幾種在微小流量測(cè)量中應(yīng)用的流量計(jì)
適合用來(lái)測(cè)量微小流量的常用流量計(jì)有多種，例如差壓式、浮子式、容積式、熱式等，其中有些流量計(jì)既適合測(cè)量中大流量，也適合測(cè)量微小流量，而另一些專(zhuān)門(mén)為測(cè)量微小流量而設(shè)計(jì)。
(1)差壓式流量計(jì)由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置和差壓計(jì)組成的差壓式流量計(jì)，在小流量測(cè)量中受到三方面的限制。
第一個(gè)限制是雷諾數(shù)下限的限制。節(jié)流裝置種類(lèi)不同，其雷諾數(shù)下限也不同，就一般而言，雷諾數(shù)≥104是可以使用的界限。與此雷諾數(shù)下限相對(duì)應(yīng)的平均流速和流量即為小流量的測(cè)量下限。雷諾數(shù)太小，流出系數(shù)會(huì)隨雷諾數(shù)的變化而產(chǎn)生顯著的變化，以致不確定增大。
第二個(gè)限制是管徑的大小。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置僅適用于50mm和50mm以上管徑。管徑太小時(shí)，節(jié)流裝置直徑相應(yīng)變小，按標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的形狀進(jìn)行相似加工發(fā)生困難。
第三個(gè)限制是差壓太小。此差壓同流速的平方成正比，當(dāng)流速低到一定數(shù)值，差壓就變得很小，以致無(wú)法分辨。
針對(duì)上述的三個(gè)限制，有些儀表公司開(kāi)發(fā)了僅適合微小流量測(cè)量的內(nèi)藏孔板差壓式流量計(jì)。這種流量計(jì)同由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置為傳感器的流量計(jì)在下面幾點(diǎn)有顯著的差別。第一個(gè)差別是結(jié)構(gòu)上，前者是傳感器與變送器合為一體，其典型的結(jié)構(gòu)如圖3.57所示，而后者是傳感器與變送器相分離。
第二個(gè)差別是管徑，前者適用的管徑均小于50mm，典型的管道內(nèi)徑為10mm 和20mm。由于管徑縮小，流速以及同流速相關(guān)的雷諾數(shù)得以提高，因而能得到較高的差壓。所以內(nèi)藏孔板流量計(jì)彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置型差壓式流量計(jì)不適合測(cè)量小流量的不足。
第三個(gè)差別是保證精確度的手段。前者是用實(shí)流標(biāo)定的方法來(lái)保證測(cè)量精確度的，經(jīng)過(guò)實(shí)流標(biāo)定能得到1級(jí)(水)或1.5級(jí)(空氣)精確度，如果實(shí)流標(biāo)定后用合適的方法對(duì)誤差進(jìn)行自動(dòng)校正，則可得到0.5級(jí)(水)和1級(jí)(空氣)精確度。如果不經(jīng)實(shí)流標(biāo)定，只能得到5級(jí)精確度。圖3.58和圖3.59所示是一臺(tái)內(nèi)藏孔板流量計(jì)標(biāo)定得到的誤差以及校正曲線。
現(xiàn)在，差壓變送器多數(shù)已實(shí)現(xiàn)智能化，這為內(nèi)藏孔板流量計(jì)改變量程提供了便捷的手段。內(nèi)藏孔板流量計(jì)在調(diào)試和運(yùn)行中，如果發(fā)現(xiàn)原先確定的滿度流量值不合適，可將流量滿度值擴(kuò)大或縮小一擋，然后按差壓同流量的關(guān)系計(jì)算新的差壓上限，如式(3.108)所示。
用手持終端將差壓變送器的差壓上限重新設(shè)置后，流量計(jì)的精確度不會(huì)有明顯的變化。內(nèi)藏孔板流量計(jì)只適合安裝在水平管道上，因?yàn)椴顗鹤兯推髌x水平位置后，其兩個(gè)膜盒所受的重力變得不對(duì)稱，因而出現(xiàn)零點(diǎn)漂移。好在這種流量計(jì)由于管徑小，儀表前后直管段絕對(duì)長(zhǎng)度要求相應(yīng)較短，所以水平安裝不會(huì)給配管帶來(lái)太大的困難。
