浅谈插入式涡街流量计的产品精确度

作者：江苏智瑞科技有限公司

欢迎访问e展厅 展厅 12 流量计展厅 涡轮流量计, 涡街流量计, 旋涡流量计, 电磁流量计, 罗茨流量计, ... 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(图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紊流。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。 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： 以上推导得出充分紊流条件下的平均流速点为yc 只需将丈量头置于yc上，就可得到流量qv或将丈量头置于管道中心(y=R处，测得流量，再用式(4修正，也可以得到流量qv 3.平均流速点是变化的 从式(1可见，充分发展紊流速度分布取决于内诺数Re图3因此平均流速点yc将随Re变化。 Re数为4103~4106时，yc变化规范为(0.245~0.254R按ISO7145规定，取其平均值为yc=0.242±0.013R 而插入式流量计丈量头固定后，不可能随Ｒｅ改变，说明即使位置装置正确，由于Re变化，引入误差也将达到±0.7% 不只如此，继Nikurads后，LoganTownrPao等人对粗糙管进行了速度分布测试，认为管壁粗糙度对其也有些影响(图4) yc=0.216R且基本不变。对此可举例说明，PA O甚至认为在粗糙管条件下。如采用直径为300mm新钢管，内壁粗糙度ε为0.15则ε/D=0.005可视为光滑管。由于插入式流量计一般使用的管径都大于300mm所以很少出现pao所说的管壁粗糙度也有影响的情况。 实用中往往为便于安装，将丈量头置于管道中心，此处速度分布平坦，变化梯度趋于零，避开了因此带来的丈量误差。 但此处所测流速不是平均流速Vc而是最大流速Vm 因此还需系数Vc/Vm修正，才是流量qv系数Vc/Vm也将随雷诺数Ｒｅ及粗糙度ε的变化而变化(图5） 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σs/s来表示。 阻塞系统S可表示为 3.速度梯度 如测量头定在平均流速点ye处，此处的速度分布具有较大的速度梯度dv/dy根据PiandtVon,Karman理论，实测的流速并不是丈量头中心的流速，还取决于阻力系数λ，速度梯度dv/dy为，如采用一般钢管λ=0.03，则dv/dy=0.64. 4.截面积 插入式流量计的丈量头只能反映流速的大小，要进行流量丈量还必需知道截面积A 但是实际应用中很少(也不太可能)拆开管道来精确丈量管道的截面积。按ISO7145建议，通过丈量管道外部周长P 根据用户提供的壁厚e可确定管道的截面积。由于管壁上往往有突起物(如焊缝)所以需要△P予以修正。 式中a突起物的高度 插入式流量计不同于法兰式流量仪表，流量精确度往往取决于这个易于忽悠而又十分重要的截面积参数。但其周长VDE丈量往往仅采用精确度很差的卷尺；而用户提供的壁厚资料又常忽略了管壁的锈蚀，积垢等因素，因此截面积的规范偏差估计应在±1%以上。 5.流速 这里说的流速是指丈量头所测得流速精确度。如果丈量头每支都进行流速标定，则插入式流量计的精确度取决于丈量头本身，显示仪表及检验装置等几项的精确度。如认真对待，有可能达到±1%,这可能就是不少厂家所宣称其生产的插入式流量计的精确度。要强调指出的这只是流速精确度，而不是流量精确度。 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X1，X2……Xn的综合推导量，如σX1，σX2……σXn是对各独立参数标准偏差的估计值。根据误差传送理论，流量的规范偏差σqv应为： 流量仪表的精确度即计量术语中的不确定e95%置信度范围内，应是该参数规范偏差σ的2倍。即： 2.精确度的估算 (1)测量头位于平均流速点处 如上所述，当插入式流量计丈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。其流量的精确度为： 式中σV/V由于速度分布的原因，所测的流速不是平均流速点的流速而引起的规范误差， 与直管段长度L有关，当L达到表2所示的要求时，σV/V取0.007~0.01当L=8D时，σV/V取0.1~0.15当L=15D时，σV/V取0.05~0.08 σV/V截面积测量的规范偏差，按常规测量，取0.008~0.015 σS/S因阻塞而引起的规范偏差，一般为0.0025~0.0075此处取0.005 σy1因速度梯度影响发生的规范偏差，根据有关资料，dv/dy=0.64σy1=0.067 σy2因丈量头位置装置不准发生的规范偏差，σy2=0.01 取0.008~0.01σV0/V0丈量头的速度规范偏差。 将以上各项代入式(10当L达到表2所示的要求时： 2当丈量头位于管道中心处时 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。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/1/2012)