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大管道氣體流量檢測(cè)儀表與校驗(yàn)
2012-09-22
工業(yè)管流千變?nèi)f化的管內(nèi)流速分布各行各業(yè)的工程，從其本身的工藝要求出發(fā)在管道中都必需安裝形形色色的管配件(如閥門、彎頭、歧管、變徑管、過(guò)濾器等)，由于它們的形式及組合方式極多所引起的管內(nèi)流速分布也千變?nèi)f化，難以估計(jì)。R．W．Miller( 美國(guó)流量測(cè)量工程手冊(cè)作者)認(rèn)為：“流速分布是影響流量測(cè)量準(zhǔn)確度的主要因素，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的配件種類繁多，其流動(dòng)情況十分復(fù)雜，不僅難以描述，也不易在實(shí)驗(yàn)室模擬它們”。由于絕大多數(shù)流量?jī)x表都與流速分布有關(guān)，它的校驗(yàn)所處的流場(chǎng)應(yīng)與實(shí)用條件的流場(chǎng)一致，校驗(yàn)的系數(shù)才有意義。這個(gè)流場(chǎng)被公認(rèn)為充分發(fā)展紊流，只要管道具有較長(zhǎng)的直管段就可以得到(見(jiàn)圖1)。充分發(fā)展紊流形成—由于實(shí)際流體均有粘性，在流動(dòng)過(guò)程中將會(huì)帶動(dòng)、制約相鄰層面的流體，這種作用經(jīng)過(guò)約30D(D為管內(nèi)徑)直管段長(zhǎng)度，其流速分布將不再變化，如雷諾數(shù)Re＜2000為層流；Re＞4000則為紊流，工業(yè)中多為紊流，即充分發(fā)展紊流。描述—近百年來(lái)不少科學(xué)家對(duì)充分發(fā)展紊流進(jìn)行了大量測(cè)試與描述，其中以Nikuradse的光滑管充分發(fā)展紊流公式最簡(jiǎn)單，它近似地表達(dá)為其中Vi為任一點(diǎn)流速；Vm中心最大流速；y流速點(diǎn)至管壁的距離；R管道半徑；n為指數(shù)，與Re有關(guān)。平均流速點(diǎn)—通過(guò)公式１可推導(dǎo)出光滑管充分發(fā)展紊流的平均流速點(diǎn)圓管內(nèi)的平均流速點(diǎn)取決于３個(gè)因素：1)．直管段長(zhǎng)度；2)．雷諾數(shù)Re；3)．粗糙度e，因此它的位置并非固定不變，不像有些廠商宣傳的那樣，僅測(cè)管道一點(diǎn)流速就可取得．±0.5~1%的流量準(zhǔn)確度，按ISO7145評(píng)估，其準(zhǔn)確度只能達(dá)到±3%；如直管段較短，流量準(zhǔn)確度甚至不足±5~10%。流動(dòng)調(diào)整器(flow conditioner)要準(zhǔn)確地測(cè)量流量，必需具有較長(zhǎng)的直管段長(zhǎng)度，而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)往往無(wú)法滿足，為此，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織曾多次推薦采用十余種類型的流動(dòng)調(diào)整器，但筆者認(rèn)為這并非上策，因?yàn)椋?)增加成本，一臺(tái)流動(dòng)調(diào)整器的價(jià)格不亞于一臺(tái)流量計(jì)；2)需經(jīng)常清洗加大了維修量；3)效果好的流動(dòng)調(diào)整器永久壓損大，增加了運(yùn)行成本；4)易于堵塞，即使部分堵塞也改變了流速分布，無(wú)法提高準(zhǔn)確度。既然事與愿違，又何必多次一舉。大管道氣體流量檢測(cè)儀表在我國(guó)倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型經(jīng)濟(jì)的前提下，本文所介紹的大管道氣體流量檢測(cè)儀表排除了壓損大、運(yùn)行費(fèi)過(guò)高的節(jié)流裝置；也不推薦價(jià)格過(guò)高的氣體超聲波流量計(jì)，僅限于介紹在工控系統(tǒng)中，性價(jià)比較高，以取樣原理的插入式流量?jī)x表，按其取點(diǎn)方式可分為以下三大類：測(cè)點(diǎn)速凡可測(cè)流速的儀表插入管道均可成為流量計(jì)，較為通用的有以下幾種：雙文丘利管—早于40年前，美國(guó)Taylar公司已推出此產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)曾仿制用于火電廠稱“小喇叭管”。