探詢插入式流量計的度

 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（圖1）。

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）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？？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，取決于雷諾數Re，如表1所示。

        表一  雷諾數Re與指數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，只需將測量頭置于yc上，就可得到流量qv；或將測量頭置于管道中心（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。在Re數為4×103~4×106時，yc的變化規范為（0.245~0.254）R。按ISO7145規定，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。

　　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，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。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的插入式流量計的度。要強調指出的是，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，應是該參數標準偏差σ的2倍。即：

　　2.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——因速度梯度影響產生的標準偏差，根據有關資料，dv/dy=0.64，σy1=0.067。
σy2——因測量頭位置安裝不準產生的標準偏差，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

　　（1）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，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，成為影響度的決定性因素。它說明了即使生產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）流場調整器（Flow Conditioners）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，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。