梯形楔流量計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析

  一、引言

      目前，應(yīng)用zui廣泛的一類流量計(jì)是以節(jié)流裝置和差壓計(jì)組成的差壓式流量計(jì)。文^[1]討論了一種新型差壓式流量計(jì)，研制了一種流量范圍寬，線性度好，壓力損力小，度高，可適宜于臟污介質(zhì)的差壓式流量計(jì)。本文主要分析此新型流量計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其優(yōu)化。

      二、流量計(jì)的性能實(shí)驗(yàn)分析

       1.基本原理

      差壓式流量計(jì)是根據(jù)安裝在管道中的節(jié)流裝置所產(chǎn)生的差壓來測量流量的儀表。它在流體通過節(jié)流件時(shí)發(fā)生節(jié)流產(chǎn)生差壓，差壓流量計(jì)通過測量差壓從而達(dá)到測量流量的目的。實(shí)驗(yàn)證明，差壓Δp與流量Q之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系。

      本實(shí)驗(yàn)流量計(jì)的節(jié)流裝置示意圖如圖1所示，在直徑為D的圓管內(nèi)安裝一個(gè)底角分別為以α、β，上底寬為B，高為H的梯形楔，為減小流動(dòng)分離渦以及在使用中磨損造成的新誤差，在頂角處修圓角。在節(jié)流部件上游D/2處和梯形楔頂部開有兩個(gè)取壓口分別為1和2。

      假設(shè)流體是不可壓流體，且流動(dòng)是一維定常流動(dòng)，由伯努利方程和連續(xù)性方程，可以推導(dǎo)出流體的體積流量Q為

                 （1）

      其中α為流量系數(shù)，通常其值是由實(shí)驗(yàn)確定的，它與節(jié)流件的結(jié)構(gòu)、直徑比、取壓方式、雷諾數(shù)及壁面相對(duì)粗糙度等有關(guān)；A₀為2點(diǎn)所在斷面面積，m²；Δp為斷面1、2之間的壓差，Pa；ρ為流體的密度，kg/m³。

       2.結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

      節(jié)流式流量計(jì)的流量測量度，主要取決于節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)、制造和安裝等。本實(shí)驗(yàn)對(duì)梯形楔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論以得到優(yōu)化尺寸和改善流量計(jì)性能指標(biāo)?，F(xiàn)選用管道直徑D為32mm、α=40°、β=25°，首先討論梯形楔H/D=0.5時(shí)，不同底寬的影響，實(shí)驗(yàn)分三種底寬即B=0；B=D/4；B=D/2的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。采用不同的底寬B，討論對(duì)流量計(jì)測量精度的影響。另一方面，為適應(yīng)不同流量范圍獲得足夠大的壓差信號(hào)，采用不同的高徑比H/D，本實(shí)驗(yàn)對(duì)H/D=0.4；H/D=0.5；H/D=0.6等尺寸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

       3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      本實(shí)驗(yàn)是由高位水箱、水泵、多管差壓計(jì)、節(jié)流件、截止閥、調(diào)節(jié)閥、稱量標(biāo)準(zhǔn)裝置等組成。調(diào)節(jié)閥用來調(diào)節(jié)流量，四個(gè)點(diǎn)壓差信息利用多管差壓計(jì)讀取。在圖1中，1、2點(diǎn)的壓差為節(jié)流件信號(hào)差壓用來測量流量。在距節(jié)流件上流法蘭1D的上流及距節(jié)流件下流法蘭6D的下流處設(shè)取壓孔3、4點(diǎn)，其壓差用來測量節(jié)流件的水頭損失。利用稱量法（秒表、天平）來作為流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

      設(shè)1、2點(diǎn)的差壓水頭高度值Δh_1-2，現(xiàn)以差壓水頭高度值的平方根為橫坐標(biāo)，流量為縱坐標(biāo)，不同底寬B的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見圖2（H/D=0.5、B=0）、圖3（H/D=0.5、B=D/4）、圖4（H/D=0.5、B=D/2）。

