探询插入式流量计的度
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探询插入式流量计的度
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（图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（图1）。
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）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？？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（图三）。
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zui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。
V=Vm（y/R）1/n （1）
式中，V——在测量点的流速；Vm——管道中心的zui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。
| Re | 4×103 | 2.3×104 | 1.1×105 | 1×106 | ＞2×106 |
| N | 6 | 6.6 | 7 | 8.8 | 10 |
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：
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，只需将测量头置于yc上，就可得到流量qv；或将测量头置于管道中心（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。在Re数为4×103~4×106时，yc的变化规范为（0.245~0.254）R。按ISO7145规定，取其平均值为yc=（0.242±0.013）R。而插入式流量计测量头固定后，不可能随Ｒｅ改变，说明即使位置安装正确，由于Re变化，引入误差也将达到±0.7%。
不仅如此，继Nikuradse后，Logan，Townrs，Pao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）。
PAO甚至认为在粗糙管条件下，yc=0.216R，且基本不变。对此可举例说明，如采用直径为300mm的新钢管，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。
在实用中往往为便于安装，将测量头置于管道中心，此处速度分布平坦，变化梯度趋于零，避开了因此带来的测量误差。但此处所测流速不是平均流速Vc而是zui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，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
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Piandte Von,Karman理论，实测的流速并不是测量头中心的流速，它还取决于阻力系数速度梯度dv/dy为。如采用一般钢管，则dv/dy=0.64.
4.截面积
插入式流量计的测量头只能反映流速的大小，要进行流量测量还必须知道截面积A，但是在实际应用中很少（也不太可能）拆开管道来测量管道的截面积。按ISO 7145的建议，通过测量管道外部周长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测量往往仅采用度很差的卷尺；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，因此截面积的标准偏差估计应在±1%以上。
5.流速
这里说的流速是指测量头所测得流速度。如果测量头每支都进行流速标定，则插入式流量计的度取决于测量头本身，显示仪表及检验装置等几项的度。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度。要强调指出的是，这只是流速度，而不是流量度。
四流量度的估算
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。根据误差传递理论，流量的标准偏差σqv应为：
流量仪表的度即计量术语中的不确定e，在95%的置信度范围内，应是该参数标准偏差σ的2倍。即：
2.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标准误差，它与直管段长度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——截面积测量的标准偏差，按常规测量，取0.008~0.015。
σS/S——因阻塞而引起的标准偏差，一般为0.0025~0.0075，此处取0.005。
σy1——因速度梯度影响产生的标准偏差，根据有关资料，dv/dy=0.64，σy1=0.067。
σy2——因测量头位置安装不准产生的标准偏差，σy2=0.01。
σV0/V0——测量头的速度标准偏差，取0.008~0.01。
将以上各项代入式（10），当L达到表2所示的要求时：
（2）当测量头位于管道中心处时
插入式流量计不同于法兰式流量仪表，流量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测量往往仅采用度很差的卷尺；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，因此截面积的标准偏差估计应在±1%以上。
5.流速
这里说的流速是指测量头所测得流速度。如果测量头每支都进行流速标定，则插入式流量计的度取决于测量头本身，显示仪表及检验装置等几项的度。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度。要强调指出的是，这只是流速度，而不是流量度。
四流量度的估算
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。根据误差传递理论，流量的标准偏差σqv应为：
流量仪表的度即计量术语中的不确定e，在95%的置信度范围内，应是该参数标准偏差σ的2倍。即：
2.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标准误差，它与直管段长度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——截面积测量的标准偏差，按常规测量，取0.008~0.015。
σS/S——因阻塞而引起的标准偏差，一般为0.0025~0.0075，此处取0.005。
σy1——因速度梯度影响产生的标准偏差，根据有关资料，dv/dy=0.64，σy1=0.067。
σy2——因测量头位置安装不准产生的标准偏差，σy2=0.01。
σV0/V0——测量头的速度标准偏差，取0.008~0.01。
将以上各项代入式（10），当L达到表2所示的要求时：
（2）当测量头位于管道中心处时
五 几点说明和建议
（1）评估的度仅供参考
本文对插入式流量计的度进行了量的评估，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，成为影响度的决定性因素。它说明了即使生产厂家将测量头的度提的再高，由于使用条件达不到要求，对提高流量度将无济于事，难以奏效。
（3）流场调整器（Flow Conditioners）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度，摆脱直管段长度不足，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，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。