均速管流量計的產品結構及工作原理

均速管流量計是一種利用差壓法測量氣體、液體流量的測量裝置，它通過對管道中流體平均速度的測量，反映出管道中流體的流量。均速管流量探頭主要有阿牛巴(Annubar)、威力巴(Vrabar)、威爾巴(Wellbar)、德爾塔巴(Deltaflow)、托巴(Torbar)、雙D巴等幾種。它是美國Dieterich標準公司在上世紀60年代中期研制的產品，70年代隨石油化工成套設備引進我國，國內許多單位對其應用進行了研究，并生產出多種產品，其應用也越來越普遍。

一、均速管流量計的工作原理
均速管流量計的工作原理見圖1。


圖1中，面對流體流動方向在全壓管上開了4個測孔，測孔按切比雪夫法或其它方法定位，4個測孔檢測的壓力由插入管均壓，插入管的壓力與背對流體流動方向的靜壓管檢測壓力的差值，經開方運算后即反映測量截面處流體平均流速的大小，也就反映了流量的大小。

與孔板等標準節流裝置比較，均速管流量計具有以下特點：計算簡便，易于按現場使用條件變更和修改參數；結構簡單、易于加工，價格低廉；安裝方便、維護量小；性能穩定，在長期使用過程中，其測量精確度基本不變；阻力損失小，大體相當于標準節流裝置阻力損失的5%。

以制造成本為例，對直徑100毫米的管道來說，孔板的價格稍高于均速管。隨著管徑的增加，孔板的制造成本直線上升，而均速管增加不多。當管徑達到400毫米時，孔板的制造成本較100mm管徑時增加了3-4倍，而均速管僅增加0.5倍。管徑再大，價格相差就更多了。但是，由于對均速管流量計的研究深度遠不及標準節流裝置，所以對流體介質較為清潔并需精確計量的場合，一般仍應選標準節流裝置。

二、均速管流量計結構
各種均速管本體結構大體相同，對選型來說其截面形狀和靜壓取壓點較為重要。
1、截面形狀
均速管截面形狀有圓形、菱形等，當流體流過均速管時，流體微團發生反向流動的起始點稱為分離點。對圓形截面均速管來說，雷諾數和靜壓的變化都會使分離點位置移動，從而使流量系數變化，如在雷諾數小于105及大于1.1×106時，流量系數基本穩定，但在105~1.1×106之間時，流量系數變化達±10%。這種異常稱為臨界現象。對菱形截面的均速管來說，分離點位置始終固定，因而不存在臨界現象。
 
圓形和菱形截面形狀均速管的性能対比見表1。

當設計選用圓形截面均速管后，應按流量變化范圍計算雷諾數變化范圍，如計算結果不能避開105~1.1×106范圍，而測量精確度要求較高時，則應考慮選用菱形截面均速管。

2、靜壓取壓點
均速管有工藝管壁取靜壓及測量管背面中心取靜壓兩種結構。工藝管壁取靜壓的結構可以減小均速管的尺寸，其特性曲線直線性好，但所得差壓值不足背面中心取靜壓所得差壓值的一半，所以對低速流體不宜采用這種結構。

三、混濁流體的測量
均速管流量計的測量對象基本上與標準節流裝置相同，主要用于干凈的氣體、液體及蒸汽，也可以用于有少量沉積物、粘附物的混濁流體。用于混濁流體時，應考慮選用帶下述結構的均速管流量計：
1、排污型均速管
均速管的一端裝有取壓閥，而另一端裝有排污閥，可在運行過程中排污。
2、不停車拆裝型均速管
在均速管裝置上裝有球閥，可在運行中抽出均速管，然后迅速關閉球閥。當均速管清洗完畢后再打開球閥，重新裝入均速管。這種在線清洗機構可以省去測量管線的旁路閥和旁路管線。
3、吹掃型均速管
采用圖3所示外接管線可以對均速管進行間斷吹掃。圖中閥1為全壓取樣閥，閥2為靜壓取樣閥，閥3、4為吹掃閥門。正常測量時，打開閥1、2，關閉 閥3、4；吹掃時，關閉閥1、2，打開閥3、4，用介質蒸氣或壓縮空氣可對均速管進行吹洗。


 圖2  吹掃型均速管流量計管路示意圖

四、流速范圍
一般認為，均速管流量計所測流體的雷諾數應大于104，即處于紊流狀態。這是因為均速管的工作原理屬速度式流量計，是以測量流體在管道內平均流速為依據的，也就是說，它是以點代面地進行流量測量，而當流體處于層流狀態時，點代表不了面，測量的精確度就很低了。 '

