插入式渦街流量計產品度

　　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
　　
　　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
　　
　　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。
　　
　　Re4×1032.3×1041.1×1051×106＞2×106
　　
　　N66.678.810
　　
　　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：
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　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（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。