1 問題的提出
利用差壓原理進(jìn)行流量測量是當(dāng)今世界上使用zui多，同時也是zui可靠的流量測量系統(tǒng)之一。以孔板、噴嘴和文丘里管為代表的差壓式流量計成功地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域已愈百年，尤其是標(biāo)準(zhǔn)孔板的應(yīng)用更有悠久的歷史，它占據(jù)了目前世界上大約50%~55%的工業(yè)流量測量市場。
孔板流量計具有簡單可靠、加工方便等優(yōu)點，但也存在著如下局限性。
a）孔板入口邊緣易磨損，測量精度降低，性能不穩(wěn)定，需定期進(jìn)行更換；
b）對于臟污流、含濕氣體及蒸汽的介質(zhì)較敏感，易積垢造成取壓孔堵塞，從而引起測量誤差；
c）量程比比較小，差壓信號中的信噪比低，不可恢復(fù)壓損大，安裝、調(diào)試不方便；
d）大口徑管道應(yīng)用中，失去了價格優(yōu)勢，維護(hù)成本高。
由于孔板流量計存在著上述問題，一種新型的差壓式均速管流量計—T型阿牛巴流量計在實際的應(yīng)用中逐漸顯露出它的*性。
2 阿牛巴流量計的發(fā)展
阿牛巴流量計是基于伯努利能量守恒原理和皮托管測量原理而發(fā)展起來的差壓式均速管流量計。它共經(jīng)歷了圖1所示的3個發(fā)展階段。
zui初的阿牛巴流量計的檢測桿斷面是圓形的，發(fā)現(xiàn)圓形阿牛巴流量計的流量系數(shù)K值在雷諾數(shù)Re<1O5時基本不變，而在106~108之間時，K值增大且分散，分散度約為±10%。進(jìn)一步研究表明，上述現(xiàn)象是由流體流過圓管時，分離點位置不固定造成的；當(dāng)Re<1O5時，分離點與管道中心的分離角為78゜，當(dāng)Re＞105時，分離角為130゜；當(dāng)Re在105~108之間時，分離角處于78゜~130゜之間不確定的位置上，如圖2所示。由于阿牛巴流量計計算公式中流量與K值成正比，因而K值±10%的分散性將造成流量測量±10%的誤差，而阿牛巴流量計K值分散性較大的這段雷諾數(shù)范圍對應(yīng)的流體流速正是大多數(shù)氣體在管道中的正常流速值。
第二代寶石I型（菱形斷面）阿牛巴流量計突出的優(yōu)點是流體分離點的位置固定在菱形兩側(cè)尖銳的拐點上，從而解決了圓形阿牛巴流量計K值不穩(wěn)定的問題，測量精度大大地提高了。
當(dāng)流體流經(jīng)阿牛巴傳感器邊緣時會產(chǎn)生漩渦，這些漩渦導(dǎo)致了阿牛巴流量傳感器的震動，產(chǎn)生脈動的噪聲信號失真，從而影響測量的穩(wěn)定性。第二代寶石Ⅱ型（改進(jìn)型菱形斷面）阿牛巴流量計解決了這個問題。
無論是改進(jìn)型菱形斷面的阿牛巴流量計還是在圓形阿牛巴流量計基礎(chǔ)上發(fā)展起來的橢圓形、扇形、子彈型、機(jī)翼型等多種均速管流量計雖然比圓形阿牛巴流量計有了很大的進(jìn)步，但還存在著如下問題。
a）K值還是不夠恒定，特別是在小流量測量時，大大影響了阿牛巴流量計在低流速，低流量時測量的精度。
b）產(chǎn)生的差壓信號比較小，一般只有1~3kPa。在測量流速比較低的工況時，甚至只有20~50Pa，對這樣低的差壓，測量精度和穩(wěn)定性是沒有辦法保證的。限制了阿牛巴流量計的使用范圍，尤其是在氣體流量測量的應(yīng)用中。
c）容易受到各種干擾，產(chǎn)生差壓信號的信噪比比較低，影響了測量的穩(wěn)定性。
d）由于均速管流量計是流體速度取樣式流量計，按照流體力學(xué)研究的要求要對管道內(nèi)一定位置的流體速度取樣，因此對安裝有著較高的要求，在X，Y，Z三軸方向上一般要求不偏差大于±3゜，在一般現(xiàn)場要達(dá)到如此的安裝精度是相當(dāng)困難的。
