某型柴油機(jī)壓縮空氣管路流量計(jì)選型研究

文學(xué)棟 賀國

（海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430033）

在某型柴油機(jī)啟動(dòng)空氣系統(tǒng)中應(yīng)用的壓縮空氣減壓閥，是柴油機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)元件，其出口壓力調(diào)節(jié)直接影響到柴油機(jī)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，即便在流量變化較大(3～30 N·m3/h)的情況下仍要求出口壓力偏差小。因此，需選擇一型流量計(jì)對(duì)柴油機(jī)壓縮空氣管路的流量值進(jìn)行測量，以獲得該型減壓閥全面的功能特性信息。

流量計(jì)作為工業(yè)自動(dòng)化和裝置中的三大類儀表之一[1]，發(fā)展到今天，雖然其種類極其繁多，但至今尚無一種對(duì)任何場合都適用的流量計(jì)[2]。對(duì)于每一種流量測量方法一般只能適用某一種或某一類流體在某特定條件下的測量。選擇儀表時(shí)，需要掌握儀表特性和被測對(duì)象的情況，并兼顧其它因素，才能確保測量的準(zhǔn)確性。本文就某型柴油機(jī)壓縮空氣管路的流量計(jì)選型問題展開研究。

1 流量計(jì)分類及特點(diǎn)

1.1 流量計(jì)的分類

流量計(jì)的分類可按照不同原則劃分，分類方法至今并未統(tǒng)一。其中，按照流量計(jì)測量方法和結(jié)構(gòu)分類是一種比較通行的分類方法，可將其分為圖1所示的11大類[2]。

圖1 流量計(jì)分類圖

1.2 可選型的氣體流量計(jì)

1.2.1 差壓式流量計(jì)

在充滿流體的管道中，對(duì)于一定形狀和尺寸固定放置的節(jié)流件，當(dāng)在一定的測壓位置、前后直管段及流體參數(shù)時(shí)，差壓式流量計(jì)的節(jié)流件前后壓差△p與流量qv之間有一定的函數(shù)關(guān)系。

對(duì)可壓縮流體，體積流量計(jì)算式為[2]：

式(1)中，β=d/D，稱為節(jié)流裝置的直徑比，d為節(jié)流件的開孔直徑，D為管道內(nèi)徑；C為流出系數(shù)，數(shù)值通常由試驗(yàn)確定；ε為可壓縮流體的可膨脹性系數(shù)。

差壓式流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置無須實(shí)流校準(zhǔn)即可確定其流量值并估算其測量誤差；非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置在不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的技術(shù)條件下（如低雷諾數(shù)、臟污介質(zhì)等）應(yīng)用，代表著節(jié)流裝置的發(fā)展趨向。

1.2.2 渦輪流量計(jì)

在某一流體范圍內(nèi)和一定粘度范圍內(nèi)，渦輪流量計(jì)輸出的信號(hào)脈沖頻率f與通過流量計(jì)的體積流量qv成正比。即

式(2)中，K是渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)，層流流動(dòng)狀態(tài)下：

湍流流動(dòng)狀態(tài)下：

上式中，Z為渦輪葉片數(shù)，θ為葉片與軸線的夾角，r為葉片平均直徑，η為流體粘度，A為流通截面積，C1、C2為常數(shù)。

由式(2)可知，層流狀態(tài)時(shí)，K值隨流量qv、流體粘度η變化而變化；湍流狀態(tài)下，K僅與儀表本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，可近似為常數(shù)，流量計(jì)主要在此流量范圍內(nèi)測量。

1.2.3 渦街流量計(jì)

根據(jù)旋渦脫落旋渦發(fā)生體的頻率與流量之間的關(guān)系，依據(jù)卡門渦街原理，可求得通過流量計(jì)的瞬時(shí)體積流量qv[2]：

式(3)中，K為渦街流量計(jì)儀表系數(shù)；f為流量計(jì)輸出的信號(hào)頻率；d為旋渦發(fā)生體特征長度；D為管道內(nèi)徑；St為斯特勞哈爾數(shù)；m為漩渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道內(nèi)橫截面積之比。

St數(shù)與旋渦發(fā)生體形狀、雷諾數(shù)有關(guān)。由式(3)知，St數(shù)為常數(shù)時(shí)，儀表系數(shù)K僅與旋渦發(fā)生體幾何參數(shù)有關(guān)，與流體物性和組分無關(guān)。