近十多年國(guó)內(nèi)已有產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。它是利用外文丘利管喉部加速產(chǎn)生低壓，促進(jìn)內(nèi)文丘利再次加速可得到更低的壓力，從而在相同流速下可得到更大的輸出差壓，較適用于大管道低流速的氣體流量測(cè)量。熱式—利用傳熱原理，以熱電阻為敏感元件，當(dāng)流速高時(shí)將帶走更多的熱量，降低了熱電阻溫度，改變了電阻值，通過(guò)電阻值的變化了解流速大小及流量值，其最大特點(diǎn)是可測(cè)低于小于5m/s的流速，傳熱與流體質(zhì)量有關(guān)，因此所測(cè)為質(zhì)量流量；不足是氣體溫度一般要低于200℃，響應(yīng)時(shí)間在1秒以上。其他—按理，皮托管、插入式渦街(圖2)、渦輪均可用于測(cè)流量，皮托管可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，很少作為工業(yè)儀表。插入式渦街在低速及管道有振動(dòng)時(shí)，工作不可靠；插入式渦輪由于有轉(zhuǎn)動(dòng)件，維修量大等等。這些儀表近年來(lái)市場(chǎng)占有量都呈較大的下降趨勢(shì)。這類儀表生產(chǎn)廠商常宣傳他們的儀表都在風(fēng)洞中標(biāo)定過(guò)，其實(shí)那僅只是標(biāo)定流速不是流量，流量準(zhǔn)確度不可能達(dá)到他們宣傳的±1%。測(cè)線速以測(cè)管道中分布在一條線上的多點(diǎn)流速來(lái)推算流量，較上述測(cè)單點(diǎn)的準(zhǔn)確，安裝穩(wěn)定，可靠，在工控系統(tǒng)中檢測(cè)大管道氣體流量，常為首選儀表，較典型的為均速管流量計(jì)：差壓式均速管流量計(jì)以皮托管測(cè)速原理為基礎(chǔ)，三十多年來(lái)經(jīng)過(guò)了不斷改進(jìn)，目前在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上有以下幾種：菱形-Ⅱ—最早檢測(cè)桿截面為圓形，因“阻力危機(jī)”被菱形-I型取代，菱形-I又因背壓孔易堵，而被菱形-Ⅱ型代替。這種類型主要有二種：其一是艾默生公司十多年前推出的由三個(gè)型材組合形成的檢測(cè)桿，由于型材公差較大，當(dāng)溫度變化時(shí)，易發(fā)生漏氣或初始應(yīng)力過(guò)大削弱強(qiáng)度等弊病，現(xiàn)已很少采用；另一種是一體化結(jié)構(gòu)，由德國(guó)二、三家公司推出，工作可靠，可承受較高的溫度，但價(jià)格較貴，我國(guó)已可生產(chǎn)并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。彈夾型—近十年來(lái)，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)曾占有較大份額，生產(chǎn)廠商宣稱其頭部的粗糙面可控制附面層從而提高精確度，經(jīng)專業(yè)人士論證，附面層相對(duì)其他因素對(duì)準(zhǔn)確度的影響微不足道。而其缺點(diǎn)是輸出差壓較小，測(cè)壓孔太小，當(dāng)流體中含有粉塵，特別是有凝析物、油類、藻類等時(shí)，廠家也不得不承認(rèn)易于堵塞。T型—迎流向有二排密集不到2毫米的總壓孔，低壓孔取出T形背部，孔徑較小，廠家宣稱測(cè)壓孔多更可“采集”流速分布狀況，準(zhǔn)確度達(dá)到令人難以置信的±0.7%。其實(shí)測(cè)壓孔就是密集到為一條縫，不也只能反映截面上直線上的流速嗎？當(dāng)直管段長(zhǎng)度不夠時(shí)，又如何保證準(zhǔn)確度？況且由于測(cè)壓孔過(guò)小，與彈頭型一樣易于堵塞。