摘要:插入式流量計結構和原理,以及兩種常用測量方法的理論依據,并在此基礎上,設計了一種插入式流量計在水流量標準裝置上的不同流速實(shí)驗。通過(guò)對數據分析,為插入式流量計的校準和使用提供了更有效的方法。
0引言
隨著(zhù)現代工業(yè)的不斷發(fā)展,流量計已成為生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要部件。由于大多數流量計采用管道法蘭式結構，當出現故障時(shí)，需停止生產(chǎn)才可進(jìn)行維修、保養;而插入式流量計的特殊結構形式,可在不停止生產(chǎn)的狀態(tài)下進(jìn)行。因此，為確保長(cháng)期工作中流量計的計量準確性,需定期進(jìn)行量值溯源。同時(shí)，由于在實(shí)驗室進(jìn)行校準時(shí),要求該流量計在滿(mǎn)足安裝要求的情況下，應具有高的精度等級,增加了校準難度。因此，需在不改變現有實(shí)驗裝置的情況下，選擇一種較為合適的測量方法。
1結構與原理
插入式流量計是以插入形式安裝的流量?jì)x表命名，典型的電流速計型插入式流量計由測量頭、插入桿、插入機構、轉換器和儀表殼體(測量管道)構成。目前,主要包括點(diǎn)流速計型和徑流速計型。其中,國內使用較多的為點(diǎn)流速計型插入式流量計。其結構如圖1所示。首先,使用測量頭插入管道中某一特定位置,并測量局部流速;然后，根據管道內流速分布及儀表與管道的幾何參數等計算流量值。其具有結構簡(jiǎn)單、安裝維護簡(jiǎn)便、壓損小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),但測量精度低。
2測量方法
流量是指單位時(shí)間內通過(guò)某個(gè)流通界面的流體容積或質(zhì)量。在時(shí)間測量應用中，通常為測量管道某一界面的流速及該截面的面積的乘積。點(diǎn)流速計型插入式流量計的流量測量主要采用流速-面積法計算。按照流速測量方式的不同，分為單點(diǎn)流速法(即通過(guò)測量單點(diǎn)流速計算流量)和平均流速法(測量平均流速)。
2.1單點(diǎn)流速法
單點(diǎn)流速法測量流量是指在管道截面上只測量一點(diǎn)流速以計算流量的方法。該方法是通過(guò)測量圓管道.上任意半徑，上的流速和測量點(diǎn)與中心線(xiàn)的距離，再根據式(4)計算圓管截面的平均流速，從而得到管道截面的流量。
根據流體力學(xué)理論，當管道中介質(zhì)為紊流狀態(tài)時(shí)，流速分布模型為:
其中，vx一距離管道中心線(xiàn)rx的流速,m/s;Umax管道中心線(xiàn)的流速，m/s;r,--流速測點(diǎn)與管道中心線(xiàn)的距離,m;R一管道內半徑,m;n一隨雷諾數不同而變化的指數。
雷諾數Re的計算公式為:
2.2平均流速法
根據檢測規程中管道截面平均流速位置在(0.242±0.013)R處，通過(guò)測量管道的平均流速與管道面積計算流量。流量計算公式為:
面的面積.m2。
3實(shí)驗方法與結果及分析
選擇水流量標準裝置，管道直徑300mm,測量段.上游長(cháng)度約7000mm,下游長(cháng)度5000mm,滿(mǎn)足流量計的安裝要求，并選用一種超聲波插入式流量計。其測量原理為超聲波束在液體中傳播時(shí)，流體的流動(dòng)使傳播時(shí)間產(chǎn)生微小變化，且傳播時(shí)間的變化與液體的流速成正比，從而得到液體的流速。水溫29.3℃,通過(guò)查表可得取水的運動(dòng)粘度v=8.2x10-7m2/s,并根據邊界層效應，平均流速選取(0.242+0.013)R=38.25mm(即rx=111.75mm)。同時(shí),為了使實(shí)驗結果具有較好的對比性，單點(diǎn)流速法選擇與其相接近的位置,流量計探頭安裝位置rx=110mm,即距離管道內壁40mm處。兩種方法試驗時(shí)，流速從0.5m/s開(kāi)始，以0.5m/s為測量間隔,逐漸將流速增加至3.5m/s,測量不同流速時(shí)的標準流速與被測流速,并采用單點(diǎn)流速法，以被測流速為基礎數據計算平均流速;然后，采用平均流速法，以被測平均流速計算被測流量。其中,平均流速法是通過(guò)在平均流速測量點(diǎn)直接測得流速，并采用流速與流量計算公式得到流量。將兩種方法測:量計算得到的流量與標準流量進(jìn)行計算,即可得到示值誤差。
3.1實(shí)驗結果
3.1.1單點(diǎn)流速法測量數據
單點(diǎn)流速法測量數據與計算結果如表1所示。
由表1可知,被測平均流速均小于被測流速，且差值會(huì )隨流速的增加而逐漸變大;被測流速與標準流速存在一定的差值，當流速在3.5m/s左右時(shí)，與標準流速相差可達0.053m/s,與被測平均流速差值約為0.04m/s。差值產(chǎn)生的主要原因是測量管道的口徑、超聲波探頭的安裝位置、雷諾數與n值的計算取舍。此外，流量的穩定性也是不可忽略的因素。
3.1.2平均流速法測量數據
平均流速法測量數據與計算結果如表2所示。
由表2可知,通過(guò)流量計測量可得被測平均流速,可直接計算流量,過(guò)程較為簡(jiǎn)單,且不涉及雷諾數等參數,減小了附加誤差。
3.2實(shí)驗結果分析
插入式流量計適用于大口徑管道的測量,實(shí)驗選用的DN300mm管道,由于超聲探頭離管壁較近，在管壁摩擦力的作用下,會(huì )造成低流速情況下邊界層較厚，影響較大,但邊界層會(huì )隨流速的增加而逐漸變薄,且大部分流體處于正常的紊流狀態(tài)，影響較小，使流速趨于標準流速。因此，根據表1、表2的數據可知，在流速相近的情況下，當單點(diǎn)流速法和平均流速法在低流速時(shí)，前者誤差優(yōu)于后者,且二者均為負值。同時(shí)，隨著(zhù)流速的增加，誤差值會(huì )逐漸接近,變?yōu)檎�，且后者�?yōu)于前者。
4結論
插入式流量計以突出的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域,但在校準或使用時(shí)需綜合考慮管徑與流速的.大小，一般適用于較大的管徑，因此，在管徑確定的情況下,若流速較小，則可優(yōu)先采用單點(diǎn)流速法;若流速較大.則可采用平均流速法，從而減小計算時(shí)對測量結果的影響，進(jìn)一步提高測量的正確率。該方法可為插入式流量計的安裝及使用提供一定的理論依據。
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