探詢插入式流量計的度
更新時間：2010-10-18 點擊次數(shù)：3526次
隨著工業(yè)的日益現(xiàn)代化
，市政建設的社會化等因素，工業(yè)，市政，能源等所用的管道口徑逐漸增大。采用節(jié)流裝置（如孔板，文丘里管）不僅壓損過大，且結構過于龐大笨重;而采取近期嶄露頭角的超聲流量計
，價格又過于昂貴。近二三十年來
，插入式流量計以其結構簡單
，重量輕，安裝維護簡便
，壓損小
，價格低廉等優(yōu)點，普遍受到人們的關注與選用
。其特點是基于只測管道中一點（或幾點）的流速來推算流量
，雖簡單卻隱含了度難以提高的缺點。在當前市場經(jīng)濟的條件下
，物流一般要求進行經(jīng)濟核算
。為此，有必要探詢在實際應用條件下
，其度能否達到不少廠家所宣稱的±1%。
一 插入式流量計的種類與特點
1 種類
對流量儀表的劃分一般是按原理進行的
，如節(jié)流
，渦街，電磁
，超聲等
，這些儀表大多通過法蘭安裝在管道上。而插入式流量計顧名思義是以插入形式安裝的流量儀表
，通過測量管道中的一點（或幾點）的流速來推算流量的
。可以說
，凡是可以測量流速大小的儀表
，均可以測量流速大小的儀表，均可成為插入式流量計（本文只討論測一點流速的插入式流量計）
，這類流量計目前常用的有：
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。?）皮托管，是一種經(jīng)典
，較為準確的流速計
，幾十年前常用于現(xiàn)場測量
，由于易于堵塞，輸出差壓小
，現(xiàn)很少用于工業(yè)現(xiàn)場
，但仍常用于校驗。
?div id="4qifd00" class="flower right">
。?）皮托—文丘里管
，也稱為雙喇叭管或雙文丘里管，也是基于皮托管測速原理
，只是結構上采取了加速
，降壓措施，在相同流速條件下
，可較皮托管獲得更大的差壓
，且不易堵塞，可耐高溫
，但度不高
。
（3）其他如渦街
，渦輪
，電磁等流量儀表均可反映流速的大小?div id="d48novz" class="flower left">
？蓪⑵渥龀删〉臏y量頭
，通過測量管道中某點的流速來推算流量（圖1）。
2. 優(yōu)
、缺點
?div id="d48novz" class="flower left">
。?）結構簡單，輕便
，制造成本較低
。
（2）壓損小，運行費用低
，是一種節(jié)能儀表
。
（3）一種結構可用于多種口徑（限于點速式），可減少用戶備用數(shù)量
。
（4）便于包裝
，運輸，安裝
，維護
。
（5）可不斷流進行安裝，拆卸，避免了斷流造成的經(jīng)濟損失
。
（6）管道中的流速分布對測量度影響太大
，要求直管段長達30D~50D。
（7）現(xiàn)場情況復雜
，對其應用有很大影響
，難以標準化。
（8）度很難提高
，一般只能達到±（3~5%）
。
二 工業(yè)管道中的流速分布
1.充分發(fā)展紊流
按定義，管道中的流量qv等于管道截面積A乘以通過此截面的軸向流速V
，即qv=AV
。但由于管道上游的各種阻力件（彎頭，變徑管
，岐管
，閥門等）的影響，流速分布十分復雜
，不僅不是常數(shù)
，還有徑向分速，漩渦及二次流（圖2）所幸在實際流體的黏性作用下
，通過30—50倍管徑長度的直管段后
，流速分布將趨于一種較為固定的形式，這種流動稱為充分發(fā)展
？
？流。幾十年來
，工程界約定將這種流動作為流量測量的標準流動（圖三）
。
早在1932年，Nikuradse就對光滑管中的這種流動進行了系統(tǒng)測試
，并用（1）進行了描述：
V=Vm（y/R）1/n （1）
式中，V——在測量點的流速
；Vm——管道中心的zui大流速
；y——測量點至管壁的距離；R——管道半徑
；n——指數(shù)
，取決于雷諾數(shù)Re，如表1所示
。
| Re | 4×103 | 2.3×104 | 1.1×105 | 1×106 | ＞2×106 |
| N | 6 | 6.6 | 7 | 8.8 | 10 |
表一 雷諾數(shù)Re與指數(shù)n的關系
盡管后來不少人認為
，在管壁Y=0及中心Y=（0.8—1）R處，式（1）與實際情況有些出入
，但因其簡單
，至今仍常用于描述充分發(fā)展紊流
。
2.平均流速點yc
由于充分發(fā)展紊流的流速旋轉對稱于軸心，則流量qv可用積分表示：
