變徑整流器在氧氣流量計的流量測量中的作用及應用介紹

一、概述
在管道類(lèi)的流量測量過(guò)程中，管路中液體流速分布不均勻和旋混流的存在，是一些流量計(主要是速度式流量計) 測量精度、運行穩定性差的主要原因，尤其是氧氣流量計，孔板流量計，差壓式流量計和旋進(jìn)旋渦，對此因素對于流量計測量效果的影響*為嚴重，所以現在的旋進(jìn)旋渦流量計都是自帶的整流器，而引起管道 中液體流速不均和旋渦流的原因，是由于流量計上游管路存在諸如管線(xiàn)結構、閥、泵 、接頭不同心或焊接毛邊、墊片突出管路內等其他障礙因素。為了克服管道中存在的 流速分布不均，并消除旋渦流，在上游部分的管道內裝入一束導管組成(或其他元件) 整流器。這是安裝整流器的原因。整流器也是流量計量系統中一個(gè)主要的附屬設備。
傳統的流體整流器經(jīng)長(cháng)期的研究與實(shí)踐已趨于成熟，它一般采用阻隔體分隔流道來(lái)調整管道內的速度分布，以達到整流的目的；這一類(lèi)整流器主要用于實(shí)驗室和流量標定系統。但這種方法易引起污物堵塞和增加阻力損失，所以在工業(yè)管道上很少采用。
氧氣流量計由于其獨特的性能，一直受到人們重視，并己到了廣泛的應用，但仍有兩個(gè)方面的問(wèn)題困擾著(zhù)人們，一是由于儀表上游管道阻流件的干擾，流場(chǎng)發(fā)生畸變，影響旋渦正常撥離。為了克服流場(chǎng)擾動(dòng)，儀表前需要配裝較長(cháng)直管道(一般為15~40倍的工藝管內徑的長(cháng)度)，而在實(shí)際現場(chǎng)是很難滿(mǎn)足的。二是，氧氣流量計主要特點(diǎn)之一是量程寬，一般在10：1左右，應該說(shuō)這樣寬的測量范圍應屬比較優(yōu)良的性能，但在實(shí)際工業(yè)應用中，*大流量遠低于儀表的上限值，*小流量又往往會(huì )低于儀表的下限值，一些儀表經(jīng)常工作在下限流量附近，造成儀表的計量準確度下降，這時(shí)信號較弱，儀表的抗干擾能力也下降。為了測量小流量，人們往往采用內腔形狀為園臺的傳統變徑管，經(jīng)過(guò)縮徑提高測量處的流速。使氧氣流量計工作在正常流速范圍內，但這種變徑方式，結構尺寸大(一般長(cháng)度為工藝管內徑的3~5倍)，同時(shí)，由于流體流經(jīng)變徑管，在變徑處產(chǎn)生大量旋轉流團，增大局部阻力損失，也使流場(chǎng)發(fā)生畸變。所以必須在變徑管與儀表之間加裝大于15倍工藝管內徑長(cháng)度的直管道進(jìn)行整流，且增加了沿程阻力損失(如圖1所示)，這種方法增加施工成本，也給加工、安裝帶來(lái)不便。

縱端面采用特殊形線(xiàn)的變徑整流器(己申報****)，具有整流，提高流速及改變流速分布的多重作用，其結構尺寸小，長(cháng)度僅為工藝管內徑的1/3，可以直接卡裝在儀表的兩端，不僅不需要另外附加直管道，而且可以降低儀表對上游直管道的要求。實(shí)驗表明：儀表上游阻力件為一個(gè)平面內的兩個(gè)90°彎頭 在一般情況下，氧氣流量計上游側應加裝大于20倍管道內徑長(cháng)度的直管道，而氧氣流量計加裝了變徑整流器大大降低了對上游測直管道長(cháng)度的要求，其阻力遠遠小于傳統的變徑管。更主要的是，可使下限流速降為原來(lái)的1/3，量程比提高到15：1以上。
二、原理及分析
*先應該指出，傳統的變徑管可以經(jīng)過(guò)縮徑，并配以較小口徑的流量計來(lái)達到測量小流量的目的，但是這種方法不可能擴大儀表的量程比，因為它并末改變管道的流速分布狀態(tài)。我們知道，氧氣流量計的理論及推導是基于在無(wú)窮大的均勻流場(chǎng)中得到的，而在實(shí)際封閉圓管中，卻是非均勻流場(chǎng)，橫斷面的流速分布是一回轉拋物面，雖然選擇合理的柱型，使柱體兩側弓形面的流速分布均勻，但實(shí)際上，工藝管道上回轉拋物面的流速分布的影響是客觀(guān)存在的。實(shí)驗表明在比較大的流量時(shí)，這個(gè)影響較小，或說(shuō)這個(gè)影響在允許的范圍內；但隨著(zhù)流量的下降，這個(gè)影響越來(lái)越大，從大量標定數據看，儀表常數總是隨著(zhù)流量的減小而增大。這說(shuō)明取樣點(diǎn)的流速與平均流速差異越來(lái)越大。
采用了變徑整流器后（見(jiàn)圖2），由于縮經(jīng)斷面的流速在逐漸增大，在斷面上各點(diǎn)流速的增加是不一樣的，靠近中心流速增加小，而靠近喉徑邊沿處流速增加大。
設整流器進(jìn)口處壓力為P1，平均流速為V1，某點(diǎn)上的速度不均勻度為U1，出口處壓力為P2，平均流速為V2，通過(guò)進(jìn)口處某點(diǎn)同**線(xiàn)，在出口處的速度不均勻度為U2，沿該流線(xiàn)，由伯努利方程得：


