均速管流量計的現(xiàn)狀與發(fā)展

均速管流量計的現(xiàn)狀與發(fā)展
哈爾濱市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局 王力勇

摘 要：針對均速管流量計的總壓及背壓檢測孔的數(shù)量和位置，檢測桿的剖面形狀等問題進(jìn)行了討論。詳細(xì)介紹了均速管的幾種結(jié)構(gòu)形式，給出了使用流量測量的計算公式，分析了各種因素對測量精度的影響，最后對該產(chǎn)品的發(fā)展提出了一個構(gòu)想。
關(guān)鍵詞：流量測量；均速管；影響因素；應(yīng)用

均速管流量計的測量元件——均速管（國外稱Annubar，直譯阿牛巴），是基于早期皮托管測速原理發(fā)展起來的，是60年代后期開發(fā)的一種新型差壓流量測量元件，并開始應(yīng)用與我國的工業(yè)現(xiàn)場，70年代中期已有30余家廠家進(jìn)行了研制生產(chǎn)。均速管的優(yōu)點是；結(jié)構(gòu)上較為簡單（如圖1所示），壓力損失小，安裝、拆卸方便，維護(hù)量小。

該流量計由于生產(chǎn)成本低，價格低廉，因此在市場較為暢銷，在眾多的流量儀表中占有了一席之地。特別是由于其壓力損失小（與孔板相比較，僅為孔板的5%以下），大大減少了動力消耗，節(jié)能效果顯著，這在能源緊張的今天，有著其特殊的意義。由于該流量計適應(yīng)范圍寬，長期穩(wěn)定性好（如圖2所示）近年來有了較大的發(fā)展，出現(xiàn)了幾種結(jié)構(gòu)形式不同的流量計。但因使用不當(dāng)，在應(yīng)用中產(chǎn)生了一些問題，使得客觀要求與發(fā)展現(xiàn)狀產(chǎn)生了很大的矛盾，許多人期望其應(yīng)用問題能得到解決，為此人們做了大量的不懈努力，使得均速管流量計這一既古老而又年輕的流量計，在能源、環(huán)保等計量測試中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

1 均速管流量傳感器的測量原理

均速管流量傳感器，由其結(jié)構(gòu)示意圖所知，它是一根沿直徑插入管道中的中空金屬桿，在迎向流體流動方向有成對的測壓孔，一般說來是兩對，但也有一對或多對的，其外形似笛。迎流面的多點測壓孔測量的是總壓，與全壓管相連通，引出平均全壓p1，背流面的中心處一般開有一只孔，與靜壓管相通，引出靜壓p2。均速管是利用測量流體的全壓與靜壓之差來測量流速的。均速管的輸出差壓（△p）和流體平均速度（v），可根據(jù)經(jīng)典的伯努利方程得出

（1）

式中； △P——全壓與靜壓之差，Pa
ρ——流體密度，kg/m3
k——校正系數(shù)。

如果用流量來表示，其流量計算基本公式為

式中 qv ——流體的體積流量，m3/s；
qm——流體的質(zhì)量流量，kg/s；
α ——工作狀態(tài)下均速管的流量系數(shù)；
ε——工作狀態(tài)下流體流過檢測桿時的流束膨脹系數(shù)；
A——工作狀態(tài)下管道內(nèi)截面面積，m2
對于不同壓縮性流體：ε=1； 對于可壓縮性流體：ε＜1

全壓孔的位置，可按等分面積法求取。這樣，在流量變化的情況下均速管能有較好的適應(yīng)能力，所反映的誤差較小。所謂等分面積法，就是將管道截面分割成內(nèi)圓和外環(huán)的等效平均流速點，這些點就是全壓孔的位置，如圖3所示。

全壓孔的開孔位置可用切比雪夫數(shù)值積分的解法求得，如圖4所示，圖中r1=±0.4597R，r2=±0.8881R，r1，r2為取壓孔中心距管道中心的距離，R為管道內(nèi)半徑。

對于這種選點方法，無論是數(shù)目還是位置，近年來學(xué)術(shù)界及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織均提出了異議，認(rèn)為管內(nèi)的流動應(yīng)分為三個區(qū)域，選點按對數(shù)——切比雪夫（Log-Jchebycheff）法進(jìn)行，因此，總壓檢測孔的位置應(yīng)為;r1=±0.03754R；r2=±0.7252R；r3=±0.9358R。這種方法已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)封閉管道中的流量測量委員會(TC30)所確認(rèn)，鑒于上述原因，通過人們的試驗研究，均速管的總壓孔數(shù)目還是建議采用二對或三對為宜。

