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测量高粘度流体时该如何去选型

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测量高粘度流体确实比测量低粘度流体更具挑战性,需要特别考虑流体特性和仪表工作原理。以下是选型的关键步骤和推荐仪表类型:

一、 理解高粘度流体的挑战

  1. 流动性差: 需要更大的驱动力(压差)才能流动。

  2. 层流倾向: 雷诺数低,流动多为层流状态,而非湍流。

  3. 粘附性强: 容易粘附在管道和仪表壁上,造成残留、污染或堵塞。

  4. 剪切敏感性: 部分高粘度流体(如聚合物熔体、食品浆料)的粘度会随剪切速率变化(非牛顿流体)。

  5. 温敏性: 粘度通常对温度高度敏感,需要温度控制或补偿。

  6. 启动阻力大: 仪表启动时需要克服更大的流体静摩擦力。

二、 选型关键考虑因素

  1. 粘度范围: 具体粘度值是多少?(例如:几百 cP, 几千 cP, 几万 cP, 甚至更高?)

  2. 流体性质:

    • 清洁度: 是否含有固体颗粒、纤维、气泡?(这极大影响可选仪表类型)

    • 腐蚀性: 对仪表材料的腐蚀性如何?

    • 润滑性: 流体本身是否有润滑性?

    • 牛顿流体 vs 非牛顿流体: 粘度是否随剪切速率变化?

    • 温度与压力范围: 工作温度和压力是多少?粘度随温度变化大吗?

  3. 流量范围: 最小流量、常用流量、最大流量是多少?高粘度下的流量通常较低。

  4. 精度要求: 需要多高的测量精度?(贸易结算、过程控制、一般监控?)

  5. 压力损失: 工艺系统能承受多大的压力损失?高粘度本身压损就大,仪表产生的额外压损需要最小化。

  6. 维护要求: 现场维护的便利性和频率要求。

  7. 安装条件: 管道尺寸、方向、直管段要求、振动情况。

  8. 输出信号与通讯: 需要模拟信号 (4-20mA)、脉冲输出、数字通讯 (HART, Profibus, Modbus等)?

  9. 成本预算: 包括购置成本、安装成本和长期维护成本。

三、 推荐的流量计类型(适用于高粘度流体)

  1. 容积式流量计:

    • 对杂质敏感: 固体颗粒或纤维会造成严重磨损甚至卡死。必须确保流体清洁或加装高质量过滤器。

    • 运动部件存在磨损,需要定期维护(如椭圆齿轮、刮板式)。

    • 可能产生较大压力损失(相对其他类型,但在高粘度下本身压损就大)。

    • 体积和重量可能较大。

    • 价格通常较高。

    • 最适合高粘度流体! 测量精度高(尤其在中高粘度下),几乎不受粘度、密度、流动状态(层流/湍流)变化的影响。

    • 低压损启动: 启动扭矩相对较小,适合高粘度。

    • 宽量程比: 量程比较宽,能适应一定的流量变化范围。

    • 直管段要求低。

    • 原理: 通过机械测量室连续地充满和排放固定体积的流体来计量流量。

    • 优点:

    • 缺点:

    • 常见类型: 椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、旋转活塞流量计、刮板流量计。

    • 选型要点: 优先考虑清洁流体;注意材质兼容性(腐蚀性);根据粘度、流量范围选择合适型号;考虑维护便利性。

  2. 科里奥利质量流量计:

    • 初始成本最高。

    • 压力损失可能较大(取决于管型设计,双直管型压损较小)。

    • 对安装应力和管道振动敏感。

    • 管径较大时,设备可能很重且昂贵。

    • 对于极端高粘度或易凝固流体,需注意选择合适管型(如单直管型)并可能需要保温伴热。

    • 直接测量质量流量,精度非常高。

    • 不受流体物性(粘度、密度、压力、温度)变化的影响。 这是其巨大优势,尤其对于温敏性强的流体。

    • 无直管段要求。

    • 可测量非牛顿流体。

    • 无活动部件在流道内(U型管等),不易堵塞(取决于管型)。

    • 原理: 基于科里奥利力效应,直接测量流体的质量流量,同时可测密度和温度。

    • 优点:

    • 缺点:

    • 选型要点: 预算充足且对精度要求极高时的首选;注意管型选择(防堵、压损);考虑振动环境;确保安装符合要求。

  3. 转子式流量计:

    • 需要粘度修正! 标准刻度通常基于水或空气。测量高粘度流体时,必须使用针对该粘度的专用刻度表,或配备能进行粘度补偿的变送器/计算系统,否则误差极大。

    • 精度相对较低(尤其未经粘度补偿时)。

    • 一般需要垂直安装。

    • 玻璃管有破裂风险(金属管无此问题)。

    • 对流体密度变化也敏感(也需要修正)。

    • 结构简单,直观(就地指示),价格相对低廉。

    • 压损较低且恒定。

    • 适用于中小管径和中小流量。

    • 有多种材质可选。

    • 原理: 变面积式。浮子在锥形管中随流量增大而上升,位置对应流量。

    • 优点:

