均速管流量计的现状与发展

 

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，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，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/m³
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，m³/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，m²
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，压检测孔的位置应为;r1=±0.03754R；r2=±0.7252R；r₃=±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，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10⁵至10⁶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<10⁵和Re＞10⁶。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，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，请参阅计量规程JJG640-94差压式流量计规程及相关文献，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，m²
n——管道截面的等分数；
ρ_i——第i个特征点处的密度，kg/m³；
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:α₁，α₂ ，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；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）