某型柴油机压缩空气管路流量计选型研究

文学栋 贺国

（海军工程大学船舶与动力学院，武汉 430033）

在某型柴油机启动空气系统中应用的压缩空气减压阀，是柴油机系统的关键调节元件，其出口压力调节直接影响到柴油机系统的工作状态，即便在流量变化较大(3～30 N·m3/h)的情况下仍要求出口压力偏差小。因此，需选择一型流量计对柴油机压缩空气管路的流量值进行测量，以获得该型减压阀全面的功能特性信息。

流量计作为工业自动化和装置中的三大类仪表之一[1]，发展到今天，虽然其种类极其繁多，但至今尚无一种对任何场合都适用的流量计[2]。对于每一种流量测量方法一般只能适用某一种或某一类流体在某特定条件下的测量。选择仪表时，需要掌握仪表特性和被测对象的情况，并兼顾其它因素，才能确保测量的准确性。本文就某型柴油机压缩空气管路的流量计选型问题展开研究。

1 流量计分类及特点

1.1 流量计的分类

流量计的分类可按照不同原则划分，分类方法至今并未统一。其中，按照流量计测量方法和结构分类是一种比较通行的分类方法，可将其分为图1所示的11大类[2]。

图1 流量计分类图

1.2 可选型的气体流量计

1.2.1 差压式流量计

在充满流体的管道中，对于一定形状和尺寸固定放置的节流件，当在一定的测压位置、前后直管段及流体参数时，差压式流量计的节流件前后压差△p与流量qv之间有一定的函数关系。

对可压缩流体，体积流量计算式为[2]：

式(1)中，β=d/D，称为节流装置的直径比，d为节流件的开孔直径，D为管道内径；C为流出系数，数值通常由试验确定；ε为可压缩流体的可膨胀性系数。

差压式流量计的标准节流装置无须实流校准即可确定其流量值并估算其测量误差；非标准节流装置在不符合标准要求的技术条件下（如低雷诺数、脏污介质等）应用，代表着节流装置的发展趋向。

1.2.2 涡轮流量计

在某一流体范围内和一定粘度范围内，涡轮流量计输出的信号脉冲频率f与通过流量计的体积流量qv成正比。即

式(2)中，K是涡轮流量计的仪表系数，层流流动状态下：

湍流流动状态下：

上式中，Z为涡轮叶片数，θ为叶片与轴线的夹角，r为叶片平均直径，η为流体粘度，A为流通截面积，C1、C2为常数。

由式(2)可知，层流状态时，K值随流量qv、流体粘度η变化而变化；湍流状态下，K仅与仪表本身结构有关，可近似为常数，流量计主要在此流量范围内测量。

1.2.3 涡街流量计

根据旋涡脱落旋涡发生体的频率与流量之间的关系，依据卡门涡街原理，可求得通过流量计的瞬时体积流量qv[2]：

式(3)中，K为涡街流量计仪表系数；f为流量计输出的信号频率；d为旋涡发生体特征长度；D为管道内径；St为斯特劳哈尔数；m为漩涡发生体两侧弓形面积与管道内横截面积之比。

St数与旋涡发生体形状、雷诺数有关。由式(3)知，St数为常数时，仪表系数K仅与旋涡发生体几何参数有关，与流体物性和组分无关。

1.2.4 旋进旋涡流量计

该型流量计是以旋涡进动现象为机理的流量计。其进动频率f和流体平均流速u成正比：

通过流量计的瞬时体积流量qv：

式(4)中，D为管道内径；k为比例系数，KV为旋进旋涡流量计仪表系数。

与涡街流量计一样，该型流量计仪表系数K仅与旋涡发生体几何参数有关，与流体物性和组分无关。

1.2.5 浮子流量计

与节流变压降流量计不同，浮子流量计始终保持节流件（浮子）前后的压降不变，仅通过改变流通面积来计量流体流量，即体积流量与流通面积成比例。

浮子流量计体积流量qv的计算式为[3]：

式(5)中，K是浮子流量计的仪表常数；h为浮子高度；α为浮子流量计的流量系数；Df为浮子最大直径；θ为锥管的锥角；Vf、ρf、Af为浮子的体积、密度和迎流面积；ρ为流体密度。

由式(5)可知，当被测介质确定，流体密度ρ为常数时，体积流量qv是流量系数α和浮子高度h的函数。试验证明，对于一定的浮子形状，当雷诺数超过某一界限雷诺数Rek后，流量系数α将趋于常数。

1.2.6 热式质量流量计

该型流量计利用流体流过外热源加热的管道时产生的温度场变化来测量流体质量流量，或利用加热流体时流体温度上升某一值所需的能量与流体质量间的关系来测量流体质量流量。浸入型热式质量流量计的气体质量流速ρu计算式为[2]：