內(nèi)藏孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的有兩種:一種是流體流過(guò)差壓變送器高低壓室，如圖3.60所示;另一種是流體不流過(guò)差壓變送器高低壓室，如圖3.61所示。
對(duì)于前面一種結(jié)構(gòu)，流過(guò)差壓計(jì)高低壓室的流量同流過(guò)節(jié)流件的流量相等，當(dāng)流量近似等于0時(shí)，流速很低，流體流過(guò)高壓室和低壓室所產(chǎn)生的壓降可忽略，因此，差壓變送器測(cè)量到的差壓同節(jié)流件兩端的永久壓降相等。但當(dāng)流量增大，流速升高到一定數(shù)值時(shí)，流過(guò)高低壓室的壓降相應(yīng)增大，差壓變送器測(cè)量到的差壓明顯高于節(jié)流件兩端壓降，從而產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)量誤差?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的差壓變送器體積做得越來(lái)越小，高低壓室內(nèi)膜盒與殼體之間的間隙做得更小，這就使得該結(jié)構(gòu)的缺陷更為突出。而圖3.61所示的結(jié)構(gòu)完全不存在此問(wèn)題。
內(nèi)藏孔板流量計(jì)安裝時(shí)應(yīng)防止可能出現(xiàn)的冷凝液和氣體在高低壓室中的聚集，即測(cè)量氣體流量時(shí)，高低壓室應(yīng)高于節(jié)流件(如圖3.62所示)，以免可能存在的冷凝液流入高低壓室。測(cè)量液體流量時(shí)，高低壓室應(yīng)低于節(jié)流件，以免可能存在的氣體鉆入高低壓室。
(2)浮子流量計(jì)。浮子流量計(jì)主要由浮子和錐形管組成。玻璃管浮子流量計(jì)中的錐管為玻璃管;金屬管浮子流量計(jì)的錐形管用金屬制成，流體溫度可達(dá)180℃，流體壓力可達(dá) 13MPa。
小口徑浮子流量計(jì)的流量測(cè)量范圍已經(jīng)可以做得很小，其中水為0.3~3L/h，空氣為5~50L/h。環(huán)境保護(hù)中用得很多的大氣采樣器，流程在線分析儀器和實(shí)驗(yàn)室分析儀器等普遍使用的微型玻璃浮子流量計(jì)，其測(cè)量范圍可更小。
浮子流量計(jì)屬中低精確度儀表，金屬管浮子流量計(jì)的基本誤差，就地指示型為1%~2.5%FS，遠(yuǎn)傳型為1%~4%FS，小口徑玻璃管浮子流量計(jì)為2.5%~5%FS。因此，一般只適用于流量監(jiān)視，而不用于核算計(jì)量。
玻璃管浮子流量計(jì)只適用于氣體和透明度較高的液體，否則浮子在錐形管中的高度不易看清。而金屬管浮子流量計(jì)卻無(wú)此限制。
在工業(yè)過(guò)程的液位、流量、密度測(cè)量中，被測(cè)介質(zhì)如果黏度較大或有腐蝕性。常用吹氣或吹液的方法進(jìn)行隔離，吹氣、吹液流量常用浮子流量計(jì)測(cè)量。在氣(液)源壓力波動(dòng)較大或被測(cè)介質(zhì)壓力波動(dòng)較大的場(chǎng)合，為了使吹氣、吹液的流量穩(wěn)定和準(zhǔn)確地測(cè)量，有的產(chǎn)品將浮子流量計(jì)與調(diào)節(jié)器(恒流器)配成一套恒差壓流量調(diào)節(jié)器。圖3.63(a)所示的RE型用于穩(wěn)定入口氣體或液體壓力變化，保證指示和輸出流量穩(wěn)定。圖3.63(b)為RA型，用于穩(wěn)定出口壓力變化，只用于氣體。圖3.64(a)為RE型儀表輸出流量隨入口壓力變化曲線;圖3.64(b) 為RA型儀表輸出流量隨出口壓力變化曲線。而輸出流量的大小則可通過(guò)浮子流量計(jì)所帶的閥門(mén)設(shè)定。
小口徑浮子流量計(jì)，流體黏度對(duì)示值影響較明顯，研究者以水做試驗(yàn)，當(dāng)水溫從5℃升到40℃，即水的運(yùn)動(dòng)黏度從1.52×10-6m2/s下降到0.66X10-6m2/s,DN6儀表就有1%/℃左右的影響值。對(duì)于黏度較高的液體，影響更大。