背壓檢測孔長期以來采用一個，是由于人們已經(jīng)認(rèn)識到均速管按規(guī)范是處于位勢流中，而位勢流的前題是管道橫截面上各點靜壓均相等，沒有橫向流動。從這個角度來看，一個背壓檢測孔已足夠，為了防止流體的流量在檢測過程中阻塞背壓檢測孔，多孔的背壓取壓，已開始應(yīng)用在均速管流量傳感器上，總之，由流量的基本公式可知，只要有效地測出均速管的輸出差壓△P，就可測出流體的流量值，這就是均速管流量傳感器的測量原理。

2 均速管的結(jié)構(gòu)形式

均速管的結(jié)構(gòu)是一根中空的金屬桿，其剖面形狀應(yīng)用最多的產(chǎn)品是圓形及菱形，80年代中期也采用過機(jī)翼形截面。

圓形截面的均速管，當(dāng)雷諾數(shù)Re處于105至106之間時，使得流量系數(shù)α不穩(wěn)定，它的穩(wěn)定區(qū)域是在雷諾數(shù)Re<105和Re＞106。這主要是由于圓形截面的阻力件，自身存在著“阻力危機(jī)”而引起的。流體流經(jīng)圓管時存在著分離點不同而導(dǎo)致圓管在迎流流體時，在圓管上引起的壓力分布不同，從而引起了流量系數(shù)α的變化。

菱形截面的均速管，就是為了克服圓形截面這一流量系數(shù)不穩(wěn)定區(qū)而設(shè)計的。菱形截面無論雷諾數(shù)的數(shù)值Re是多少，其分離點都是確 定不變的，從而較好地解決了均速管流量傳感器在檢測氣體、蒸汽流量時不穩(wěn)定區(qū)的困難。均速管截面采用菱形，已經(jīng)被人們所共認(rèn)。

機(jī)翼形截面是為了進(jìn)一步減少流體通過檢測桿時迎流阻力，從而減小壓力損失。其實，就均速管而言，不論采用圓形還是菱形橫截面，其不可恢復(fù)的壓力損失，都是微不足道的，僅占輸出差壓的2%左右，但在實際應(yīng)用過程中，均速管的輸出差壓△P較低是它的一大弱點，當(dāng)采用機(jī)翼形橫截面時確實可以減小一些阻力，但是其輸出差壓更小，和圓形截面或菱形截面相比差壓減少了50%，由于差壓的過低，工作起來必須采用配套的較為昂貴的微差壓變送器，在這種情況下工作，使得檢測不穩(wěn)定，從而影響了它的推廣應(yīng)用。

3 均速管的流量計的系統(tǒng)組成

如式（2）和式（3）所示。均速管流量計系統(tǒng)的組成實質(zhì)是對差壓△P的測量，這是所有差壓式流量計的共性，技術(shù)是通用的，即采用差壓變送器把△P轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)械信號或電信號，也可直接測量△p并進(jìn)行相應(yīng)處理，本文不再詳述。

4 應(yīng)用過程中對測量精度有影響的因素

均速管流量計在應(yīng)用過程中應(yīng)注意的問題，請參閱國家計量檢定規(guī)程JJG640-94差壓式流量計檢定規(guī)程及相關(guān)文獻(xiàn)，本文不再詳述。

5 結(jié)束語

應(yīng)該指出，均速管流量計從設(shè)計、制造到安裝使用，都要求十分嚴(yán)格，只要其中一個環(huán)節(jié)稍加不慎，就可造成很大誤差。

準(zhǔn)確測量流量是任何生產(chǎn)部門都需要的，也是任何部門普遍關(guān)心的問題。均速管流量計要想在今后的計測應(yīng)用中發(fā)揮自己的作用，提高流量測量的水平是有路可走的。熱式均速管流量計就是其中的一個途徑，如圖5所示。

熱式均速管流量計由三部分組成，檢測桿、電子線路和流量的顯示與積算。檢測桿是一根中空的金屬管，并在其上配置了若干熱絲感測元件。電子線路相應(yīng)地和每一只熱絲感測元件組合，相當(dāng)于一臺熱絲測速計。

熱式均速管流量計的流量計算式為

(5)

式中； A——管道橫截面面積，m2
n——管道截面的等分?jǐn)?shù)；
ρi——第i個特征點處的密度，kg/m3；
υi——第i個特征點處的流速，m/s；
質(zhì)量流速（pυ）的計算式為

（6）

式中:I為加熱電流；R為熱絲電阻；T為熱絲感測元件溫度；T0為氣體溫度；ρ為被測介質(zhì)密度；υ為流體流速:α1，α2 ，m為經(jīng)驗常數(shù)。

參考文獻(xiàn)
1 李良貿(mào)等，常用測量儀表實用指南，北京；中國計量出版社，1988
2 毛新業(yè)，均速管流量計的應(yīng)用與發(fā)展，自動化儀表。1986.17（1）