均速管流量计的现状与发展

均速管流量计的现状与发展王力勇（哈尔滨市质量技术监督局开发区技术检测服务中心，150090）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，Paρ——流体密度，kg/m3k——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，总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Re105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，m2n——管道截面的等分数；ρi——第i个特征点处的密度，kg/m3；υi——第i个特征点处的流速，m/s；质量流速（pυ）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；中国计量出版社，19882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。