压缩空气流量测量方法分析

压缩空气流量测量方法分析

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

流量测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测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，在压缩空气流量测量中，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。

q m=C（1－β4）-1/2επ（d/2）2（2Δpρ1）1/2（1）

其体积流量可用下面的公式确定：

q v=q m/ρ

式中q m——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。

图1 ASME喷嘴测量装置示意

1.隔板

2.导板

3.ASME喷嘴

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。

图2 ISA1932喷嘴测量装置示意

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。

表1 试验结果

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。

表2 试验结果（直径为9.53mm）

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。

表3 ISA1932喷嘴测量装置与ASME喷嘴测量装置的测量结果

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。

表4 试验结果（加装水分离器和油过滤器）

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。

图3 旋涡发生原理

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=S t v/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q v，其流量方程式为：

q v=f/K （3）

式中K——仪表系数，一般通过试验测得。