3 T型阿牛巴流量計的特點
T型阿牛巴流量計和以往的均速管流量計相比，不僅保持了改進(jìn)菱形阿牛巴流量計的各種優(yōu)點，同時地解決了上述提到的存在的實際問題，它的改進(jìn)是革命性的。
3.1 良好的本質(zhì)抗堵性能
流體在管道各個截面上的速度分布是有差別的。一個的速度式流量計需要得到流體的平均速度，以往均速管流量計只開了幾個取壓孔，對流體的速度取樣率僅為6.5%左右。T型阿牛巴流量計正面高壓取壓槽口跨越整個管道，獲得比以往各種形狀勻速管流量計12倍以上的流體速度取樣面積，它對流體的速度取樣率高達(dá)85%，因而得到的平均速度測量精度。
T型阿牛巴流量計跨越整個管道的高壓取壓槽口的設(shè)計也使得它有了更好的抗堵性，一些雜質(zhì)的吸附對測量精度不會造成在以往的均速管流量計上發(fā)生的災(zāi)難性的測量誤差。T型阿牛巴在管道中流體的流線如圖3所示，從圖3中可以看到，流體在阿牛巴正面能形成一個大的高壓區(qū)，流體中的微粒偏轉(zhuǎn)繞過這個高壓區(qū)，并流離T型阿牛巴背后低壓取壓口的滯留區(qū)，使得雜質(zhì)不會進(jìn)入阿牛巴的內(nèi)部，獲得了良好的抗堵性能。
3.2 精度高穩(wěn)定性好
K值是差壓流量計zui重要的表征系數(shù)，對于測量流量范圍的穩(wěn)定與否至關(guān)重要，并直接關(guān)系到流量計的測量精度。從圖4中可以清楚地看到T型阿牛巴流量計的K值在各個雷諾數(shù)范圍內(nèi)能夠保持恒定，*解決了以往所有各種均速管流量計K值在流量變化，特別是在小流量時不穩(wěn)定的問題，使得測量精度保證在±0.75 %范圍內(nèi)。從根本上保證了阿牛巴流量計在各種流體狀況中都能得到的測量。T型阿牛巴流量計的改進(jìn)是非常顯著的，同時其重復(fù)性同樣非常出色，為±0.1%。
3.3 突出的信噪比和量程比
均速管流量計使用好壞的一個重要條件就是使得測量流體時產(chǎn)生的差壓要足夠大，以前的勻速管流量計抗*力差，在低流量時，輸出信號的信噪比太低，失真度大，同時以前的差壓變送器對微差壓測量的精度和穩(wěn)定性不能令人滿意。在流體同樣的工藝條件下，T型阿牛巴流量計產(chǎn)生的差壓信號要比以往各種形狀均速管流量計大80%以上。這樣不但使得測量精度得到提高，而且能使其使用在其他低流速場合，這個特性使它具有了10:1到20:1的量程比。
從圖5可以看到，T型阿牛巴流量計輸出的差壓信號具有突出的信噪比，使得差壓變送器能夠獲得良好的差壓信號，從而得到流量的穩(wěn)定測量。
3.4 一體化安裝實現(xiàn)溫壓補(bǔ)償
由于氣體流量的復(fù)雜性，氣體流量儀表在測量精度、可靠性等方面都明顯劣于液體流量儀表。氣體的流量測量受溫度、壓力變化而影響，這些因素對氣體流量儀表的度、重復(fù)性造成嚴(yán)重影響，因此，通過增加壓力、溫度補(bǔ)償來提高測量精度。
常規(guī)的流體壓力、溫度補(bǔ)償見式（1）
（1）
式中qm— 流體的質(zhì)量流量；
K— 流量系數(shù)；
Δp— 流量計產(chǎn)生的差壓；
p— 壓力；
T— 流體的溫度。
K基本上是隨著流量、壓力、溫度的變化而變化的，不是一個常數(shù)，溫度補(bǔ)償公式中如果僅采用正常流量時的流量系數(shù)，當(dāng)流體工況變化時，其測量精度會大大降低，這也是導(dǎo)致差壓式流量計測量精度低的一個重要原因。