以上推導得出充分紊流條件下的平均流速點為yc
，只需將測量頭置于yc上
，就可得到流量qv；或?qū)y量頭置于管道中心（y=R）處
，測得流量
，再用式（4）修正，也可以得到流量qv
。
3.平均流速點是變化的
從式（1）可見
，充分發(fā)展紊流速度分布取決于內(nèi)諾數(shù)Re（圖3）因此平均流速點yc將隨Re變化。在Re數(shù)為4×103~4×106時
，yc的變化規(guī)范為（0.245~0.254）R
。按ISO7145規(guī)定，取其平均值為yc=（0.242±0.013）R
。而插入式流量計測量頭固定后
，不可能隨Ｒｅ改變，說明即使位置安裝正確
，由于Re變化
，引入誤差也將達到±0.7%。
不僅如此
，繼Nikuradse后
，Logan，Townrs
，Pao等人對粗糙管進行了速度分布測試
，認為管壁粗糙度對其也有些影響（圖4）。
PAO甚至認為在粗糙管條件下
，yc=0.216R
，且基本不變。對此可舉例說明
，如采用直徑為300mm的新鋼管
，內(nèi)壁粗糙度ε為0.15，則ε/D=0.005
，可視為光滑管
。由于插入式流量計一般使用的管徑都大于300mm，所以很少出現(xiàn)pao
所說的管壁粗糙度也有影響的情況
。
在實用中往往為便于安裝
，將測量頭置于管道中心，此處速度分布平坦，變化梯度趨于零
，避開了因此帶來的測量誤差
。但此處所測流速不是平均流速Vc而是zui大流速Vm，因此還需系數(shù)Vc/Vm修正
，才是流量qv
，系數(shù)Vc/Vm也將隨雷諾數(shù)Ｒｅ及粗糙度ε的變化而變化（圖5）
三 影響流量度的因素
1.流速分布
以上分析的前提是測量頭必須處于充分發(fā)展紊流中，要滿足這個條件
，其上游直管段的長度Ｌ就應達到如表2所示的要求
。由于插入式流量計多用于大口徑管道，在實際應用中
，很難達到表2所示的要求
，由此將帶來較大的誤差。初步測試表明：這種以測點速確定流量的插入式流量計
，當直管段Ｌ不足8D時
，流速誤差將達到±（10-15）%；L達到15D后
，可減小大±（5-8）%
；而如果直管段長度達到表2所示的要求時，僅受雷諾數(shù)Re及粗糙度的影響
，可控制在±（0.7-1）%
。附帶說，如采用測多點流速插入式流量計（如均速管
，即使直管段只有8D—10D
，度也將會提高不少。
2.阻塞度
插入式流量計的插入桿及測量頭將減少測量截面
，改變流速大小及分布
，由此帶來流量測量的偏差用？
？
？來表示。
阻塞系統(tǒng)S可表示為
3.速度梯度
如測量頭定在平均流速點ye處
，此處的速度分布具有較大的速度梯度dv/dy根據(jù)Piandte Von,Karman理論
，實測的流速并不是測量頭中心的流速，它還取決于阻力系數(shù)速度梯度dv/dy為
。如采用一般鋼管，則dv/dy=0.64.
4.截面積
插入式流量計的測量頭只能反映流速的大小
，要進行流量測量還必須知道截面積A
，但是在實際應用中很少（也不太可能）拆開管道來測量管道的截面積。按ISO 7145的建議，通過測量管道外部周長P
，根據(jù)用戶提供的壁厚e
，可確定管道的截面積。由于管壁上往往有突起物（如焊縫）
，所以需要△P予以修正
。
式中a——突起物的高度
插入式流量計不同于法蘭式流量儀表，流量度往往取決于這個易于忽悠而又十分重要的截面積參數(shù)
。但其周長VDE測量往往僅采用度很差的卷尺
；而用戶提供的壁厚資料又常忽略了管壁的銹蝕，積垢等因素
，因此截面積的標準偏差估計應在±1%以上
。
5.流速
這里說的流速是指測量頭所測得流速度。如果測量頭每支都進行流速標定
，則插入式流量計的度取決于測量頭本身
，顯示儀表及檢驗裝置等幾項的度。如認真對待
，有可能達到±1%,這可能就是不少廠家所宣稱其生產(chǎn)的插入式流量計的度
。要強調(diào)指出的是，這只是流速度
，而不是流量度
。
四 流量度的估算
1.誤差的傳遞
流量qv是一些獨立參數(shù)X1，X2……Xn的綜合推導量
，如σX1
，σX2……σXn是對各獨立參數(shù)標準偏差的估計值。根據(jù)誤差傳遞理論
，流量的標準偏差σqv應為：
流量儀表的度即計量術語中的不確定e
，在95%的置信度范圍內(nèi)，應是該參數(shù)標準偏差σ的2倍
。即：
2.度的估算
