取样流量传感器的应用与发展

采用取样法测量流量已有几百年的历史，其原理犹如对大面积农田收割前的估产，仅取其中一小块进行收割、称重，然后推算扩大至整个大面积农田的产量。流量测量则是测管道中一点（或几点）流速，再乘以整个截面。显然，取样法测流量的准确度取决于以下三个因素： 
管道的流速分布是否均匀，或符合一定的规律； 
流速测量是否准确； 
管道截面测量是否准确。 
流速分布 
直匀流 
按流量的定义：单位时间S通过管道（或通道）的流体容积m3（或质量kg）。如下式： 
流量q v = AV = m 2 .×[m／s]= m 3 /s。 （1） 
式(1)中的A为管道的横截面积(m 2 )，V为通过此截面的流速(m／s)。如果管道中的流速分布为流体力学中的直匀流，即管道截面中的流速V为常数，流量测量就十分简单了。问题在于在工业管道中欲取得直匀流无异于缘木求鱼，完全没有可能。 
充分发展紊流* 2 
流程工业从其本身的工艺要求出发，在管道中须安装形形*的管配件（如阀门、弯头、歧管、变径管、过滤器等）。由于它们的形式及组合方式极多，所引起的管内流速分布也千变万化，难以估计。 
好在实际流体均有黏性，在流动过程中将因粘性会带动（或制约）相邻层面的流体，经过约30D（D为管内径）直管段长度后，其流速分布将不再变化,工业中称为充分发展紊流，可用数学公式进行描述。必须强调：只有在充分发展紊流中取样流量传感器才可能取得一定的准确度，并已有相关一些标准（ISO3354、ISO7145、ISO3966----）予以确认。 
现场能提供充分发展紊流吗? 
随着现代工业规模的扩大管径日益增大，以及工业用地的日趋紧缺，现代流程工业不可能考虑流量传感器准确度的需要，提供30D的直管段长度，所以当前工业现场不可能具有充分发展紊流，流速分布千变万化，而且还可能存在漩涡。 
采用测一点流速（如双文丘里；热式；插入式涡街、涡轮；测管-----），及直线上多点流速(如各种类型的均速管)来推算流量，将会得到极大的误差，并出现了流量增大输出差压反而减小的现象，完全无法有效测量流量。这说明了流速分布对流量测量准确度的重要性。 
面对千变万化的工业流场，如要准确测量流量，从理论上讲，可尽量按（2）式增加流速的测点以充分反映管道中的流速分布，显然难以实现。工程中是将管道（含通道，如江、河）中某一截面划分为有限的单元面积Ai，并假设流经其中的流速Vi近似相等（3式）。这种方法也称为速度—面积法(Velocity—Area Method)。 
q v= ∫ f 
0 V i dA（2） 
q v= ∑ n 
i =1 ViAi （3） 
流速测量 
从以上三个公式可见，式中的vi即流速，厂家所生产的“插入式“流量传感器实质上只是一个流速传感器，它必须插入到管道中，才能成为流量传感器。以测管道中单点流速推算流量的这类传感器，如：双文丘里；皮托管；插入式涡街、插入式涡轮、测管---等应在风洞中，确定其流速系数。因为只有风洞才可能产生一个截面上流速完全相等的直匀流，可在同一截面上安置一个流速基准，以比对方式确定上述插入式流量传感器的流速系数。 
而对于测管道直径上多点、静压以推算流量的流量传感器，如均速管则不同，它应在充分发展紊流中以确定其流量系数。因为多点的、静压在均速管内平均后输出的只有一对、静压，管内的平均过程比较复杂，由此推算的流速并不等于管道中的平均流速。不少国外*均速管厂家，均照此办理，不过管径仅0.3~0.4米，远远小于使用管径。说明即使这些*厂家用于1~2米的均速管，其流量系数也是推算的，不可能准确。 
管道截面 
