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- 均速管流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)分析（轉(zhuǎn)載）
- 2019-12-06
- 均速管流量計(jì)（國(guó)外稱(chēng)Annubar、Torbar、Probar、verabar、itabar……等），問(wèn)世已三十余年，名稱(chēng)不同，截面各異，但都是基于皮托管測(cè)速原理，以測(cè)管道中直線(xiàn)上幾點(diǎn)流速來(lái)推算流量的一種插入式流量?jī)x表。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，裝、拆方便，壓損小等特點(diǎn)。從耗材少、運(yùn)行費(fèi)用低二方面來(lái)看都是一種節(jié)能儀表，在當(dāng)前大力倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型經(jīng)濟(jì)情況下，是一種值得推薦的流量?jī)x表。
一、均速管流量計(jì)基本原理
流量Q是單位時(shí)間s通過(guò)管道中某一截面A的流體體積m3（或質(zhì)量kg），即Q= m3/s=m2·m/s=A·V
因此，流量也可變換為管道截面A與流速V的乘積。但工業(yè)管道中的流速通常不是常數(shù)，只有將截面劃分為許多單元面積Ai，乘以通過(guò)Ai的流速Vi，即流量Q=，但這種方法過(guò)于繁瑣。幸好無(wú)論管道中流速分布多么復(fù)雜，在較長(zhǎng)的直管段（一般應(yīng)為30倍直徑）后，在流體的粘性作用下，管內(nèi)的流速分布將呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)于圓心的充分發(fā)展紊流。在這種情況，只需測(cè)直徑方向上幾點(diǎn)的流速，就可以準(zhǔn)確地推算流量值。
采用皮托管測(cè)速原理，通過(guò)測(cè)流體的總靜壓，運(yùn)用柏努利方程就可測(cè)量流體的流速值。均速管沿管道直徑方向插入管道，迎流向有數(shù)對(duì)總壓孔，由于流速不等，所測(cè)總壓也不相等，在高壓腔內(nèi)平均后，通過(guò)高壓閥接入變送器高壓端；背流向一側(cè)有數(shù)對(duì)背壓孔，所測(cè)背壓（如處于位流各背壓值應(yīng)基本相等）在低壓腔平均后，通過(guò)低壓閥接至變速器低壓端，如忽略一些影響不大的因素，均速管的流量計(jì)算公式可表示為
……①
式①中：Q為流量（m3/h）；C為系數(shù)取決于各參數(shù)的單位；
D為管道內(nèi)徑（m）；ΔP平均后的高低壓之差（Pa）;
ζ流體密度（kg/m3）。
二、均速管流量計(jì)主要特點(diǎn)
1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕巧，總共僅10多個(gè)零件。
2、適應(yīng)范圍寬闊?？蛇m用于多種流體（氣、液、蒸汽）；口徑自25毫米至9米，壓力上限可達(dá)40mPa；溫度上限1000℃。
3、節(jié)能顯著。不可恢復(fù)壓損僅為孔板的幾十分之一，年運(yùn)行費(fèi)用為孔板的1/40～1/50。
4、安裝簡(jiǎn)便。僅需在管道上鉆一個(gè)約40毫米圓孔，焊上安裝座即可，不斷流型可在低壓情況下，不中斷流程進(jìn)行裝、拆。
5、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。無(wú)可動(dòng)部件。準(zhǔn)確度不受粘污、腐蝕等的影響。在可保證直管段長(zhǎng)度情況下可達(dá)±1%；在直管段長(zhǎng)度達(dá)不到要求時(shí)，重復(fù)性也可達(dá)到0.2%，適用于工控系統(tǒng)。
6、準(zhǔn)確度。在直管段長(zhǎng)度無(wú)法滿(mǎn)足時(shí)，由于具有取樣性質(zhì)，準(zhǔn)確度難以高于±2%～3%，不宜作為計(jì)量?jī)x表，特別是貿(mào)易核算情況。
7、防堵性。早期均速管，僅通過(guò)一細(xì)管取背壓，易于堵塞，要求流體潔凈度較高，新型均速管背壓采用多點(diǎn)，且空腔較大，可改善易堵塞情況。
三、目前常用的幾種均速管流量計(jì)
均速管在上世紀(jì)60年代末期推向市場(chǎng)，*早檢測(cè)桿截面為圓形，后發(fā)現(xiàn)流體在雷諾數(shù)Re＜105時(shí)，在圓截面上分離點(diǎn)為78°；而Re＞106時(shí)，分離點(diǎn)將轉(zhuǎn)為130°，當(dāng)Re處于105～106之間時(shí)，分離點(diǎn)不確定，因而使流量系數(shù)有近±10%的偏差。在70年代末期，國(guó)內(nèi)外逐漸推出了分離點(diǎn)確定的菱形截面檢測(cè)桿（國(guó)外稱(chēng)鉆石Diamond）以取代圓截面。目前常用的有以下幾種：
