插入式涡轮流量计工作原理与系数1/A的探讨
LWCB型插入式涡轮流量计是近两年我国出现的一种新型流量计,它是根据流速一面积测量原理,利用传统的涡轮变送器直接测量大口径管道水流量。由于它量程比大、压力损失小、安装简单、维修方便,更重要的是可以不停水进行修理和更换涡轮变送器,受到广大用户的欢迎。我厂采用这种流量计,安装在φ600供水总管道上,运行情况良好,对企业的用水经济核算和节能工作起到了一定的作用。
LWCB型流量计用于工业时间还不长,有不少问题有待探讨,本人就这种流量计的一些基本间题提出一点粗浅看法,望大家指正。
一、原理简介：
LWCB型插入式涡轮流量计是将一个内径50mm的涡轮变送器(涡轮头)插入被测管(一般是大直径的)的中心。当水充满管道且水的运动状态是充分发展的紊流时,由通过涡轮头的水流量可“推算”出管道的水流量。所谓“推算”不是理论计算,而是通过液体流量标准装置将实际测定的水流量和涡轮头输出的电频率数一一对应起来,知道频率f当然也就知道管道里水的流量了。LWCB型流量计的结构如图1所示。涡轮头
图1LWCB型流量计结构示意图
是遵循涡轮流量计规律的,由涡轮流量计的特性可知f=kqf—涡轮头输出电压脉冲的频率(1s/)k—涡轮头的仪表常数q—流过涡轮头的体积流量(m吕/s)。令K为LWCB型擂入式涡轮流量计的仪表常数,Q为流过管道的体积流量(m。s/)。因为f和Q是线性关系,所以可用f表示管道的体积流量,即f=KQK和k必然有倍数关系,即f=KQ=AkQA二q/Q且A<1。系数1/A则表示管道的流量(包括涡轮头的流量)与涡轮头的流量之比,是个大
于一的数。可知:对某一管径，就有一个1/A数相对应，这就是L:I涡轮头的f“推算”管道流量的原理。将仪表常数K设置在二次仪表中就可实现瞬时流量显示和以m'为单位的积算mo 例:某大口径水管，管道内径600mmf安装LWCB型流量计，k=23296 1/m'(由制造厂提供)求K=7小600的玄·133.21–>A:’K==0.007507×23296=.007507174.9对于非标准圆管，如内径615mm, K值的算法见C1〕。
二、1/a系数：
1/A系数是LWCB型流量计的关键数据，其与否直接影响到测量的准确程度。能否以涡轮头的流量“推算”管道的流量呢?由流体力学知:流体在紊流区经充分发展流动后，其流速v的分布可用1/n幂规律描写，见图2。
图2管内流速分布
R。(曾诺数)和。关系表1
n和管道内壁的粗糙程度也有关。管道平均流速越大，管道内壁越光滑，则n越大。 涡轮头插入管道中心它所反映的流量是管道中心处小50面积的流量，其流速接近Vm。可是由于涡轮头和小36的导杆的存在，是要破坏流体运动1/n幂规律的，管道直径越小则这种破坏作用越明显。 流体流入涡轮头推动叶轮旋转，这是由于涡轮的出、入口之间存在压力差的结果。叶轮可视为一个阻力件。这样，穿过小50涡轮头的实际流速要比理论流速小一些，流量也要小一些。基于L}I上分析，现将系数1/A的理论值1/A:和测定值1/A:作一比较。 1.1/A:的推导 设管道半径为R，任意半径为r，圆柱体!}_的体积流量为Q，则
由图1，以厘米为长度单位，则小50涡轮头的净流通面积S=c(2.5>一2×0.12×5=18.43cmE 管道内净流通面积“=7’一5z)一2.5×1.5一2×0.12×5一〔R一(2.5+0.35+1.5)}x3.6二nRz一3.6R+
2.1、A:值与1/A:值的比较： 厂家用液体流量标准装置法在中200,小400,小500,小600和小800圆管以平均流速从0.35m/s至3m/s分别实际测定了各管的1/A值，测定结果(数据资料从略)表明。虽然雷诺数R,。变化较大但任何一次的测定值1/A的分散性却不大，与其算术平均值1/AzC”的相对误差***大者不超出2%,因此厂家将LWCB型插入式涡轮流量计的精度规定为2.5}Ci〕。 因为小50涡轮头出、入口之间有差压，所以通过涡轮头的流速(或流量)应稍小于涡轮头附近的流速，也稍小于理论流速。若从祸轮头的f去直接“推算”管道的流量，显然是偏小了点，为了修正它，应将1/A,乘以大于1的系数。由理论计算值和已知的测定值比较来看，本人认为乘以1.06比较合适。今由式(2)求各管径1/A:值，列表如下，相对误差为‘1/八“一1.UG不夕比1/A:的百分数，即△%=(1一1,06Az/A,)x100%, I/A:值是L}平均流速为lm/s由公式(2)求得的。这样选择流速虽然接近常用流量和n的平均值，但考虑到对水力粗糙管，此n可能低至5}-4，管道的流量在上、下极限情况下，n也有较大的差别，参考表1,故列表3，可以看到1/A:值的变动是较大的，对较小直径尤为突出。 表3的说明:n的高限和低限是根据表1由流速的高限3m/s和低限0.35m/s–ReD–>n求得的。
3.结论：
由表2、3可以看到管径越大，则1/Ai越接近1/A2s其相对误差越小，n值越小则相对误差越大。这说明: (1)涡轮头和导杆对流体的充分发展流动有破坏作用，可以推知:大于小800的管道其1/A:和1/A:是相差不大的。 由图2可知.n小则曲线趋向尖，n大则趋向钝。当n在7.2至8.8间，中200管的理论值1/A:的误差高达14.700，但根据测定，任一1/A值与16.07的相对误差小于2%。这是涡轮头和导杆插入件对流体的扰乱作用，导致管内流速分布不按1/n幂规律，使流速分布曲线趋向变钝，从而提高了1/A,值的结果。 (2)由表3知:当n=4或5时.1.06A1值明显地小于‘/人2值，误差很大， 原因是图2的曲线变得更尖的结果。测定1/A:是在水力光滑管的条件下作出的。厂矿、企业的供水管使用多年，内壁结垢很多应属水力粗糙管，虽然插入件有提高1.061/A:的趋势，但n过小(如4或5时)能否较好地接近1/A:还需进一步实验证明，在这种管道条件下使用LWCB型流量计其精度能否达到2.5，似应考究。