上述公式说明，取样流量传感器测流量都必须考虑流通面积的大小，而生产厂家往往只精心制作流量传感器本身，忽略了它的重要伙伴—管道的存在。从此类传感器的误差分析来看，截面的误差对流量准确度的影响将四倍于流量传感器输出差压的误差，说明准确测量流通截面的重要性。此外，还有以下几个概念需说明： 
公称内径 
这类传感器因采用插入安装形式，难以准确测量管道内径，用户计算时多按公称外径减两倍管壁为内径。但由于压力等级不同，实际所用管道内径并非是公称内径；其次，管道在长期使用后，由于腐蚀、污染、积垢---等原因，也会有较大变化。 
矩形管道 
在其四个边角实际流动十分小，或趋于零* 4 。 
阻塞比 
在计算面积时往往忽视了流量传感器的存在，它的存在不仅减小了流通面积，而且增大流经此截面的流速。这种影响称为阻塞效应。其阻塞比S定义为： 
阻塞比S=（πd 2 /4. +hB）/πD 2 /4. （4） 
4式中：d：测量头外径； h：插入杆伸入深度； B：插入杆横截面宽度； D：管道内径 
研究表明：当S<0.02时，阻塞很小可忽略不计，β≈1； 
当0.02 
当S>0.06时，β值需实流 
类型 
测点流速 
凡可测流速的传感器插入管道均可成为流量传感器。较为通用的有以下几种： 
双文丘里管 
早于40年前，美国Taylar公司已有产品推向市场，皮托一文丘利管（Pitot Venturi Tube）。近年，国内厂商按此原理推出产品，称为双文丘利管，区别仅是前者高压取自支持杆，而后者取自管壁，在同样流量下，后者输出差压将略小于前者。 
测位于直径上多点流速以均速管为例说明： 
以皮托管测速原理为基础，当直管道足够长时管内流速分布为充分发展紊流，等速线为同心圆，才有可能仅测直径上几点流速即可反映整个截面的流速分布。一般在检测杆迎流向有数对压检测孔，所测压平均后也传至变送器，二个压力差的平方根与流量成正比。近四十年有不少改进，但多限于检测杆的形状、现简述如下： 
圆形 
上世纪60年代末期推出，使用后发现Re在105~106之间，量系数K分散度约为±10%，原因是在Re<105时流体在圆柱体分离角为780，而Re>106时，后移至1300，即所谓“阻力危机”现象，引起了K系数不稳定而影响了流量准确度，已于30多年前被淘汰。 
菱型-Ⅱ型 
1978年由DSI公司推出检测杆横截面为菱形，流体分离点固定在菱形拐角处，解决了“阻力危机”带来的流量系数不稳定的问题，但是背压通过一个内径约3毫米的细管引至变送器，使用中发现背压孔易于堵塞的缺点。 
机翼、椭圆型 
设计这二种截面形状的目的都是为了减少迎风阻力，其实无论那种均速管*压损都仅只有几十帕，可以忽略不计，不必小题大做。但可用于测量流速高、密度大的过热蒸汽。 
菱形-Ⅱ组合式 
1984年由美国DSI公司推出，它由一个菱形型材，二个三角形型材组合而成，这种结构因型材公差较大，当温度变化时，过盈易泄漏；太紧初始应力过大削弱了强度，现也逐渐淘汰。 
菱形-Ⅱ一体式 
上世纪90年代初相继由德国IA公司及Systec公司推出分别称为Itabar及Deltabar。结构特点是用中隔板将高低压分隔为二个空腔，我国已可生产推出市场，价格较国外产品低廉不少。 
弹头型 
1992年由美国Veris公司研制推出称Verabar（威力巴）。主要特点检测杆截面形状为弹头型，头部作了粗糙处理（粗糙度x/ks~200），厂家宣传这样做可保证在检测杆表面形成紊流附面层，从而推高了准确度，相对其他因素（直管长度、管内径……）这些改进微不足道。而由于静压取自二侧，输出差压较其他均速管小30~50%。 
T型 
