浅谈插入式涡街流量计的产品精确度 插入式涡街流量计技术指标

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

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紊流。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

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。

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

只需将丈量头置于yc上，就可得到流量qv或将丈量头置于管道中心(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。

Re数为4103~4106时，yc变化规范为(0.245~0.254R按ISO7145规定，取其平均值为yc=0.242±0.013R

而插入式流量计丈量头固定后，不可能随Ｒｅ改变，说明即使位置装置正确，由于Re变化，引入误差也将达到±0.7%

不只如此，继Nikurads后，LoganTownrPao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)

yc=0.216R且基本不变。对此可举例说明，PA O甚至认为在粗糙管条件下。如采用直径为300mm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。

实用中往往为便于安装，将丈量头置于管道中心，此处速度分布平坦，变化梯度趋于零，避开了因此带来的丈量误差。

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σs/s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PiandtVon,Karman理论，实测的流速并不是丈量头中心的流速，还取决于阻力系数λ，速度梯度dv/dy为，如采用一般钢管λ=0.03，则dv/dy=0.64.

4.截面积

插入式流量计的丈量头只能反映流速的大小，要进行流量丈量还必需知道截面积A

但是实际应用中很少(也不太可能)拆开管道来精确丈量管道的截面积。按ISO7145建议，通过丈量管道外部周长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丈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，因此截面积的规范偏差估计应在±1%以上。

5.流速

这里说的流速是指丈量头所测得流速精确度。如果丈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丈量头本身，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。根据误差传送理论，流量的规范偏差σqv应为：

流量仪表的精确度即计量术语中的不确定e95%置信度范围内，应是该参数规范偏差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，当插入式流量计丈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规范误差，

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截面积测量的规范偏差，按常规测量，取0.008~0.015

σS/S因阻塞而引起的规范偏差，一般为0.0025~0.0075此处取0.005

σy1因速度梯度影响发生的规范偏差，根据有关资料，dv/dy=0.64σy1=0.067

σy2因丈量头位置装置不准发生的规范偏差，σy2=0.01

取0.008~0.01σV0/V0丈量头的速度规范偏差。

将以上各项代入式(10当L达到表2所示的要求时：

2当丈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(FlowConditioners)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，可以是简单的线性，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。

插入式涡街流量计的安装步骤

　　插入式涡街流量计的参数对掌握使用方法有着非常重要的帮助，然而大家要对插入式涡街流量计进行操作，需要首先掌握插入式涡街流量计的安装方法，下面来给大家介绍一下插入式涡街流量计的安装方法。

　　插入式涡街流量计主要用于各种行业工业管道中大口径气体、液体、蒸汽介质流体的流量测量， 特点是压力损失小，量程范围大，精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。

　　插入式涡街流量计具有无可动机械零件，因此可靠性高，维护量小。仪表参数能长期稳定。插入式涡街流量计采用压电应力式传感器，可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作温度范围内工作。

　　插入式涡街流量计有模拟标准信号，也有数字脉冲信号输出，容易与计算机等数字系统配套使用，是一种比较先进、理想的流量仪表。

　　安装步骤：

　　1、在需要安装插入式涡街流量计的管道正上方的水平管道上面必须割开一个直径为100的圆孔，要去掉周边的毛刺。

　　2、将配套的一端，就是带有法兰的短管放在孔的上面，要保持短管与管道的垂直，必须焊接牢固。

　　3、做到上面的步骤之后在圆孔处要放上垫片，然后把流量计插入，法兰连接着，如果有球阀的话，一定要先吧球阀放在短管上连接好再打开球阀，然后再运行插入式流量计。

　　4、必须要保证流量计前有大于15D的范围，后面要保证有5D的直管段。

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