由式（6）可見(jiàn)，收縮比對出口處流速均勻度的影響，即對于一定的進(jìn)口速度不均勻度，
出口處的速度不均勻度將縮小n2倍。因此出口處流速趨于均勻，更接近氧氣流量計理論的均勻流場(chǎng)的條件，不僅使漩渦趨于穩定，且提高了儀表的測量范圍。另外，這種變徑整流器，在流體動(dòng)能的轉換過(guò)程中有效的抑制了干擾。
三、實(shí)驗驗正
例1：一臺口徑為40mm的氧氣流量計安裝在φ40的工藝管道上，標定滿(mǎn)足精度1%的量程比為8：1，當安裝在φ50工藝管道上，并在儀表兩側安裝變徑整流器，在15：1的范圍內精度為1.0%。
例2：二臺口徑為50mm和40mm氧氣流量計配裝整流器后，分別安裝在口徑為80mm工藝管道上，進(jìn)行水標定。實(shí)驗數據見(jiàn)表1。

工藝管內徑/整流器喉部直徑（mm）	儀表常數	重復性	非線(xiàn)性	量程	*小流速（米/秒）
80/50	17452	0.05%	0.95%	15:1	0.1
80/40	10197	0.04%	0.78%	15:1	0.16

再將兩臺口徑為φ50mm和φ40mm氧氣流量計配裝整流器后，分別安裝在φ80mm工以管道上，且儀表上游尉為一個(gè)平面內兩個(gè)90°彎頭，變徑整流器前端與*二個(gè)90°彎頭距離為3倍工藝管內徑長(cháng)段，進(jìn)行水標定，工藝圖如圖3，實(shí)驗數據見(jiàn)表2

工藝管內徑/整流器喉部直徑（mm）	儀表常數	重復性	非線(xiàn)性	量程	*小流速（米/秒）
80/50	17266	0.02%	0.9%	16:1	0.1
80/40	10278	0.15%	0.08%	15:1	0.15