1.2.4 旋進(jìn)旋渦流量計(jì)

該型流量計(jì)是以旋渦進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象為機(jī)理的流量計(jì)。其進(jìn)動(dòng)頻率f和流體平均流速u成正比：

通過流量計(jì)的瞬時(shí)體積流量qv：

式(4)中，D為管道內(nèi)徑；k為比例系數(shù)，KV為旋進(jìn)旋渦流量計(jì)儀表系數(shù)。

與渦街流量計(jì)一樣，該型流量計(jì)儀表系數(shù)K僅與旋渦發(fā)生體幾何參數(shù)有關(guān)，與流體物性和組分無關(guān)。

1.2.5 浮子流量計(jì)

與節(jié)流變壓降流量計(jì)不同，浮子流量計(jì)始終保持節(jié)流件（浮子）前后的壓降不變，僅通過改變流通面積來計(jì)量流體流量，即體積流量與流通面積成比例。

浮子流量計(jì)體積流量qv的計(jì)算式為[3]：

式(5)中，K是浮子流量計(jì)的儀表常數(shù)；h為浮子高度；α為浮子流量計(jì)的流量系數(shù)；Df為浮子最大直徑；θ為錐管的錐角；Vf、ρf、Af為浮子的體積、密度和迎流面積；ρ為流體密度。

由式(5)可知，當(dāng)被測介質(zhì)確定，流體密度ρ為常數(shù)時(shí)，體積流量qv是流量系數(shù)α和浮子高度h的函數(shù)。試驗(yàn)證明，對(duì)于一定的浮子形狀，當(dāng)雷諾數(shù)超過某一界限雷諾數(shù)Rek后，流量系數(shù)α將趨于常數(shù)。

1.2.6 熱式質(zhì)量流量計(jì)

該型流量計(jì)利用流體流過外熱源加熱的管道時(shí)產(chǎn)生的溫度場變化來測量流體質(zhì)量流量，或利用加熱流體時(shí)流體溫度上升某一值所需的能量與流體質(zhì)量間的關(guān)系來測量流體質(zhì)量流量。浸入型熱式質(zhì)量流量計(jì)的氣體質(zhì)量流速ρu計(jì)算式為[2]：

式(6)中，α1、α2和m是由經(jīng)驗(yàn)確定的常數(shù)，通過對(duì)實(shí)際氣體標(biāo)定獲得；Tu為速度探頭測得的溫度；T為溫度探頭測得的溫度；(E2u/Ru)為電子設(shè)備提供給速度探頭的電功率。

由于儀表系數(shù)隨氣體種類和混合氣體組分而變，所以該型流量計(jì)不能測量質(zhì)量熱容變化的流體，更不能測量混相流體。

1.3 氣體流量計(jì)選型流程

流量計(jì)選型不僅要掌握流體特性以及測量方法，還要考慮流量范圍、介質(zhì)條件、環(huán)境條件、壓力損失和經(jīng)濟(jì)性等影響因素，并根據(jù)具體情況進(jìn)行合理選型。圖2給出了部分類型氣體流量計(jì)選型的基本流程[3]，可見流量計(jì)選型過程一般需要多次比較和反復(fù)論證。

2 柴油機(jī)減壓管路流量計(jì)選型

某型柴油機(jī)氣體減壓閥壓縮空氣管路流量測量的基本要求如表1所示。

表1 流量測量基本要求

圖2 部分類型氣體流量計(jì)選型流程圖

依照?qǐng)D2所示氣體流量計(jì)選型流程，進(jìn)行某型柴油機(jī)氣體減壓閥壓縮空氣管路的流量計(jì)選型。

2.1 氣體流量計(jì)選型

介質(zhì)壓力0.98 MPa，溫度50℃時(shí)，氣體壓縮因子Z影響最小，此時(shí)若處于供氣峰值，則管道內(nèi)具有最大的體積流量；而當(dāng)壓力1.60 MPa，溫度0℃時(shí)，壓縮因子Z影響最大，此時(shí)處于供氣谷值時(shí)，有最小體積流量。

