4探询插入式流量计的精确度
随着工业的日益现代化，市政建设的社会化等因素，工业，市政，能源等所用的管道口径逐渐增大。采用节流装置（如孔板，文丘里管）不仅压损过大，且结构过于庞大笨重;而采取近期崭露头角的超声流量计，价格又过于昂贵。近二三十年来，插入式流量计以其结构简单，重量轻，安装维护简便，压损小，价格低廉等优点，普遍受到人们的关注与选用。其特点是基于只测管道中一点（或几点）的流速来推算流量，虽简单却隐含了精确度难以提高的缺点。在当前市场经济的条件下，物流一般要求进行经济核算。为此，有必要探询在实际应用条件下，其精确度能否达到不少厂家所宣称的±1%.
一 插入式流量计的种类与特点
1 种类
对流量仪表的划分一般是按原理进行的，如节流，涡街，电磁，超声等，这些仪表大多通过法兰安装在管道上。而插入式流量计顾名思义是以插入形式安装的流量仪表，通过测量管道中的一点（或几点）的流速来推算流量的。可以说，凡是可以测量流速大小的仪表，均可以测量流速大小的仪表，均可成为插入式流量计（本文只讨论测一点流速的插入式流量计），这类流量计目前常用的有：
（1）皮托管，是一种经典，较为准确的流速计，几十年前常用于现场测量，由于易于堵塞，输出差压小，现很少用于工业现场，但仍常用于校验。
（2）皮托—文丘里管，也称为双喇叭管或双文丘里管，也是基于皮托管测速原理，只是结构上采取了加速，降压措施，在相同流速条件下，可较皮托管获得更大的差压，且不易堵塞，可耐高温，但精确度不高。
（3）其他如涡街，涡轮，电磁等流量仪表均可反映流速的大小。可将其做成精小的测量头，通过测量管道中某点的流速来推算流量（图1）。

2. 优、缺点
（1）结构简单，轻便，制造成本较低。
（2）压损小，运行费用低，是一种节能仪表。
（3）一种结构可用于多种口径（限于点速式），可减少用户备用数量。
（4）便于包装，运输，安装，维护。
（5）可不断流进行安装，拆卸，避免了断流造成的经济损失。
（6）管道中的流速分布对测量精确度影响太大，要求直管段长达30D~50D。
（7）现场情况复杂，对其应用有很大影响，难以标准化。
（8）精确度很难提高，一般只能达到±（3~5%）。
二 工业管道中的流速分布
1.充分发展紊流
按定义，管道中的流量qv等于管道截面积A乘以通过此截面的轴向流速V，即qv=AV。但由于管道上游的各种阻力件（弯头，变径管，岐管，阀门等）的影响，流速分布十分复杂，不仅不是常数，还有径向分速，漩涡及二次流（图2）所幸在实际流体的黏性作用下，通过30—50倍管径长度的直管段后，流速分布将趋于一种较为固定的形式，这种流动称为充分发展？？流。几十年来，工程界约定将这种流动作为流量测量的标准流动（图三）。

早在1932年，Nikuradse就对光滑管中的这种流动进行了系统测试，并用（1）进行了描述：
V=Vm(y/R)1/n (1)
式中，V——在测量点的流速；Vm——管道中心的最大流速；y——测量点至管壁的距离；R——管道半径；n——指数，取决于雷诺数Re，如表1所示。

 

 

表一 雷诺数Re与指数n的关系
尽管后来不少人认为，在管壁Y=0及中心Y=（0.8—1）R处，式（1）与实际情况有些出入，但因其简单，至今仍常用于描述充分发展紊流。
2.平均流速点yc
由于充分发展紊流的流速旋转对称于轴心，则流量qv可用积分表示：

以上推导得出充分紊流条件下的平均流速点为yc，只需将测量头置于yc上，就可得到流量qv；或将测量头置于管道中心（y=R）处，测得流量，再用式（4）修正，也可以得到流量qv。
3.平均流速点是变化的
从式（1）可见，充分发展紊流速度分布取决于内诺数Re（图3）因此平均流速点yc将随Re变化。在Re数为4×103~4×106时，yc的变化规范为（0.245~0.254）R。按ISO7145规定，取其平均值为yc=（0.242±0.013）R。而插入式流量计测量头固定后，不可能随Ｒｅ改变，说明即使位置安装正确，由于Re变化，引入误差也将达到±0.7%。
不仅如此，继Nikuradse后，Logan，Townrs，Pao等人对粗糙管进行了速度分布测试，认为管壁粗糙度对其也有些影响（图4）。

PAO甚至认为在粗糙管条件下，yc=0.216R，且基本不变。对此可举例说明，如采用直径为300mm的新钢管，内壁粗糙度ε为0.15，则ε/D=0.005，可视为光滑管。由于插入式流量计一般使用的管径都大于300mm，所以很少出现pao
所说的管壁粗糙度也有影响的情况。
在实用中往往为便于安装，将测量头置于管道中心，此处速度分布平坦，变化梯度趋于零，避开了因此带来的测量误差。但此处所测流速不是平均流速Vc而是最大流速Vm，因此还需系数Vc/Vm修正，才是流量qv，系数Vc/Vm也将随雷诺数Ｒｅ及粗糙度ε的变化而变化（图5）

三　影响流量精确度的因素
1.流速分布
以上分析的前提是测量头必须处于充分发展紊流中，要满足这个条件，其上游直管段的长度Ｌ就应达到如表2所示的要求。由于插入式流量计多用于大口径管道，在实际应用中，很难达到表2所示的要求，由此将带来较大的误差。初步测试表明：这种以测点速确定流量的插入式流量计，当直管段Ｌ不足8D时，流速误差 将达到±(10-15)%；L达到15D后， 可减小大±(5-8)%；而如果直管段长度达到表2所示的要求时， 仅受雷诺数Re及粗糙度的影响， 可控制在±(0.7-1)%。附带说，如采用测多点流速插入式流量计（如均速管，即使直管段只有8D—10D，精确度也将会提高不少。
2.阻塞度
插入式流量计的插入杆及测量头将减少测量截面，改变流速大小及分布，由此带来流量测量的偏差用？？？来表示。
阻塞系统S可表示为

3.速度梯度
如测量头定在平均流速点ye处，此处的速度分布具有较大的速度梯度dv/dy根据Piandte Von,Karman理论，实测的流速并不是测量头中心的流速，它还取决于阻力系数 速度梯度dv/dy为 。