再從測量差壓值方面考慮，當氣體流速低于10米/秒、液體流速低于0.4米/秒時，差壓值大致只有160-200Pa(背面中心取靜壓)或60-70Pa(管壁取靜壓)(見表3、表4)。差壓值這樣低，檢測比較困難，精確度比較低。所以大多數資料推薦被測氣體的流速應大于10米/秒、被測液體的流速應大于0.5米/秒。精確的流量測量則要求氣體流速大于15米/秒，液體流速大于1米/秒。對氣體來說，這個流速應該是根據工作狀態下的體積流量計算出的實際流速。這一點對高溫高壓氣體來說特別重要，因為在高溫狀態下實際流速遠遠大于換算成標準狀態下的流速，而高壓狀態下實際流速又小于換算成標準狀態下的流速。

五、均速管流量計直管段要求
由于均速管設有多對全壓取壓孔，所以對均速管流量計安裝位置前后直管段的要求低于孔板，具體要求見表2。

值得注意的是，國內幾乎所有均速管流量計使用說明書引用這張表時，在序號1安裝位置示意圖中都略去了均速管下游側的彎頭，因此，用戶無法理解“同一平面"“不同平 面”有什么不同，因為不管上游側彎頭朝什么方向彎，均與主管線在“同一平面"。而表2序號1、2安裝位置示意圖有上游側及下游側兩個彎頭，“同一平面”與“不同平面”是指兩個彎頭是否在同一平面上。

文獻中的這張表也有不合情理之處。序號1、2的“均速管流量計安裝位置”示意圖與本文的次序是顛倒的。筆者認為序號1在均速管上游側只一個90°彎頭，而序號2有兩個90。彎頭，序號2要求上游側直管段更長一點才合理。

某幾個廠的產品說明書在列出表2的同時又加了二張插圖(見圖3)，圖名為“均速管所要求的上下游直管段”，圖中表示了在均速管上游側有一個90°彎頭時，上下游直管段長度各為2D。在均速管設計選用及現場安裝定點時，設計人員往往以此圖作依據。這張插圖近自自文獻，原文圖名是“均速管流量計直接裝在彎頭后”，但文獻正文中下述一段說明則沒有被這些廠的使用說明書引用：“而尤其難得的是，均速管流量計可以直接安裝在彎頭后僅兩倍直徑的地方，仍有可能給出穩定的示值。在這種情總下，如經過單獨的標定,可得到±2%的準確度，如仍用原給定的流量系數，仍可得到±5%的準確度。”正確的做法應采用本圖的圖名，并在正文中以顯要位置對此圖作必要的說明。


圖3 不精確測量時所允許的均速管*小直管段長度示意圖

昌暉儀表還建議；在只有圖示4D直管段長度的場所，按上游側2.5D、下游側1.5D位置安裝均速管效果可能更好。

六、均速管流量計*大差壓值估算
用均速管進行流量測量，*大的缺點是差壓值很小，別是對低流速的氣體更是如此。設計時應通過精確計算或估算，求出*大差壓值，依此確定微差壓變送器的量程。如果無根據地選定微差壓變送器的量程，往往導致流量計現場投運時量程不符、需重新選型的錯誤。而均速管的*大差壓值估算，比孔板計算要簡單得多。為使設計選型正確，*大差壓值估算應該是均速管流量計設計選用過程中不可缺少的一步。

均速管流量計*大差壓值可按速算式近似估算：，公式中△P為*大差壓值(Pa)；Qa為刻度流量(m3/h)；K為流量系統；D為管道直徑(mm)；ρf為流體密度(kg/m3)。對背面中心取靜壓的方式來說，計算時可先按K=0.6來估算差壓；對管壁取靜壓的方式來說，計算時可先按K=1.0來估算差壓。

為了方便估算，列出了圖4及表2、表3。由圖4可方便地估算出流體流速，再按流體種類(氣體、液體)，分別査表2、表3，即可由流體流速査出*大差壓值。

表2  氣體流速與均速管差壓值對照表


表3  液體流速與均速管差壓值對照表


表2是以空氣(20℃時密度1.205千克/立方米)為例計算的，表3是以水(20℃時密度998.2千克/立方米)為例計算的，與空氣密度相近的氣體、與水密度相近的液體，均可參照表2、表3確定*大差壓值。

如果設計者手頭上已經有某廠產品的使用說明書，而說明書中已經提供了流量系數K的參考值，則可用前述式直接計算*大差壓值，或者按下列算式求出修正后的*大差壓值△P修：
①對背面中心取靜壓的方式來說：△P修=△P(0.6/K)2
②對管壁取靜壓的方式來說：△P修=△P(1.0/K)2

大多數均速管流量計出廠時要附標定證書，證書上列出單獨標定的流量系數K值，根據標定證書上所列K值進行計算所得差壓值是可靠的，根據這個差壓值確定微差壓變送器的量程**不會錯。但在設計選用時*多只能知道可供參考的K值，所以估算的結果可能會有±30~40%的出入。因此，所選擇的微差壓變送器應該給△P值留有向上調及向下調的余地。切記：均速管流量計一定要以盡可能準確的K值進行較為精確的差壓值計算，以求微差壓變送器選型盡量正確。