插入式流速仪装置述评.docx

1、海八如，布圣祝，诺水利水文自动化1998年第1期0插入式流速仪装置述评0前言插入式流速仪通常归为这样一类装置.根据管内临界点位置的单个流速测敏，推导出总体流速值。插入式流速仪由流速传感器、支撑架、安装配件和压力密封装置组成。与全管役测ii仪不同，这种流速仪装置通过管壁的开孔插入流体内。插入式流速仪为用户提供了低价的仪器及重复的流量测星。进行全管测斌流速的技术一涡流、涡轮、压差、电磁、声波等也可作为插入式流速仪来测械流速。本文将评述插入式流速仪的应用，以及它们的总体成本和效果。1购置费用用于探测流体流速的传感部件相对于管内径尺寸来说，其尺寸是小的。根据插入式流速仪的结构设计，其硬件成本远远低于全

2、管径测量流速仪，并且与管径尺寸的增加保持较线性的关系。由于这些原因，与全管径流速仪相比，插入式流速仪的价格通常是很低的。总的来说，插入式流速仪为测破大、中型管道流速提供了最佳成本一效果方法。安装插入装置有两种方法。标准安装通常包括在管道上将一个配件和一个简易管孔进行快速焊接，无需对现场管道进行太大的切割和焊接。通常在1至2个工时内就能安装好插入式流速仪，而安装一台孔口流量计法兰部件则需8个或更多的工时。插入式流速仪可在不关机的情况下安装。通过安装在管外壁配件上的隔离阀，将一个可伸缩传感器装入管内.当插入或收缩该传感器时，隔离阀防止液体溢出。在管道上开孔时，必须使用一组特殊的“热帽”螺丝钻，通过

3、开孔装入传感器。用户通常从当地仪器供应处租借钻孔设备。“热幅"式安装的花费比标准的安装通常要大些，但对那些若关闭管道会造成极大损耗的流水线来说，将是非常经济的。插入式流速仪对流体有比较小的阻碍影响，由安装这些装置引起的水头损失几乎可忽略不计，对用户来说，使用插入式流速仪意味着付出较低的年度泵站运行费用，节约相当大的开支。2总体测量精度插入式流速仪的总体测址精度受下列因素的影响：一次仪表的仪器系数不确定度；二次变送器的精度；流速传感器在流体中的位骨；管道流速剖面畸变；管道内径的不确定度。一次仪表的仪器系数或流速系数用在流速公式里将测址信号转变成等敞的流速值。这仪器系数不是一个固定值，但

4、通常以预想的规律随雷诺数的变化而变化，即随着流速、液体密度和粘滞性而变化。总体测携精度直接受流速测留范围内的仪器系数可预测程度的影响。制造厂家在其产品说明书中通常将仪器系数的不确定度称之为精度或线性度。这可能使用户产生混淆，因为各组织（如ISA）对名词术语中的精度及线性度作过不同的定义。由制造厂家标明的仪器系数的不确定度可以理解成由】SA定义的精度及线性度的综合效果。仪器系数的不确定度可规定为流速的一个百分数或全量程误差的一个百分数。流速仪表的百分数最好用于测斌大范围的流速。当观察总体测址精度时，要考虑二次变送器的精度。二次变送器可作为一个独立的误差源，一般会标明其自身的精度值。制造厂家标明的

5、任何精度值通常指的是在管道处于理想的水力学条件下所获得的。图I管道断面流速分布图宙诺系数临界位置40000.755100000.755400000.7571000000.7574000000.75910000000.76240000000.763雷诺系数断面因子40000.791100000.800400000.8111000000.8184000000.82710000000.84140000000.866理想的流体象活塞运动一样流过管道。在整个管径断面的流体流速将是恒定的。实际上，管道流体流速剖面有点象抛物线（图1）.管道中心流体流速比管壁邻近处流体流速高，流速抛物线的形状随雷诺数的变化而

6、变化.插入式流速仪通常从一单个流速测童推出流速值。准确的流速测量需要将测得的速度值与管道平均流速建立关系。理想状态是将插入式流速仪传感器安装在液体中的某点，而此点流速与管道平均流速大致相等。这在大口径管道是可能的，因为插入式流速仪传感器尺寸相对于管道内径是较小的。这个临界点与雷诺数之间的对应关系如表1所示。临界位置几乎与雷诺数无关，相对来说，由安装在临界点的传感器引起的误差是比较小的。在较小和中等管径管道的流速测话中，由于传感器部件与管径相比尺寸较大，故在临界点安装传感器比较困难为了便于使用，传感器须装在管道中心线上.将管道中心位置测得的流速通过剖面系数与管道平均流速建立关系。如表2所示，当雷

