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新型靶式流量计
孙淮清

一、 概述


   靶式流量计是差压流量计的一个品种,它在工业上的开发应用已有数十年的历史。我国于20世纪70年代开发电动、气动靶式流量变送器它是电动、气动单元组合仪表的检测仪表。由于当时力转换器直接采用差压变送器的力平衡机构,这种流量计使用时不免带来力平衡机构本身所造成的诸多缺陷,如零位易漂移,测量精确度低,杠杆机构可靠性差等。由于力平衡机构性能不佳的拖累,靶式流量计本身的许多优点亦未能得到有效的发挥,至今用户对旧靶式流量计的不良印象仍未消除。
新型靶式流量计的力转换器采用应变式力转换器,它完全消除了上述力平衡机构的缺点,新型靶式流量计还把微电子技术和计算机技术应用到信号转换器和显示部分,流量计具有一系列优点,相信今后在众多流量计中发挥重要的作用。

                                  二、 原理和结构
   1、 工作原理
       
                          靶式流量计的原理简图如图1所示。

在测量管(仪表表体)中心同轴放置一块园形靶板,当流体冲击靶板时,靶板上受到一个力F,它与流速V,介质密度ρ和靶板受力面积A之间关系式如式(1)所示。
(1)
式中 F ——靶板上受的力,N;
CD ——阻力系数;
ρ——流体密度,kg/m3
V——流体流速,m/s;
A——靶板受力面积,m2
经推导与换算,得流量计算式如下:

式中 qm,qv——分别为质量流量和体积流量,kg/h,m3/h;
α——流量系数;
D ——测量管内径,mm;
β ——直径比,β=d/D;
d——靶板直径,mm。
其余符号同上。
靶板受力经力转换器转换成电信号,经前置放大,AD转换及计算机处理后,可得到相应的流量和总量。如图1所示。
       
                               图2 靶式流量计结构简图

2、 结构形式
靶式流量计结构简图如图2所示
它由检测装置,力转换器,信号处理和显示仪
几部分组成。检测装置包括测量管和靶板,力转换器为应变计式传感器,信号处理和显示仪可以就地直读显示或远距标准信号传输等。
靶式流量计的结构形式可分为管道式,夹装式和插入式等,各类结构形式还可分为一体式和分离式二种。一体式为现场直读显示,而分离式则把数码显示仪与检测装置分离(一般不超过100m)。

                                 三流量计主要特点

1、 感测件为无可动部件,结构简单牢固;
2、 应用范围和适应性很广泛,一般工业过程中的流体介质,包括液、气和蒸汽,口径范围(DN15以上),各种工作状态(高、低温,常压、高压)皆可应用,可以说其应用范围可与孔板流量计相比美。
3、 准确度高,总量测量可达0.2%R;
4、 范围度宽,4:1~15:1至30:1;
5、 可解决困难的流量测量问题,如测量含有杂质(微粒)之类的脏污流体;原油、污水、高温渣油、浆液、烧碱液,沥青等;
6、 灵敏度高,能测量微小流量,流速可低至0.08m/s;
7、 用于小口径(DN15~DN50),低雷诺数(Red=103~5×103)的流体,它可以弥补标准节流装置难以应用的场合,如小口径蒸汽流量测量等;
8、 可适应高参数流体的测量,压力高达数十MPa,温度达450℃;
9、 可用于双向流动流体的测量;
10、 压力损失较低,约为标准孔板的一半;
11、 抗上游阻流件干扰能力强,上游侧直管段长度一般5~10D即可;
12、 可采取干式(挂重法)校验,给用户周期校验带来方便;
13、 直读式仪表无需外能源,清晰明了,操作简便,亦可输出标准信号(脉冲频率或电流信号);
14、 仪表性能价格比高,为经济实惠的流量计;
15、 安装简单方便,易维护。

                                  四选用考虑要点

1、 新型应变式靶式流量计在总体性能上既具有孔板等流量计的结构简单牢固,使用可靠,使用期限长,又具有容积式流量计等总量计量精度高,重复性好等特点,而且性能价格比高,维修使用简便,是一类经济实惠的流量计;
2、 国产SBL型应变式靶式流量计既适用于过程工业控制系统,亦可用于能源(水,天然气,蒸汽,油品等)的贸易结算计量,其主要技术指标如表1所示。

