發布日期：2022-04-27 點擊率：120
隨著工業的日益現代化，市政建設的社會化等因素，工業，市政，能源等所用的管道口徑逐漸增大。采用節流裝置(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，雖簡單卻隱含了精確度難以提高的缺點。在當前市場經濟的條件下，物流一般要求進行經濟核算。為此，有必要探詢在實際應用條件下，其精確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：
(1)皮托管，是一種經典，較為準確的流速計，幾十年前常用于現場測量，由于易于堵塞，輸出差壓小，現很少用于工業現場，但仍常用于校驗。
(2)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，但精確度不高。
(3)其他如渦街，渦輪，電磁等流量儀表均可反映流速的大小。可將其做成精小的測量頭，通過測量管道中某點的流速來推算流量
2.優、缺點
(1)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濟損失。
(6)管道中的流速分布對測量精確度影響太大，要求直管段長達30D~50D。
(7)現場情況復雜，對其應用有很大影響，難以標準化。
(8)精確度很難提高，一般只能達到±(3~5%)。
二 工業管道中的流速分布
1.充分發展紊流
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，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展紊流。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
早在1932年，Nikuradse就對光滑管中的這種流動進行了系統測試，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——管道中心的最大流速；y——測量點至管壁的距離；R——管道半徑；n——指數，取決于雷諾數Re，如表1所示。
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展紊流。
2.平均流速點yc
由于充分發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
只需將丈量頭置于yc上，就可得到流量qv或將丈量頭置于管道中心(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，充分發展紊流速度分布取決于內諾數Re圖3因此平均流速點yc將隨Re變化。
Re數為4103~4106時，yc變化規范為(0.245~0.254R按ISO7145規定，取其平均值為yc=0.242±0.013R
而插入式流量計丈量頭固定后，不可能隨Ｒｅ改變，說明即使位置裝置正確，由于Re變化，引入誤差也將達到±0.7%
不只如此，繼Nikurads后，LoganTownrPao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)
yc=0.216R且基本不變。對此可舉例說明，PA O甚至認為在粗糙管條件下。如采用直徑為300mm新鋼管，內壁粗糙度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pao所說的管壁粗糙度也有影響的情況。
實用中往往為便于安裝，將丈量頭置于管道中心，此處速度分布平坦，變化梯度趨于零，避開了因此帶來的丈量誤差。
但此處所測流速不是平均流速Vc而是最大流速Vm
因此還需系數Vc/Vm修正，才是流量qv系數Vc/Vm也將隨雷諾數Ｒｅ及粗糙度ε的變化而變化(圖5）
三、影響流量精確度的因素
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，精確度也將會提高不少。
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σs/s來表示。
阻塞系統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PiandtVon,Karman理論，實測的流速并不是丈量頭中心的流速，還取決于阻力系數λ，速度梯度dv/dy為
，如采用一般鋼管λ=0.03，則dv/dy=0.64.
4.截面積
插入式流量計的丈量頭只能反映流速的大小，要進行流量丈量還必需知道截面積A
但是實際應用中很少(也不太可能)拆開管道來精確丈量管道的截面積。按ISO7145建議，通過丈量管道外部周長P
根據用戶提供的壁厚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，流量精確度往往取決于這個易于忽悠而又十分重要的截面積參數。但其周長VDE丈量往往僅采用精確度很差的卷尺；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，因此截面積的規范偏差估計應在±1%以上。
5.流速
這里說的流速是指丈量頭所測得流速精確度。如果丈量頭每支都進行流速標定，則插入式流量計的精確度取決于丈量頭本身，顯示儀表及檢驗裝置等幾項的精確度。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的插入式流量計的精確度。要強調指出的這只是流速精確度，而不是流量精確度。
四 流量精確度的估算
1.誤差的傳遞
流量qv是一些獨立參數X1，X2……Xn的綜合推導量，如σX1，σX2……σXn是對各獨立參數標準偏差的估計值。根據誤差傳送理論，流量的規范偏差σqv應為：
流量儀表的精確度即計量術語中的不確定e95%置信度范圍內，應是該參數規范偏差σ的2倍。即：
2.精確度的估算
(1)測量頭位于平均流速點處
如上所述，當插入式流量計丈量頭位于截面平均流速點處時，影響精確度的因素有速度分布，阻塞度，截面積，速度階梯，流速。其流量的精確度為：
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規范誤差，
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截面積測量的規范偏差，按常規測量，取0.008~0.015
σS/S因阻塞而引起的規范偏差，一般為0.0025~0.0075此處取0.005
σy1因速度梯度影響發生的規范偏差，根據有關資料，dv/dy=0.64σy1=0.067
σy2因丈量頭位置裝置不準發生的規范偏差，σy2=0.01
取0.008~0.01σV0/V0丈量頭的速度規范偏差。
將以上各項代入式(10當L達到表2所示的要求時：
2當丈量頭位于管道中心處時
五、幾點說明和建議
(1)評估的精確度僅供參考
本文對插入式流量計的精確度進行了量的評估，估計了各種影響因素的大小，雖有一定的依據，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，總的精確度當然可能提高。但要達到±1%目前還是不可能的。
(2)流速分布式決定因素
當直管段長度L達到表2的要求時，管內流動的為充分發展紊流，流速分布帶來的偏差σV/V僅取決于雷諾數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，成為影響精確度的決定性因素。它說明了即使生產廠家將測量頭的精確度提的再高，由于使用條件達不到要求，對提高流量精確度將無濟于事，難以奏效。
(3)流場調整器(FlowConditioners)的作用
為解決現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整器呢？
(4)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是否為充分發展紊流，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，測量精確度將非常低、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，就有可能大大提高插入式流量計的精確度，擺脫直管段長度不足，精確度過低的困擾。
(5)檢測與計量是不同的概念
在自控系統中，檢測儀表是系統的信息源頭，它的輸出信息與被檢參數的函數關系應單一，穩定，最好是簡單的線性，而并不要求測出被檢參數的確切值。而計量則不同，它往往用于經濟核算，必須知道所測參數的確切值。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，也確有人把它說成精確度，顯然，這是有區別的。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，它的重復性一般較好，可以用于自控系統中，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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