大管道气体流量仪表的校验 - 中国流量仪表网-流量计流量计信息流量

大管道气体流量仪表的校验 - 中国流量仪表网-流量计流量计信息流量 大管道气体流量仪表的校验 大管道气体流量仪表都属于速度型，特别是插入式，管内流速分布是影响流量仪表精确度最关键的因素。目前被热炒的风洞流量校验装置只能提供直匀流，不少流量校验设备虽可提供充分发展紊流，但在大管道流量仪表的安装现场也难以满足。因此，有效的方法是在现场进行校验。本文推荐了速度面积法。专家们认为，由于试验室难以模拟千变万化的现场，现场校验将是自动化仪表校验的发展趋势。 流量是一个推导量，它由一些基本参数(长度、质量、时间)组成;同时它又是一个动态量，只有流体运动时才会产生流量，因此，它又与流动的状态密切相关。影响流量大小的因素较多，有些因素如流速、管径的影响可以用函数确定，还有不少因素难以确定。需用流量系数C给予涵盖来修正仪表所测的流量值，流量系数C通过下式求得:流量系数C=基准流量Q/被校仪表流量值Q'。 有些仪表(如孔板、超声波)现在已可通过干标，即仅量几何尺寸无需通过实流校检也可得到流量系数，要做到这点是因为已通过了大量的实流校检，积累了数以万计的数据归纳整理的结果。在目前要想认真提高流量仪表的性能，检验仍是不可缺少、无法替代的手段～ 一 校验装置的基本条件 流量检验装置从传递基准、原理、被校介质等划分，种类有一、二十种。本文只限于介绍校验大管道气体流量的装置(或方法)，它应具有以下几个基本条件: 1. 相同的流场 对绝大多数流量仪表(科氏、容积式除外)的流量值均与管内的流速分布密切有关，特别是按取样原理所的插入式流量仪表，流速分布对精确度的影响举足轻重，按行业的约定充分发展紊流是在实用中较易获得的流场，除科氏、容积式外，流量仪表均应安装在充分发展紊流中，为此校验装置也必须具有充分发展紊流，这样所校验的流量系数才可能无误地传递到安装在现场的仪表，否则检验毫无意义。要做到这点，校验装置只要具有较长的直管段就可以获得充分发展紊流。 2. 管径与形状 校验装置需具有与现场管道相同口径与形状的管道，它只是再次强调了上述的流场相似性。曾有一种意见，认为可应用流体力学的相似理论只要几何尺寸相似，雷诺数相等就可以将小口径校验装置所得的流量系数传递到应用现场的大口径上。因为口径不大而精确度高的水流量试验室是较多的，但这不现实～由于气体运动黏度小于水的近10倍，而管道中气体流速大于水的流速约10倍。因此，在雷诺数相同的情况下，水流量装置口径将大于空气近100倍，如此传递就变得本末倒置得不偿失而毫无实际意义了。 其次，由于在实用现场中(如火电厂)常用矩形大管道送风，而矩形管道中的流速分布与圆管有很大差异，校验装置也应具有同样大小的矩形管道才有意义。 3. 流量基准 流量基准是确定被校仪表流量系数的依据，是决定装置及仪表精确度等级的重要环节。气体流量校验装置的流量基准有许多，如:Mt、PVTt、钟罩法、活塞法，标准体积管、最高精确度可达?0.1%。而口径多小于0.2m。但流量基准可采取小口径多台并联方式来校验大口径流量仪表(如图1)，并不要求相同的口径。 原始基准如Mt、PVTt法精确度虽高，但使用很繁锁，造价过高。校验频繁的生产厂家可采用比对法，即通过原始基准校验1台(或多台)精确度高，性能稳定的流量仪表(如超声、涡轮)，将其作为流量基准在装置上与被校表在同一流量 下进行比较。这种方法投资不大，使用简便，切实可行，常为生产厂作为出厂校验设备。