淮安金鼎自動化儀表有限公司作者
隨著工業(yè)的日益現(xiàn)代化,市政建設(shè)的社會化等因素,工業(yè),市政,能源等所用的管道口徑逐漸增大。采用節(jié)流裝置(如孔板,文丘里管)不僅壓損過大,且結(jié)構(gòu)過于龐大笨重;而采取近期嶄露頭角的超聲流量計(jì),價格又過于昂貴。近二三十年來,插入式流量計(jì)以其結(jié)構(gòu)簡單,重量輕,安裝維護(hù)簡便,壓損小,價格低廉等優(yōu)點(diǎn),普遍受到人們的關(guān)注與選用。其特點(diǎn)是基于只測管道中一點(diǎn)(或幾點(diǎn))的流速來推算流量,雖簡單卻隱含了度難以提高的缺點(diǎn)。在當(dāng)前市場經(jīng)濟(jì)的條件下,物流一般要求進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算。為此,有必要探詢在實(shí)際應(yīng)用條件下,其度能否達(dá)到不少廠家所宣稱的±1%。
一 插入式流量計(jì)的種類與特點(diǎn)
1 種類
對流量儀表的劃分一般是按原理進(jìn)行的,如節(jié)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(jì)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(diǎn)(或幾點(diǎn))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(jì)(本文只討論測一點(diǎn)流速的插入式流量計(jì)),這類流量計(jì)目前常用的有:
?。?)皮托管,是一種經(jīng)典,較為準(zhǔn)確的流速計(jì),幾十年前常用于現(xiàn)場測量,由于易于堵塞,輸出差壓小,現(xiàn)很少用于工業(yè)現(xiàn)場,但仍常用于校驗(yàn)。
(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(jié)構(gòu)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。
?。?)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(diǎn)的流速來推算流量(圖1)。
2. 優(yōu)、缺點(diǎn)
(1)結(jié)構(gòu)簡單,輕便,制造成本較低。
?。?)壓損小,運(yùn)行費(fèi)用低,是一種節(jié)能儀表。
?。?)一種結(jié)構(gòu)可用于多種口徑(限于點(diǎn)速式),可減少用戶備用數(shù)量。
?。?)便于包裝,運(yùn)輸,安裝,維護(hù)。
(5)可不斷流進(jìn)行安裝,拆卸,避免了斷流造成的經(jīng)濟(jì)損失。
?。?)管道中的流速分布對測量度影響太大,要求直管段長達(dá)30D~50D。
(7)現(xiàn)場情況復(fù)雜,對其應(yīng)用有很大影響,難以標(biāo)準(zhǔn)化。
(8)度很難提高,一般只能達(dá)到±(3~5%)。
二 工業(yè)管道中的流速分布
1.充分發(fā)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(fù)雜,不僅不是常數(shù),還有徑向分速,漩渦及二次流(圖2)所幸在實(shí)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(fā)展??流。幾十年來,工程界約定將這種流動作為流量測量的標(biāo)準(zhǔn)流動(圖三)。
早在1932年,Nikuradse就對光滑管中的這種流動進(jìn)行了系統(tǒng)測試,并用(1)進(jìn)行了描述:
V=Vm(y/R)1/n (1)
式中,V——在測量點(diǎn)的流速;Vm——管道中心的zui大流速;y——測量點(diǎn)至管壁的距離;R——管道半徑;n——指數(shù),取決于雷諾數(shù)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(shù)Re與指數(shù)n的關(guān)系
盡管后來不少人認(rèn)為,在管壁Y=0及中心Y=(0.8—1)R處,式(1)與實(shí)際情況有些出入,但因其簡單,至今仍常用于描述充分發(fā)展紊流。
2.平均流速點(diǎn)yc
由于充分發(fā)展紊流的流速旋轉(zhuǎn)對稱于軸心,則流量qv可用積分表示:
以上推導(dǎo)得出充分紊流條件下的平均流速點(diǎn)為yc,只需將測量頭置于yc上,就可得到流量qv;或?qū)y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(diǎn)是變化的
從式(1)可見,充分發(fā)展紊流速度分布取決于內(nèi)諾數(shù)Re(圖3)因此平均流速點(diǎn)yc將隨Re變化。在Re數(shù)為4×103~4×106時,yc的變化規(guī)范為(0.245~0.254)R。按ISO7145規(guī)定,取其平均值為yc=(0.242±0.013)R。而插入式流量計(jì)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(dá)到±0.7%。
不僅如此,繼Nikuradse后,Logan,Townrs,Pao等人對粗糙管進(jìn)行了速度分布測試,認(rèn)為管壁粗糙度對其也有些影響(圖4)。
PAO甚至認(rèn)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(nèi)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(jì)一般使用的管徑都大于300mm,所以很少出現(xiàn)pao
所說的管壁粗糙度也有影響的情況。
在實(shí)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(shù)Vc/Vm修正,才是流量qv,系數(shù)Vc/Vm也將隨雷諾數(shù)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(fā)展紊流中,要滿足這個條件,其上游直管段的長度L就應(yīng)達(dá)到如表2所示的要求。由于插入式流量計(jì)多用于大口徑管道,在實(shí)際應(yīng)用中,很難達(dá)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(diǎn)速確定流量的插入式流量計(jì),當(dāng)直管段L不足8D時,流速誤差將達(dá)到±(10-15)%;L達(dá)到15D后,可減小大±(5-8)%;而如果直管段長度達(dá)到表2所示的要求時,僅受雷諾數(shù)Re及粗糙度的影響,可控制在±(0.7-1)%。附帶說,如采用測多點(diǎn)流速插入式流量計(jì)(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(jì)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(tǒng)S可表示為
3.速度梯度
