氣體大流量的測量
氣體大管路流量的測量常見于城市煤氣、天然氣、風管、鍋爐和各種爐窯內的煙氣、石油煉廠和石化行業(yè)的火炬氣。這些流量的測量對經濟燃燒、保護環(huán)境以及貿易結算有著重要意義。
（1）氣體大流量測量的特點
a.口徑大，直管段往往難以保證。
b.靜壓低，流速低，只允許有很小的壓力損失。
c.流速變化范圍大，要求儀表具有較大的范圍度。
d.流體含有粉塵，有時還含有焦油之類的粘稠物。
e.有些流體有腐蝕性。
f.氣體組分變化不定。
g.流體溫度高。
h.有些煙氣溫度降低后，濕度升高，甚至帶液。
（2）儀表選型。上節(jié)所述的插入式渦街流量計、插入式渦輪流量計、差壓均速管流量計，同樣適用于大口徑管道的氣體流量測量。但由于流體性質不同，應用時所存在的問題有明顯不同。
①插入式渦街流量計。
插入式渦街流量計的測量頭一般為DN50，對于常溫常壓條件下的空氣，可測流速下限約為6m/s。有很多測量對象，流速常常低于6m/s，尤其是水煤氣及某些馳放氣，由于氫含量較高，流體密度較小，旋渦對傳感器的推力相應變小，這時，能可靠測量的流速下限還要升高，所以，儀表往往滿足不了測量對象的要求。
渦街流量計指示的體積流量，不會因流體組分和溫度變化而產生密度變化的影響，但將壓力狀態(tài)下的體積流量換算到標準狀態(tài)，需要進行流體溫度、壓力和壓縮系數(shù)的補償。
在旋渦發(fā)生體的迎流面上如果附著很厚的黏稠物和灰塵，其形狀會發(fā)生變化，進而引起流量系數(shù)的變動，因此，需要定期拔出測量頭清除附著物。
②差壓式均速管流量計。這種流量計在大口徑氣體流量測量中用得很普遍，其原因同大口徑水流量相似。差壓式均速管流量計在氣體流量測量中應用成敗的關鍵是引壓管不要被水滴堵住。由于定型的均速管產品所帶的切斷閥多半為針型閥，通徑較小，而流體中的水汽經冷凝變成液滴，如果針型閥處理得不好或引壓管坡度欠合理，此液滴極易將通路封死。
差壓式均速管輸出的差壓信號一般都很小。當流體為常溫常壓的空氣時，如果流速為10m/s,只能達到62.5Pa的差壓。這樣，一滴水滴將差壓傳輸通道封住，就足以將此差壓全部抵消掉。有的制造商將正負壓切斷閥改為通徑較大的直通閘閥，為保證儀表的可靠使用創(chuàng)造了條件。均速管典型安裝位置以及同差壓計的連接如圖3.82所示。
同均速管配用的差壓變送器的選型與安裝也需要給予足夠的注意。因為配用的差壓變送器滿量程一般都只有幾百帕，個別流速特別低的測量對象甚至只有幾十帕，所以應選用零點穩(wěn)定性好的微差壓變送器。
微差壓變送器安裝地點應盡量避免振動。與均速管配用的微差壓變送器，其差壓測量范圍很小，膜盒面積較大，對振動非常敏感，受振動以后膜片受到相應的作用力，因而輸出信號產生相應的變化。變送器受振動而產生的零位輸出表現(xiàn)為隨機特征，但是振動越劇烈，變送器輸出的代表差壓的電流信號上下擺動的幅度也越大。此振動干擾信號的正值經開方后，相對值放大了若干倍，而其負值經開方后輸出為零，最后使流量零點示值升高(見圖3.83)，這就是振動導致這種流量計零點升高的本質原因。
振動引起的這種流量零點升高容易給人以錯覺，因為它同由于安裝位置傾斜等因素引起的零點漂移疊加在一起。其實，振動引起的差壓輸出變化是雙向的，其時間均值有可能為零，所以當流量為常用流量值時，這種振動的影響只表現(xiàn)為流量示值上下擺動，其平均值基本不變。如果急于將儀表零位調低，倒容易引起正常測量時的示值偏低。