表1 SBL型靶式流量计技术参数简表

 被测介质

                 液体、气体、蒸汽

公称通径DN mm

管道式15300

夹装式15600

插入式1501500

公称压力MPa

    0.6 10

     0.6 42

   0.6 42

介质温度0C

   -40 +80              +80  +450

准确度

  ±0.2%

  ± 0.5%

   ±  1.0%

    ± 1.5%

范围度

  3

   5 1

   101

   101(气体)

重复性

                    0.1%   0.08%

供电电源

机内自备锂电池(3.6),外电源12 24

输出形式

  现场显示,4 20,脉冲   010

测量管材料

      ZG45,  OCY18Niq                或按用户要求提供

防爆标志

   本安型(iaBT4)           隔爆型(act6)

防护等级

                IP  65--

3、由表1可见,流量计准确度与测量的范围度是密切相关的,同一通径的流量计,准确度愈高,则范围度愈小,表2所示为在各种流体中,它们之间的关系。

  

范围度

   ±0.2%

    ±0.5%

   ± 1%

   ±1.5%

   ±2.5%

  液体

   3

    5

   10

 

 

  气体

 

 

 

   15

    20

  蒸汽

 

 

 

  10

    10

注;范围度:最大流量与最小流量的比值。

4、流量计的选型

1)    确切了解测量对象的实际参数,包括流体名称(组分),流量范围(最大、最小和常用流量),流体工作压力,温度,工作状态下密度,粘度,安装处管道内径,允许的压力损失等。

2)    进行辅助计算

a.把被测流体最大流量换算为校准状态下的校准介质的最大流量。

一般流量计的液体产品技术参数的流量范围是以水介质表示的,如被测介质工作状态下密度与水的密度不同时,流量范围将相应改变,因此必须把被测介质的最大流量按下式换算为水的最大流量

式中      公式——分别为水,被测介质的质量流量,kg/h

       公式  ——分别为水,被测介质的体积流量,m3/h

        ρ’,ρ ——分别为水,被测介质的密度, kg/m3

最小流量亦可按上述原理进行换算。

一般气体,蒸汽流量计产品技术参数用空气作为校准介质得到的,它们流量范围的换算原则与上述液体介质是类似的,这里不再重述。

b.计算最大流量时靶板受力Fmax及最小流量时靶板受力Fmin,在流量计额定流量范围内,流体对靶板的作用力不应超过允许值,制造厂的产品技术说明书应提供各种口径靶板受力的允许值。选型时,需校核靶受力值,它是为了不致发生分辨力(最小流量时)不足或仪表损坏(最大流量时)

      

式中符号同上。

 c. 计算最小雷诺数 ReDmin

   

         式中            ReDmin——管道最小雷诺数;

                          qmmin——最小质量流量,kg/h

                          D——管道内径,mm

                          ρ ——流体动力粘度,Pa·S

1)    选型

  根据辅助计算得到的流量范围 ,管道雷诺数以及初选的口径及β值从产品技术参数(产品使用说明书中附有的)图表中查得流量系数α(注意;ReDmin 应大于界限雷诺数Rek),将初选的Dβ, α以及被测介质的最大流量,密度等代入式(6),(7)算出F值。若符合F的允许范围,则可将初选产品规格确定下来。否则重选Dβ,如重选D(或β)则上述部分步骤重新验算。若用户有压力损失限值要求,则应验正压损是否满足要求,否则需重新进行口径的选择。

5         流量计的干式校验

流量计的干式校验安装简图如图3所示,将靶板中心的固定螺钉换成尾部带有小孔的挂重专用螺钉,装好靶板,通过螺钉的小孔挂上砝码盘,使砝码盘重心始终位于靶板的中心轴线上,重力方向垂直于靶平面。

                    

校验的程序如下

1)    零位和量程调整

  接通电源,预热(按产品说明书要求),在未加砝码前,电流表指针指示下限值(4mA),向码盘加入靶受力的上限值(Fmax)进行量程调整,使电流表指示上限值(20mA)

将砝码全部取下,此时电流表应恢复到原下限值位置,否则应重新进行调整。

2)    示值校验

  按流量计受力上限值Fmax分为五个校验点,并算出与各校验点对应的力值F及相应的信号电流值。

向砝码盘中依次加入各校验点相应力值的砝码,读出输出信号电流的实际值I,正反行程各校验一次。

6         应该指出,流体作用于靶板的力与挂重作用的力还是有区别的,因此挂重法并不能完全代替实流校准,要获得高准确度,必要的实流校准还是需要的。

 

 
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