这里强调两点:(1)流量基准的精确度(或称不确定度)应尽量高，因为被校表的精确度包含了流量基准的精确度;(2)流量仪表的精确度不可能大于装置所采用的基准的精确度。有些厂商宣传的流量仪表精确度，仅是仪表的重复性(或随机误差)，回避了仪表的系统误差(即装置流量基准的误差)。 4. 流量范围 装置应能提供较大范围的流量量程比(不小于10:1)，以得到流量仪表较大范围的流量特性。为此，可改变风机转速、部分阻塞管道流通截面;也可关启众多相并联小口径流量基准。 5. 特殊要求 如研究特殊条件下的流量仪表特性，校验装置应尽量接近于现场的工况，以减少这些因素对精确度的影响，如特殊介质、高温、低温、高压、脉动流、多相流等。建立这种装置投资巨大，据悉一座已建成可校0.4m口径的天然气校验装置投资达3000万人民币。 二 风洞可校验流量仪表吗, 我国目前某些流量仪表厂用风洞来校验流量计，并宣称使流量计精确度可达到0.5级，并附上照片做为卖点，误导用户;而某些大型的标书中也不加分析认同这种观点，提出参标的大口径气体流量仪表必需在一定资质的风洞中标定后才有资格入围，这种做法令人担忧，值得商榷。 1. 风洞是什么 风洞主要用以研究飞行器在运动过程中受力情况的一种高科技试验装置(目前已扩展到研究高层建筑、桥梁、汽车、运动器材等)。由于人们无法测取飞行器在运动状态下的受力情况，只有采取相对方法，令飞行器(或按比例缩小的模型)静止不动，由风洞产生一股迎面气流，以模拟飞行状况。为此，必需采取一系列措施，使整个截面的流速(或中心部分90%以上地区)相等，流体力学称这种无边界的二维流动为直匀流。 2. 风洞与流量校验装置的差别 (1)流场。大管道流量仪表都是速度型，其流量系数与管道内的流速分布密切相关，风洞只能提供直匀流，不能提供流量仪表安装现场的工业管流、充分发 展紊流，风洞所校验的流量系数不能用于现场，有人曾对此进行比较，差别在?10%以上。 (2)流量基准。目前某些企业所介绍的风洞校验装置没有提供流量基准，所得到的流量系数没有依据。 (3)管道的尺寸及形状，风洞无法根据所校验的流量仪表改变截面形状与尺寸，而这些因素对流量系数影响极大。 (4)据了解大型风洞检验一次费用很高，售价较低的插入式流量仪表难以承受，不太可能每台进行校验。因此，用风洞来检验流量仪表既无必要，也无可能。 3. 是否可合二为一 上世纪80年代，确有将风洞用来校验流量仪表。但它仅将风洞的直匀流做为流量基准，经过大量试验，找到了附面层与雷诺数的关系，简化了速度面积法。同时这个校验装置也提供大于30D的直管段长度，经测试得到了充分发展紊流。而且它的管道采用了积木式，可根据需要任意组合，用以研究各种工业管流，这才是真正意义的校验装置。 三 现场能否提供充分发展紊流, 本文已多次强调，充分发展紊流是流量仪表校验与应用的平台，流量仪表只有安装在充分发展紊流中检验才有意义。对于中小口径的流量仪表而言，提供30D长度的直管段也许不太困难。而对于大管道(如D>500mm)，在现场实现这个要求就很不现实。在工程中，装备永远是主角，而仪表历来只是处于从属地位。工程设计中为了节约场地、能源、资金，在工艺设计中总是力求紧凑，不太可能按流量仪表要求加长直管段的长度(输气管线除外)。因此，对于大管道气体流量仪表而言，在现场很难提供充分发展紊流。 从上所述，风洞只能校验流速而不能校验流量;耗巨资建立一个具有充分发展紊流的大口径气体流量检验装置也未必可以解决大口径流量仪表的检验问，况且在许多现场应用中，如火电厂的送风管道，大型集中空调送风系统，多采用矩形大管道，其流场检验装置难以模拟重现，流场不同校验就没有太大的意义，较为现实的方法，就是直接在现场采用速度面积法进行校验。 