式(6)中，α1、α2和m是由经验确定的常数，通过对实际气体标定获得；Tu为速度探头测得的温度；T为温度探头测得的温度；(E2u/Ru)为电子设备提供给速度探头的电功率。

由于仪表系数随气体种类和混合气体组分而变，所以该型流量计不能测量质量热容变化的流体，更不能测量混相流体。

1.3 气体流量计选型流程

流量计选型不仅要掌握流体特性以及测量方法，还要考虑流量范围、介质条件、环境条件、压力损失和经济性等影响因素，并根据具体情况进行合理选型。图2给出了部分类型气体流量计选型的基本流程[3]，可见流量计选型过程一般需要多次比较和反复论证。

2 柴油机减压管路流量计选型

某型柴油机气体减压阀压缩空气管路流量测量的基本要求如表1所示。

表1 流量测量基本要求

图2 部分类型气体流量计选型流程图

依照图2所示气体流量计选型流程，进行某型柴油机气体减压阀压缩空气管路的流量计选型。

2.1 气体流量计选型

介质压力0.98 MPa，温度50℃时，气体压缩因子Z影响最小，此时若处于供气峰值，则管道内具有最大的体积流量；而当压力1.60 MPa，温度0℃时，压缩因子Z影响最大，此时处于供气谷值时，有最小体积流量。

工况下气体的流量计算公式为：

式(7)中，Z，Zn分别为工况下、标况下气体的压缩系数，可由文献[4]查表得到。

则根据上述分析，将表1中qnmin、pmax、Tmin与qnmax、pmin、Tmax分别代入式(7)，可得管道内工况下最小体积流量qmin为0.17 m3/h，最大体积流量qmax为3.10 m3/h。

可见，工况下气体流量较小，而范围度取为10：1，属于小流量测量。对比不同类型流量计，根据气体流量计选型流程，考虑流量计使用条件及工况下的流量范围，选择金属管浮子流量计较合适。作为用量仅次于差压式流量计的一类流量计，浮子流量计适用于中小管径和低流速的中小流量测量[5]。

2.2 流量计流量刻度换算

气体浮子流量计的出厂标定是用工程标准状态（20℃，0.101325 MPa）下空气进行的。因此，在选型过程中，需要将工况下的气体流量按式（8）换算成工程标准状态的标定空气流量值，然后再根据标定空气流量范围选择流量计口径。

式(8)中，q空气为用空气标定浮子流量计的流量；q为被测气体工况下的流量；p为被测气体工况下的绝对压力；T为被测气体工况下的热力学温度；ρ为被测气体在工程标准状态下的密度。

将气体参数qmin、pmax、Tmin和qmax、pmin、Tmax分别代入式(8)中，得到q空气min为 0.72 m3/h，q空气max为 9.65 m3/h。

因而，测量某型柴油机气体减压阀压缩空气管路的流量计应选用最大空气流量为10 m3/h的金属管浮子流量计。

根据合肥精大仪表公司提供的金属管浮子流量计选型样本，可选择LZ-/DE/Ⅱ15/2.5/30作为气体流量计。该型流量计压损为10 KPa，能够满足试验要求。

2.3 流量计刻度范围验证

选用的金属管浮子流量计其指示值为经换算后的工程标准状态下的流量，而测量的是工况下的介质流量。为验证所选流量计是否满足测量要求，根据式(9)将选用流量计的空气标定流量q’空气换算成标况下的空气流量qn’。

将相关参数代入式(9)，可得压缩空气的有效测量范围为4.25 ～31.11 N·m3/h，较好地解决了3～30 N·m3/h气体流量值的测量需求。

4 结束语

测量流体流量的流量计工作原理多样，产品种类繁多，且更新换代速度较快。因而选择合适的流量计是一项复杂的工作，有必要建立科学的流量计选型流程。实验证明，本文提出的气体流量计选型流程为流量计快速选型提供了一种实用方法。

为解决某型柴油机气体减压阀压缩空气管路小流量的准确计量问题，选用金属管浮子流量计是一种最佳方案，该流量计可确保流量测试的需要。本文研究也为其他中压、小口径、小流量管路流量计选型提供了借鉴。

[1] 柳颖. 基于 HART协议的智能金属浮子流量计的研究[D]. 浙江：浙江大学硕士毕业论文，2006，3.

[2] 梁国伟，蔡武昌. 流量测量技术及仪表[M]. 北京：机械工业出版社，2002，5.

[3] 杨有涛. 气体流量计[M]. 北京：中国计量出版社，2007，8.

[4] 川田裕郎等. 流量测量手册[M]. 北京：中国计量出版社，1982.

[5] 黄金潮，林清萍. 转子流量计的原理与应用[J]. 中国仪器仪表.2005，(4)：54～57.