熱式均速管流量計(jì)原理與上節(jié)測(cè)單點(diǎn)熱式相同，只是在結(jié)構(gòu)上為多點(diǎn)，反映管道內(nèi)多點(diǎn)的流速分布，以此推算流量。比較上述二種均速管流量計(jì)，熱式優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高可測(cè)低速低溫流體流量，而且直接反映的是流速；而差壓式所測(cè)總壓在檢測(cè)桿內(nèi)平均后，由于流動(dòng)復(fù)雜，混合后傳出的總壓未必是平均流速的總壓，所以必需通過(guò)校驗(yàn)用流量系數(shù)來(lái)修正，可以預(yù)計(jì)熱式均速管流量計(jì)如能改進(jìn)提高準(zhǔn)確度，將會(huì)有較大的發(fā)展?jié)摿?。測(cè)截面多點(diǎn)流速機(jī)翼型流量計(jì)—這是經(jīng)典文丘利管的改進(jìn)型式，縮短了長(zhǎng)度，仍較笨重?？偭繙y(cè)量裝置—在管道截面中插入了多根檢測(cè)管，檢測(cè)管正對(duì)流向鉆有多個(gè)總壓孔，側(cè)面多個(gè)靜壓孔，有較多的測(cè)點(diǎn)反映截面的流速分布，雖較機(jī)翼輕巧，但不夠準(zhǔn)確。熱式均速流量計(jì)—在管道中插入多根熱式均速管流量計(jì)，更全面反映管內(nèi)的流速分布，但每個(gè)熱電阻所反映的流速特性未必相同，校驗(yàn)修正還有待改進(jìn)。均速環(huán)流量計(jì)(圖3)—針對(duì)均速管流量計(jì)應(yīng)用三十余年存在的輸出差壓小，準(zhǔn)確度低，忽視管內(nèi)徑對(duì)準(zhǔn)確度影響等缺點(diǎn)推出的一項(xiàng)專利產(chǎn)品(專利號(hào)ZL200420061027.3)，它由雙文丘利管測(cè)低壓，提高了輸出差壓，用多根均速管充分反映了管內(nèi)的流速分布等一系列措施，改善均速管的技術(shù)特性，正引起國(guó)內(nèi)外廠商及用戶的關(guān)注。校驗(yàn)流量是一個(gè)推導(dǎo)量，影響的因素較多，必需通過(guò)校驗(yàn)所得的系數(shù)進(jìn)行修正，才可以得到正確的流量值。由于絕大多數(shù)流量?jī)x表(容積、哥氏除外，但管徑一般小于0.2米)均與管道中流速分布密切相關(guān)，因此要正確使用流量?jī)x表都必需具有較長(zhǎng)的前直管段，即他們應(yīng)安裝在充分發(fā)展紊流之中，所以校驗(yàn)裝置也必需提供充分發(fā)展紊流，它是校驗(yàn)與應(yīng)用的流場(chǎng)平臺(tái)，只有這樣，校驗(yàn)的系數(shù)才可以用于現(xiàn)場(chǎng)儀表，否則校驗(yàn)毫無(wú)意義。風(fēng)洞能校驗(yàn)流量?jī)x表嗎？由于人們難以測(cè)取飛行器在運(yùn)動(dòng)中的受力情況，只有用相對(duì)方法，令飛行器(或等比例縮小的模型)靜止不動(dòng)。由風(fēng)洞產(chǎn)生一股迎面氣流，以模擬實(shí)際飛行情況，為此要精心設(shè)計(jì)，采取各種措施，使整個(gè)截面的流速都是相等的(即所謂均直流場(chǎng)，見(jiàn)圖4)，它與充分發(fā)展紊流是完全不同的，只能校驗(yàn)流速計(jì)，不能校驗(yàn)流量計(jì)。 有人認(rèn)為用風(fēng)洞標(biāo)定插入式流量計(jì)探頭就可以了，有意或無(wú)意回避管道的影響。眾所周知，流量Q=管道截面積AX流速V，因此可以說(shuō)插入式流量計(jì)不插入管道只是流速計(jì)不能成為流量計(jì)，說(shuō)明管道的影響舉足輕重，它可表現(xiàn)為二個(gè)方面：1)具有較長(zhǎng)的直管段，以保證流速的準(zhǔn)確度；2)準(zhǔn)確的管道截面積，用風(fēng)洞可以標(biāo)定流速，不能標(biāo)定流量。氣體流量校驗(yàn)裝置裝置的基本條件：管徑大小與形狀與被校表基本相同；可在較大范圍內(nèi)(10：1)調(diào)整流量；具有較高精確度的流量基準(zhǔn)；具有較長(zhǎng)的直管段，以保證提供充分發(fā)展紊流(如受場(chǎng)地限制，在實(shí)驗(yàn)室建議采用流動(dòng)調(diào)整器)；其他特殊要求：如工況、實(shí)流、二相、脈動(dòng)等。