    • 缺点:

    • 选型要点: 必须明确供应商能提供针对被测流体粘度的准确刻度或补偿方案; 适用于清洁流体;注意安装方向。

四、 通常不推荐用于高粘度流体的类型及原因

  1. 涡轮流量计:

    • 原因: 轴承摩擦在高粘度下急剧增大,导致转子难以启动或转速过低,灵敏度差,精度骤降,甚至卡死。仅适用于很低粘度的流体。

  2. 电磁流量计:

    • 原因: 要求流体必须导电。绝大多数高粘度流体(如油类、熔融聚合物、糖浆等)都是非导电的。仅适用于导电性浆料(如某些高粘度水煤浆)。

  3. 超声波流量计(时差法):

    • 原因: 超声波信号在高粘度流体中衰减严重,信噪比差,难以准确测量传播时间差。精度和可靠性大幅下降。多普勒法适用于含气泡/颗粒的流体,但在纯高粘度流体中同样效果不佳。

  4. 涡街流量计:

    • 原因: 依赖于在流体中形成稳定的卡门涡街。高粘度下流体惯性小,粘性力主导,难以形成或稳定涡街,信号非常微弱甚至消失。仅适用于低粘度流体。

  5. 差压式流量计(孔板、文丘里等):

    • 压损极大: 高粘度本身压损就高,加上节流件产生的压损,总压损可能超出系统承受能力。

    • 难以维持湍流: 高粘度下多为层流,差压与流量的平方根关系在层流区失效(变为线性关系),导致严重误差,除非进行复杂的层流修正。

    • 引压管易堵塞: 粘稠流体容易堵塞取压孔和引压管。

    • 原因:

    • 结论: 极不推荐,除非在特定低流量、特殊设计或别无选择的情况下,并充分评估压损和误差。

五、 安装与使用注意事项(针对高粘度流体)

  1. 保温与伴热: 防止流体在管道或仪表内冷却、粘度进一步升高或凝固。对温敏性流体至关重要。

  2. 过滤器: 对于容积式等对杂质敏感的仪表,必须在仪表上游安装合适目数的高效过滤器,并定期维护。

  3. 排气: 确保管道和仪表内没有气泡,气泡会导致测量错误(尤其容积式、科氏力)。

  4. 启动与冲洗:

    • 启动前,如果流体易凝固,需先用热媒或低粘度流体预热/冲洗管路和仪表。

    • 启动时缓慢增加流速,避免对仪表造成过大冲击。

  5. 管道设计: 尽量减少弯头、阀门等阻力件,以降低系统总压损。保证足够长的上游直管段(虽然容积式和科氏力要求不高,但其他仪表可能需要)。

  6. 粘度补偿: 对于受粘度影响的仪表(如转子式),必须实施有效的粘度补偿(通过在线测量粘度、温度补偿或使用预设的粘度-温度曲线)。

  7. 定期维护与校准: 高粘度流体更容易造成磨损、沉积或堵塞,需按厂家建议进行定期清洗、润滑、检查和校准。

总结选型流程

  1. 明确需求: 详细列出所有关键参数(粘度、流量范围、流体性质、精度、压力损失限值、温度压力、清洁度、预算等)。

  2. 初步筛选:

    • 流体导电? -> 是:考虑电磁(如果粘度极高也需谨慎);否:排除电磁。

    • 清洁度差(含固/纤)? -> 是:谨慎选择容积式(必须配强力过滤)或考虑特殊设计的科氏力(如单直管); 否:容积式、科氏力、转子式(需粘度补偿)都是选项。

    • 预算高且要求高精度/质量流量? -> 是:优先科里奥利。

    • 预算中等,流体清洁? -> 是:优先容积式(椭圆齿轮、腰轮等)。

    • 就地指示、中小流量、预算有限、流体清洁且能进行可靠粘度补偿? -> 是:考虑转子式。

  3. 排除不适用类型: 坚决排除涡轮、标准超声波(时差法)、涡街、差压式(孔板等)。

  4. 详细评估候选仪表: 联系多个供应商,提供详细的工况参数,获取具体型号的技术资料、选型计算书(压损、精度、量程比)和报价。重点询问:

    • 该型号在指定粘度下的实际性能(精度、重复性、量程下限)。

    • 启动扭矩/压差要求。

    • 粘度补偿方案(针对转子式)。

    • 防堵设计(针对含固可能)。

    • 材料兼容性。

    • 安装和维护要求。

  5. 综合决策: 权衡技术性能(精度、可靠性、压损)、维护成本、初始成本、安装便利性等因素,选择最合适的仪表。

切记:没有“最好”的流量计,只有“最合适”特定高粘度应用工况的流量计。提供尽可能详细的工况信息给供应商是成功选型的关键。


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广州宏翔自动化仪表有限公司 Tel:020-82171922/13826020058/13480273288

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