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電磁流量計改进后导流器后仪表系数的实验测试
对電磁流量計的主要组件引起的压力损失进行了对比实验测量,比较了整流栅形状、叶轮叶片数和后导流器不同结构对压损的影响程度。结果表明,后导流器相对整流栅和叶轮是产生压力损失的主要因素,采取改进的后导流结构,可以明显降低流量计的压损,同时得到更好的仪表系数值,提高流量计准确度。
1 引言
電磁流量計是叶轮式速度流量计,属于速度式测量,即利用测量管道内介质流动速度来得到流量。置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体流速成正比,通过测量叶轮的旋转角速度得到流体流速,从而得到管道内的流量值。在选择電磁流量計的时候,除了要求其具有准确度高、量程大和起始流量小的优点外,压损小也是一个关键指标。流体通过電磁流量計的压力损失越小,则流体由输入至输出管道所消耗能量就越小,由此可大大节约能源,降低输送成本。本文将对流量计进行实验对比测量,找出引起压损的主要因素,为针对性地改进设计提供基本实验依据。
2 结构与压力损失
電磁流量計结构示意如图1所示,主要组件包括整流栅、前导流器、叶轮以及后导流器等。当流体通过管道时,冲击叶轮,对叶轮产生驱动力矩,使叶轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而旋转,在一定的流量范围内,叶轮的旋转角速度与流体流速成正比。因此,叶轮的转速通过装在机壳外的磁电转换装置转换为模拟电流量,进而显示为瞬时流量值和累积流量值。
流體從機殼進口流入,首先經過整流柵進行穩流,再進入前導流器,前導流器對流體有收斂作用,防止流體發生分離産生大的渦旋運動,前導流葉片對流體起導向作用,避免流體自旋而改變對葉輪葉片的作用角度,保證測量的准確度。流體經葉輪後將以螺線型方式向前流動,加入帶葉片的後導流器對其進行導流,使流體沿管壁直線流動,減少各種阻力引起的能量損失。流體通過流量計的壓力損失與介質的密度、流速等有關,其計算公式爲:
△P= αρv2/2 (1)
式中 △P - 压力损失,Pa
α - 压损系数
ρ - 介质密度,kg/m3
v - 流速,m/s
由于ρ和v爲流體流動參數,不能隨意增減,因此只能盡量減小壓損系數α,以達到降低壓損的目的。壓損系數除了受流體粘性、管徑及管長等因素影響外,還與流量計內部各部件的幾何結構有關。
3 实验测量
实验采用口径DN=1OOmm,量程Q=60~600m3/h的電磁流量計,在吸气式试验台上分别对介质为空气(常压)、不同形状整流栅、不同叶片数叶轮和不同结构的后导流器进行测量。
3.1 整流栅
圖2爲圓孔和方孔兩種形狀整流柵,整流柵直徑爲1OOmm,寬爲15mm。方孔流通面積約爲圓孔流通面積的4/3。中間實體爲固定整流柵螺釘位置。
圖3是只改變整流柵條件下,流體經過流量計的壓力損失曲線。由圖知,盡管方孔整流柵比圓孔增大了1/3的通流面積,但對流體壓損的影響並不明顯。在小于300m3/h的範圍內,兩者幾乎沒有差別,在Q=700m3/h處,方孔整流柵最大使壓損降低300Pa,比圓孔整流柵改善約10%,在工作範圍60~600m3/h內,方孔比圓孔平均改進約2%,但方孔加工難度大于圓孔,因此,應根據實際情況選擇整流柵。
3.2 叶轮
葉輪按照設計要求爲葉片數z=12~20,葉片傾角α=30゜~45゜,重疊度爲1~1.2,葉片與內機殼間隙爲0.5mm。爲提高流量計的靈敏度,可適當增加葉片數。
