有大口徑產品。國內提供DN3000的產品，從而能滿足大口徑水流量測量的需要。

g.       品種齊全。有防浸水型IP68產品。

h.       其不足之處是大口徑產品價格高，而且口徑越大價格增長得越快。盡管如此，像水廠、成品水和源水等計量，因牽涉到貿易結算，對計量精確度要求高，還是愿意花較多的錢選用電磁流量計。

②超聲流量計。超聲流量計在大口徑管路的流量測量中占有重要地位，原因如下。

a.       超聲流量計的夾裝式，其價格與口徑無關，用來測量大口徑管路流量，投資較省。

b.       超聲流量計能得到的測量精確度同管徑有關,管徑越大，有可能得到的精確度越高。有的供應商能提供帶測量管的多聲道時差式超聲流量計，精確度可達0.15級，但價格也相應升高。

c.       既可測量導電液體，如水等，也可測量不導電液體。

現在有很多單位添置數臺攜帶式（時差法）超聲流量計用于現場較大口徑液體流量計比對，一般都收到較好的效果。在DN≥150mm、v≥0.3m/s時，精確度可達±2％R。

③插入式流量計。上述電磁流量計用在大口徑管道上，固然很好，但價格較貴，因此，在測量精確度要求不高的場合，插入式流量計就成為受歡迎的方法。

   插入式流量計的價格只及滿管流量計的幾分到十幾分，是流量計的一種補充。另外，重量輕，壓損小，易于安裝和維修,是這種流量計的另一優點。

在大口徑管路流量計中，由于流速普遍較低，泥沙、污垢等容易在儀表表面沉積，因此，插入式流量計常常帶配套球閥，實現在不斷流情況下拆下儀表維護和檢查，從而提高測量系統的可靠性。

a.插入式流量計的結構。插入式儀表有點流速計型。其中插入式渦街、渦輪、電磁流量傳感器以及皮托管等屬點流速計型。差壓式均速管流量傳感器、熱式均速管流量傳感器等為徑流速型。

  插入式流量表的原理雖多種多樣，但其結構卻大同小異。圖3.73所示為點流速計型結構。圖3.74為徑流速計型結構。

圖3.73點流速計型插入式流量傳感器        圖3.74差壓式均速管流量傳感器

點流速計型傳感器由測量頭、插入桿、插入機構、轉換器和儀表表體五部分組成。

測量頭：其結構實際上就是一臺流量傳感器，不過這里作為局部流速測量的流速計使用。

插入桿：支撐測量頭的一根支桿。支桿內可將測量頭的信號電纜引至儀表表體外部。

插入機構：由連接法蘭、插入桿提升機構及球閥組成�？稍诓粩嗔鞯那闆r下將測量頭由管道內提升到表體外，以便檢查維修。

轉換器：測量頭信號輸出轉換的電子部件。

儀表表體：對于大口徑一般都不帶儀表表體，而是利用工藝管道的一段作為測量管。

差壓式均速管流量傳感器包括檢測件（均速管）、閥、插入機構和取壓裝置等部件。

b.點流速計型工作原理。測量頭插于管道中特定位置（一般為管道軸線或管道平均流速處），測量該局部流速，然后根據管道內流速分布和傳感器的幾何尺寸等推算管道內的流量。其流量計算式如下^[34]。

  脈沖－頻率型測量頭（渦輪、渦街等）計算式為

                qv=f/K                                   3.102

式中  q_v——體積流量，m³/s；

f——流量計的頻率信號，Hz；

K——流量計的儀表系數，P/m³，K=

K₀——測量頭的儀表系數，P/m；

——流速分布系數；

——阻塞系數；

——干擾系數；

A——儀表表體（測量管道）橫截面面積，m²。

差壓式測量頭（皮托管等）計算式為

      q_v=                             （3.103）

令 K＝ ，則

         q_v=KA

式中 K_v——測量頭流速儀表系數；

    ——流體密度，kg/m³；

   ——流量計差壓信號，Pa；

  其余符號同前。

電磁測量頭計算式為

    q_v=                                  （3.104）

式中E——測量頭感應電動式，V；

  其余符號同上。

 c. 、 、 、A的確定方法

速度分布系數 的確定。速度分布系數定義：管道平均流速與測量頭所處位置局部流速的比值。

測量頭插于管道軸線處

^－1                （3.105）

式中 ——流速分布系數；

    Re_D——管道雷諾數；

   D——管道內徑，mm；

  ——管壁粗糙度，mm。

測量頭插于管道平均流速處

            ＝1                              （3.106）

管道平均流速處

     y=0.242                          3.107

式中 y——平均流速處至管壁的距離；

    R——管道半徑。

  由式（3.105）可見，流速分布系數 為管壁相對粗糙與管道雷諾數的函數，測量時流量大小的變化將引起 的變化。設 /D＝0.001， Re_D從2 10⁴變到3 10⁵， 約變化2.8％；反之，設管道雷諾數為3 10⁵，而管道粗糙度從0.001變到0.002，則 約變化1.4％。

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