1、菱形—Ⅰ型（圖2a），由美國(guó)DSI公司1978年推出。由于均速管一般使用在位流中，即管道橫截面上沒(méi)有橫向流動(dòng)，背壓應(yīng)相等，可僅取一點(diǎn)背壓，用一根內(nèi)徑約3毫米的細(xì)管引至變送器，但現(xiàn)場(chǎng)流體大多不夠潔凈，常有堵塞故障發(fā)生。目前國(guó)內(nèi)仍有廠家生產(chǎn)，國(guó)外早已棄而不用。
2、托巴管（圖2b），由英國(guó)托巴（TFL）流量計(jì)公司1985年推出。在圓形檢測(cè)桿上銑一個(gè)六角形，迫使流體在六角處分離。它與菱形—Ⅰ型沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。至于說(shuō)到其內(nèi)部有“獨(dú)特”的二次平均結(jié)構(gòu)，就是菱形—Ⅰ型早期采用過(guò)的總壓引出管，實(shí)踐證明，不僅沒(méi)有什么優(yōu)異的性能，反而增大易于堵塞的弊病，這種結(jié)構(gòu)早被國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠商所淘汰。國(guó)內(nèi)某廠也推一種托巴管，其實(shí)就是在每個(gè)總壓檢測(cè)孔上焊一個(gè)彈頭，檢測(cè)桿仍為圓形。它既沒(méi)有彈頭型控制附面層的優(yōu)點(diǎn)；又保留了圓截面分離點(diǎn)不確定的缺點(diǎn)。匠心何在？難以理解！
3、菱型—Ⅱ型
總壓、背壓檢測(cè)孔均采用2～4對(duì)，在高、低壓腔中平均后，分別引至差壓變送器高低壓端。美國(guó)DSI公司1984年推出的Probar均速管（圖2c-1），它由三個(gè)型材（一個(gè)菱形、二個(gè)三角形）組合成檢測(cè)桿。而德國(guó)intra-automation公司于上世紀(jì)90年代推出了一體化結(jié)構(gòu)（圖2C—2），稱(chēng)為Itabar均速管，檢測(cè)桿內(nèi)用隔板分為高低二個(gè)壓力腔，強(qiáng)度好且不易泄漏，如采用高強(qiáng)度耐熱鋼，耐壓可達(dá)40mPa，耐溫可達(dá)1000℃。Probar及Itabar的檢測(cè)桿都采取了復(fù)合結(jié)構(gòu)，可將溫度變送器插入檢測(cè)桿組成一體化智能質(zhì)量流量計(jì)。
4、彈頭型（圖2D）
1992年由美國(guó)Veris公司推出，稱(chēng)為Verabar（威力巴）。
Verabar在其彈頭前端表面做了粗糙處理（x/Ks≈200），認(rèn)為這樣處理后可保證形成紊流附面層，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。附面層由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪麟m會(huì)影響準(zhǔn)確度，但這種影響相對(duì)其他因素來(lái)說(shuō)是微不足道的，而彈頭形及靜壓點(diǎn)的位置，卻使其輸出差壓相對(duì)其他類(lèi)型均速管偏低不少，影響了它在低密度、低流速情況下的選用。
5、T型（圖2E）
2001年由美國(guó)DSI公司推出T型結(jié)構(gòu)正對(duì)流向，有二排密集的總壓檢測(cè)孔（直徑約2mm）或取壓槽，背流向一測(cè)采用了二排背壓孔。認(rèn)為這樣的設(shè)計(jì)可獲得“更多”的速度分布，有利于提高準(zhǔn)確度。其實(shí)總壓孔即或是密集到變成了槽口，也只能測(cè)管道中某一直徑方向的流速。而在直管道不夠長(zhǎng)，直徑方向上的流速分布不足以反映整個(gè)截面時(shí)，這種設(shè)計(jì)毫無(wú)意義。用槽口代替總壓孔，在幾十年前就出現(xiàn)過(guò)，并未推行說(shuō)明沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。其次，采用較小的總壓孔（或槽）卻易于堵塞，事實(shí)上并非如廠商所說(shuō)T形檢測(cè)桿正前方形成了高壓區(qū)，粉塵不易進(jìn)入。如真是這樣，汽車(chē)擋風(fēng)玻璃板上還有必要用雨刷嗎？
四、定位——適用于檢測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)
