摘要:插入式流量計(jì)結(jié)構(gòu)和原理,以及兩種常用測(cè)量方法的理論依據(jù),并在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種插入式流量計(jì)在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上的不同流速實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)數(shù)據(jù)分析,為插入式流量計(jì)的校準(zhǔn)和使用提供了更有效的方法。
0引言
隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展,流量計(jì)已成為生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要部件。由于大多數(shù)流量計(jì)采用管道法蘭式結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，需停止生產(chǎn)才可進(jìn)行維修、保養(yǎng);而插入式流量計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)形式,可在不停止生產(chǎn)的狀態(tài)下進(jìn)行。因此，為確保長(zhǎng)期工作中流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確性,需定期進(jìn)行量值溯源。同時(shí)，由于在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),要求該流量計(jì)在滿足安裝要求的情況下，應(yīng)具有高的精度等級(jí),增加了校準(zhǔn)難度。因此，需在不改變現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的情況下，選擇一種較為合適的測(cè)量方法。
1結(jié)構(gòu)與原理
插入式流量計(jì)是以插入形式安裝的流量?jī)x表命名，典型的電流速計(jì)型插入式流量計(jì)由測(cè)量頭、插入桿、插入機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)換器和儀表殼體(測(cè)量管道)構(gòu)成。目前,主要包括點(diǎn)流速計(jì)型和徑流速計(jì)型。其中,國(guó)內(nèi)使用較多的為點(diǎn)流速計(jì)型插入式流量計(jì)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先,使用測(cè)量頭插入管道中某一特定位置,并測(cè)量局部流速;然后，根據(jù)管道內(nèi)流速分布及儀表與管道的幾何參數(shù)等計(jì)算流量值。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便、壓損小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),但測(cè)量精度低。
2測(cè)量方法
流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過某個(gè)流通界面的流體容積或質(zhì)量。在時(shí)間測(cè)量應(yīng)用中，通常為測(cè)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(jì)型插入式流量計(jì)的流量測(cè)量主要采用流速-面積法計(jì)算。按照流速測(cè)量方式的不同，分為單點(diǎn)流速法(即通過測(cè)量單點(diǎn)流速計(jì)算流量)和平均流速法(測(cè)量平均流速)。
2.1單點(diǎn)流速法
單點(diǎn)流速法測(cè)量流量是指在管道截面上只測(cè)量一點(diǎn)流速以計(jì)算流量的方法。該方法是通過測(cè)量圓管道.上任意半徑，上的流速和測(cè)量點(diǎn)與中心線的距離，再根據(jù)式(4)計(jì)算圓管截面的平均流速，從而得到管道截面的流量。
根據(jù)流體力學(xué)理論，當(dāng)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rx的流速,m/s;Umax管道中心線的流速，m/s;r,--流速測(cè)點(diǎn)與管道中心線的距離,m;R一管道內(nèi)半徑,m;n一隨雷諾數(shù)不同而變化的指數(shù)。
雷諾數(shù)Re的計(jì)算公式為:
2.2平均流速法
根據(jù)檢測(cè)規(guī)程中管道截面平均流速位置在(0.242±0.013)R處，通過測(cè)量管道的平均流速與管道面積計(jì)算流量。流量計(jì)算公式為:
面的面積.m2。
3實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果及分析
選擇水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，管道直徑300mm,測(cè)量段.上游長(zhǎng)度約7000mm,下游長(zhǎng)度5000mm,滿足流量計(jì)的安裝要求，并選用一種超聲波插入式流量計(jì)。其測(cè)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℃,通過查表可得取水的運(yùn)動(dòng)粘度v=8.2x10-7m2/s,并根據(jù)邊界層效應(yīng)，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(yàn)結(jié)果具有較好的對(duì)比性，單點(diǎn)流速法選擇與其相接近的位置,流量計(jì)探頭安裝位置rx=110mm,即距離管道內(nèi)壁40mm處。兩種方法試驗(yàn)時(shí)，流速?gòu)?.5m/s開始，以0.5m/s為測(cè)量間隔,逐漸將流速增加至3.5m/s,測(cè)量不同流速時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)流速與被測(cè)流速,并采用單點(diǎn)流速法，以被測(cè)流速為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算平均流速;然后，采用平均流速法，以被測(cè)平均流速計(jì)算被測(cè)流量。其中,平均流速法是通過在平均流速測(cè)量點(diǎn)直接測(cè)得流速，并采用流速與流量計(jì)算公式得到流量。將兩種方法測(cè):量計(jì)算得到的流量與標(biāo)準(zhǔn)流量進(jìn)行計(jì)算,即可得到示值誤差。
3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.1.1單點(diǎn)流速法測(cè)量數(shù)據(jù)
單點(diǎn)流速法測(cè)量數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果如表1所示。
由表1可知,被測(cè)平均流速均小于被測(cè)流速，且差值會(huì)隨流速的增加而逐漸變大;被測(cè)流速與標(biāo)準(zhǔn)流速存在一定的差值，當(dāng)流速在3.5m/s左右時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)流速相差可達(dá)0.053m/s,與被測(cè)平均流速差值約為0.04m/s。差值產(chǎn)生的主要原因是測(cè)量管道的口徑、超聲波探頭的安裝位置、雷諾數(shù)與n值的計(jì)算取舍。此外，流量的穩(wěn)定性也是不可忽略的因素。
3.1.2平均流速法測(cè)量數(shù)據(jù)
平均流速法測(cè)量數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果如表2所示。
由表2可知,通過流量計(jì)測(cè)量可得被測(cè)平均流速,可直接計(jì)算流量,過程較為簡(jiǎn)單,且不涉及雷諾數(shù)等參數(shù),減小了附加誤差。
3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
插入式流量計(jì)適用于大口徑管道的測(cè)量,實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)流速。因此，根據(jù)表1、表2的數(shù)據(jù)可知，在流速相近的情況下，當(dāng)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(fù)值。同時(shí)，隨著流速的增加，誤差值會(huì)逐漸接近,變?yōu)檎担液笳邇?yōu)于前者。
4結(jié)論
插入式流量計(jì)以突出的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,但在校準(zhǔn)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(jì)算時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，進(jìn)一步提高測(cè)量的正確率。該方法可為插入式流量計(jì)的安裝及使用提供一定的理論依據(jù)。
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