摘要:插入式流量計結(jié)構(gòu)和原理,以及兩種常用測量方法的理論依據(jù),并在此基礎(chǔ)上,設(shè)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驗。通過對數(shù)據(jù)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
隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展,流量計已成為生產(chǎn)過程中的一個重要部件。由于大多數(shù)流量計采用管道法蘭式結(jié)構(gòu)，當出現(xiàn)故障時，需停止生產(chǎn)才可進行維修、保養(yǎng);而插入式流量計的特殊結(jié)構(gòu)形式,可在不停止生產(chǎn)的狀態(tài)下進行。因此，為確保長期工作中流量計的計量準確性,需定期進行量值溯源。同時，由于在實驗室進行校準時,要求該流量計在滿足安裝要求的情況下，應(yīng)具有高的精度等級,增加了校準難度。因此，需在不改變現(xiàn)有實驗裝置的情況下，選擇一種較為合適的測量方法。
1結(jié)構(gòu)與原理
插入式流量計是以插入形式安裝的流量儀表命名，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(gòu)、轉(zhuǎn)換器和儀表殼體(測量管道)構(gòu)成。目前,主要包括點流速計型和徑流速計型。其中,國內(nèi)使用較多的為點流速計型插入式流量計。其結(jié)構(gòu)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(jù)管道內(nèi)流速分布及儀表與管道的幾何參數(shù)等計算流量值。其具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護簡便、壓損小、價格低廉等優(yōu)點,但測量精度低。
2測量方法
流量是指單位時間內(nèi)通過某個流通界面的流體容積或質(zhì)量。在時間測量應(yīng)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，分為單點流速法(即通過測量單點流速計算流量)和平均流速法(測量平均流速)。
2.1單點流速法
單點流速法測量流量是指在管道截面上只測量一點流速以計算流量的方法。該方法是通過測量圓管道.上任意半徑，上的流速和測量點與中心線的距離，再根據(jù)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(jù)流體力學(xué)理論，當管道中介質(zhì)為紊流狀態(tài)時，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,--流速測點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的計算公式為:
2.2平均流速法
根據(jù)檢測規(guī)程中管道截面平均流速位置在(0.242±0.013)R處，通過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實驗方法與結(jié)果及分析
選擇水流量標準裝置，管道直徑300mm,測量段.上游長度約7000mm,下游長度5000mm,滿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，流體的流動使傳播時間產(chǎn)生微小變化，且傳播時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動粘度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,為了使實驗結(jié)果具有較好的對比性，單點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(nèi)壁40mm處。兩種方法試驗時，流速從0.5m/s開始，以0.5m/s為測量間隔,逐漸將流速增加至3.5m/s,測量不同流速時的標準流速與被測流速,并采用單點流速法，以被測流速為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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,平均流速法是通過在平均流速測量點直接測得流速，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行計算,即可得到示值誤差。
3.1實驗結(jié)果
3.1.1單點流速法測量數(shù)據(jù)
單點流速法測量數(shù)據(jù)與計算結(jié)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，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(shù)與n值的計算取舍。此外，流量的穩(wěn)定性也是不可忽略的因素。
3.1.2平均流速法測量數(shù)據(jù)
平均流速法測量數(shù)據(jù)與計算結(jié)果如表2所示。
由表2可知,通過流量計測量可得被測平均流速,可直接計算流量,過程較為簡單,且不涉及雷諾數(shù)等參數(shù),減小了附加誤差。
3.2實驗結(jié)果分析
插入式流量計適用于大口徑管道的測量,實驗選用的DN300mm管道,由于超聲探頭離管壁較近，在管壁摩擦力的作用下,會造成低流速情況下邊界層較厚，影響較大,但邊界層會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(jù)表1、表2的數(shù)據(jù)可知，在流速相近的情況下，當單點流速法和平均流速法在低流速時，前者誤差優(yōu)于后者,且二者均為負值。同時，隨著流速的增加，誤差值會逐漸接近,變?yōu)檎担液笳邇?yōu)于前者。
4結(jié)論
插入式流量計以突出的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,但在校準或使用時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)先采用單點流速法;若流速較大.則可采用平均流速法，從而減小計算時對測量結(jié)果的影響，進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(jù)。
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