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圆孔式流量计的输水流量,输水开度与压力水头之间的关系分析

作者: 来源: 发布时间:2018-03-13 10:13:18

摘 要: 基于孔口出流的原理,研究设计了圆孔式新型流量计。通过试验研究的方法研究了圆孔式流量计的输水流量与输水开度,压力水头之间的关系。研究表明,该装置在输水开度一定时,输水流量随着压力水头的增大而增大,呈乘幂函数关系,开度对压力敏感系数的影响不大; 压力水头一定时,输水开度随着输水流量的增大趋势而增大; 同时拟合得到了该流量计输水流量、开度、压力水头之间的经验公式,经验公式的计算值与实测值有较好的一致性。研究为该新型流量计在现代工业中被推广使用具有重要价值。
0、引 言:
  流量是水流测量过程中的重要参数。21 世纪以来,能源计量,环境保护等领域迅猛发展,带动了流量测量的发展,因此,流量计的进步举世瞩目。目前国内外使用的流量计已超过60 多种,其中主要有压差式流量计、转子流量计、涡轮、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计等这几种类型。每种流量计均有各自的特点和适用范围。其中: 压差式流量计构造简单方便、耐久性强,但其测量精度较低、对流体介质的适用范围要求高; 涡街、涡轮流量计参数影响较小、可在多种介质中进行测量,但易被杂物卡住; 电磁流量计,不要求介质却对温度有要求; 超声波流量计可以在各种介质中进行测量,但发展水平不高,需要进一步提升; 转子流量计可测量流速较低的流体,但测量含有微粒的流体比较困难。流量计发展对于提升工业生产的品质,提高工业生产的效率,保证工业产品的质量,确保工业生产过程中的环境保护,推动科技进步具有巨大的推动作用。改良流量计测量准确性,提高适应性及耐久性,控制流量计的生产成本必定成为流量计发展的趋势。
  根据目前国内外流量计的发展可以看出,现有的流量计无法完全满足所有液体不同的使用状态,局限了流量计的适用范围。同时各类流量计只能起到测量流量的作用,而无法起到控
  制流量的作用。阀门装置可以有效地控制流量,但却不能准确地测量流量。因此,设计了一种圆孔式新型流量计,其在不需要使用电源的情况下,配合压力表以及流量计本身的开度,就可以达到准确测量流量和控制流量的目的。该设计具有适用性强,功能多,成本低廉,节能减耗,耐久稳定性高,流量调节精度准确,调节范围宽的优点。该圆孔式新型流量计的设计研究对推动流量计的发展具有重要作用。
1、圆孔式新型流量计设计:
  本研究设计了圆孔式新型流量计,其用于管道流量的测量,与用于渠道的闸、涵量水不同。输水通道、流量测量系统、开度指示系统和挡板四部分构成了该新型流量计。本设计基于孔口出流原理[6],通过确定压力敏感系数与流量系数,从而得出流量与开度、压力水头之间的关系公式,在已知某一定压力水头的前提下,配合装置本身的开度调节和指示装置控制其输水开度,从而实现测量流量和控制流量的目的。工作时,水流从输水管进入流量计的进水口,压环,套圈,从流量筒下的圆孔流出,构成流量计输水通道,进水口位于套圈的中间位置,压环和套圈使得流量计与输水管道双侧相连,加强抗压能力,扩大流量调节范围。其独特地将出水口改造成多排细致的小孔,由于本设计在有压管道中进行,并不会造成堵塞与淤积问题。流量筒与流量杆通过螺纹锁密结构相接,通过控制流量杆的推进距离,使得流量筒上的圆形小孔数目连续变化,进而精确调节控制流量,构成流量测量系统。指针与开度刻度盘构成开度指示系统,用来指示出水流量。设置挡板结构,上部为半圆形、下部为梯形,在水流从连续排孔流出时可对水流进行进一步的消能。具体设计如图 1 所示。

