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平衡流量计

简介
  美国国家航空航天局(NASA:National Aeronautics and Space Admi-nistration)是一个美国联邦政府机构,负责美国航空航天计划和实施,技术领先于世界。
  马歇尔航空飞行中心(NASA-MSFC)针对航天飞机的主发动机液氧测量而发明出一种新型流量计,称为平衡流量计(BFM: Balanced Flow Meter)。平衡流量计与传统节流装置相比:测量精度提高5~10倍、流动噪声降低到1/15、永久压力损失约为1/3、压力恢复快2倍、最小直管段可以缩短到0.5D。平衡流量计没有活动的部件,安装和使用非常简单方便,可省去大量直管段,大大减少流体运行的能量消耗,是一种应用前景广阔的节能仪表。
  平衡流量计对传统节流装置进行了极大的改进,具有平衡整流的显著特征。传统节流装置只有一个流通孔径,节流后使流体失去了理想状态;而平衡流量计有多个函数孔径,能最大限度地把流场平衡整流成理想流体,从而将差压式流量计的优势发挥的淋漓尽致。平衡流量计几乎适用于所有流体测量,是流体测量技术的一场革命,NASA已经于2004年获得产品发明系列专利,并于2006年获得总统颁发的发明大奖。
为了研制这项技术,NASA和QMC组织了众多专家对平衡流量计进行了大量的试验,约10万组流量测量数据反映出测试结果良好,产品性能令人欣慰。从2003年起,NASA委托旗下企业A+Flowtek对平衡流量计在工业领域的应用进行了技术研发,目前平衡流量计已经广泛应用到石油、化工、冶金、电力、天然气、水处理等行业。
产品原理
  平衡流量计是一种革命性的差压式流量仪表,其工作原理与其他差压式流量计一样,都是基于密封管道中的能量转换原理:在理想流体的情况下管道中的流量与差压的平方根成正比;用测出差压值根据伯努利方程即可计算出管道中的流量。平衡流量传感器是一个多孔的圆盘节流整流器,安装在管道的截面上,每个孔的尺寸和分布是基于特殊的公式和测试数据而定制的,称为函数孔。当流体穿过圆盘的函数孔时,流体将被平衡整流,涡流被最小化,形成近似理想流体,通过取压装置,可获得稳定的差压信号,根据伯努利方程计算出体积流量、质量流量。
 
式中:Q=流体流量
      K=仪表系数、无量纲,与流量计的类型有关
      Y=气体膨胀系数、无量纲,对不可压缩流体Y=1
       △P=PH-PL 
       ρ=流体密度
  标准节流装置由于只有一个流通孔径,节流装置两边的流场死区会产生大量的涡流消耗流体的动能,从而导致很大的永久压力损失;杂乱涡流所形成的噪声引起取压点信号波动,使测量线性度和重复性降低;一个孔的节流装置,需要很长的直管段来整理流场和恢复压力。平衡流量计的测试和检定是由美国航天技术人员进行的,相关技术和测试数据经过田纳西A&M大学确认。测试结果证明:平衡流量计通过多孔圆盘整理流场,巧妙的实现流体平衡测量,明显减少涡流的形成、降低流场死区、降低流体动能的损失、降低杂乱涡流导致的取压点信号波动。

产品特点
  平衡流量计具有精度高、直管段短、压损低、量程比宽、重复性和长期稳定性好、耐脏污、适应性广等优点。
测量精度高
  由于平衡流量传感器具有多孔对称结构特点,能对流场进行平衡整流,降低了涡流、振动和信号噪声,流场稳定性大大提高,使线性度比传统节流装置提升了5~10倍。
  经过实流标定,传感器精度可达±0.3%、±0.5%,适用于贸易计量场合;
  几何尺寸标定,传感器精度可达±0.5%、±1.0%,适用于过程控制场合;
  平衡流量计加工重复性极高,与标准节流装置一样,在实流标定数据基础上,可以实现几何尺寸检定。
无直管段要求
  平衡流量传感器能将流场平衡、整流稳定、且压力恢复比传统节流装置快2倍,大大缩短了对直管段的要求。一般情况下直管段要求为前0.5D、后0.5D,从而省去大量直管段,尤其是特殊昂贵的材料的管道。
 
永久压力损失低
  平衡流量计多孔对称的平衡设计,减少了涡流的形成和紊流的摩擦,降低了动能的损失;在产生同样差压值情况下,永久压力损失约为传统节流装置的1/3,节省了相当大的运行成本,是一种节能型仪表。
量程比宽
  平衡流量计正常情况下量程比为15:1,选择合适的参数可以做到30:1、50:1或更高。雷诺数大于50000时,选择合适的口径参数,量程比无上限。平衡流量计的β值范围为0.25~0.90。
重复性和长期稳定性好、无需重复标定
  平衡流量计的函数孔分散受力,无锐角磨损,其β值长期保持不变,整个仪表无可动部件,因此无需重复标定,长期稳定性好,使用寿命长。函数孔对流场进行平衡整流,降低了涡流、振动和信号噪声,流场稳定性大大提高,重复性为≤±0.1%。
耐脏污不易堵
  平衡流量计多孔对称的平衡设计,减少了涡流的形成和紊流的摩擦,降低流场死区,保证脏污介质顺利通过函数孔,因此平衡流量计可用于测量各种脏污介质,如焦炉煤气、高炉煤气、渣油、回炼油、水煤浆等等。
适用范围广
  平衡流量计测量范围极广,可测量各种气体、液体、蒸汽;流体条件可以从深低温到超临界状态,过程温度最高达850℃,最大工作压力可达42MPa;雷诺数从200到1000万,产生的刻度差压值从0.1KPa到几百KPa。
  由于特殊的函数孔设计,平衡流量计可以测量各种复杂工况介质:各种混合气体(如瓦斯、沼气、煤气等等)、各种低温气体(如LNG、液氮、液氧、液氩、液氢、液氯、液化乙烯、液化石油气等等)、气液两相介质(如湿气)、浆料、多相水流、震动水流、电磁干扰介质和双向流(因为平衡流量计左右完全对称)。

 
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