如何面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件：在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的大管徑氣體流量計(jì)常采用矩形截面，大小，寬高比例形形色色，實(shí)驗(yàn)室難以一一滿足；其次往往面臨直管段不足的情況，即未安裝在充分發(fā)展紊流中，即使在具備上述條件的裝置中校驗(yàn)過(guò)，其流量系數(shù)也因?yàn)榱鲌?chǎng)的差異，直接引用并不能保證其準(zhǔn)確度。在這種情況下，只有采用速度一面積法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)。速度一面積法原理—速度面積法是一種測(cè)量管道內(nèi)流量的經(jīng)典方法，由于較為繁瑣，只適用于現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，而不宜用于流程工業(yè)檢測(cè)。由于管道內(nèi)流速分布不等，可將管道分割許多單元面積Ａi，并認(rèn)為單元面積上的流速Vi近似相等，這樣流量不難理解面積分割越多則越準(zhǔn)確，但也越繁瑣而不現(xiàn)實(shí)。準(zhǔn)確度— 采用速度面積法的準(zhǔn)確度取決于以下四個(gè)因素：上式中：Q：流量測(cè)量誤差；a：管道截面誤差；v：流速測(cè)量誤差，取決于管內(nèi)流速分布，取點(diǎn)的多少；I：流速計(jì)的誤差； z：測(cè)量管道截面積儀器的 誤差由于現(xiàn)場(chǎng)流速分布比較復(fù)雜，不對(duì)稱且可能存在二次流及漩渦，要取得較高精確度必需增加測(cè)點(diǎn)數(shù)目，據(jù)ISO7194估計(jì)，圓管采用速度面積法，測(cè)點(diǎn)為48個(gè) Q＜±5%；測(cè)點(diǎn)36個(gè) Q＜±7%；測(cè)點(diǎn)20個(gè) Q可達(dá)±14%.標(biāo)準(zhǔn)—有關(guān)速度一面積法如何操作，由于篇幅所限，本文略去，讀者可參閱以下標(biāo)準(zhǔn)：
－ISO3966-1977 封閉管道中流量測(cè)量—采用皮托－靜壓管的速度一面積法。－ISO7145-1982 封閉管道中的流量測(cè)量—測(cè)量截面一點(diǎn)流速的方法。－ISO7194-1983 封閉管道中的流量測(cè)量—在圓管中處于漩渦及非對(duì)稱流動(dòng)下采用皮托管的速度面積法。－中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) jjG835-1993 速度面積法流量校驗(yàn)裝置檢定規(guī)程。小結(jié)直管長(zhǎng)度舉足輕重直管段長(zhǎng)度對(duì)流量?jī)x表準(zhǔn)確度影響很大，插入式儀表尤為突出，而現(xiàn)場(chǎng)難以保證，生產(chǎn)廠商往往回避這個(gè)問(wèn)題，片面強(qiáng)調(diào)儀表本身的流速精確度，用戶選用時(shí)應(yīng)理性。計(jì)量、檢測(cè)各有側(cè)重流量?jī)x表因其使用目的不同，及要求的特性也隨之不同，如用于物流核算的貿(mào)易計(jì)量，準(zhǔn)確度應(yīng)放在首位，插入式流量?jī)x表一般難以滿足要求；但它的重復(fù)性較好，可以用于工控系統(tǒng)的檢測(cè)環(huán)節(jié)。綜合考慮，按需選用本文按大管道氣體流量檢測(cè)的特點(diǎn)，介紹了不少插入式流量計(jì)，測(cè)點(diǎn)速的簡(jiǎn)單，價(jià)廉，但不準(zhǔn)確；測(cè)截面多點(diǎn)的，準(zhǔn)確度雖有所提高，但笨重，安裝維修不便。筆者認(rèn)為測(cè)線的二種均速管(差壓、熱式)，結(jié)構(gòu)仍較簡(jiǎn)單，性能有所提高，在工控系統(tǒng)中是屬于性價(jià)比較高的產(chǎn)品。
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