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。
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。
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