金屬管浮子流量計(jì)的浮子多半帶有磁性，經(jīng)磁性耦合部分將浮子在錐形管內(nèi)的高度信號(hào)傳遞到錐形管外。在鋼管中流動(dòng)的流體多少要夾帶一些鐵磁雜質(zhì)，這些雜質(zhì)在流過(guò)流量計(jì)時(shí)極易被浮子吸引，輕者導(dǎo)致示值變差增大，重則導(dǎo)致浮子卡滯，出現(xiàn)虛假指示。應(yīng)在儀表前加裝磁性過(guò)濾器。圖3.65所示的磁性過(guò)濾器中裝有以螺旋方式排列的磁棒，每根磁棒的外面均包有PTFE 聚四氟乙烯，具有良好的耐腐蝕性。這種過(guò)濾器的壓力損失很小。
浮子在錐形管中上下移動(dòng)，其任意一個(gè)高度都對(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)形流通面積，但當(dāng)浮子表面和錐形管內(nèi)壁粘有污垢時(shí)，這個(gè)環(huán)形流通面積就有所變小，儀表示值有偏高趨勢(shì)，對(duì)于小口徑儀表尤為明顯。有的研究者做過(guò)試驗(yàn)，將口徑為6mm的玻璃管浮子流量計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量看似清潔的水，流量為2.5L/h，運(yùn)行24h后，流量示值升高百分之幾，浮子表面黏附肉眼觀察不到的異物，取出浮子用紗布擦拭，即恢復(fù)原來(lái)的流量示值。
(3)容積式流量計(jì)。容積式小口徑流量計(jì)有比較高的準(zhǔn)確度，測(cè)量下限也可做得很小，例如 KEROMATE-RN型橢圓齒輪流量計(jì)(微流量燃料油流量計(jì))測(cè)量范圍為0.1~10L/ h，瞬時(shí)流量>1L/h后，基本誤差不大于±1%R。容積式流量計(jì)保證精確度的流量下限還與流體的黏度有關(guān)，黏度小的流體，從機(jī)構(gòu)的縫隙中泄漏的量相應(yīng)大一些，因此保證精確度的下限流量只能定得高一些，反之，則可定得低一些。
新型的容積式流量計(jì)也已經(jīng)引入了計(jì)算機(jī)技術(shù)，儀表自帶單片機(jī)，完成流量系數(shù)整量化，瞬時(shí)流量計(jì)算，積分運(yùn)算，瞬時(shí)流量和累積流量的就地顯示等，內(nèi)置兩節(jié)鋰電池，可供儀表運(yùn)行8年。儀表的OC門(mén)輸出口靠?jī)x表外部提供的電源工作，可輸出經(jīng)整量化的幅值足夠大的脈沖信號(hào)(例如小口徑儀表流量系數(shù)取100P/L)，遠(yuǎn)傳到1km以內(nèi)的控制室或操作站，供記錄、調(diào)節(jié)等使用。圖3.66所示即為這種儀表的遠(yuǎn)傳信號(hào)輸出級(jí)。
容積式流量計(jì)按其原理分有橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)等多種，但是小口徑容積式流量計(jì)有個(gè)共同要求，即儀表前面足夠近的地方要加裝過(guò)濾器，而且儀表口徑越小，過(guò)濾網(wǎng)的目數(shù)越高。例如，25~50mm口徑需(每25.4mm長(zhǎng)度)60目過(guò)濾網(wǎng)，20mm口徑需(每25.4mm長(zhǎng)度)80目，不大于15mm徑需(每25.4mm長(zhǎng)度)200目等。有的微小流量容積式流量計(jì)出廠時(shí)就配有一只過(guò)濾器，如圖3.67所示。
(4)熱式流量計(jì)。用于微小流量測(cè)量的熱式流量計(jì)是一種直接式質(zhì)量流量計(jì)。是利用傳熱原理測(cè)量流量的儀表，即流動(dòng)中的流體與熱源(流體中外加熱的物體或測(cè)量管外加熱體)之間熱量交換關(guān)系來(lái)測(cè)量流量的儀表。
熱式流量計(jì)用得最多的有兩類(lèi):一類(lèi)是利用流動(dòng)流體傳遞熱量，改變測(cè)量管壁溫度分布的熱傳導(dǎo)分布效應(yīng)的熱分布式流量計(jì)(thermal profile flowmeter)，曾稱量熱式流量計(jì);另一類(lèi)是利用熱消散(冷卻)效應(yīng)的金氏定律(King's law)熱式流量計(jì)。