7、诺数在10：1范围内变化时，剖面系数的变化会超过2%.因此,安装在管道中心线的插入式流速仪的总体测fit精度将受剖面系数线性的影响.若插入式流速仪传感器在管道内放置得不合适，则也会影响总体测ft精度.这一点无论对临界点安装，还是中心线安装都是成立的。然而，临界点安装产生的误差比中心线安装法大。因此，必须正确地在管道中安放传感器。当流体刚刚流过普通的夹具部件时，速度剖面会严重扭曲，或形成角动量（涡旋）速度剖面扭曲对总体速度测量将引起附加误差。在流速仪的安装现场,必须提供水力稳定及可预测的流速剖面。可通过改善流速仪前后各一定长度的无阻碍直管段中流体的流态来达到这个目的。要求的直管段长度取决于安装位

8、置上游管道的实际形状.许多厂家建议，插入式流速仪的上游直线管道长度为15D（D为管道内径），下游为5D.然而，这仅仅是个一般的推荐值，它应被认为是最小值。目前还没有证据来证明某一流速仪比任何其他仪器易感受或不易感受速度剖面扭曲。为孔板流计所定的ASME和AGA建议也适用于其他仪器，包括插入式流速夜.ASME推荐的管道长度，通常能将剖面扭曲引起的测域误差限制在土0.5%以内对于大口径管道，ASME或AGA建议可能要求相当大的地方来铺设要求的管道。在紧凑的管道条件下，安装位置的上游可使用直桨叶来找少直线管道长度.不过，直桨叶也不是万能的，不能完全消除对管道的要求.一个内部共心的渐缩管类似于液体喷嘴

9、，在尺寸紧凑情况下,也可用在中心线安装的传感器的上游来减少剖而扭曲。在任何时候，使用管道、叶片或其他方法都将增加设备的安装费用。然而，这将是确保流速测眦最高精度的唯一方法.所选测蛾位置的管道断面面积对总体测魅也是一个潜在的误差源，对中、小型管道来说，这是肯定的。管道内径的不确定度将增加流速计算值的误差.大部分用户简单地从标准管道表格中查找内径值,很少在现场测址实际管径。对于ASTM标准来说，管道的制造公差不能足以保证计算断面面积的精度，管道壁厚和椭圆度的公差能使得管道内径实际值与表格中的标准值有较大的偏差。当将流速仪安装在旧管道（有严重的腐蚀、风化、生锈和附着物）上时.就使这个问题更加突出。断

10、面面积计算误差看来似乎微不足道.但若要使插入式流速仪装置取得优于2%的精度，这个何题就很重要了。总之.不管许多制造厂家怎样强调，通常播入式流速仪的安装不是高精度的，用户可望得到的可靠精度为士2%5%。这个限度一方面是由于设备的特性但主要是由于随流速及操作条件变化而引起管道内水力特性变化而决定的.通过使用多个传感器.铺设长的直线管道.进行辅助测械（温度、压力、密度等），以及使用微处理机技术来补偿上述的某些诃预测变做.有可能获得好于插入式流速仪安装法的精度.然而，这大大增加了播入式流速仪装置测址的费用。即使如此插入式流速仪对非常大的管道的流速测钛来说仍然是经济的。对于中、小型管道来说，要达到优于&

11、#177;2%的测址精度，也许使用全开孔式流速仪是经济有效的。3安装每个制造厂家将指明在流体内安装传感器部件的位置。由于测敏速度和管道平均速度之间是1:1的关系，所以许多厂家推荐临界点安装（大约插入0.125D）。这样.雷诺数的变化对总体测钺精度的影响会尽址减小。某些厂家则推荐使用中心线安装法，这样，可使传感器插入过程中不正确的放暨所引起的误差较小。大部分制造厂家承认测做中总会存在一些剖面扭曲。对任何插入式流速仪安装方法来说,这就限制了对测城速度与管道平均流速间相互关系进行可能的预测.他们推荐在安装过程中对管道作一详细的考察，以便合理确定实际流态下的这个相互关系。在管道调查中，将管道断面面积划

