圓孔式新型流量計特性研究

喬 樂，吳 劍，李永業

(太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024)

0 引 言

流量是水流測量過程中的重要參數。21世紀以來，能源計量，環境保護等領域迅猛發展，帶動了流量測量的發展，因此，流量計的進步舉世矚目[1]。目前國內外使用的流量計已超過60多種，其中主要有壓差式流量計、轉子流量計、渦輪、渦街流量計、電磁流量計、超聲波流量計等這幾種類型。每種流量計均有各自的特點和適用范圍[2]。其中：壓差式流量計構造簡單方便、耐久性強，但其測量精度較低、對流體介質的適用范圍要求高；渦街、渦輪流量計參數影響較小、可在多種介質中進行測量，但易被雜物卡?。浑姶帕髁坑?，不要求介質卻對溫度有要求；超聲波流量計可以在各種介質中進行測量，但發展水平不高，需要進一步提升；轉子流量計可測量流速較低的流體，但測量含有微粒的流體比較困難[3]。流量計發展對于提升工業生產的品質，提高工業生產的效率，保證工業產品的質量，確保工業生產過程中的環境保護，推動科技進步具有巨大的推動作用。改良流量計測量準確性，提高適應性及耐久性，控制流量計的生產成本必定成為流量計發展的趨勢[4]。

根據目前國內外流量計的發展可以看出，現有的流量計無法完全滿足所有液體不同的使用狀態，局限了流量計的適用范圍。同時各類流量計只能起到測量流量的作用，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，但卻不能準確地測量流量。因此，設計了一種圓孔式新型流量計，其在不需要使用電源的情況下，配合壓力表以及流量計本身的開度，就可以達到準確測量流量和控制流量的目的。該設計具有適用性強，功能多，成本低廉，節能減耗，耐久穩定性高，流量調節精度準確，調節范圍寬的優點。該圓孔式新型流量計的設計研究對推動流量計的發展具有重要作用。

1 圓孔式新型流量計設計

本研究設計了圓孔式新型流量計，其用于管道流量的測量，與用于渠道的閘、涵量水不同。輸水通道、流量測量系統、開度指示系統和擋板四部分構成了該新型流量計。本設計基于孔口出流原理[6]，通過確定壓力敏感系數與流量系數，從而得出流量與開度、壓力水頭之間的關系公式，在已知某一定壓力水頭的前提下，配合裝置本身的開度調節和指示裝置控制其輸水開度，從而實現測量流量和控制流量的目的。工作時，水流從輸水管進入流量計的進水口，壓環，套圈，從流量筒下的圓孔流出，構成流量計輸水通道，進水口位于套圈的中間位置，壓環和套圈使得流量計與輸水管道雙側相連，加強抗壓能力，擴大流量調節范圍。其獨特地將出水口改造成多排細致的小孔，由于本設計在有壓管道中進行，并不會造成堵塞與淤積問題。流量筒與流量桿通過螺紋鎖密結構相接，通過控制流量桿的推進距離，使得流量筒上的圓形小孔數目連續變化，進而精確調節控制流量，構成流量測量系統。指針與開度刻度盤構成開度指示系統，用來指示出水流量。設置擋板結構，上部為半圓形、下部為梯形，在水流從連續排孔流出時可對水流進行進一步的消能。具體設計如圖1所示。

圖1裝置設計圖Fig.1 Device design

2 圓孔式流量計試驗設計與結果分析

2.1 試驗設計

為了研究圓孔式流量計的輸水特性，試驗開展了在不同輸水開度下，圓孔式流量計不同壓力水頭的輸水流量研究。試驗以流量計的輸水開度及壓力水頭為變量，分別測量了圓孔式流量計在十個開度(0.1～1)，以出水孔面積占總出水面積的比例為依據，18個壓力水頭(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。該試驗系統由水泵、調節閥、管路、設計裝置、壓力表、流量計等組成。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 流量與壓力水頭的關系

