取样流量传感器的应用与发展

2013-10-10 13:28:53来源: 21ic
采用取样法测量流量已有几百年的历史,其原理犹如对大面积农田收割前的估产,仅取其中一小块进行收割、称重,然后推算扩大至整个大面积农田的产量。流量测量则是测管道中一点(或几点)流速,再乘以整个截面。显然,取样法测流量的准确度取决于以下三个因素:

管道的流速分布是否均匀,或符合一定的规律;
流速测量是否准确;
管道截面测量是否准确。

流速分布

直匀流

按流量的定义:单位时间S通过管道(或通道)的流体容积m3(或质量kg)。如下式:

流量q v = AV = m 2 .×[m/s]= m 3 /s。 (1)

式(1)中的A为管道的横截面积(m 2 ),V为通过此截面的流速(m/s)。如果管道中的流速分布为流体力学中的直匀流,即管道截面中的流速V为常数,流量测量就十分简单了。问题在于在工业管道中欲取得直匀流无异于缘木求鱼,完全没有可能。

充分发展紊流* 2

流程工业从其本身的工艺要求出发,在管道中须安装形形色色的管配件(如阀门、弯头、歧管、变径管、过滤器等)。由于它们的形式及组合方式极多,所引起的管内流速分布也千变万化,难以估计。

好在实际流体均有黏性,在流动过程中将因粘性会带动(或制约)相邻层面的流体,经过约30D(D为管内径)直管段长度后,其流速分布将不再变化,工业中称为充分发展紊流,可用数学公式进行描述。必须强调:只有在充分发展紊流中取样流量传感器才可能取得一定的准确度,并已有相关一些标准(ISO3354、ISO7145、ISO3966----)予以确认。

现场能提供充分发展紊流吗?

随着现代工业规模的扩大管径日益增大,以及工业用地的日趋紧缺,现代流程工业不可能考虑流量传感器准确度的需要,提供30D的直管段长度,所以当前工业现场不可能具有充分发展紊流,流速分布千变万化,而且还可能存在漩涡。

采用测一点流速(如双文丘里;热式;插入式涡街、涡轮;测管-----),及直线上多点流速(如各种类型的均速管)来推算流量,将会得到极大的误差,并出现了流量增大输出差压反而减小的现象,完全无法有效测量流量。这说明了流速分布对流量测量准确度的重要性。

面对千变万化的工业流场,如要准确测量流量,从理论上讲,可尽量按(2)式增加流速的测点以充分反映管道中的流速分布,显然难以实现。工程中是将管道(含通道,如江、河)中某一截面划分为有限的单元面积Ai,并假设流经其中的流速Vi近似相等(3式)。这种方法也称为速度—面积法(Velocity—Area Method)。

q v= ∫ f
0 V i dA(2)
q v= ∑ n
i =1 ViAi (3)

流速测量

从以上三个公式可见,式中的vi即流速,厂家所生产的“插入式“流量传感器实质上只是一个流速传感器,它必须插入到管道中,才能成为流量传感器。以测管道中单点流速推算流量的这类传感器,如:双文丘里;皮托管;插入式涡街、插入式涡轮、测管---等应在风洞中标定,确定其流速系数。因为只有风洞才可能产生一个截面上流速完全相等的直匀流,可在同一截面上安置一个流速基准,以比对方式确定上述插入式流量传感器的流速系数。

而对于测管道直径上多点总、静压以推算流量的流量传感器,如均速管则不同,它应在充分发展紊流中标定以确定其流量系数。因为多点的总、静压在均速管内平均后输出的只有一对总、静压,管内的平均过程比较复杂,由此推算的流速并不等于管道中的平均流速。不少国外名牌均速管厂家,均照此办理,不过管径仅0.3~0.4米,远远小于使用管径。说明即使这些名牌厂家用于1~2米的均速管,其流量系数也是推算的,不可能准确。

管道截面

上述公式说明,取样流量传感器测流量都必须考虑流通面积的大小,而生产厂家往往只精心制作流量传感器本身,忽略了它的重要伙伴—管道的存在。从此类传感器的误差分析来看,截面的误差对流量准确度的影响将四倍于流量传感器输出差压的误差,说明准确测量流通截面的重要性。此外,还有以下几个概念需说明:

公称内径

这类传感器因采用插入安装形式,难以准确测量管道内径,用户计算时多按公称外径减两倍管壁为内径。但由于压力等级不同,实际所用管道内径并非是公称内径;其次,管道在长期使用后,由于腐蚀、污染、积垢---等原因,也会有较大变化。
[1] [2] [3]

关键字:取样流量  传感器  流速系数

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2013/1010/article_7920.html
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