振動引起的流量計零點示值升高與變送器安裝位置傾斜等原因引起的零點漂移在流量計示值變化規(guī)律上也有明顯的區(qū)別，后者表現(xiàn)為示值雖不為零但很穩(wěn)定或只隨時間緩慢地變化，而前者表現(xiàn)為頻繁地擺動。由于難以將這兩種影響共同作用的結果拆開來，所以最好的辦法是選擇一處振動小的地方安裝差壓變送器。
消除或減小振動對差壓式流量計零點影響的另一個有效方法是為差壓變送器選擇適當?shù)淖枘釙r間，也可在二次表的流量信號輸入端增設阻容濾波環(huán)節(jié)。
微差壓變送器還應避免陽光的直接照射。由于陽光直接照射使表體的向陽側溫度升高，而背陽側溫度卻較低，這一溫差引起變送器某些零部件幾何尺寸及其他有關參數(shù)產生不對稱變化，導致變送器零位出現(xiàn)明顯漂移。
關于均速管檢測桿斷面的形狀，前人已經做了不少研究。其中圓形斷面現(xiàn)在已很少有人使用。因為這種形狀的檢測桿的流量系數(shù)K受雷諾數(shù)的影響較大。當ReD<105時，K基本不變;而105<ReD<106時，K增大，而且不穩(wěn)定，離散度約為±10%。這是因為流體流過圓管時，分離點位置不固定所致。
菱形斷面檢測桿是對圓形斷面的改進。由于流體分離點不再隨ReD變化而固定在菱形兩側尖銳的拐點上，所以流量系數(shù)受ReD影響減小到1%。這個結論是由一些權威的流量檢測機構大量試驗所驗證的，其中包括美國ALDEM研究試驗室、NEL國家工程試驗室等水試驗室及美國CEESI和科羅拉多州工程試驗室氣體試驗站。
彈頭形檢測桿是近幾年出現(xiàn)的新型器件。1993年，美國威里斯(VERIS)公司推出彈頭形(Bullet)斷面檢測桿，威里斯公司是一家從事均速管流量計研究、生產及應用的廠家，其公司總裁弗列德·古德(Fred Good)先生是均速管領域知名專家。
弗列德·古德先生針對鉆石型檢測桿信號脈動大、低壓側易堵塞等缺點，在大量實驗的基礎上，推出了彈頭斷面檢測桿(見圖3.84)。彈頭斷面檢測桿與菱形斷面檢測桿的相似之處是都有明顯的拐點，所以流體流過均速管后的流體分離點固定，流量系數(shù)K的穩(wěn)定性好。但彈頭形斷面檢測桿的拐點相對平緩，不致像菱形斷面檢測桿那樣會產生強烈的旋渦、較大的探頭振動和脈動的差壓輸出。另一個大的改進是多個低壓取壓孔位于探頭的兩側面，即位于流體分離點之前，流速較快，而菱形斷面檢測桿的低壓孔位于背部，那里正好是流體中塵埃聚集的地點，流線紊亂，流速較慢，所以負壓測孔易堵。彈頭形斷面檢測桿的高壓測孔因彈頭形狀的前部較寬闊，形成靜止的高壓區(qū)，將阻止流體中的固體塵粒進入，因而無論是低壓測孔還是高壓測孔，其防堵性能均優(yōu)于其他斷面的檢測桿。
以往均速管表面是光滑的，當流速變化時，在均速管表面易形成邊界層流與邊界紊流交替出現(xiàn)的情況，增大了流體牽引力和渦街脫落力，這是造成流量系數(shù)不穩(wěn)定的另一個重要原因。威里斯公司根據(jù)流體邊界層理論研究的成果，在均速管前端表面采用粗糙化處理并加防淤槽(即在粗糙化處理部分和平滑部分交界處設一淺槽)，這相當于有一個紊流發(fā)生器，使均速管表面不再形成邊界層流而始終保持邊界紊流，這就像高爾夫球表面上的凹痕可使球的飛行軌道更精確一樣，紊流發(fā)生器降低流體牽引力和渦街脫落力，并產生穩(wěn)定的流線，從而使流量系數(shù)更穩(wěn)定，范圍度更大。
