压缩空气流量计量方法分析

压缩空气流量计量方法分析

摘  要： 介绍了几种适合压缩空气流量的计量方法，研究了几种流量计量方法和测量仪表的原理和特点，分析了压缩空气流量计量的趋势，并提出流量计量方法的选择和流量计选型时应考虑的因素。
一、前言

    压缩空气流量是表述空气压缩机性能的重要参数，也是工业过程中测量的重要参数。随着空气压缩机的广泛应用，其流量的准确测量对于产品升级、工业生产过程的控制和监测以及节能减排都显得至关重要。压缩空气流量是指在短暂时间内流过某一流通截面的压缩空气数量与通过时间之比。压缩空气数量以体积表示称为体积流量，以质量表示称为质量流量。

二、流量测量

    流量计量方法大致可以归纳为以下四种：①利用伯努利方程原理，通过测量流体差压信号反映流量的差压式流量测量法，用这种方法制成的仪表如转子流量计、靶式流量计和弯管流量计等。②通过直接测量流体流速得出流量的速度式流量测量法，用这种方法制成的仪表如涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计和超声波流量计等。③利用标准小容积连续测量流量的容积式测量法，用这种方法制成的仪表如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计和刮板流量计等。④以测量流体质量流量为目的的质量流量测量法，用这种方法制成的仪表如热式质量流量计、科氏质量流量计和冲量式质量流量计等。但并非所有测量方法或测量仪表都适合压缩空气流量的测量，应根据压缩空气本身的特性、测量要求和使用条件不同，选择合适的测量方法或仪表。以下就几种适合压缩空气的常用的流量计量方法和流量计进行介绍。

    1.节流装置流量测量

    节流装置测量流量是差压式流量测量法的一种，在压缩空气流量计量中，该方法使用最为普遍，其精度和稳定性也较好。其测量原理为在充满流体的管线中安装节流装置，则该装置的上游侧与喉部或下游侧之间产生一个静压差，该压差与压缩空气流量之间有确定的数值关系，通过测量差压值可以求得流量。    

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

    其体积流量可用下面的公式确定：

    qv=qm/ρ

    式中  qm——单位时间内流过节流装置的流体质量流量，单位为kg/s；

    d——工况条件下一次装置节流孔直径，单位为m；

    β——直径比，指工作条件下一次装置节流孔或喉部直径与上游管道内径之比；

    Δp——差压，单位为Pa；

    ρ——流体密度，单位为kg/m3；

    ε——流体可膨胀性系数；

    C——流出系数。

    常用的节流测量装置有：ASME喷嘴测量装置、ISA1932喷嘴测量装置、孔板测量装置和文丘里喷嘴测量装置。其中ASME喷嘴和ISA1932喷嘴测量装置的气体流出系数值较大，精度也较高，使用也较多。ASME喷嘴测量装置由于气体通常直接排空，且要求测量喷嘴压差的压差计量程较小，因此测量大流量时，该装置的尺寸也比较大，不便于移动测量，如图1所示。
 ISA1932喷嘴测量装置则相对紧凑，体积小，便于携带和安装，测量范围也相对较广，如图2所示。
   为了研究ISA1932喷嘴测量装置与ASME喷嘴测量装置的重复性和一致性，将两段ISA1932喷嘴测量段串接，再与ASME测量段串接。试验中，进行了ISA1932喷嘴前后测量段的差异试验和ISA1932喷嘴前后测量段两组压力表的偏差试验，将仪表带来的误差尽可能地减小，为更好地进行比对试验准备了条件。

    在进行两套ISA1932喷嘴测量装置（1#装置与2#装置）之间对比时，分别对直径为5.56mm、9.53mm和15.88mm的喷嘴进行试验。试验结果见表1。
 为了验证ISA1932喷嘴测量装置的重复性，选取直径为9.53mm的喷嘴进行试验。保证试验工况基本相同的情况下，试验结果见表2。
 以上数据是在压力和流量差异较大时的测量结果，可以看出ISA1932喷嘴测量装置的精度、一致性和重复性都比较良好，且有较大的使用范围，已经达到了试验室测量压缩 空气流量计 量的要求。

    最后将ISA1932喷嘴测量装置与ASME喷嘴测量装置的测量结果进行比较。由于两套ISA1932喷嘴测量装置一致性良好，用于比较的是两套装置测量结果的平均值。试验结果见表3。
 

    通过试验结果可以发现ISA1932喷嘴测量装置在使用直径为9.53和15.88mm喷嘴与ASME喷嘴测量装置在测量结果上保持一致，偏差均小于1%。而ISA1932喷嘴测量装置在使用直径5.56mm的喷嘴时，误差很大，且是偏大方向。分析原因可能由于5.56mm的ISA1932喷嘴直径太小，气体中存在的水滴或油滴吸附在喷嘴上，导致喷嘴压差增大，测量结果偏大。于是在测量装置前加装了水分离器和油过滤器，再次将两个ISA1932喷嘴测量装置串联，并将直径为5.56mm和9.53mm的喷嘴分别安装在位于两个测量装置中进行试验，且交换位置后再次进行试验。试验结果见表4。
   测量结果表明在安装水分离器和油过滤器后，测量数据与真实值保持一致，误差也在允许范围以内。因此，对于ISA1932喷嘴以及同原理的孔板等安装在管道内的测量装置，其上游应加装水分离器和油过滤器，保证气体具有一定的洁净度。同时在试验过程中，发现压力的偏差对于该类装置的测量结果影响较大，为保证测量精度，应选择0.4级或等级更高的压力表或压力传感器。