12、分成5个具有相等断面面积的环形段（图2）。然后沿整个管径移动传感器，进行10次不同的流速测址。在中心线两边每个环形域浏髭1次。通过这个过程就可以标出实际的流速剖面.然后将传感器安装在管内的临界点上,将所有的剖面扭曲均考虑进去.必须注意.随着管道条件的变化.扭曲剖面的形状会不断变化。这样的管道调查只能保证在该流体条件下的测钺数据是精确的，这些参照条件改变了，仍将影响其测堆精度。习惯上,通过对在调研中测取的10个流速测量值取平均来计算管道平均流速。在近期的某研究报告中指出,使用面积加权法计算管道平均旅速比直接取平均值法精确。在加权计算方法中.记录每个环形段的面积、速度及面积乘以速度之积,将速度与面

13、积之积累加后.再除以管道断面面积.即得到管道的平均流速。4可利用的技术在孔口流量计和播入式流速仪中应用同样的传感技术探测流体。这些传感器运行的-般理论及优缺点此处不作叙述，这里只述评一下每种装置的某些特殊点。4.1皮托管和平均皮托管虽然皮托管通常用于清洁的液体和气体，但也可用于测魅管道或槽中低压空气的流址.在低流速时.不推荐使用皮托管，因为此时产生的压差非常小，难以测钺。这种测具的压力取样入口很容易被流体中的杂质堵塞，故应当经常不断地清除。某制造广家提供了一个装置，该装置由几个排列在一起延伸到整个管径的皮托管传感器组成.因为它产生连续的断面平均流速，故有望比典型的皮托管有较高的精度。流址取决于

14、真正的管道平均流速,与剖面扭曲或雷诺数的变化无关。0.447R0.632R-O.775R0.894R管道断面划分示意图图2这个多点测址概念的延伸就是平均皮托管。它是一个横跨整个管径的传感器，由压力采样口测话沿管径方向几个点的静态和动态压力。所有的静态压力取样入口通过传感器内部的一个船相连，动态压力采样口也一样。这些舱允许各种压力混合在一起，对代表该管径下真实平均压力值的静态和动态压力进行调压，产生径调压的压力读数，接着产生与管道实际平均流速相关的压差。制造厂家声称，由于整个管径上取样的不同压力所造成的在静态压力舱和动态压力舱中的所有流体循环能够完全消散，不影响流速的测址。与这些制造厂家的声称相

15、反，对于扭曲的速度剖面.取样舱内的流体循环不会完全消失，确实会影响总体测址精度。另外，当这个装置只是安装在平板上时,才能从理论上推算平均压力。几年的使用表明，平均皮托管的确能重复地提供流体测址，达到了大多数插入式流速仪的精度水平。它们易受速度剖面误差的影响，但比典型的插入式流速仪要好些它们主要用在蒸气测址方面，也可测量任何相对清洁的液体或气体。象皮托管一样，它们不适用于低速测信。然而，它又不像皮托管，其环绕测址部件的流体会产生紊流.这种紊流能清除阻塞问题，达到自动清洁的目的。4.2电磁式孔口式电磁流速仪和插入式电磁流速仪均是根据法拉第电做感应原理来工作的其唯一的区别是孔口式仪器测钺的是管道平均

16、流速。插入式仪器测量的是其附近流体的流速。插入式电磁流速仪适用于所有导电液体，尤其适用于大管道的污水测量,传感器通常安装在近管壁处。建议事先对管道中流体流态作仔细考察，以确定实际状况下实测流速与管道平均流速之间的关系。1.3涡轮式典型的插入式涡轮测地计可看作支架上的一架传统的小涡轮式流计。插入式涡轮流址计广泛用于测磁天然气、水、石油加工产品和蒸气的流量由于需要储备和更换零件，其维护费用比其他装置高。制造厂家声明，仪器的转子/支承系统必须每隔35年更换一次，然而这是随使用情况而变化的。在蒸气测量中，维护周期要短得多。在任何情况下，“热帽”式安装使各种维护变得简易、快速和经济。某制造厂家为液体测量提供了一种不同型号的插入式涡轮流速仪。该装置有一个全孔径的大转子，以支杆插入管道中。因为该全孔径式转子利用全部流体来测址，制造厂家标明其测址有较高总体精度，其流量取决于管道平均流速。这种流速仪有一独特的联顿插入机构.该机构为旋转部件，在插入或移出管道时起定向作用。4.4其他旋涡插入式流速仪常用于低粘性液体、气体和蒸气。由于受最小雷诺数限制.旋涡流速仪通常不能进行大管道中的低流速测蚊。可使用不同的方法来检测旋涡频率（速度）。旋涡插入式流速仪因其结构设计独特，价格通常较其他插入式流速仪昂贵。在选用传感器时，应仔细挑选最符合实际条件的，以免出现难以控制的维护问题。孔板插入式流速仪可用于液体和气