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插入式涡街流量计产品精确度

随着工业的日益现代化,市政建设的社会化等因素,工业,市政,能源等所用的管道口径逐渐增大。采用节流装置(如孔板,文丘里管)不仅压损过大,且结构过于庞大笨重;而采取近期崭露头角的超声流量计,价格又过于昂贵。近二三十年来,插入式流量计以其结构简单,重量轻,安装维护简便,压损小,价格低廉等优点,普遍受到人们的关注与选用。其特点是基于只测管道中一点(或几点)的流速来推算流量,虽简单却隐含了精确度难以提高的缺点。在当前市场经济的条件下,物流一般要求进行经济核算。为此,有必要探询在实际应用条件下,其精确度能否达到不少厂家所宣称的±1%
  
  一、插入式流量计的种类与特点
  
  1、种类
  
  对流量仪表的划分一般是按原理进行的,如节流,涡街,电磁,超声等,这些仪表大多通过法兰安装在管道上。而插入式流量计顾名思义是以插入形式安装的流量仪表,通过测量管道中的一点(或几点)的流速来推算流量的。可以说,凡是可以测量流速大小的仪表,均可以测量流速大小的仪表,均可成为插入式流量计(本文只讨论测一点流速的插入式流量计),这类流量计目前常用的有:
  
  (1)皮托管,是一种经典,较为准确的流速计,几十年前常用于现场测量,由于易于堵塞,输出差压小,现很少用于工业现场,但仍常用于校验。
  
  (2)皮托文丘里管,也称为双喇叭管或双文丘里管,也是基于皮托管测速原理,只是结构上采取了加速,降压措施,在相同流速条件下,可较皮托管获得更大的差压,且不易堵塞,可耐高温,但精确度不高。
  
  (3)其他如涡街,涡轮,电磁等流量仪表均可反映流速的大小。可将其做成精小的测量头,通过测量管道中某点的流速来推算流量
  
  2.优、缺点
  
  (1)结构简单,轻便,制造成本较低。
  
  (2)压损小,运行费用低,是一种节能仪表。
  
  (3)一种结构可用于多种口径(限于点速式),可减少用户备用数量。
  
  (4)便于包装,运输,安装,维护。
  
  (5)可不断流进行安装,拆卸,避免了断流造成的经济损失。
  
  (6)管道中的流速分布对测量精确度影响太大,要求直管段长达30D~50D
  
  (7)现场情况复杂,对其应用有很大影响,难以标准化。
  
  (8)精确度很难提高,一般只能达到±(3~5%)
  
  二工业管道中的流速分布
  
  1.充分发展紊流
  
  按定义,管道中的流量qv等于管道截面积A乘以通过此截面的轴向流速V,即qv=AV。但由于管道上游的各种阻力件(弯头,变径管,岐管,阀门等)的影响,流速分布十分复杂,不仅不是常数,还有径向分速,漩涡及二次流(2)所幸在实际流体的黏性作用下,通过30—50倍管径长度的直管段后,流速分布将趋于一种较为固定的形式,这种流动称为充分发展??流。几十年来,工程界约定将这种流动作为流量测量的标准流动
  
  早在1932年,Nikuradse就对光滑管中的这种流动进行了系统测试,并用(1)进行了描述:
  
  V=Vm(y/R)1/n(1)
  

  式中,V——在测量点的流速;Vm——管道中心的最大流速;y——测量点至管壁的距离;R——管道半径;n——指数,取决于雷诺数Re,如表1所示。
  
  Re4×1032.3×1041.1×1051×1062×106
  

  N66.678.810
  

  表一雷诺数Re与指数n的关系
  
  尽管后来不少人认为,在管壁Y=0及中心Y=(0.8—1)R处,式(1)与实际情况有些出入,但因其简单,至今仍常用于描述充分发展紊流。
  
  2.平均流速点yc
  

  由于充分发展紊流的流速旋转对称于轴心,则流量qv可用积分表示:
  
