喬 樂，吳 劍，李永業(yè)

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引 言

流量是水流測(cè)量過程中的重要參數(shù)。21世紀(jì)以來，能源計(jì)量，環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域迅猛發(fā)展，帶動(dòng)了流量測(cè)量的發(fā)展，因此，流量計(jì)的進(jìn)步舉世矚目[1]。目前國內(nèi)外使用的流量計(jì)已超過60多種，其中主要有壓差式流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等這幾種類型。每種流量計(jì)均有各自的特點(diǎn)和適用范圍[2]。其中：壓差式流量計(jì)構(gòu)造簡單方便、耐久性強(qiáng)，但其測(cè)量精度較低、對(duì)流體介質(zhì)的適用范圍要求高；渦街、渦輪流量計(jì)參數(shù)影響較小、可在多種介質(zhì)中進(jìn)行測(cè)量，但易被雜物卡??；電磁流量計(jì)，不要求介質(zhì)卻對(duì)溫度有要求；超聲波流量計(jì)可以在各種介質(zhì)中進(jìn)行測(cè)量，但發(fā)展水平不高，需要進(jìn)一步提升；轉(zhuǎn)子流量計(jì)可測(cè)量流速較低的流體，但測(cè)量含有微粒的流體比較困難[3]。流量計(jì)發(fā)展對(duì)于提升工業(yè)生產(chǎn)的品質(zhì)，提高工業(yè)生產(chǎn)的效率，保證工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量，確保工業(yè)生產(chǎn)過程中的環(huán)境保護(hù)，推動(dòng)科技進(jìn)步具有巨大的推動(dòng)作用。改良流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確性，提高適應(yīng)性及耐久性，控制流量計(jì)的生產(chǎn)成本必定成為流量計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)[4]。

根據(jù)目前國內(nèi)外流量計(jì)的發(fā)展可以看出，現(xiàn)有的流量計(jì)無法完全滿足所有液體不同的使用狀態(tài)，局限了流量計(jì)的適用范圍。同時(shí)各類流量計(jì)只能起到測(cè)量流量的作用，而無法起到控制流量的作用[5]。閥門裝置可以有效地控制流量，但卻不能準(zhǔn)確地測(cè)量流量。因此，設(shè)計(jì)了一種圓孔式新型流量計(jì)，其在不需要使用電源的情況下，配合壓力表以及流量計(jì)本身的開度，就可以達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量流量和控制流量的目的。該設(shè)計(jì)具有適用性強(qiáng)，功能多，成本低廉，節(jié)能減耗，耐久穩(wěn)定性高，流量調(diào)節(jié)精度準(zhǔn)確，調(diào)節(jié)范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。該圓孔式新型流量計(jì)的設(shè)計(jì)研究對(duì)推動(dòng)流量計(jì)的發(fā)展具有重要作用。

1 圓孔式新型流量計(jì)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)了圓孔式新型流量計(jì)，其用于管道流量的測(cè)量，與用于渠道的閘、涵量水不同。輸水通道、流量測(cè)量系統(tǒng)、開度指示系統(tǒng)和擋板四部分構(gòu)成了該新型流量計(jì)。本設(shè)計(jì)基于孔口出流原理[6]，通過確定壓力敏感系數(shù)與流量系數(shù)，從而得出流量與開度、壓力水頭之間的關(guān)系公式，在已知某一定壓力水頭的前提下，配合裝置本身的開度調(diào)節(jié)和指示裝置控制其輸水開度，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量流量和控制流量的目的。工作時(shí)，水流從輸水管進(jìn)入流量計(jì)的進(jìn)水口，壓環(huán)，套圈，從流量筒下的圓孔流出，構(gòu)成流量計(jì)輸水通道，進(jìn)水口位于套圈的中間位置，壓環(huán)和套圈使得流量計(jì)與輸水管道雙側(cè)相連，加強(qiáng)抗壓能力，擴(kuò)大流量調(diào)節(jié)范圍。其獨(dú)特地將出水口改造成多排細(xì)致的小孔，由于本設(shè)計(jì)在有壓管道中進(jìn)行，并不會(huì)造成堵塞與淤積問題。流量筒與流量桿通過螺紋鎖密結(jié)構(gòu)相接，通過控制流量桿的推進(jìn)距離，使得流量筒上的圓形小孔數(shù)目連續(xù)變化，進(jìn)而精確調(diào)節(jié)控制流量，構(gòu)成流量測(cè)量系統(tǒng)。指針與開度刻度盤構(gòu)成開度指示系統(tǒng)，用來指示出水流量。設(shè)置擋板結(jié)構(gòu)，上部為半圓形、下部為梯形，在水流從連續(xù)排孔流出時(shí)可對(duì)水流進(jìn)行進(jìn)一步的消能。具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1裝置設(shè)計(jì)圖Fig.1 Device design

2 圓孔式流量計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究圓孔式流量計(jì)的輸水特性，試驗(yàn)開展了在不同輸水開度下，圓孔式流量計(jì)不同壓力水頭的輸水流量研究。試驗(yàn)以流量計(jì)的輸水開度及壓力水頭為變量，分別測(cè)量了圓孔式流量計(jì)在十個(gè)開度(0.1～1)，以出水孔面積占總出水面積的比例為依據(jù)，18個(gè)壓力水頭(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)下的輸水流量。該試驗(yàn)系統(tǒng)由水泵、調(diào)節(jié)閥、管路、設(shè)計(jì)裝置、壓力表、流量計(jì)等組成。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 流量與壓力水頭的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對(duì)圓孔式流量計(jì)在不同開度下的壓力水頭與輸水流量進(jìn)行乘冪函數(shù)擬合分析，更好地體現(xiàn)了輸水流量與壓力水頭的關(guān)系。擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同開度下，圓孔式流量計(jì)輸水流量Q與工作水頭H的關(guān)系圖Fig.2 Relationship between flow rate Q and working head H for round hole type water distribution device at different opening degrees

