插入式流量計(jì)的原理與分類

按照流量計(jì)的工作原理來分類說明不同，插入式流量計(jì)是一類按結(jié)構(gòu)形式劃分的流量計(jì)，它包括工作原理不同的各種流量計(jì)。之所以這樣分類，是由于插入式流量計(jì)在使用中有一些共同的特點(diǎn)，而正是這些特點(diǎn)促使插入式流量計(jì)近年來有了較大的發(fā)展，并且從整個流量計(jì)的發(fā)展趨勢看，它有強(qiáng)大的生命力，在眾多的流量計(jì)中占有重要的位置。

1、插入式流量計(jì)的分類

目前已經(jīng)推廣使用的插入式流量計(jì)已有多種型式，按插入式流量計(jì)檢測頭的工作原理可以分成插入式渦輪、插入式渦街、插入式電磁、均速管和熱式流量計(jì)等;按插入式流量計(jì)的測點(diǎn)數(shù)可分為點(diǎn)流型和徑流型兩大類。

1）點(diǎn)流型插入式流量計(jì)

點(diǎn)流型插入式流量計(jì)包括插入渦輪、插入渦街、插入電磁流量計(jì)、靶式流量計(jì)及皮托管等。此類流量計(jì)實(shí)際上是一臺流速計(jì)，它測量管道中某特定位置的局部流速，然后根據(jù)管道內(nèi)的流速分布及儀表和管道的幾何參數(shù)等推算出流量值。

由于靶式流量計(jì)往往將檢測頭和測量管做成一體型流量計(jì).并通過測量由于靶前后的差壓引起的靶受力來測量流量、有自己的流量系數(shù)，而且測量靶有較大的幾何尺寸.并不是測量一點(diǎn)的流速，所以人們一般不將靶式流量計(jì)歸在插入式流量計(jì)的范疇.而作為差壓式流量計(jì)的一種加以討論。但從結(jié)構(gòu)上看，它也屬于一種插入式流量計(jì)，管道中的流速分布對測量有較大的影響。

2）徑流型插人式流量計(jì)

徑流型插入式流量計(jì)根據(jù)管道直徑上流速的綜合值來推算流量值。它包括均速管流量計(jì)、多點(diǎn)插入型熱式質(zhì)量流量計(jì)，均速管型插入式電磁流量計(jì)及渦街流量計(jì)等。與上述同樣的原因，渦街流量計(jì)雖然在結(jié)構(gòu)上是插入式儀表，但由于其儀表特性和使用特點(diǎn)與大多數(shù)插入式流量計(jì)有較大的差別，而且，渦街流量傳感器一般都做成帶測量短管的形式，直接輸出與流量成正比的頻率信號.結(jié)構(gòu)上并不能將旋渦發(fā)生體自由地插入或卸出，所以一般并不將渦街流量計(jì)作為插入式流量計(jì)的一個品種來討論。

2、插入式流量計(jì)的測量原理

1)點(diǎn)流型插入式流量計(jì)的測量原理

點(diǎn)流型插入式流量傳感器的結(jié)構(gòu)如圖11-1所示。

它由測量頭、插入桿、插入機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)換器和測量管道等幾個組件構(gòu)成。使用時將測量頭插入到管道中某特定位置(一般為管道軸線處或管道平均流速處)，測量該處的局部流速，然后根據(jù)管內(nèi)流速分布和儀表與管道的幾何參數(shù)等推算得到流過管道的流量值。

對于點(diǎn)流型插入式流量計(jì)來說，由于測量頭只測量管道中的一點(diǎn)流速，要根據(jù)一點(diǎn)的流速來推知管道內(nèi)的平均流速顯然會有很大的困難，管內(nèi)的流速分布及平均流速位置將對測量結(jié)果有很大的影響。下面對頻率信號輸出型測量頭和模擬信號輸出型測量頭等幾種不同類型的插入式流量計(jì)來討論點(diǎn)流型插入式流量計(jì)的測量原理。

（1）頻率信號輸出型測量頭

使用頻率信號輸出測量頭的插入式流量計(jì)有插入式渦輪和插入式渦街流量計(jì)，其流量計(jì)算公式為

qv=f/k

式中qv是體積流量（m3/s）；f是流量計(jì)頻率輸出信號（Hz）；K是流量計(jì)儀表系數(shù)（1/m3）。

流量計(jì)儀表系數(shù)K的計(jì)算公式為

式中，Ko是測量頭的儀表系數(shù)（1/m）；a是速度分布系數(shù)，它是管道內(nèi)平均流速與測量頭處流速的比值，用來修正由于測量頭處的流速與管內(nèi)平均流速的差異造成的影響；β是阻塞系數(shù)，用來修正由于插入桿和測量頭引起的管道流通面積減小及管內(nèi)速度分布畸變所造成的影響。γ是干擾系數(shù)，主要用來修正由于上游阻流件所引起的速度分布畸變以及管道所開窗口帶來的影響。A是測量管橫截面積，m2。

（2）模擬信號輸出型測量頭

使用模擬信號輸出測量頭的插入式流量計(jì)有皮托管（輸出差壓信號，經(jīng)差壓變送器后為電流信號輸出）和插入式電磁流量計(jì)(輸出電勢信號)，其流量計(jì)算公式為

式中，K是流量計(jì)的流量系數(shù)，

Kv是測量頭的流速系數(shù)，

△p是皮托管輸出差壓信號（Pa）；e是插入電磁輸出電勢信號（V）；ρ是被測介質(zhì)密度（kg/m3）。

2)點(diǎn)流型插入式流量計(jì)有關(guān)系數(shù)的確定

（1）流量計(jì)速度分布系數(shù)a的確定速度分布系數(shù)a是管道平均流速與測量頭所處位置局部流速之比。它限管內(nèi)流體速度分布形式有*大的關(guān)系。

a、對于光滑管道.在充分發(fā)展紊流條件下，管內(nèi)流速分布的*簡單公式是指數(shù)公式

式中，指數(shù)n是一個與雷諾數(shù)Re有關(guān)的數(shù)，一般可用n-1.56lg Re來表示

對于這樣的速度分布，其平均流速

平均流速所在位置為

所以，如果測量頭插到軸線處，則速度分布系數(shù)

如果測量頭插到管道平均流速處，則速度分布系數(shù)a=1。

b、對于粗糙管道，管內(nèi)流速分布除與雷諾數(shù)有關(guān)外，還與管道壁面的相對粗糙度△/D的關(guān)系可用科爾布魯克（Colebrook）公式來表示

由于上式為一非顯示方程，應(yīng)用迭代法求解。初始值λ0按下式估計(jì)時，一次牛頓迭代獲得的結(jié)果在±0.01%之內(nèi)。

Teyssandier根據(jù)Pai速度分布公式求得用于粗糙管平均流速

所以，如果測*頭插到軸線處，則速度分布系數(shù)a用下式近似地表示，可獲得較高的測量精度。

如果測量頭插到管道平均流速處，則速度分布系數(shù)a=1。

根據(jù)式11-7和式11-11計(jì)算得到的結(jié)果列于表11-1所示，a的變化趨勢如圖11-2所示。