  三、影响流量精确度的因素
  
  1.流速分布
  
  以上分析的前提是测量头必须处于充分发展紊流中,要满足这个条件,其上游直管段的长度L就应达到如表2所示的要求。由于插入式流量计多用于大口径管道,在实际应用中,很难达到表2所示的要求,由此将带来较大的误差。初步测试表明:这种以测点速确定流量的插入式流量计,当直管段L不足8D时,流速误差将达到±(10-15)%L达到15D后,可减小大±(5-8)%;而如果直管段长度达到表2所示的要求时,仅受雷诺数Re及粗糙度的影响,可控制在±(0.7-1)%。附带说,如采用测多点流速插入式流量计(如均速管,即使直管段只有8D—10D,精确度也将会提高不少。
  
  2.阻塞度
  
  插入式流量计的插入杆及测量头将减少测量截面,改变流速大小及分布,由此带来流量测量的偏差用???来表示。
  
  阻塞系统S可表示为四流量精确度的估算
  
  1.误差的传递
  
  流量qv是一些独立参数X1X2……Xn的综合推导量,如σX1σX2……σXn是对各独立参数标准偏差的估计值。
  
  2.精确度的估算
  
  (1)测量头位于平均流速点处
  
  如上所述,当插入式流量计测量头位于截面平均流速点处时,影响精确度的因素有速度分布,阻塞度,截面积,速度阶梯,流速。
  
  五、几点说明和建议
  
  (1)评估的精确度仅供参考
  
  本文对插入式流量计的精确度进行了量的评估,估计了各种影响因素的大小,虽有一定的依据,且就低不就高,也仅供参考,并非不可变更的。在今后的实用中,如减少了某些因素的偏差,总的精确度当然可能提高。但要达到±1%目前还是不可能的。
  
  (2)流速分布式决定因素
  
  当直管段长度L达到表2的要求时,管内流动的为充分发展紊流,流速分布带来的偏差σV/V仅取决于雷诺数Re及粗糙度ε大致为0.007~0.01,与其他因素的偏差接近,而其他偏差仍将起作用。而当L达不到表2的要求时,σV/V将可能达到0.05~0.15,大于其他偏差近10倍,如平方后则大于百倍,成为影响精确度的决定性因素。它说明了即使生产厂家将测量头的精确度提的再高,由于使用条件达不到要求,对提高流量精确度将无济于事,难以奏效。
  
  (3)流场调整器(FlowConditioners)的作用
  
  为解决现场直管段短又要获得理想流场的矛盾,40年来,不少人为此努力并研制了不少流场调整器,如Zanker,Sprenkle,AGA,ASME,AMCA等。它们的结构基本有管束及多孔板组成,实用中将带来压损大,安装烦琐,增加成本等弊端,使采用插入式流量计的优点荡然无存。因此,在采用插入式流量计的应用中并未被广泛推广采用。是否可研制一种摆脱管束,多孔板结构的新型流场调整器呢?
  
  (4)应该重视流场的基础研究
  
  迄今为止,以上讨论都基于无论管内是否为充分发展紊流,测量头都必须安装在平均流速点0.242R或管道中心处,到达不到表2的要求时,测量精确度将非常低、设想如果对一典型阻力件后的流场进行系列的详细测试研究,即或只是粗略的描述,能在不同阻力件后不同长度上找到平均流速点的相应位置,或是轴心流速与平均流速的修正函数,就有可能大大提高插入式流量计的精确度,摆脱直管段长度不足,精确度过低的困扰。
  
  (5)检测与计量是不同的概念
  
  在自控系统中,检测仪表是系统的信息源头,它的输出信息与被检参数的函数关系应单一,稳定,最好是简单的线性,而并不要求测出被检参数的确切值。而计量则不同,它往往用于经济核算,必须知道所测参数的确切值。检测与计量可以说采用基本相同的手段(仪表),而要达到的目的却有所侧重。作为自控系统中信息源头的检测仪表,往往更关心其重复性,也确有人把它说成精确度,显然,这是有区别的。对插入式流量仪表来说,只要在距离阻力件后一段距离,流动不再有旋涡,迥流区,它的重复性一般较好,可以用于自控系统中,特别是在较大口径管道难以采用其他流量计的场合。

 

[来源:www.jhyb.cn] [作者:admin] [日期:2013.11.07] [热度:]

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