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均速管流量计的现状与发展
 

摘 要 : 针对均速管流量计的总压及背压检测孔的数量和位置,检测杆的剖面形状等问题进行了讨论。详细介绍了均速管的几种结构形式,给出了使用流量测量的计算公式,分析了各种因素对测量精度的影响,最后对该产品的发展提出了一个构想。

关键词 : 流量测量 均速管 影响因素 应用


均速管流量计的测量元件——均速管(国外称Annubar,直译阿牛巴),是基于早期皮托管测速原理发展起来的,是60年代后期开发的一种新型差压流量测量元件,并开始应用与我国的工业现场,70年代中期已有30余家厂家进行了研制生产。均速管的优点是;结构上较为简单(如图1所示),压力损失小,安装、拆卸方便,维护量小。


该流量计由于生产成本低,价格低廉,因此在市场较为畅销,在众多的流量仪表中占有了一席之地。特别是由于其压力损失小(与孔板相比较,仅为孔板的5%以下),大大减少了动力消耗,节能效果显著,这在能源紧张的今天,有着其特殊的意义。由于该流量计适应范围宽,长期稳定性好(如图2所示)近年来有了较大的发展,出现了几种结构形式不同的流量计。但因使用不当,在应用中产生了一些问题,使得客观要求与发展现状产生了很大的矛盾,许多人期望其应用问题能得到解决,为此人们做了大量的不懈努力,使得均速管流量计这一既古老而又年轻的流量计,在能源、环保等计量测试中得到了较为广泛的应用。

1 均速管流量传感器的测量原理

均速管流量传感器,由其结构示意图所知,它是一根沿直径插入管道中的中空金属杆,在迎向流体流动方向有成对的测压孔,一般说来是两对,但也有一对或多对的,其外形似笛。迎流面的多点测压孔测量的是总压,与全压管相连通,引出平均全压p1,背流面的中心处一般开有一只孔,与静压管相通,引出静压p2。均速管是利用测量流体的全压与静压之差来测量流速的。均速管的输出差压(△p)和流体平均速度(v),可根据经典的伯努利方程得出
(1)
式中; △P——全压与静压之差,Pa
ρ——流体密度,kg/m 3
k——校正系数。
如果用流量来表示,其流量计算基本公式为

式中 qv ——流体的体积流量,m 3 /s;
qm——流体的质量流量,kg/s;
α ——工作状态下均速管的流量系数;
ε——工作状态下流体流过检测杆时的流束膨胀系数;
A——工作状态下管道内截面面积,m 2
对于不同压缩性流体:ε=1; 对于可压缩性流体:ε<1
全压孔的位置,可按等分面积法求取。这样,在流量变化的情况下均速管能有较好的适应能力,所反映的误差较小。所谓等分面积法,就是将管道截面分割成内圆和外环的等效平均流速点,这些点就是全压孔的位置,如图3所示。


全压孔的开孔位置可用切比雪夫数值积分的解法求得,如图4所示,图中r1=±0.4597R,r2=±0.8881R,r1,r2为取压孔中心距管道中心的距离,R为管道内半径。
对于这种选点方法,无论是数目还是位置,近年来学术界及国际标准化组织均提出了异议,认为管内的流动应分为三个区域,选点按对数——切比雪夫(Log-Jchebycheff)法进行,因此,总压检测孔的位置应为;r1=±0.03754R;r2=±0.7252R;r 3 =±0.9358R。这种方法已被国际标准化组织(ISO)封闭管道中的流量测量委员会(TC30)所确认,鉴于上述原因,通过人们的试验研究,均速管的总压孔数目还是建议采用二对或三对为宜。

背压检测孔长期以来采用一个,是由于人们已经认识到均速管按规范是处于位势流中,而位势流的前题是管道横截面上各点静压均相等,没有横向流动。从这个角度来看,一个背压检测孔已足够,为了防止流体的流量在检测过程中阻塞背压检测孔,多孔的背压取压,已开始应用在均速管流量传感器上,总之,由流量的基本公式可知,只要有效地测出均速管的输出差压△P,就可测出流体的流量值,这就是均速管流量传感器的测量原理。