    节流测量装置通过选择合适的节流装置公称直径和直径比，可以很好地保证流量测量的精度和稳定性，通常用于试验室稳定工况条件下的流量测量，适合测量流量的瞬时值。虽然由于采集技术和PLC技术的进步，利用该原理制成的各类差压式流量计可以在工厂复杂条件测量流量的瞬时值和累计值，通过温度和压力的补偿也能达到较高的精度。但实际工厂条件使用时，仍有很多缺点。

    1）由于差压与流量平方关系成正比，量程比也很小，因此测量范围窄。

    2）现场安装条件高，尤其是节流装置前直管段或后直管段现场要求往往难以满足。

    3）节流装置与差压仪表间需要有引管或阀门等连接，容易泄漏、堵塞和冻结，造成测量失灵。

    4）尤其对于标准孔板来说，标准孔板的尖锐度随运行时间延长不断磨损变钝，测量准确度下降；大管径标准孔板在高温下运行容易变形，形成凹凸面，影响测量准确度。

    5）标准孔板、喷嘴压损大，对工厂节能不利。

    2.涡街流量计

    涡街流量计的测量主体是非流线型旋涡发生体。当流体流过旋涡发生体时，在发生体两侧会交替地产生旋涡，并在它的下游形成规则的两列不对称的旋涡列，如图3所示。
所示在一定雷诺数范围内，稳定的旋涡产生频率f与旋涡发生体出的流速ν有确定的关系：

    f=Stv/d   （2）

    式中  St——斯特罗哈尔数；

    d——为旋涡发生体的特征尺寸。

    当旋涡发生体的形状和尺寸确定后，即可通过测量旋涡产生频率f来测量流量qv，其流量方程式为：

    qv=f/K   （3）

    式中  K——仪表系数，一般通过试验测得。

    涡街流量计的优点：

    1）结构简单，安装维护方便。

    2）无内部可动部件，使用寿命长。

    3）测量精度较高，测量范围较宽。

    4）压力损失小。

    其局限性主要是对振动和流体脉动较敏感，对安装有一定的要求，且不适用于低雷诺数的测量。

    3.热式质量流量计

    热式质量流量计的原理是通过测量气体流经流量计内加热元件时的冷却效应来计量气体流量的。气体通过的测量段内有两个热阻元件，其中一个作为温度检测，另一个作为加热器。温度传感元件用于检测气体温度，加热器则通过改变电流来保持其温度与被测气体的温度之间有一个恒定的温度差。当气体流速增加，冷却效应越大，使须保持热电阻间恒温的电流也越大。此热传递正比于气体质量流量，即供给电流与气体质量流量有一对应的函数关系来反映气体的流量，如图4所示。
    热式质量流量计因为测量位置不同可分为热分布式和浸入式。热分布式由于在管外壁布置传感器，因此对环境和管壁内的结垢有较高要求。因此测量压缩 空气流量计 量一般使用浸入式热式质量流量计。大部分浸入式热式质量流量计性能不受安装姿势影响。然而在低流速测量时因受管道内气体对流的热流影响，使安装姿势显得重要。因此在低流速流动时要获得精确测量，必须遵循制造厂依据仪表设计结构而定的安装建议。热式质量流量计还具有压损低，流量范围度大，精度高，可靠性好以及不易受环境影响等优点。其缺点在于响应慢、会对小流量气体带来热量，对气体清洁度和露点有一定的要求。     

    三、压缩空气流量计的选型

    根据对美国所安装的千余台流量仪表的调查，发现约有60%所选择测量方法不是最合适的或使用不正确，剩余的大部分虽然采用合适的测量方法，却错误地布置和安装。由此可见正确选择和使用流量计并非易事。选择正确的压缩空气流量计首先要了解仪表性能，根据测量精度、稳定性等要求，对仪表进行大概的过滤。如：试验室精确测量可选用差压式流量计。其次，要考虑安装条件，仪表处于管道的位置，前后直管段是否满足要求，管道和仪表是水平安装还是竖直安装，管道周围空间大小是否便于仪表维护等；还要考虑到现场的温度对仪表的影响，是否有电磁干扰，是否存在振动，例如涡街流量计即使在没有气体通过时，如果有振动，也可能会出现读数。最后，从经济方面考虑，如工厂在线监测的流量计选择，则要考虑减少压损，节约能耗；在大规格的管道上应尽量使用插入式流量计，减少管路安装等，以节约成本。另外，应尽可能保证压缩空气的洁净，以免影响测量精度，因此在气体质量不好或者测量小流量时应加装油分离器和水分离器等净化设备。

    四、结语

    压缩 空气流量计 量是工业过程中非常重要的环节，而流量测量仪表多种多样，在选择仪表时应充分考虑到精确度、测量环境、重复性、测量范围、压力损失和响应时间等因素，才能选择到合适的仪表进行正确的测量。随着传感器技术和计算机技术的进步，压缩空气流量测量将向高可靠性、广泛的适应性及良好的信号传输等方面发展。