工況下氣體的流量計(jì)算公式為：

式(7)中，Z，Zn分別為工況下、標(biāo)況下氣體的壓縮系數(shù)，可由文獻(xiàn)[4]查表得到。

則根據(jù)上述分析，將表1中qnmin、pmax、Tmin與qnmax、pmin、Tmax分別代入式(7)，可得管道內(nèi)工況下最小體積流量qmin為0.17 m3/h，最大體積流量qmax為3.10 m3/h。

可見，工況下氣體流量較小，而范圍度取為10：1，屬于小流量測量。對(duì)比不同類型流量計(jì)，根據(jù)氣體流量計(jì)選型流程，考慮流量計(jì)使用條件及工況下的流量范圍，選擇金屬管浮子流量計(jì)較合適。作為用量僅次于差壓式流量計(jì)的一類流量計(jì)，浮子流量計(jì)適用于中小管徑和低流速的中小流量測量[5]。

2.2 流量計(jì)流量刻度換算

氣體浮子流量計(jì)的出廠標(biāo)定是用工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（20℃，0.101325 MPa）下空氣進(jìn)行的。因此，在選型過程中，需要將工況下的氣體流量按式（8）換算成工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的標(biāo)定空氣流量值，然后再根據(jù)標(biāo)定空氣流量范圍選擇流量計(jì)口徑。

式(8)中，q空氣為用空氣標(biāo)定浮子流量計(jì)的流量；q為被測氣體工況下的流量；p為被測氣體工況下的絕對(duì)壓力；T為被測氣體工況下的熱力學(xué)溫度；ρ為被測氣體在工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度。

將氣體參數(shù)qmin、pmax、Tmin和qmax、pmin、Tmax分別代入式(8)中，得到q空氣min為 0.72 m3/h，q空氣max為 9.65 m3/h。

因而，測量某型柴油機(jī)氣體減壓閥壓縮空氣管路的流量計(jì)應(yīng)選用最大空氣流量為10 m3/h的金屬管浮子流量計(jì)。

根據(jù)合肥精大儀表公司提供的金屬管浮子流量計(jì)選型樣本，可選擇LZ-/DE/Ⅱ15/2.5/30作為氣體流量計(jì)。該型流量計(jì)壓損為10 KPa，能夠滿足試驗(yàn)要求。

2.3 流量計(jì)刻度范圍驗(yàn)證

選用的金屬管浮子流量計(jì)其指示值為經(jīng)換算后的工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量，而測量的是工況下的介質(zhì)流量。為驗(yàn)證所選流量計(jì)是否滿足測量要求，根據(jù)式(9)將選用流量計(jì)的空氣標(biāo)定流量q’空氣換算成標(biāo)況下的空氣流量qn’。

將相關(guān)參數(shù)代入式(9)，可得壓縮空氣的有效測量范圍為4.25 ～31.11 N·m3/h，較好地解決了3～30 N·m3/h氣體流量值的測量需求。

4 結(jié)束語

測量流體流量的流量計(jì)工作原理多樣，產(chǎn)品種類繁多，且更新?lián)Q代速度較快。因而選擇合適的流量計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，有必要建立科學(xué)的流量計(jì)選型流程。實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的氣體流量計(jì)選型流程為流量計(jì)快速選型提供了一種實(shí)用方法。

為解決某型柴油機(jī)氣體減壓閥壓縮空氣管路小流量的準(zhǔn)確計(jì)量問題，選用金屬管浮子流量計(jì)是一種最佳方案，該流量計(jì)可確保流量測試的需要。本文研究也為其他中壓、小口徑、小流量管路流量計(jì)選型提供了借鑒。

[1] 柳穎. 基于 HART協(xié)議的智能金屬浮子流量計(jì)的研究[D]. 浙江：浙江大學(xué)碩士畢業(yè)論文，2006，3.

[2] 梁國偉，蔡武昌. 流量測量技術(shù)及儀表[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002，5.

[3] 楊有濤. 氣體流量計(jì)[M]. 北京：中國計(jì)量出版社，2007，8.

[4] 川田裕郎等. 流量測量手冊(cè)[M]. 北京：中國計(jì)量出版社，1982.

[5] 黃金潮，林清萍. 轉(zhuǎn)子流量計(jì)的原理與應(yīng)用[J]. 中國儀器儀表.2005，(4)：54～57.