均速管流量计的产品结构及工作原理

均速管流量计是一种利用差压法测量气体、液体流量的测量装置，它通过对管道中流体平均速度的测量，反映出管道中流体的流量。均速管流量探头主要有阿牛巴(Annubar)、威力巴(Vrabar)、威尔巴(Wellbar)、德尔塔巴(Deltaflow)、托巴(Torbar)、双D巴等几种。它是美国Dieterich标准公司在上世纪60年代中期研制的产品，70年代随石油化工成套设备引进我国，国内许多单位对其应用进行了研究，并生产出多种产品，其应用也越来越普遍。

一、均速管流量计的工作原理
均速管流量计的工作原理见图1。


图1中，面对流体流动方向在全压管上开了4个测孔，测孔按切比雪夫法或其它方法定位，4个测孔检测的压力由插入管均压，插入管的压力与背对流体流动方向的静压管检测压力的差值，经开方运算后即反映测量截面处流体平均流速的大小，也就反映了流量的大小。

与孔板等标准节流装置比较，均速管流量计具有以下特点：计算简便，易于按现场使用条件变更和修改参数；结构简单、易于加工，价格低廉；安装方便、维护量小；性能稳定，在长期使用过程中，其测量精确度基本不变；阻力损失小，大体相当于标准节流装置阻力损失的5%。

以制造成本为例，对直径100毫米的管道来说，孔板的价格稍高于均速管。随着管径的增加，孔板的制造成本直线上升，而均速管增加不多。当管径达到400毫米时，孔板的制造成本较100mm管径时增加了3-4倍，而均速管仅增加0.5倍。管径再大，价格相差就更多了。但是，由于对均速管流量计的研究深度远不及标准节流装置，所以对流体介质较为清洁并需精确计量的场合，一般仍应选标准节流装置。

二、均速管流量计结构
各种均速管本体结构大体相同，对选型来说其截面形状和静压取压点较为重要。
1、截面形状
均速管截面形状有圆形、菱形等，当流体流过均速管时，流体微团发生反向流动的起始点称为分离点。对圆形截面均速管来说，雷诺数和静压的变化都会使分离点位置移动，从而使流量系数变化，如在雷诺数小于105及大于1.1×106时，流量系数基本稳定，但在105~1.1×106之间时，流量系数变化达±10%。这种异常称为临界现象。对菱形截面的均速管来说，分离点位置始终固定，因而不存在临界现象。
 
圆形和菱形截面形状均速管的性能対比见表1。

当设计选用圆形截面均速管后，应按流量变化范围计算雷诺数变化范围，如计算结果不能避开105~1.1×106范围，而测量精确度要求较高时，则应考虑选用菱形截面均速管。

2、静压取压点
均速管有工艺管壁取静压及测量管背面中心取静压两种结构。工艺管壁取静压的结构可以减小均速管的尺寸，其特性曲线直线性好，但所得差压值不足背面中心取静压所得差压值的一半，所以对低速流体不宜采用这种结构。

三、混浊流体的测量
均速管流量计的测量对象基本上与标准节流装置相同，主要用于干净的气体、液体及蒸汽，也可以用于有少量沉积物、粘附物的混浊流体。用于混浊流体时，应考虑选用带下述结构的均速管流量计：
1、排污型均速管
均速管的一端装有取压阀，而另一端装有排污阀，可在运行过程中排污。
2、不停车拆装型均速管
在均速管装置上装有球阀，可在运行中抽出均速管，然后迅速关闭球阀。当均速管清洗完毕后再打开球阀，重新装入均速管。这种在线清洗机构可以省去测量管线的旁路阀和旁路管线。
3、吹扫型均速管
采用图3所示外接管线可以对均速管进行间断吹扫。图中阀1为全压取样阀，阀2为静压取样阀，阀3、4为吹扫阀门。正常测量时，打开阀1、2，关闭 阀3、4；吹扫时，关闭阀1、2，打开阀3、4，用介质蒸气或压缩空气可对均速管进行吹洗。


 图2  吹扫型均速管流量计管路示意图

四、流速范围
一般认为，均速管流量计所测流体的雷诺数应大于104，即处于紊流状态。这是因为均速管的工作原理属速度式流量计，是以测量流体在管道内平均流速为依据的，也就是说，它是以点代面地进行流量测量，而当流体处于层流状态时，点代表不了面，测量的精确度就很低了。 '

