插入式流量自成一派

Walt Boyes介绍插入流量计种类繁多,但它们的特征和面临的问题基本相似。

插入式流量计通常有叶轮、涡轮、磁性、涡流和差压传感器等。易于安装,价格实惠且具备模拟满管道流量计的各种技术型号,因此许多工业领域都在使用插入流量计。而无一例外的是,插入式流量计与满管流量计大不相同,插入流量计完全自成一派。

原理何在?

图1表示紊流和层流。它们皆以雷诺数概念为基础,雷诺数是管道内流体惯性力与黏性力比值的度量,它是一个无量纲量。层流的流量剖面平直流畅,产生于雷诺数小于2500的情况下,而紊流则出现于雷诺数大于4500且管道中产生漩涡、涡流和漩流处。过渡流介于纯粹的紊流和层流之间,雷诺数为2500-4500。层流剖面常被形象化为弹头式,而紊流的流量剖面则为柱塞流。

并未过多运用数学的情况下,许多流量研究显示在全展流态的管道中,无论是完全的紊流或层流,可在距侧壁1/8至 1/10之间的某点找到管道中流体的平均速度,距离视研究报告不同而稍有差异。

插入叶轮、螺旋桨和涡轮

这三种插入式流量计较为相似,原理都是转子随流体速度旋转。

第一种插入叶轮的转子与管道中线平行,如叶轮汽船。叶轮价格从低到高不等,为一次性设计。最便宜的叶轮采用圆形聚合轴承,它在转子轴切入轴承并向下游移动前能使转子摇摆。最昂贵的叶轮采用饰有宝石的轴承和陶瓷轴,因此寿命长且阻力小。

频率与速度成正比,产生正弦波的电磁拾波器或产生正比方波的霍尔效应传感器能感知转子的转动。

电磁拾波器的优点在于无需额外电源便能产生正弦波,而霍尔效应传感器的优势则是不会产生静摩擦力(转子与电磁拾波器磁铁相遇产生的瞬时摩擦静止)。霍尔效应传感器通常能读取较低的流率,且在低流率情况下更加准确。

叶轮流量传感器设计为能使用定制配件将其轻松插入管道的小孔中。一些叶轮传感器能使用热分接头将其插入管道内,无需关闭流量或释放管内压力即可将传感器插入或取出。

螺旋桨式流量计外观与舷外电机螺旋桨极为相似,一般通过和里程表线类似的电缆与机械或电机累加计连接。而一些更现代化的螺旋桨流量计通常内置磁铁和电磁拾波器或霍尔效应传感器。

与叶轮相似,螺旋桨流量计的脉冲输出与管内平均流速成正比。由于螺旋桨流量计电机较大且处于管道中线位置,它们非常精确,甚至某些得到认证的插入螺旋桨流量计在几十年内都能履行其计费职责。

由于螺旋桨流量计的螺旋桨比叶轮大很多,通常需采用三通接头直立构件上安装的法兰进行插入。

涡轮流量计有电子和机电两种形式,而插入涡轮流量计只有电子式的。与叶轮流量计相同,它也利用电磁拾波器或霍尔效应传感器产生与流体速度成正比的输出脉冲,同时也须插入距管壁1/8至1/10之间 “均速点”处。

图1.紊流发生于4500+ Rn以上,层流发生于0至2500Rn之间。

大部分插入涡轮流量计的转子很小,因此能从小口径管件或小口径热分接头中插入。在城市供水工业中特将其称为“分水旋塞接头”,实际指的是同一种方式,即在不渗漏的情况下用阀门插入探头且保持压力一致。

螺旋桨流量计普遍用于饮用水系统或灌溉系统等供水中。

叶轮和插入涡轮则广泛用于各种应用之中,针对液体酸性、碱性、冷或热不同的应用需求,它们的结构材质各异
电子叶轮和涡轮能通过正交检波器设置成双向式,从而能提供正流或逆流信号和流速。它们常用于在不同季节同一管道内交替流动冷水或热水的HVAC应用。

叶轮、涡轮、电子螺旋桨流量计中的信号传送至发射器中,发射器利用脉冲(或频率)输出显示流量并增大累加器(常为电子式)读数。

发射器一般具备脉冲输出和模拟输出(常为4-20 mADC),且通常具备一至两个可编程的继电触点关闭输出。它们常用作流量报警、诊断报警或基本死区控制器。

插入dP流量计

市面上最普遍的流量计当属与主设备(如孔板和文丘里管)相连的差压发射器。在这种插入流量计中,与皮托管相连的差压传感器插入流体中,正如皮托管测量飞机外壳速度一般,它也能测量管道中的液体流速。

它也必须插入距管壁1/8至 1/10内径之间的“均速点”处。若未能正确算出均速点,单点皮托管流量计无法进行准确测量。

数家公司目前都在生产多点皮托管,这些传感器垂直管道内径,从一侧管壁安装至另一侧管壁,其上布有数个皮托管口。

这些多点传感器的工作原理是:将管道中的平均差值感应为压差——产生密切对应管道平均速度的输出信号。传感器与一个,而非数个标准压差发射器相连。

通过校准,多点皮托管流量计能对处于90°弯管中紊乱的流量剖面进行测量,且能用于其它流量计无法完成测量的位置。

插入电磁流量计

尽管原理都是法拉第定律,但插入电磁流量计与短管段电磁流量计不同。在短管段电磁流量计中,线圈的几何形和电极设计使得电极能直接输出与管内平均速度成正比的信号。插入电磁流量计与叶轮流量计精确度一致,且运用相同的“均速点”概念。短管段电磁流量计的准确度能高达速率的0.5%,而插入电磁流量计通常仅为10%至15%,甚至更低。

相较其它插入式流量计,插入电磁流量计优势较多:无运动零件,高度抗酸、碱和腐蚀性。

插入涡流和靶式流量计

也有人支持插入漩涡脱落流量计。这种设备准确度与插入涡轮传感器类似,但运动件更少且没有转子。从维护角度出发无疑是不错的选择。

设计与技术规范

尽可能在应用中采用短管段流量计。本质上它们的准确度更高且既能容积校准也能速度校准。一般情况下,不论出于安全或成本原因,无法使用段管道之处便可采用插入流量计。插入叶轮流量计常用于工业水处理应用或加药驱动系统中。

尽管技术领先,甚至多点皮托管流量计的精确度和重复性也无法与短管段媲美。

准确度和校准

插入流量计的准确度问题在于它们直接插入未校准的短管或管弯处。而“均速点”理念是以无涡流或畸变的全展流为基础。

因此基本可以肯定插入流量计无法完全“准确”,但它重复性较高,完全受用于流量控制回路应用中。

使用插入流量计进行应用设计时,应比采用校准短管段流量计更加注意管线问题。因为它的精确度比后者低许多。尽管插入流量计的设计初衷并非为管道所用,但它可作为廉价传感器使用,也是替换初始流量计经济实惠的选择。

针对上述应用,插入流量计能在设计工程师的工具箱中发挥良好作用。

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