圖3.68所示為熱分布式流量計(jì)工作原理。流量傳感器由細(xì)長(zhǎng)的測(cè)量管和繞在其外壁上的加熱器及感溫元件組成，加熱器線圈布置在測(cè)量管的中央，它將管壁和管內(nèi)的流體加熱，在加熱線圈兩邊對(duì)稱位置繞有兩個(gè)感溫?zé)犭娮鑂1和R2，測(cè)量與加熱線圈對(duì)稱的上、下游處管壁溫度 T1、T2。R1、R2與另外兩個(gè)電阻R3、R4組成惠斯登電橋，以測(cè)量溫差△T =T2-T1。加熱器提供恒定的熱量，通過(guò)線圈絕緣層、管壁、流體邊界層傳導(dǎo)熱量給管內(nèi)流體。邊界層內(nèi)熱量的傳遞可以看作熱傳導(dǎo)方式實(shí)現(xiàn)的。在流量為零時(shí)，測(cè)量管上的溫度分布如圖中的虛線所示，相對(duì)于測(cè)量管中心的上、下游是對(duì)稱的，電橋處于平衡狀態(tài);當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，流體將上游的部分熱量帶給下游，導(dǎo)致溫度分布變化如實(shí)線所示。由電橋測(cè)出兩感溫體的平均溫差△T，便可按式(3.109)導(dǎo)出質(zhì)量流量qm，即
由于測(cè)量管壁很薄且具有相對(duì)較高的熱導(dǎo)率，因此儀表制成后A的變化可簡(jiǎn)化認(rèn)為主要是流體邊界層熱導(dǎo)率的變化，當(dāng)使用于某一特定范圍的流體時(shí)，A和cp都可視為常數(shù)，則質(zhì)量流量?jī)H與溫差△T成正比。
為了獲得良好的線性輸出，必須保持層流流動(dòng)，測(cè)量管制得細(xì)而長(zhǎng)，即有很大的長(zhǎng)徑比。
此種氣體質(zhì)量流量計(jì)是假定氣體的比定壓熱容cp為恒定值。實(shí)際上，對(duì)于一定的氣體，比定壓熱容cp值與氣體的壓力無(wú)關(guān)，而在一定的溫度范圍內(nèi)，受溫度的影響很小。但當(dāng)被測(cè)氣體是混合氣體時(shí)，比定壓熱容的值將隨組分比發(fā)生變化，以致在實(shí)際使用時(shí)，當(dāng)被測(cè)氣體的組分發(fā)生變化時(shí)，會(huì)帶來(lái)顯著的測(cè)量誤差，必須進(jìn)行校正。
按照熱式質(zhì)量流量計(jì)的原理，有的公司也推出了適用于液體微小流量測(cè)量的熱式質(zhì)量流量計(jì)。圖3.69 所示為 5882/5892型液體質(zhì)量流量計(jì)的實(shí)際功能圖。
其測(cè)量范圍有0~200g/h和0~1000g/h(用水標(biāo)定)兩種。流體黏度允許高達(dá)200mPa·s(儀表最大差壓4MPa)。流量測(cè)量精確度為±0.5%FS。在特殊設(shè)計(jì)的傳感器中，流體在測(cè)量管內(nèi)流動(dòng)，測(cè)量管中點(diǎn)溫度T4被控制在比進(jìn)口溫度T3高20℃的恒定值，熱量是垂直于管道軸線方向傳送給流體。這一點(diǎn)同適用于氣體的熱式流量計(jì)恰恰相反。在區(qū)域1和區(qū)域2，流體分別被輕微地加熱和冷卻，流體溫度從T2變化到T1，建立了垂直于測(cè)量管的能量流，該能量流經(jīng)溫度傳感器測(cè)量，其溫度差值△T=T1-T2與質(zhì)量流量呈精確的線性關(guān)系。
適用于氣體的熱式流量計(jì)與包含阻流件的大管道配合，可以很容易地?cái)U(kuò)大測(cè)量范圍。適用于液體的熱式流量計(jì)卻不能，因?yàn)榱黧w黏度變化、氣泡、熱對(duì)流和安裝位置等都會(huì)直接影響其運(yùn)行和性能。
5882/5892型儀表還具有控制功能，在其“SETPOINT”口輸入代表設(shè)定流量的4~20mA DC，質(zhì)量流量就會(huì)跟蹤該路信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)流量定值調(diào)節(jié)。