本文在允許範圍內分別選擇13和20個葉片數的葉輪進行了測量,結果如圖4所示。可看到,兩條曲線幾乎重合。說明在允許範圍內,葉輪葉片數的增減對壓力損失的影響可以忽略。但采用13葉片數的葉輪時,測得流量計起始流量爲6.5m3/h,而采用20葉片數的葉輪,其起始流量爲5.5m3/h,適當增加葉片數,可以較明顯地提高流量計的靈敏度。值得注意的是,增加葉片數會使重疊度增大,過大的重疊度將使流量計性能惡化。
3.3 后导流器
圖5(a)、(b)分別爲全封閉和半開式兩種結構的後導流器示意圖。導流葉片數均爲8,內導流體幾何形狀爲橢球形。兩者不同之處在于全封閉式導流葉片由導流器進口延伸至出口,而半開式導流葉片則由導流器中間起到出口處。
作者在半開式基礎上設計加工了另一種改進的後導流器:把半開式葉片部分縮短一半,同時將葉片數減少爲4,在原無葉段增加與有葉段數目相同位置均勻相錯的葉片,但不加外筒。目的是盡量在不增加摩擦和阻塞損失情況下,加強對經過葉輪後旋轉流體的整直作用。如圖6所示。
圖7爲分別采用三種後導流器而其余部件不變條件下流量計的壓力損失曲線。由圖可知,在流量爲0~100m3/h範圍內,三種結構的壓力損失均很小,可以認爲壓力損失在小流量工況下對幾何結構不敏感,即後導流器的幾何形狀變化還沒有對壓損産生影響。隨著流量的增大,三條曲線明顯拉開了距離,其中全封閉式壓損增長最快,半開式次之,壓損最小的是改進式,在額定最大流量600m3/h處,改進式壓損僅爲700Pa,約爲半開式壓損的1/2,爲全封閉式壓損的1/3。當流量進一步增大,這種差距還將隨之增加。由此可見,選擇合適的導流器可以大大降低流量計的壓力損失。在流量計的工程應用中,有必要對前、後導流器幾何參數進行優化,以達到最小壓損目的。
3.4 仪表系数
考查電磁流量計性能的另外一个重要指标是仪表系数。仪表系数可理解为流量计仪表的输出流量值与通过流量计的实际流量值之比。因仪表的输出流量值与仪表内磁电转换器输出频率成正比,故也表示为输出频率与实际流量之比,即,
式中 f — 输出频率,s-1
qv— 实际流量,m3/s
Z — 叶轮叶片数
r — 叶轮平均半径,m
F — 流通截面积,m2
θ — 叶片与轴线夹角,rad
由式(2)可知,理想的儀表系數K與結構參數有關,與流量變化無關。對某一流量計,K爲一常數,在K-qv圖上爲一平行橫軸的直線。但對實際的流體流動,由于葉輪要克服軸承的機械阻力矩、流體産生的阻力矩,並受流動狀態等因素的影響,使K不可能保持直線,而在量程範圍內,盡量保證K爲一常數是保證流量計精度的前提條件。
作者對改進的後導流器對流量計儀表系數的影響進行了實驗測試,考察改變結構組件後對儀表性能的影響。圖8爲分別采用半開式和改進的後導流器,流量計儀表系數的測試結果。
由圖8可看出,采用改進的後導流器後,流量計儀表系數比改進前有較好的改善,在量程範圍內(60~600m3/h),K很好地體現了系數的特性,甚至在超過最大量程後,能繼續保持水平直線狀態。改進前的流量計值也較好,但隨著流量增大,直線略向下傾斜,偏離了水平位置。
4 结论
通過對電磁流量計主要組件壓力損失的實驗測量及對整流柵形狀、葉輪葉片數和後導流器不同結構對壓損影響程度的分析得出結論:後導流器相對整流柵和葉輪是壓力損失的主要因素。當采用改進的後導流結構時,測量結果顯示流量計的壓損被大幅度降低,同時儀表系數值更加穩定,兩者均使流量計的准確度得到提高。
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