插入式流量计的原理与分类

　　在工业化迅速发展的大时代，缺少不了压力变送器、流量计、液位计、密度计、差压变送器等仪表把现场第一数据实时传输到工控系统上，为整个工业自动化系统充当控制、检测等一系列的眼睛，接下来华恒仪表为您解读工业现场最前沿的压力变送器使用情况。

　　按照流量计的工作原理来分类说明不同，插入式流量计是一类按结构形式划分的流量计，它包括工作原理不同的各种流量计。之所以这样分类，是由于插入式流量计在使用中有一些共同的特点，而正是这些特点促使插入式流量计近年来有了较大的发展，并且从整个流量计的发展趋势看，它有强大的生命力，在众多的流量计中占有重要的位置。

　　1、插入式流量计的分类

　　目前已经推广使用的插入式流量计已有多种型式，按插入式流量计检测头的工作原理可以分成插入式涡轮、插入式涡街、插入式电磁、均速管和热式流量计等;按插入式流量计的测点数可分为点流型和径流型两大类。

　　1）点流型插入式流量计

　　点流型插入式流量计包括插入涡轮、插入涡街、插入电磁流量计、靶式流量计及皮托管等。此类流量计实际上是一台流速计，它测量管道中某特定位置的局部流速，然后根据管道内的流速分布及仪表和管道的几何参数等推算出流量值。

　　由于靶式流量计往往将检测头和测量管做成一体型流量计.并通过测量由于靶前后的差压引起的靶受力来测量流量、有自己的流量系数，而且测量靶有较大的几何尺寸.并不是测量一点的流速，所以人们一般不将靶式流量计归在插入式流量计的范畴.而作为差压式流量计的一种加以讨论。但从结构上看，它也属于一种插入式流量计，管道中的流速分布对测量有较大的影响。

　　2）径流型插人式流量计

　　径流型插入式流量计根据管道直径上流速的综合值来推算流量值。它包括均速管流量计、多点插入型热式质量流量计，均速管型插入式电磁流量计及涡街流量计等。与上述同样的原因，涡街流量计虽然在结构上是插入式仪表，但由于其仪表特性和使用特点与大多数插入式流量计有较大的差别，而且，涡街流量传感器一般都做成带测量短管的形式，直接输出与流量成正比的频率信号.结构上并不能将旋涡发生体自由地插入或卸出，所以一般并不将涡街流量计作为插入式流量计的一个品种来讨论。

　　2、插入式流量计的测量原理

　　1)点流型插入式流量计的测量原理

　　点流型插入式流量传感器的结构如图11-1所示。

　　它由测量头、插入杆、插入机构、转换器和测量管道等几个组件构成。使用时将测量头插入到管道中某特定位置(一般为管道轴线处或管道平均流速处)，测量该处的局部流速，然后根据管内流速分布和仪表与管道的几何参数等推算得到流过管道的流量值。

　　对于点流型插入式流量计来说，由于测量头只测量管道中的一点流速，要根据一点的流速来推知管道内的平均流速显然会有很大的困难，管内的流速分布及平均流速位置将对测量结果有很大的影响。下面对频率信号输出型测量头和模拟信号输出型测量头等几种不同类型的插入式流量计来讨论点流型插入式流量计的测量原理。

　　（1）频率信号输出型测量头

　　使用频率信号输出测量头的插入式流量计有插入式涡轮和插入式涡街流量计，其流量计算公式为

　　qv=f/k

　　式中qv是体积流量（m3/s）；f是流量计频率输出信号（Hz）；K是流量计仪表系数（1/m3）。

　　流量计仪表系数K的计算公式为

　　式中，Ko是测量头的仪表系数（1/m）；a是速度分布系数，它是管道内平均流速与测量头处流速的比值，用来修正由于测量头处的流速与管内平均流速的差异造成的影响；β是阻塞系数，用来修正由于插入杆和测量头引起的管道流通面积减小及管内速度分布畸变所造成的影响。是干扰系数，主要用来修正由于上游阻流件所引起的速度分布畸变以及管道所开窗口带来的影响。A是测量管横截面积，m2。

　　（2）模拟信号输出型测量头

　　使用模拟信号输出测量头的插入式流量计有皮托管（输出差压信号，经差压变送器后为电流信号输出）和插入式电磁流量计(输出电势信号)，其流量计算公式为

　　式中，K是流量计的流量系数，

　　Kv是测量头的流速系数，

　　△p是皮托管输出差压信号（Pa）；e是插入电磁输出电势信号（V）；是被测介质密度（kg/m3）。

　　2)点流型插入式流量计有关系数的确定

　　（1）流量计速度分布系数a的确定速度分布系数a是管道平均流速与测量头所处位置局部流速之比。它限管内流体速度分布形式有极大的关系。

　　a、对于光滑管道.在充分发展紊流条件下，管内流速分布的最简单公式是指数公式

　　式中，指数n是一个与雷诺数Re有关的数，一般可用n-1.56lgRe来表示

　　对于这样的速度分布，其平均流速

　　平均流速所在位置为

　　所以，如果测量头插到轴线处，则速度分布系数

　　如果测量头插到管道平均流速处，则速度分布系数a=1。

　　b、对于粗糙管道，管内流速分布除与雷诺数有关外，还与管道壁面的相对粗糙度△/D的关系可用科尔布鲁克（Colebrook）公式来表示

　　由于上式为一非显示方程，应用迭代法求解。初始值λ0按下式估计时，一次牛顿迭代获得的结果在0.01%之内。

　　Teyssandier根据Pai速度分布公式求得用于粗糙管平均流速

　　所以，如果测最头插到轴线处，则速度分布系数a用下式近似地表示，可获得较高的测量精度。

　　如果测量头插到管道平均流速处，则速度分布系数a=1。

　　根据式11-7和式11-11计算得到的结果列于表11-1所示，a的变化趋势如图11-2所示。

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