從圖2可以看出，圓孔式流量計(jì)在輸水開度一定時(shí)，隨著壓力水頭的增大，輸水流量增大。根據(jù)孔口出流原理，圓孔式流量計(jì)在相同的壓力水頭情況下，隨著輸水流量的增大，出水面積必將增大，由于輸水開度的增大，出水面積增大，因此，輸水開度必會(huì)增大，在上圖中也直觀地顯示這一趨勢(shì)。輸水流量與工作水頭呈乘冪函數(shù)關(guān)系，乘冪指數(shù)均在0.49左右，相關(guān)性較好，擬合度大于99%。

2.2.2 開度與壓力敏感系數(shù)的關(guān)系

為了更直觀地體現(xiàn)圓孔式流量計(jì)開度與壓力敏感系數(shù)之間的關(guān)系，將不同開度下的壓力水頭和流量乘冪擬合的結(jié)果列于圖3中。

圖3 圓孔式流量計(jì)開度與壓力敏感系數(shù)的關(guān)系曲線Fig.3 The relationship between the opening and the pressure sensitive coefficient of the round hole type water distribution device

通過圖3中數(shù)據(jù)，得出圓孔式流量計(jì)壓力敏感系數(shù)平均值0.494 24，可知最大壓力敏感系數(shù)與最小敏感系數(shù)的差值為0.009 2，變化幅度為1.74%，比較穩(wěn)定。由此可得，圓孔式流量計(jì)開度對(duì)壓力敏感系數(shù)影響不大，壓力敏感系數(shù)非常穩(wěn)定。

2.2.3 流量與壓力水頭、開度的關(guān)系

依據(jù)實(shí)際情況對(duì)孔口出流公式冪指數(shù)進(jìn)行修正，圓孔式流量計(jì)可將壓力敏感系數(shù)α修正為0.494 24。因此，不同開度和壓力下的流量關(guān)系式為：

Q=μAmaxe(2gH)0.494 24

(1)

式中：μ為流量系數(shù)；e為輸水開度；Q為流量，m3/s；H為工作水頭，m；Amax為出水口的最大出流面積，m2。

由式(1)可見,可以反向推導(dǎo)出流量系數(shù)的公式：

(2)

由式(2)計(jì)算得出圓孔式流量計(jì)在不同開度下的流量系數(shù)見圖4。

圖4 圓孔式流量計(jì)開度與流量系數(shù)之間的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between opening degree and flow coefficient of the round hole type water distribution device

對(duì)流量系數(shù)μ進(jìn)行擬合，擬合變化趨勢(shì)近似于關(guān)于開度e的乘冪分布，由此可以得出流量系數(shù)μ為：

μ=0.157e-0.766

(3)

因此，圓孔式流量計(jì)輸水流量與開度，壓力水頭的關(guān)系為：

Q=0.157Amaxe0.234(2gH)0.494 24

(4)

該公式的使用可以更直接準(zhǔn)確地用于該流量計(jì)對(duì)流量的測(cè)量。將實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量的比較結(jié)果見圖5中，從圖中可以清晰地看出實(shí)測(cè)流量、計(jì)算流量之間有較強(qiáng)的一致性。因此，上述公式適用于這種裝置的測(cè)流要求，可以用于生產(chǎn)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的測(cè)量和調(diào)節(jié)控制。

圖5 實(shí)測(cè)流量與經(jīng)驗(yàn)公式擬合流量對(duì)比圖Fig 5 Comparison of measured flow and calculated flow

3 結(jié) 語

本文研究并設(shè)計(jì)了圓孔式新型流量計(jì)，通過輸水特性的分析，得出流量與開度、壓力水頭的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。圓孔式新型流量計(jì)能實(shí)現(xiàn)測(cè)量流量和控制流量的雙重功效，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中可根據(jù)所需調(diào)節(jié)和計(jì)算流量的大小，按照一定的比例進(jìn)行縮放，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同流量區(qū)間的流體的流量計(jì)算和調(diào)節(jié)，擴(kuò)大了流量計(jì)的應(yīng)用測(cè)量范圍。圓孔式新型流量計(jì)在使用過程中無污染，無噪音，無需提供能源動(dòng)力，節(jié)能顯著，便于維修和替換，實(shí)際操作簡單易行，對(duì)使用者技術(shù)要求較低，可廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室、工廠等單位和工業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)灌溉中。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，造價(jià)低廉，具備投入工業(yè)生產(chǎn)使用的性能，具有廣泛的經(jīng)濟(jì)效益，極大地促進(jìn)了資源的有效利用。

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[1] 田 野,王 岳,郭士歡,等. 常見流量計(jì)的應(yīng)用[J]. 當(dāng)代化工,2011,(12):1 294-1 296,1 304.

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[4] 張立峰. 淺談三種類型流量計(jì)的應(yīng)用分析[J]. 河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2014,(2):51-53,58.

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