再从测量差压值方面考虑，当气体流速低于10米/秒、液体流速低于0.4米/秒时，差压值大致只有160-200Pa(背面中心取静压)或60-70Pa(管壁取静压)(见表3、表4)。差压值这样低，检测比较困难，精确度比较低。所以大多数资料推荐被测气体的流速应大于10米/秒、被测液体的流速应大于0.5米/秒。精确的流量测量则要求气体流速大于15米/秒，液体流速大于1米/秒。对气体来说，这个流速应该是根据工作状态下的体积流量计算出的实际流速。这一点对高温高压气体来说特别重要，因为在高温状态下实际流速远远大于换算成标准状态下的流速，而高压状态下实际流速又小于换算成标准状态下的流速。

五、均速管流量计直管段要求
由于均速管设有多对全压取压孔，所以对均速管流量计安装位置前后直管段的要求低于孔板，具体要求见表2。

值得注意的是，国内几乎所有均速管流量计使用说明书引用这张表时，在序号1安装位置示意图中都略去了均速管下游侧的弯头，因此，用户无法理解“同一平面"“不同平 面”有什么不同，因为不管上游侧弯头朝什么方向弯，均与主管线在“同一平面"。而表2序号1、2安装位置示意图有上游侧及下游侧两个弯头，“同一平面”与“不同平面”是指两个弯头是否在同一平面上。

文献中的这张表也有不合情理之处。序号1、2的“均速管流量计安装位置”示意图与本文的次序是颠倒的。笔者认为序号1在均速管上游侧只一个90°弯头，而序号2有两个90。弯头，序号2要求上游侧直管段更长一点才合理。

某几个厂的产品说明书在列出表2的同时又加了二张插图(见图3)，图名为“均速管所要求的上下游直管段”，图中表示了在均速管上游侧有一个90°弯头时，上下游直管段长度各为2D。在均速管设计选用及现场安装定点时，设计人员往往以此图作依据。这张插图近自自文献，原文图名是“均速管流量计直接装在弯头后”，但文献正文中下述一段说明则没有被这些厂的使用说明书引用：“而尤其难得的是，均速管流量计可以直接安装在弯头后仅两倍直径的地方，仍有可能给出稳定的示值。在这种情总下，如经过单独的标定,可得到±2%的准确度，如仍用原给定的流量系数，仍可得到±5%的准确度。”正确的做法应采用本图的图名，并在正文中以显要位置对此图作必要的说明。


图3 不精确测量时所允许的均速管*小直管段长度示意图

昌晖仪表还建议；在只有图示4D直管段长度的场所，按上游侧2.5D、下游侧1.5D位置安装均速管效果可能更好。

六、均速管流量计*大差压值估算
用均速管进行流量测量，*大的缺点是差压值很小，别是对低流速的气体更是如此。设计时应通过精确计算或估算，求出*大差压值，依此确定微差压变送器的量程。如果无根据地选定微差压变送器的量程，往往导致流量计现场投运时量程不符、需重新选型的错误。而均速管的*大差压值估算，比孔板计算要简单得多。为使设计选型正确，*大差压值估算应该是均速管流量计设计选用过程中不可缺少的一步。

均速管流量计*大差压值可按速算式近似估算：，公式中△P为*大差压值(Pa)；Qa为刻度流量(m3/h)；K为流量系统；D为管道直径(mm)；ρf为流体密度(kg/m3)。对背面中心取静压的方式来说，计算时可先按K=0.6来估算差压；对管壁取静压的方式来说，计算时可先按K=1.0来估算差压。

为了方便估算，列出了图4及表2、表3。由图4可方便地估算出流体流速，再按流体种类(气体、液体)，分别査表2、表3，即可由流体流速査出*大差压值。

表2  气体流速与均速管差压值对照表


表3  液体流速与均速管差压值对照表


表2是以空气(20℃时密度1.205千克/立方米)为例计算的，表3是以水(20℃时密度998.2千克/立方米)为例计算的，与空气密度相近的气体、与水密度相近的液体，均可参照表2、表3确定*大差压值。

如果设计者手头上已经有某厂产品的使用说明书，而说明书中已经提供了流量系数K的参考值，则可用前述式直接计算*大差压值，或者按下列算式求出修正后的*大差压值△P修：
①对背面中心取静压的方式来说：△P修=△P(0.6/K)2
②对管壁取静压的方式来说：△P修=△P(1.0/K)2

大多数均速管流量计出厂时要附标定证书，证书上列出单独标定的流量系数K值，根据标定证书上所列K值进行计算所得差压值是可靠的，根据这个差压值确定微差压变送器的量程**不会错。但在设计选用时*多只能知道可供参考的K值，所以估算的结果可能会有±30~40%的出入。因此，所选择的微差压变送器应该给△P值留有向上调及向下调的余地。切记：均速管流量计一定要以尽可能准确的K值进行较为精确的差压值计算，以求微差压变送器选型尽量正确。