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发表于 2009/10/15 11:57:38

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精华帖

标签: 插入式流量计 测量头 充分发展紊流 误差 精确度

探询插入式流量计的精确度

        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,虽简单却隐含了精确度难以提高的缺点。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,其精确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,但精确度不高。
        (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精确度影响太大,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)精确度很难提高,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——管道中心的最大流速;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:


        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而是最大流速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 影响流量精确度的因素
        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,精确度也将会提高不少。
        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)拆开管道来精确测量管道的截面积。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,流量精确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测量往往仅采用精确度很差的卷尺;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精确度。如果测量头每支都进行流速标定,则插入式流量计的精确度取决于测量头本身,显示仪表及检验装置等几项的精确度。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精确度。要强调指出的是,这只是流速精确度,而不是流量精确度。
        四 流量精确度的估算
        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:
        
        流量仪表的精确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.精确度的估算
        (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,影响精确度的因素有速度分布,阻塞度,截面积,速度阶梯,流速。其流量的精确度为:
      
        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)评估的精确度仅供参考
        本文对插入式流量计的精确度进行了量的评估,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,总的精确度当然可能提高。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,成为影响精确度的决定性因素。它说明了即使生产厂家将测量头的精确度提的再高,由于使用条件达不到要求,对提高流量精确度将无济于事,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,测量精确度将非常低、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精确度,摆脱直管段长度不足,精确度过低的困扰。
        (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,最好是简单的线性,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,也确有人把它说成精确度,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。

系统分类: PLC与PAC   |   用户分类: 无分类   |   来源: 原创

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