摘要:插入式流量计结构和原理,以及两种常用测量方法的理论依据,并在此基础上,设计了一种插入式流量计在水流量标准装置上的不同流速实验。通过对数据分析,为插入式流量计的校准和使用提供了更有效的方法。
0引言
随着现代工业的不断发展,流量计已成为生产过程中的一个重要部件。由于大多数流量计采用管道法兰式结构，当出现故障时，需停止生产才可进行维修、保养;而插入式流量计的特殊结构形式,可在不停止生产的状态下进行。因此，为确保长期工作中流量计的计量准确性,需定期进行量值溯源。同时，由于在实验室进行校准时,要求该流量计在满足安装要求的情况下，应具有高的精度等级,增加了校准难度。因此，需在不改变现有实验装置的情况下，选择一种较为合适的测量方法。
1结构与原理
插入式流量计是以插入形式安装的流量仪表命名，典型的电流速计型插入式流量计由测量头、插入杆、插入机构、转换器和仪表壳体(测量管道)构成。目前,主要包括点流速计型和径流速计型。其中,国内使用较多的为点流速计型插入式流量计。其结构如图1所示。首先,使用测量头插入管道中某一特定位置,并测量局部流速;然后，根据管道内流速分布及仪表与管道的几何参数等计算流量值。其具有结构简单、安装维护简便、压损小、价格低廉等优点,但测量精度低。
2测量方法
流量是指单位时间内通过某个流通界面的流体容积或质量。在时间测量应用中，通常为测量管道某一界面的流速及该截面的面积的乘积。点流速计型插入式流量计的流量测量主要采用流速-面积法计算。按照流速测量方式的不同，分为单点流速法(即通过测量单点流速计算流量)和平均流速法(测量平均流速)。
2.1单点流速法
单点流速法测量流量是指在管道截面上只测量一点流速以计算流量的方法。该方法是通过测量圆管道.上任意半径，上的流速和测量点与中心线的距离，再根据式(4)计算圆管截面的平均流速，从而得到管道截面的流量。
根据流体力学理论，当管道中介质为紊流状态时，流速分布模型为:
其中，vx一距离管道中心线rx的流速,m/s;Umax管道中心线的流速，m/s;r,--流速测点与管道中心线的距离,m;R一管道内半径,m;n一随雷诺数不同而变化的指数。
雷诺数Re的计算公式为:
2.2平均流速法
根据检测规程中管道截面平均流速位置在(0.242±0.013)R处，通过测量管道的平均流速与管道面积计算流量。流量计算公式为:
面的面积.m2。
3实验方法与结果及分析
选择水流量标准装置，管道直径300mm,测量段.上游长度约7000mm,下游长度5000mm,满足流量计的安装要求，并选用一种超声波插入式流量计。其测量原理为超声波束在液体中传播时，流体的流动使传播时间产生微小变化，且传播时间的变化与液体的流速成正比，从而得到液体的流速。水温29.3℃,通过查表可得取水的运动粘度v=8.2x10-7m2/s,并根据边界层效应，平均流速选取(0.242+0.013)R=38.25mm(即rx=111.75mm)。同时,为了使实验结果具有较好的对比性，单点流速法选择与其相接近的位置,流量计探头安装位置rx=110mm,即距离管道内壁40mm处。两种方法试验时，流速从0.5m/s开始，以0.5m/s为测量间隔,逐渐将流速增加至3.5m/s,测量不同流速时的标准流速与被测流速,并采用单点流速法，以被测流速为基础数据计算平均流速;然后，采用平均流速法，以被测平均流速计算被测流量。其中,平均流速法是通过在平均流速测量点直接测得流速，并采用流速与流量计算公式得到流量。将两种方法测:量计算得到的流量与标准流量进行计算,即可得到示值误差。
3.1实验结果
3.1.1单点流速法测量数据
单点流速法测量数据与计算结果如表1所示。
由表1可知,被测平均流速均小于被测流速，且差值会随流速的增加而逐渐变大;被测流速与标准流速存在一定的差值，当流速在3.5m/s左右时，与标准流速相差可达0.053m/s,与被测平均流速差值约为0.04m/s。差值产生的主要原因是测量管道的口径、超声波探头的安装位置、雷诺数与n值的计算取舍。此外，流量的稳定性也是不可忽略的因素。
3.1.2平均流速法测量数据
平均流速法测量数据与计算结果如表2所示。
由表2可知,通过流量计测量可得被测平均流速,可直接计算流量,过程较为简单,且不涉及雷诺数等参数,减小了附加误差。
3.2实验结果分析
插入式流量计适用于大口径管道的测量,实验选用的DN300mm管道,由于超声探头离管壁较近，在管壁摩擦力的作用下,会造成低流速情况下边界层较厚，影响较大,但边界层会随流速的增加而逐渐变薄,且大部分流体处于正常的紊流状态，影响较小，使流速趋于标准流速。因此，根据表1、表2的数据可知，在流速相近的情况下，当单点流速法和平均流速法在低流速时，前者误差优于后者,且二者均为负值。同时，随着流速的增加，误差值会逐渐接近,变为正值，且后者优于前者。
4结论
插入式流量计以突出的优点被广泛应用于各个领域,但在校准或使用时需综合考虑管径与流速的.大小，一般适用于较大的管径，因此，在管径确定的情况下,若流速较小，则可优先采用单点流速法;若流速较大.则可采用平均流速法，从而减小计算时对测量结果的影响，进一步提高测量的正确率。该方法可为插入式流量计的安装及使用提供一定的理论依据。
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