威里斯公司彈頭形斷面檢測桿的流量系數(shù)K值的精確度雖然也為1.0%，但當去掉雷諾數(shù)過低的個別數(shù)據(jù)，其精確度可達到0.5%。
差壓式均速管流量計不足之處主要有下列幾點。
a.流體組分變化時，密度相應變化，引起示值變化。而這種組分變化是隨機的，在沒有成分分析儀的情況下，難以將其對示值的影響予以清除。
b.相對流量較小時(一般以30%FS為界)誤差增大。
c.由于難以逐臺測定其流量系數(shù)，因此難以通過JJG640規(guī)程的檢定，一般不適宜用于貿易結算。
③插入式渦輪流量計。用高靈敏度的插入式渦輪流量計測量潔凈氣體的流量，有很多明顯的優(yōu)勢。其一是簡單可靠，價格較低;其二是線性分度，可測流速下限比渦街和均速管均低。
在這種儀表中，最重要的部分是軸承和軸，如果用一般材質制成，壽命不長。有些用戶選用瑞士專門技術制成的寶石軸承配上鎳基碳化鎢軸，壽命大大延長，換一次轉子組件和軸承最長的可用到5年，精確度仍在允許范圍(±0.3%R)之內(用于油品測量)。
流體的清潔至關重要，黏稠的焦油和污垢會將轉子粘住或轉速減低?；覊m附著在渦輪上，流量系數(shù)要發(fā)生變化，因此，應定期清洗。
④熱式質量流量計。熱式質量流量計一般是在圓形檢測桿(不銹鋼保護套管)的端部布置兩只熱敏元件，如圖3.85所示，其中參比熱敏元件同氣體的流動相隔離，而測量熱敏元件被放置在氣體的流路中，兩只熱敏元件被加熱到一定溫度，并組成惠斯登電橋(見圖3.86)，當流路內的氣體流速增大時，測量熱敏元件被帶走的熱量增大，從而導致其溫度降低，阻值變小，橋路輸出相應增大。另外，流體壓力的增大和流體溫度的降低也都使敏感元件被帶走的熱量增大，最后使得橋路輸出與流體質量流量成正比。
由于測量熱敏元件的熱量損失主要是由氣體流動所引起，因此氣體組分的變化對流量示值影響很小。
這種儀表的最大優(yōu)點是范圍度大，可達40:1。流體溫度最高可達到400℃。但由于熱絲與被測流體直接接觸，在流體含有油污之類的物質時，熱絲容易被污染而改變散熱條件，影響測量精確度，因此，有的公司推出帶清洗裝置的產品。
⑤孔板流量計。插入式流量計的最大困難是校準問題，現(xiàn)在已經有JJG規(guī)程的只有插入式渦街流量傳感器和均速管，而且必須在標準裝置上標定其流量系數(shù)。否則就難以通過強制檢定。有些用于貿易交接的大口徑氣體流量計為了通過強制檢定，往往仍舊回到節(jié)流式差壓流量計。
有些氣體有時還難免帶點冷凝水在管道底部流動，為了不讓這些水在節(jié)流裝置前積聚，采用偏心孔板或圓缺孔板流量計較合適。
有些氣體夾帶塵埃，甚至還有焦油之類的黏稠物，用不了多久孔板端面就黏附一層污垢，為了解決不斷流拆洗，可采用可換孔板節(jié)流裝置。為了防止正負壓取壓孔被灰塵及污垢堵死，常常采用D-D/2徑距取壓法。而引壓管除保證坡度外，引壓管內徑取上限數(shù)值和在引壓管轉彎處均留有活門，以便逐段疏通，也極具實用價值。