      由圖2、3、4可見，底寬越大，流量與壓差的線性關(guān)系越好，B=D/2時(shí)。這說明在迎流底面頭部，由流道的改變形成分離渦區(qū)，若底寬小，因流量改變對(duì)測壓點(diǎn)有一定影響，底寬越長，則測壓點(diǎn)流動(dòng)越穩(wěn)定。當(dāng)然，底寬的長度將影響節(jié)流件的尺寸，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看B=D/2時(shí)*。

      為適應(yīng)不同量程的流量范圍，可采用安裝不同高度的梯形楔，以獲得足夠的壓差信號(hào)，這也是工程上人們常運(yùn)用的方法。本實(shí)驗(yàn)在底寬B=D/2的條件下，分別討論了H/D=0.4；H/D=0.5；H/D= 0.6三種情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果參見圖4、圖5、圖6，這三種情況都反映了很好的線性關(guān)系。

      流體流過節(jié)流件時(shí)，由于梯形楔前后渦流的形成以及流體的沿程摩擦，使得流體總機(jī)械能的一部分不可逆的變成了熱能。為了測量梯形楔的水頭損失，我們?cè)诰喙?jié)流件上流法蘭1D的上流及距節(jié)流件下流法蘭6D的下流處設(shè)取壓孔，設(shè)其壓力分別為h₃和h₄。測量裝有節(jié)流件的壓力差Δh″=h₃-h₄，然后取下節(jié)流件，接上同直徑同材料的短管，用同樣方法測量差壓Δh′，這樣節(jié)流件的水頭損失可用Δh″-Δh′給出^[2]。根據(jù)局部水頭損失方程寫出節(jié)流件局部水頭損失

                         （2）

      本實(shí)驗(yàn)分別測量了底寬B=D/2，高徑比H/D=0.4；H/D=0.5；H/D=0.6等三種結(jié)構(gòu)的節(jié)流件的水頭損失，現(xiàn)以節(jié)流件局部阻力因數(shù)為縱坐標(biāo)，雷諾數(shù)Re為橫坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7。

      由圖7可知，當(dāng)B=D/2時(shí)，節(jié)流件的水頭損失隨H/D的增大而增大。這主要是由于當(dāng)H/D增大時(shí)，在靠近節(jié)流件時(shí)，由于流件的黏性和局部阻礙等影響造成的渦流越大，故而由于渦流的形成造成的損失也越大。水頭損失越大，可使我們獲得較大的差壓信號(hào)；水頭損失越小，可以節(jié)約儀表運(yùn)行所需的能耗，這樣，在測量的流體流量較大時(shí)，可使H/D值較小，同樣在測量的流體流量較小時(shí)，可使H/D值較大。另一方面，由圖可見，在這三種情況下，節(jié)流件的局部阻力系數(shù)都表現(xiàn)為在較小的雷諾數(shù)下，就很快趨于一個(gè)常數(shù)，這表明節(jié)流件具有很好的線性特征且量程范圍大。

      本實(shí)驗(yàn)針對(duì)B=D/2，H/D=0.5這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行誤差分析，這種結(jié)構(gòu)的相對(duì)誤差zui大值不超過2%。

      三、結(jié)論

      從以上分析可知，這種梯形楔流量計(jì)具有以下特點(diǎn)：

      （1）適當(dāng)?shù)纳系讓捠莻€(gè)重要的參數(shù)，實(shí)驗(yàn)表明B=D/2是*的結(jié)構(gòu)，這時(shí)性能zui穩(wěn)定。
      （2）節(jié)流件部分為流線型結(jié)構(gòu)，部分邊壁與管壁平直，這種結(jié)構(gòu)有利于臟污介質(zhì)的測量。
      （3）流量計(jì)量程比大，線形關(guān)系好，精度高，其相對(duì)誤差在很寬的流量范圍內(nèi)都能保持在2%以內(nèi)。
      （4）水頭損失小，運(yùn)行能耗低。梯形楔流量計(jì)的不可恢復(fù)壓損僅占信號(hào)壓差的6%～20%，而zui常用的孔板流量計(jì)的不可恢復(fù)壓損占信號(hào)壓差的40%～80%^[3]。因此，從長遠(yuǎn)來看，梯形楔流量計(jì)的節(jié)能效果十分顯著。
      （5）結(jié)構(gòu)、安裝簡單，維修方便，成本低廉。