?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">。?）測量頭位于平均流速點處
如上所述，當插入式流量計測量頭位于截面平均流速點處時
，影響度的因素有速度分布
，阻塞度，截面積
，速度階梯
，流速。其流量的度為：
式中σV/V——由于速度分布的原因
，所測的流速不是平均流速點的流速而引起的標準誤差
，它與直管段長度L有關
，當L達到表2所示的要求時，σV/V取0.007~0.01
；當L=8D時
，σV/V取0.1~0.15；當L=15D時
，σV/V取0.05~0.08
。
σV/V——截面積測量的標準偏差，按常規(guī)測量
，取0.008~0.015
。
σS/S——因阻塞而引起的標準偏差，一般為0.0025~0.0075
，此處取0.005
。
σy1——因速度梯度影響產(chǎn)生的標準偏差，根據(jù)有關資料
，dv/dy=0.64
，σy1=0.067。
σy2——因測量頭位置安裝不準產(chǎn)生的標準偏差
，σy2=0.01
。
σV0/V0——測量頭的速度標準偏差，取0.008~0.01
。
將以上各項代入式（10）
，當L達到表2所示的要求時：
（2）當測量頭位于管道中心處時
五 幾點說明和建議
?div id="m50uktp" class="box-center"> 。?）評估的度僅供參考
本文對插入式流量計的度進行了量的評估
，估計了各種影響因素的大小，雖有一定的依據(jù)
，且就低不就高
，也僅供參考，并非不可變更的
。在今后的實用中
，如減少了某些因素的偏差，總的度當然可能提高
。但要達到±1%目前還是不可能的
。
（2）流速分布式?jīng)Q定因素
當直管段長度L達到表2的要求時
，管內(nèi)流動的為充分發(fā)展紊流
，流速分布帶來的偏差σV/V僅取決于雷諾數(shù)Re及粗糙度ε大致為0.007~0.01，與其他因素的偏差接近
，而其他偏差仍將起作用
。而當L達不到表2的要求時
，σV/V將可能達到0.05~0.15，大于其他偏差近10倍
，如平方后則大于百倍，成為影響度的決定性因素
。它說明了即使生產(chǎn)廠家將測量頭的度提的再高
，由于使用條件達不到要求，對提高流量度將無濟于事
，難以奏效
。
（3）流場調(diào)整器（Flow Conditioners）的作用
為解決現(xiàn)場直管段短又要獲得理想流場的矛盾
，40年來
，不少人為此努力并研制了不少流場調(diào)整器，如Zanker,Sprenkle,AGA,ASME,AMCA等
。它們的結構基本有管束及多孔板組成
，實用中將帶來壓損大，安裝煩瑣
，增加成本等弊端
，使采用插入式流量計的優(yōu)點蕩然無存。因此
，在采用插入式流量計的應用中并未被廣泛推廣采用
。是否可研制一種擺脫管束，多孔板結構的新型流場調(diào)整器呢
？
?div id="4qifd00" class="flower right">
。?）應該重視流場的基礎研究
迄今為止，以上討論都基于無論管內(nèi)是否為充分發(fā)展紊流
，測量頭都必須安裝在平均流速點0.242R或管道中心處
，到達不到表2的要求時，測量度將非常低
、設想如果對一典型阻力件后的流場進行系列的詳細測試研究
，即或只是粗略的描述，能在不同阻力件后不同長度上找到平均流速點的相應位置
，或是軸心流速與平均流速的修正函數(shù)
，就有可能大大提高插入式流量計的度，擺脫直管段長度不足
，度過低的困擾
。
（5）檢測與計量是不同的概念
在自控系統(tǒng)中
，檢測儀表是系統(tǒng)的信息源頭
，它的輸出信息與被檢參數(shù)的函數(shù)關系應單一
，穩(wěn)定，是簡單的線性
，而并不要求測出被檢參數(shù)的確切值
。而計量則不同，它往往用于經(jīng)濟核算
，必須知道所測參數(shù)的確切值
。檢測與計量可以說采用基本相同的手段（儀表），而要達到的目的卻有所側重
。作為自控系統(tǒng)中信息源頭的檢測儀表
，往往更關心其重復性，也確有人把它說成度
，顯然
，這是有區(qū)別的。對插入式流量儀表來說
，只要在距離阻力件后一段距離
，流動不再有旋渦，迥流區(qū)
，它的重復性一般較好
，可以用于自控系統(tǒng)中，特別是在較大口徑管道難以采用其他流量計的場合
。
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