四 速度面积法 1. 原理 速度面积法是一种测量管道内流量的经典方法，因其繁琐，只适用于现场校验而不宜用于流程工业流量，按流量的基本定义:流量Q等于管道截面积A乘通过此截面的流速V，即Q=AV。遗憾的是管内流速分布不等于常数，且当直管段较短时，没有规律，难以描述。所以只有将管道分割为许 多单元面积Ai，并认为通过此单元面积的流速近似相等，这样流量Q= ，不难理解:面积分割 得越多，流量值也越准确，但也越繁琐而不现实。 2. 标准 有关速度面积法，可参见以下国内外标准，由于本文着重讨论的是直管段不足的情况，主要应参阅IS07194。 (1)ISO3966?1977。封闭管道中的流量测量—采用皮托—静压管的速度—面积法。 (2)ISO7145?1982。封闭管道中的流量测量—测量截面一点流速的方法。 (3)ISO7194?1983。封闭管道中的流量测量—在圆管中处漩涡及非对称流动下采用皮托管的速度面积法。 (4)中国国家标准JJG835-1993速度面积法流量检验装置检定规程。 3. 流速计 流速计是实现速度面积法的重要仪表，国际标准化组织在ISO3966中推荐NPL、AMCA、CETIA等型号皮托管，但这些皮托管对流向都较敏感，当直管段不足时，管内的流向并不平行于管道轴线，偏斜可达?20?以上，流速误差可达?(3,5)%。因此ISO7194推荐采用楔形(或圆柱形)流向探头，先确定某点的流速方向，再采用上述皮托管测流速，这样做相当繁琐，难以操作。 笔者建议采用一种5孔皮托管(见附图2)，头部有3个孔，二侧的小孔a，b的轴线与中心孔C轴线互成45?，后方管壁上有一对小孔d，d'。孔a，b的作用为测流向，当Pa=Pb时，孔C将正对流向，Pc应为总压;差压Pc-Pd决定了流速大小。采用它一次到位简化了测量程序，但应用前需在风洞中进行标定速度特性。 此外，笔者还建议可采用一种有导流嘴的皮托管(参见专利ZL20042006 1027.3)，它可流向偏斜达?30?时，仍可维持较高的流速测量精确度。 4. 测点的位置及数量 测点的位置及数量，既要充分反映管道中的流速分布，又不宜选得太多，否则增加实施难度，按国际标准ISO3396推荐，按圆管及矩形管分别表述如下: (1)圆管 圆管上的测点布局按如图3所示，测点处于至少二个相互垂直的直径上，每个半径上的测点按需要可以设3,5点，位置见表1，图3中R为圆管半径，r为测点到中心的距离。 (2)矩形管 矩形管的测点共26个，位置如图4所示。由于认为在中心点的流速对流速平均值 的影响会大一些，提出了加权方法，加权系数Ki如表2所示，计算如下: 5. 误差分析 采用速度面积法，流量误差?Q取决于以下因素: ?Q=(?a2+?v2+?12+?22)1/2 式中: ?a—管道截面误差，如管道形状，认真测量，误差可控制在?.5%以内;如粗略评估，可在?%以上; ?2—测量管道截面积仪器的误差，可控制在?(0.2,0.5)%之间; ?1—流速计误差，如采用皮托管，并在风洞中标定，误差可在?(0.5,1),之间; ?v—流速测量误差，取决于直管段长度，如长度不够，取点又较少误差可在?10,以上。 从以上简要分析可知，速度面积法的误差决定性因素是直管段长度，当长度较短，管内流速分布不对称，还存在二次流及漩涡时，减小误差有效方法是增加测点数目。据ISO7194估计，采用速度面积法测圆管流量，当测点为48个时，?Q