2001年美国DSI公司推出，称Annubar-485，检测杆横截面为T型，正对流向有二排密集约2毫米的小孔（即使用细缝代替，也仅是反映截面中直线上的流速）。厂家却宣称由于压取压孔几乎占整个直径的85%，可获取“更多的流速分布信息”，准确度可达到令人匪夷所思的±0.75%。结构复杂，成本高，测压孔过小易于堵塞，销售并不理想，说明在检测杆上精雕细刻是没有必要的。 
风光一时、难以为继 
上世纪六十年代，随着流程工业的现代化，管径0.5~2米逐渐增多，采用取样原理、插入安装形式的流量传感器，结构简单，成本低，维修简便，颇受用户欢迎，却也风光一时，占有较大的市场份额。但由于它过于简单，现场情况又十分复杂，难以保证必要的准确度,上述的取样流量传感器已难以满足要求。问题在于： 
流场 
目前工业管道日益增大，火电厂一次风风管可达5~6米，直管段长度仅1~2D,严重不足，管内流速多为非充分发展紊流，且有漩涡，上述取样流量传感器不可能取得必要的准确度。 
 
取样流量传感器，测量头只是一个流速传感器，应在风洞中流速系数，且阻塞比S应小于0.02。 
研发 
四十年来，均速管的研发着重于检测杆的形状，而对其准确度起决定性作用的是它的应用条件，厂家有意或无意忽视（或回避）了这个问题。 
大管道气体流量测量系统 
当无法改变工程现场条件时，可以采取措施改善现场条件，以达到准确测量风量的目的 
整流器 
当管中流速分布十分复杂，可以通过增加流速测量点准确进行描述，但如存在漩涡，且其大小及位置随流量大小不断变化，不清除漩涡就无法正确测量流量。当前*有效的办法就是采用整流器。 
多点流速传感器 
AM多点流速传感器 
根据皮托管测速原理，通过测流体静压之差推算流速，测点位置及数量按相关规范组成矩阵，充分反映管道中流速分布；流速传感器如采用圆管截面，当管径大于1米，空气流速大于2m/s时，雷诺数已过106，采用圆截面管道已不存在“阻力危机”问题，而且还易于制造降低成本。 
压孔 
压孔加工了一个凹形槽，当气流偏斜±20％时，仍可准确测量差压。 
静压孔 
根据菲克亥尔摩方法，圆管在迎向流向±30％处压力分布，为理想静压孔的位置，因而流速系数等于1，可以避免圆管上压力分布带来的误差，但在相同流速下，输出差压将比均速管小50％。 
热式多点流速传感器 
当前较多用于测单点流速的流量传感器，优点是不易堵塞；灵敏度高可测0.05m/s以上的流速；不足是只能测干燥的气体流量；温度低于3000C，且探头易于污染，导致灵敏度下降。原则上也可研发为多点流速传感器，但不似差压式将所测多点、静压平均后输出，因此，每一个热点探头都需在风洞中进行流速，工艺过程比较复杂，目前似尚未见有成熟的产品推出。 
吹扫机 
为解决粉尘的堵塞，采用吹扫装置可取得较好的效果，确保流量传感器长期可靠的工作。 
流量传感器算机 
根据速度面积法在一个截面上测几十点流速，才可能充分反映管道中的流速分布，以确保流量测量的准确度，以下因素应当考虑：每一个测点不仅因流速不同差压值会有差异；且温度、压力也因不等需进行补偿；因测点位置不同加权系数也不相同，计算十分复杂。采用的流量传感器算机就轻而易举了。 
现场校验 
单台流量传感器已很难准确测量大管道气体流量，必需由以上各部分组成系统，但尚无合适的试验室来校验千变万化的现场。校验必需在现场就地解决。 
小结 
取样流量传感器是否取得较好的测量效果的核心是它的应用条件—流场，无论是研发、校验和应用都必须面对，无法回避。 
风洞是研究航空、航天的高科技试验设备，只能提供直匀流，可以校验流速传感器，给出流速系数，但不能校验流量传感器，因为流量传感器应用的现场不可能提供直匀流，流场不同，校验就失去意义。
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