根據試驗數據，通過對圓孔式流量計在不同開度下的壓力水頭與輸水流量進行乘冪函數擬合分析，更好地體現了輸水流量與壓力水頭的關系。擬合結果如圖2所示。

圖2 不同開度下，圓孔式流量計輸水流量Q與工作水頭H的關系圖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，圓孔式流量計在輸水開度一定時，隨著壓力水頭的增大，輸水流量增大。根據孔口出流原理，圓孔式流量計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，輸水開度必會增大，在上圖中也直觀地顯示這一趨勢。輸水流量與工作水頭呈乘冪函數關系，乘冪指數均在0.49左右，相關性較好，擬合度大于99%。

2.2.2 開度與壓力敏感系數的關系

為了更直觀地體現圓孔式流量計開度與壓力敏感系數之間的關系，將不同開度下的壓力水頭和流量乘冪擬合的結果列于圖3中。

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

通過圖3中數據，得出圓孔式流量計壓力敏感系數平均值0.494 24，可知最大壓力敏感系數與最小敏感系數的差值為0.009 2，變化幅度為1.74%，比較穩定。由此可得，圓孔式流量計開度對壓力敏感系數影響不大，壓力敏感系數非常穩定。

2.2.3 流量與壓力水頭、開度的關系

依據實際情況對孔口出流公式冪指數進行修正，圓孔式流量計可將壓力敏感系數α修正為0.494 24。因此，不同開度和壓力下的流量關系式為：

Q=μAmaxe(2gH)0.494 24

(1)

式中：μ為流量系數；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,可以反向推導出流量系數的公式：

(2)

由式(2)計算得出圓孔式流量計在不同開度下的流量系數見圖4。

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

對流量系數μ進行擬合，擬合變化趨勢近似于關于開度e的乘冪分布，由此可以得出流量系數μ為：

μ=0.157e-0.766

(3)

因此，圓孔式流量計輸水流量與開度，壓力水頭的關系為：

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

(4)

該公式的使用可以更直接準確地用于該流量計對流量的測量。將實測流量與計算流量的比較結果見圖5中，從圖中可以清晰地看出實測流量、計算流量之間有較強的一致性。因此，上述公式適用于這種裝置的測流要求，可以用于生產實踐，實現對流量的測量和調節控制。

圖5 實測流量與經驗公式擬合流量對比圖Fig 5 Comparison of measured flow and calculated flow

3 結 語

本文研究并設計了圓孔式新型流量計，通過輸水特性的分析，得出流量與開度、壓力水頭的計算經驗公式。圓孔式新型流量計能實現測量流量和控制流量的雙重功效，在實際工業生產過程中可根據所需調節和計算流量的大小，按照一定的比例進行縮放，從而實現對不同流量區間的流體的流量計算和調節，擴大了流量計的應用測量范圍。圓孔式新型流量計在使用過程中無污染，無噪音，無需提供能源動力，節能顯著，便于維修和替換，實際操作簡單易行，對使用者技術要求較低，可廣泛應用于實驗室、工廠等單位和工業生產與農業灌溉中。該設計結構簡單實用，造價低廉，具備投入工業生產使用的性能，具有廣泛的經濟效益，極大地促進了資源的有效利用。

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[1] 田 野,王 岳,郭士歡,等. 常見流量計的應用[J]. 當代化工,2011,(12):1 294-1 296,1 304.

[2] 冉 莉. 流量計現狀及發展趨勢[J]. 中國計量,2015,(11):72-73.

[3] 張建波. 淺談各種流量計的優缺點[J]. 計量與測試技術,2010,(7):4-5,7.

[4] 張立峰. 淺談三種類型流量計的應用分析[J]. 河北工程技術高等?？茖W校學報,2014,(2):51-53,58.

[5] 李 蘭. 淺談流量計的選擇[J]. 中國新技術新產品,2013,(5):103-104.

[6] 祝 洋，段宇星，滕保華.基于孔口出流模型的實驗研究及理論分析[J].物理實驗，2012，32(1)：41-44.