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图 1 装置设计图


2、圆孔式流量计试验设计与结果分析:
2.1、试验设计:
  为了研究圆孔式流量计的输水特性,试验开展了在不同输水开度下,圆孔式流量计不同压力水头的输水流量研究。试验以流量计的输水开度及压力水头为变量,分别测量了圆孔式流量计在十个开度( 0.1~1) ,以出水孔面积占总出水面积的比例为依据,18 个压力水头( 0.1、0.3、0.5、0.7、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0 m) 下的输水流量。该试验系统由水泵、调节阀、管路、设计装置、压力表、流量计等组成。

2.2、试验结果分析:
2.2.1、流量与压力水头的关系:
  根据试验数据,通过对圆孔式流量计在不同开度下的压力水头与输水流量进行乘幂函数拟合分析,更好地体现了输水流量与压力水头的关系。拟合结果如图 2 所示。
  从图 2 可以看出,圆孔式流量计在输水开度一定时,随着压力水头的增大,输水流量增大。根据孔口出流原理,圆孔式流量计在相同的压力水头情况下,随着输水流量的增大,出水面积必将增大,由于输水开度的增大,出水面积增大,因此,输水开度必会增大,在上图中也直观地显示这一趋势。输水流量与工作水头呈乘幂函数关系,乘幂指数均在 0.49 左右,相关性较好,拟合度大于 99%。

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图 2 不同开度下,圆孔式流量计输水流量 Q 与工作水头 H 的关系图
 

2.2.2、开度与压力敏感系数的关系:
  为了更直观地体现圆孔式流量计开度与压力敏感系数之间的关系,将不同开度下的压力水头和流量乘幂拟合的结果列于图 3 中。
  通过图 3 中数据,得出圆孔式流量计压力敏感系数平均值0.494 24,可知zui大压力敏感系数与zui小敏感系数的差值为0.009 2,变化幅度为 1.74%,比较稳定。由此可得,圆孔式流量计开度对压力敏感系数影响不大,压力敏感系数非常稳定。

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图 3 圆孔式流量计开度与压力敏感系数的关系曲线图 4 圆孔式流量计开度与流量系数之间的关系曲线
 

2.2.3、流量与压力水头、开度的关系:
  依据实际情况对孔口出流公式幂指数进行修正,圆孔式流量计可将压力敏感系数 α 修正为 0.494 24。因此,不同开度和压力下的流量关系式为:Q = μ Amaxe( 2g H)0.494 24( 1)式中: μ 为流量系数; e 为输水开度; Q 为流量,m3/ s; H 为工作水头,m; Amax为出水口的zui大出流面积,m2。由式( 1) 可见,可以反向推导出流量系数的公式:μ =Qe Amax( 2g H)0.494 24( 2)由式( 2) 计算得出圆孔式流量计在不同开度下的流量系数见图 4。对流量系数 μ 进行拟合,拟合变化趋势近似于关于开度 e的乘幂分布,由此可以得出流量系数 μ 为:μ = 0.157 e- 0.766( 3)因此,圆孔式流量计输水流量与开度,压力水头的关系为:Q = 0.157 Amaxe0.234( 2g H)0.494 24( 4)该公式的使用可以更直接准确地用于该流量计对流量的测量。将实测流量与计算流量的比较结果见图 5 中,从图中可以清晰地看出实测流量、计算流量之间有较强的一致性。因此,上述公式适用于这种装置的测流要求,可以用于生产实践,实现对流量的测量和调节控制。

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图 5 实测流量与经验公式拟合流量对比图

3、结 语:
  本文研究并设计了圆孔式新型流量计,通过输水特性的分析,得出流量与开度、压力水头的计算经验公式。孔板流量计能实现测量流量和控制流量的双重功效,在实际工业生产过程中可根据所需调节和计算流量的大小,按照一定的比例进行缩放,从而实现对不同流量区间的流体的流量计算和调节,扩大了流量计的应用测量范围。圆孔式新型流量计在使用过程中无污染,无噪音,无需提供能源动力,节能显著,便于维修和替换,实际操作简单易行,对使用者技术要求较低,可广泛应用于实验室、工厂等单位和工业生产与农业灌溉中。该设计结构简单实用,造价低廉,具备投入工业生产使用的性能,具有广泛的经济效益,极大地促进了资源的有效利用。
 

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