為了解決這個根本問題，目前展現(xiàn)出了一種多參數(shù)流量變送器。這種變送器內(nèi)置了高精度的差壓變送器，絕壓變送器、溫度變送器、高速CPU和大容量數(shù)據(jù)存儲器。該存儲器存儲了各種流體在不同壓力、溫度下在溫度補(bǔ)償公式中所需要使用的物性參數(shù)，包括密度、黏度、氣體常數(shù)、壓縮系數(shù)、等容比熱等數(shù)據(jù)，根據(jù)流體實際變化的工作壓力、溫度進(jìn)行實時、動態(tài)zui*的補(bǔ)償計算，zui大程度地消除各個造成流量測量誤差的因素。
對于蒸汽流量測量會自動判斷蒸汽處于飽和、不飽和還是過熱的狀態(tài)，并自動進(jìn)行補(bǔ)償計算。
多參數(shù)流量變送器和T型阿牛巴流量計的結(jié)合使用非常好地解決了氣體壓力、溫度對測量精度的干擾。溫度傳感器內(nèi)置于T型阿牛巴流量計的腔體內(nèi)，阿牛巴流量計就是它堅固的套管。這樣在工藝管道上僅僅需要開一個孔，就同時解決了差壓、壓力、溫度的測量，實現(xiàn)了一體化安裝。提高了整個差壓流量測量系統(tǒng)的測量精度，也大大節(jié)省了整個流量測量系統(tǒng)的投資成本，方便了施工。
3.5 安裝便利
T型阿牛巴流量計的正面高壓取壓槽口跨越整個管道，在提高流體平均的測量精度的同時，也大大降低了T型阿牛巴流量計的安裝要求。允許在X，Y，Z三軸方向上有±5゜的偏差，±5゜的偏差是人的眼睛能夠明顯判斷的，安裝人員能更容易地安裝和調(diào)試。
4 使用勻速管流量計需注意的問題
阿牛巴流量計的機(jī)械尺寸是根據(jù)要安裝的管道尺寸量身定制的，其流量測量范圍也是根據(jù)用戶提供的流量數(shù)據(jù)計算、標(biāo)定的。因此提供的流量數(shù)據(jù)和管道數(shù)據(jù)一定要正確無誤，否則會造成大的測量誤差。
差壓式均速管流量計產(chǎn)生的差壓一般都比較小，zui小可能只有20~30Pa，均速管流量計產(chǎn)生差壓信號的大小和流體工況的雷諾數(shù)密切相關(guān)。對小于1kPa的差壓測量，特別是小于0.5kPa的差壓，需要特別關(guān)注。各種均速管流量計在這樣低的流速條件下K的波動非常大，影響測量精度。小于0.5kPa的微差壓測量，要求差壓變送器的性能是非常高的。
均速管流量計的性能是衡量整體儀表的一個重要參數(shù)，T型阿牛巴流量計雖然具有本質(zhì)抗堵的特性，但下面的幾種情況需要關(guān)注。
a）流體中是否有黏沾性的雜質(zhì)。如果流體中含有黏沾性的雜質(zhì)，應(yīng)用均速管流量計時需慎重考慮。黏沾性雜質(zhì)黏在傳感器上，將大大影響測量精度，很多流量儀表都不適合這種工況的應(yīng)用。
b）流體中雜質(zhì)很多，并且裝置間歇操作，有經(jīng)常停車而且時間長的情況。在斷流的時間里，雜質(zhì)可能會干燥，并結(jié)垢在傳感器的表面，長年累月將堵塞取壓口。
c）引壓系統(tǒng)泄漏。沒有使用直接安裝形式，均速管流量計到變送器引壓管路系統(tǒng)的泄漏，會造成在阿牛巴流量計的引壓腔體內(nèi)有流體流動。雖然此流量非常小，流速非常慢，但經(jīng)過日積月累，雜質(zhì)可能會進(jìn)入其內(nèi)部并結(jié)聚，從而造成堵塞。
5 結(jié)束語
隨著均速管流量測量技術(shù)的日趨成熟完善，其應(yīng)用的前景是廣闊的。T型阿牛巴流量計不僅具有高穩(wěn)定性和高測量精度，而且與高精度的差壓變送器一體化安裝，本質(zhì)抗堵特性，寬量程比，運行能耗低等優(yōu)點，這些都使得它有很高的應(yīng)用價值。
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