如測量頭定在平均流速點(diǎn)ye處,此處的速度分布具有較大的速度梯度dv/dy根據(jù)Piandte Von,Karman理論,實(shí)測的流速并不是測量頭中心的流速,它還取決于阻力系數(shù)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(jì)的測量頭只能反映流速的大小,要進(jìn)行流量測量還必須知道截面積A,但是在實(shí)際應(yīng)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(jù)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(jì)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(shù)。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(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)應(yīng)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(jìn)行流速標(biāo)定,則插入式流量計(jì)的度取決于測量頭本身,顯示儀表及檢驗(yàn)裝置等幾項(xiàng)的度。如認(rèn)真對待,有可能達(dá)到±1%,這可能就是不少廠家所宣稱其生產(chǎn)的插入式流量計(jì)的度。要強(qiáng)調(diào)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(dú)立參數(shù)X1,X2……Xn的綜合推導(dǎo)量,如σX1,σX2……σXn是對各獨(dú)立參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計(jì)值。根據(jù)誤差傳遞理論,流量的標(biāo)準(zhǔn)偏差σqv應(yīng)為:
流量儀表的度即計(jì)量術(shù)語中的不確定e,在95%的置信度范圍內(nèi),應(yīng)是該參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差σ的2倍。即:
2.度的估算
?。?)測量頭位于平均流速點(diǎn)處
如上所述,當(dāng)插入式流量計(jì)測量頭位于截面平均流速點(diǎn)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(diǎn)的流速而引起的標(biāo)準(zhǔn)誤差,它與直管段長度L有關(guān),當(dāng)L達(dá)到表2所示的要求時,σV/V取0.007~0.01;當(dāng)L=8D時,σV/V取0.1~0.15;當(dāng)L=15D時,σV/V取0.05~0.08。
σV/V——截面積測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差,按常規(guī)測量,取0.008~0.015。
σS/S——因阻塞而引起的標(biāo)準(zhǔn)偏差,一般為0.0025~0.0075,此處取0.005。
σy1——因速度梯度影響產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)偏差,根據(jù)有關(guān)資料,dv/dy=0.64,σy1=0.067。
σy2——因測量頭位置安裝不準(zhǔn)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)偏差,σy2=0.01。
σV0/V0——測量頭的速度標(biāo)準(zhǔn)偏差,取0.008~0.01。
將以上各項(xiàng)代入式(10),當(dāng)L達(dá)到表2所示的要求時:
?。?)當(dāng)測量頭位于管道中心處時
五 幾點(diǎn)說明和建議
?。?)評估的度僅供參考
本文對插入式流量計(jì)的度進(jìn)行了量的評估,估計(jì)了各種影響因素的大小,雖有一定的依據(jù),且就低不就高,也僅供參考,并非不可變更的。在今后的實(shí)用中,如減少了某些因素的偏差,總的度當(dāng)然可能提高。但要達(dá)到±1%目前還是不可能的。
?。?)流速分布式?jīng)Q定因素
當(dāng)直管段長度L達(dá)到表2的要求時,管內(nèi)流動的為充分發(fā)展紊流,流速分布帶來的偏差σV/V僅取決于雷諾數(shù)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(dāng)L達(dá)不到表2的要求時,σV/V將可能達(dá)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(chǎn)廠家將測量頭的度提的再高,由于使用條件達(dá)不到要求,對提高流量度將無濟(jì)于事,難以奏效。
?。?)流場調(diào)整器(Flow Conditioners)的作用
為解決現(xiàn)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(diào)整器,如Zanker,Sprenkle,AGA,ASME,AMCA等。它們的結(jié)構(gòu)基本有管束及多孔板組成,實(shí)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(jì)的優(yōu)點(diǎn)蕩然無存。因此,在采用插入式流量計(jì)的應(yīng)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(jié)構(gòu)的新型流場調(diào)整器呢?
?。?)應(yīng)該重視流場的基礎(chǔ)研究
迄今為止,以上討論都基于無論管內(nèi)是否為充分發(fā)展紊流,測量頭都必須安裝在平均流速點(diǎn)0.242R或管道中心處,到達(dá)不到表2的要求時,測量度將非常低、設(shè)想如果對一典型阻力件后的流場進(jìn)行系列的詳細(xì)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(diǎn)的相應(yīng)位置,或是軸心流速與平均流速的修正函數(shù),就有可能大大提高插入式流量計(jì)的度,擺脫直管段長度不足,度過低的困擾。
?。?)檢測與計(jì)量是不同的概念
在自控系統(tǒng)中,檢測儀表是系統(tǒng)的信息源頭,它的輸出信息與被檢參數(shù)的函數(shù)關(guān)系應(yīng)單一,穩(wěn)定,是簡單的線性,而并不要求測出被檢參數(shù)的確切值。而計(jì)量則不同,它往往用于經(jīng)濟(jì)核算,必須知道所測參數(shù)的確切值。檢測與計(jì)量可以說采用基本相同的手段(儀表),而要達(dá)到的目的卻有所側(cè)重。作為自控系統(tǒng)中信息源頭的檢測儀表,往往更關(guān)心其重復(fù)性,也確有人把它說成度,顯然,這是有區(qū)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(qū),它的重復(fù)性一般較好,可以用于自控系統(tǒng)中,特別是在較大口徑管道難以采用其他流量計(jì)的場合。
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