2 均速管的结构形式

均速管的结构是一根中空的金属杆,其剖面形状应用最多的产品是圆形及菱形,80年代中期也采用过机翼形截面。
圆形截面的均速管,当雷诺数Re处于10 5 至10 6 之间时,使得流量系数α不稳定,它的稳定区域是在雷诺数Re<10 5 和Re>10 6 。这主要是由于圆形截面的阻力件,自身存在着“阻力危机”而引起的。流体流经圆管时存在着分离点不同而导致圆管在迎流流体时,在圆管上引起的压力分布不同,从而引起了流量系数α的变化。
菱形截面的均速管,就是为了克服圆形截面这一流量系数不稳定区而设计的。菱形截面无论雷诺数的数值Re是多少,其分离点都是确 定不变的,从而较好地解决了均速管流量传感器在检测气体、蒸汽流量时不稳定区的困难。均速管截面采用菱形,已经被人们所共认。
机翼形截面是为了进一步减少流体通过检测杆时迎流阻力,从而减小压力损失。其实,就均速管而言,不论采用圆形还是菱形横截面,其不可恢复的压力损失,都是微不足道的,仅占输出差压的2%左右,但在实际应用过程中,均速管的输出差压△P较低是它的一大弱点,当采用机翼形横截面时确实可以减小一些阻力,但是其输出差压更小,和圆形截面或菱形截面相比差压减少了50%,由于差压的过低,工作起来必须采用配套的较为昂贵的微差压变送器,在这种情况下工作,使得检测不稳定,从而影响了它的推广应用。

3 均速管的流量计的系统组成

如式(2)和式(3)所示。均速管流量计系统的组成实质是对差压△P的测量,这是所有差压式流量计的共性,技术是通用的,即采用差压变送器把△P转换成相应的机械信号或电信号,也可直接测量△p并进行相应处理,本文不再详述。

4 应用过程中对测量精度有影响的因素

均速管流量计在应用过程中应注意的问题,请参阅国家计量检定规程JJG640-94差压式流量计检定规程及相关文献,本文不再详述。

5 结束语

应该指出,均速管流量计从设计、制造到安装使用,都要求十分严格,只要其中一个环节稍加不慎,就可造成很大误差。
准确测量流量是任何生产部门都需要的,也是任何部门普遍关心的问题。均速管流量计要想在今后的计测应用中发挥自己的作用,提高流量测量的水平是有路可走的。热式均速管流量计就是其中的一个途径,如图5所示。


热式均速管流量计由三部分组成,检测杆、电子线路和流量的显示与积算。检测杆是一根中空的金属管,并在其上配置了若干热丝感测元件。电子线路相应地和每一只热丝感测元件组合,相当于一台热丝测速计。
热式均速管流量计的流量计算式为
(5)
式中; A——管道横截面面积,m 2
n——管道截面的等分数;
ρ i ——第i个特征点处的密度,kg/m 3 ;
υ i ——第i个特征点处的流速,m/s;
质量流速(p υ )的计算式为
(6)
式中:I为加热电流;R为热丝电阻;T为热丝感测元件温度;T0为气体温度;ρ为被测介质密度;υ为流体流速:α 1 ,α 2 ,m为经验常数。

参考文献

1 李良贸等,常用测量仪表实用指南,北京;中国计量出版社,1988
2 毛新业,均速管流量计的应用与发展,自动化仪表。1986.17(1)


2001-03-19 收稿
作者简介:王力勇 27岁 男 1995年毕业与哈尔滨工业大学自动控制专业。

热门产品:电磁流量计超声波流量计,一体式电磁流量计,分体式电磁流量计,多声道超声波流量计.
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