實(shí)驗結果表明：
1、在管道流速較低時(shí)，采用變徑整流器，使儀表特性總體保持良好狀態(tài)；
2、采用變徑整流器，在儀表上游阻流件形式為一個(gè)平面內2個(gè)90°彎頭，直管道很短（3D）的情況下，儀表常數的偏移在0.7%左右，說(shuō)明整流器具有良好的流動(dòng)調整性能。（與實(shí)驗相同的上游阻流件形式在不裝整流器條件下，儀表上游直管道長(cháng)段為8倍工藝管內徑時(shí)，儀表常數偏移為2.0%?。?br /> 3、在儀表前加裝變徑整流器，投展了儀表的測量范圍。
這與理論分析是相吻合的。
四、阻力計算
設工藝管道直徑為D1, 介質(zhì)的密度為ρ，流速為V1氧氣流量計的壓力損失為?ω1， 整流器壓力損失為?ω3， 總壓力損失為?ω。
?ω1=0.3ρV2 1(Pa)
采用整流器后，儀表口徑為D2，則氧氣流量計處的流速為V2壓損為?ω2。
?ω2=1.3ρV2 2=(V2/V1)2·?ω1=(D1/D2)4·?ω1
整流器的壓損，取決于縮徑比D2/D1，之值一般都在0.8以上，則整流器的壓損：
?ω3=0.12?ω2
所以總的壓損?ω為：?ω=1.12?ω2=1.12（D1/D2）4×1.3ρV2 1（Pa）
例：管徑為D1=100mm的水計量系統，采用氧氣流量計作為流量計量?jì)x表，其*大流速Vmax為1m/s，其*小流速Vmin為0.3m/s，擬采用100/80整流器計算各相關(guān)參數：
縮徑后流速為V2：V2max=(100/80)2×1=1.56m/s
V2min=0.47m/s
?ωmax=1.12(D1/D2)41.3ρV2 1
=1.12(100/80)4×1.3×998×1=3547(Pa)
五、應用舉例
加裝變徑整流器滿(mǎn)管式氧氣流量計已大量用于氣體、水、蒸氣等介質(zhì)的測量，其實(shí)例枚不勝舉，均收到了令人滿(mǎn)意的效果。
更值得一提的是，將變徑整流器與插入式氧氣流量計配套使用(見(jiàn)圖4)，用于大口徑煤氣測量，成功地解決了大口徑煤氣介質(zhì)臟，流速低、流量變化大，允許壓損小等者大難問(wèn)題。
在冶金行業(yè)中，測量大口徑煤氣一般采用孔板流星計，由于其自身的局限性，很難滿(mǎn)足實(shí)際測量要求，其問(wèn)題是：①煤氣中含有粉塵和各種雜質(zhì)，經(jīng)一段時(shí)間運行，大量粉塵堆積在孔板的上游側，各種雜質(zhì)附著(zhù)在測量元件表面，就孔板來(lái)說(shuō)，已無(wú)準確度可言，同時(shí)又經(jīng)常發(fā)生導管堵塞的問(wèn)題。由于生產(chǎn)的連續性，不可能停氣清洗或更換孔板。②由于介質(zhì)
流速低，為獲得較大的差壓，孔板的開(kāi)孔徑一般都比較小，造成壓損大，當流量增大時(shí)，孔
板卻起不了限流作用，遇到此類(lèi)情況，有些企業(yè)不得不拆除孔板來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)。③普通孔板流量計的量程近為3：1，往往不能滿(mǎn)足實(shí)際工況的需要。
已投入實(shí)際運行的變徑整流器與插入式氧氣流量計所構成煤氣流量計量系統：①變徑整流器入口處為光滑曲線(xiàn)，介質(zhì)流經(jīng)時(shí)，有自清洗的效果，不會(huì )造成粉塵堆積。②變徑處流速提升可滿(mǎn)足插入式渦銜流量計下限流速的要求，且氧氣流量計量程比為10：1，完全滿(mǎn)足煤氣測量范圍的要求。③插入式氧氣流量計可在管道不斷流的情況下拆出測頭進(jìn)行定期或不定期清洗。滿(mǎn)足連續生產(chǎn)的要求。④壓損小，插入式氧氣流量計測頭部分在大口徑管道內的流阻很小可忽略不計，變徑部分的變徑比一般都大于0.7，管道*大流速按25米/秒計算，壓損僅在200Pa以?xún)取?br /> 上述表明，此種方法是解決大口徑煤氣計量的行之有效的方法。
六、結束語(yǔ)
氧氣流量計與變徑整流器配套使用，形成了一種新的流量測量系統，可使流量測量下限為下降（為原來(lái)的1/3），測量范圍擴大(15：1以上)，并可以大大降低儀表對上游直管道長(cháng)度的要求。這對一個(gè)流量計來(lái)講無(wú)疑是一個(gè)不小的進(jìn)步，它拓寬了氧氣流量計的應用范圍，在燃氣、 城市煤氣、水、熱水、蒸汽、油品、奶液、藥液、化工產(chǎn)品(上述介質(zhì)一般要求下限流速低，測量范圍寬)的流量測量中將發(fā)揮突出優(yōu)勢。變徑整流器在工業(yè)用戶(hù)中實(shí)際應用情況還表明，變徑整流器簡(jiǎn)化了儀表安裝工藝，并且大大降低了工程造價(jià)。
變徑整流器研究與應用是流量應用技術(shù)研究的典型實(shí)例，它本身的研究還有待于進(jìn)一步的深入，同時(shí)我們還應進(jìn)一步關(guān)注其它與流量鋇幢相關(guān)的應用技術(shù)研究，充分利利用現有的技術(shù)設備資源，真正解決一些流量測量的難點(diǎn)問(wèn)題。

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