均速管流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)不少，如節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便……，但正所謂“福兮禍所伏，禍兮福所倚”，這些優(yōu)點(diǎn)也不可避免地會(huì)帶來(lái)一些不足之處，如準(zhǔn)確度不夠高，易堵塞等。如前所述，均速管是一種插入式，具有取樣性質(zhì)的儀表，在直管段不能達(dá)到要求時(shí)，無(wú)論采用什么形式的檢測(cè)桿都難以達(dá)到廠商所宣傳的±1%*度，而重復(fù)性卻可優(yōu)于0.5%。
20多年前，W·Rahmeyer等人已進(jìn)行了驗(yàn)證。他們將均速管安裝在阻力件（閥門(mén)、彎頭……）后2～12D，即在非充分發(fā)展紊流條件下進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，在直管段小于4～5D時(shí)，流量系數(shù)的偏差可達(dá)到±8%以上，而重復(fù)性卻可優(yōu)于1%。說(shuō)明對(duì)于均速管這種取樣性質(zhì)的儀表，直管段長(zhǎng)度對(duì)其準(zhǔn)確度的影響至關(guān)重要，而對(duì)重復(fù)性的影響卻微不足道！
在實(shí)際應(yīng)用中，由于均速管特別適用于大管道，一般情況都難以保證足夠長(zhǎng)的直管段，即無(wú)法具有較高的準(zhǔn)確度，均速管在流程工業(yè)中還有無(wú)立足之地？?jī)x表一般有以下三種用途：
① 用于貿(mào)易、經(jīng)濟(jì)核算的計(jì)量，準(zhǔn)確度應(yīng)放在首位。
② 用于工控系統(tǒng)作為信號(hào)源頭的檢測(cè)，重復(fù)性是主要的。
?、?用于監(jiān)控工藝流程是否正常工作，可靠性是優(yōu)先考慮的。
例如：對(duì)于一個(gè)鍋爐的燃燒系統(tǒng)，必需測(cè)空氣流量來(lái)調(diào)控燃料量，以保證*佳的空氣燃料比。這時(shí)如用均速管測(cè)空氣，只要它的輸出能反映空氣的變化，二者呈一一對(duì)應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，不隨意變化，即重復(fù)性好就可以了。至于空氣的*量，人們無(wú)需知道。其次，均速管也適用于監(jiān)控工藝流程是否正常，如我國(guó)西氣東輸1米直徑的干線(xiàn)，并不涉及計(jì)量收費(fèi)問(wèn)題，所用的96支干線(xiàn)流量計(jì)，就采用了50支均速管（占52%）。
在大口徑的流量檢測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)中，均速管以其顯著的節(jié)能效果，優(yōu)異的性?xún)r(jià)比，常作為*儀表。
五、小結(jié)——揚(yáng)長(zhǎng)避短，各取所需
流量?jī)x表由于影響因素較多，相應(yīng)的品種也十分多，當(dāng)前還沒(méi)有一種流量?jī)x表可取代其他儀表而一統(tǒng)天下，對(duì)于每一種儀表來(lái)說(shuō)都只能揚(yáng)長(zhǎng)避短，在己之長(zhǎng)的領(lǐng)域中發(fā)揮作用。業(yè)界專(zhuān)家*近指出，由于準(zhǔn)確度不夠，均速管不宜作為計(jì)量、貿(mào)易結(jié)算的儀表，并建議：①將國(guó)內(nèi)外均速管檢測(cè)件選用一種作為標(biāo)準(zhǔn)形式；②建立流量系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)；③對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件進(jìn)行試驗(yàn)研究。這些建議看來(lái)誘人，但實(shí)施卻有難度，它由誰(shuí)組織？由誰(shuí)埋單？
近年來(lái)，有些流量?jī)x表發(fā)展很快，據(jù)“Flow·Research”報(bào)告分析，近五年超聲及哥氏流量計(jì)年銷(xiāo)售增長(zhǎng)率分別為10.4%及 6.9%。這二種儀表準(zhǔn)確度都可達(dá)到±0.5%以上，完全可以勝任計(jì)量、貿(mào)易結(jié)算。均速管的研究、生產(chǎn)廠商應(yīng)克服“家有弊帚，享之千金”的心態(tài)，莫將這種插入式儀表一定要用于計(jì)量、貿(mào)易結(jié)算領(lǐng)域，能不斷總結(jié)應(yīng)用中的問(wèn)題，勇于創(chuàng)新，能在檢測(cè)、監(jiān)控領(lǐng)域中充分用好均速管，就是很大的貢獻(xiàn)。
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