角度自適應(yīng)均速管流量計

馬平昌，侯京鋒，李 紅

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

0 引言

研究流量測量技術(shù)與裝備對于工業(yè)生產(chǎn)、能源傳輸、電力工程等方面均有著非常重要的意義[1]。目前根據(jù)流量計測量方式的不同可以分為熱式[2-4]、差壓式[5-6]、電磁式[7-8]、超聲波式[9-10]、渦街式[11]等，在各種流量測量方式中，差壓流量計應(yīng)用廣泛，其具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長等優(yōu)點[12]，但是差壓流量計也存在發(fā)生裝置體積大、安裝要求高、測量范圍較窄等缺點[13-14]。均速管流量計具有插入式結(jié)構(gòu)、管道截面多點測量等特點，使得均速管流量計得到快速的發(fā)展與應(yīng)用[15]，特別是在DN200口徑以上的大直徑管道中，均速管流量計的應(yīng)用比例達(dá)到50%以上。

為了使均速管流量計具有更加穩(wěn)定的流量系數(shù)、更大的輸出壓力、較小的阻力損失以及更佳的防堵性能，研究人員針對均速管流量計的截面形狀、取壓孔位置、取壓孔數(shù)量、取壓孔形狀和大小進(jìn)行了大量的數(shù)值或者實驗研究[16-19]。隨著研究人員對均速管流量計測量方式的不斷深入研究，各大流量計廠家也相繼生產(chǎn)出各類均速管流量計產(chǎn)品，如VERIS公司推出子彈頭形均速管，美國DS公司推出T形均速管流量計等。雖然各類均速管流量計在理論或者實驗室具有良好的流量計量特性，但是在實際工業(yè)測量中，管路內(nèi)流動的流體具有一定的偏角，而且在實際安裝過程中工作人員無法精確保證均速管流量計取壓孔正對來流方向，所以均速管流量計的實際測量結(jié)果與理想狀態(tài)存在一定的偏角誤差。針對此問題，本文設(shè)計了一種基于差壓測量方式的角度自適應(yīng)均速管流量計，采用圓形截面，截面上設(shè)計三方向取壓孔，并配合角度修正算法，從而實現(xiàn)管路內(nèi)流體流動偏角或流量計安裝偏角所帶來的測量誤差的自適應(yīng)修正，以提高管路流量測量的準(zhǔn)確性。

1 工作原理

角度自適應(yīng)均速管流量計基于圓柱繞流原理。當(dāng)流體在圓形截面上流動時，圓形截面上各點由于當(dāng)?shù)亓魉俚牟煌?，從而形成沿圓周方向的壓力分布，如圖1所示[19]。研究表明，當(dāng)雷諾數(shù)小于105時，分離角固定為 78°，但是雷諾數(shù)增大到2×105時，邊界層變?yōu)槲闪餍再|(zhì)，分離點變得不穩(wěn)定[20]。

圖1 圓柱繞流壓力分布圖

流體繞圓柱流動時，圓柱表面上任意兩點的靜壓差關(guān)系可以表達(dá)為

(1)

式中：ΔPS為靜壓,Pa；Ki為速度校正系數(shù)；ρ為流體密度,kg/m3；v為來流速度，m/s。

所以根據(jù)圓柱表面上任意兩點的靜壓差可以得到流場的速度信息，為了進(jìn)一步獲取流場的偏角信息，則需要2組獨(dú)立的壓差數(shù)據(jù)。

2 流量計設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

流量計的設(shè)計如圖2所示，采用圓柱發(fā)生體，在柱體圓截面周向不同位置設(shè)計3個取壓孔，沿柱體軸線方向設(shè)計若干取壓孔，以達(dá)到管路流量的多點平均測量，從而提高測量精度。為了防止取壓孔位于不穩(wěn)定分離區(qū)，從而影響取壓孔感受壓力的穩(wěn)定性，設(shè)計3個取壓孔分別位于來流滯止點以及與滯止點呈±45°位置處，如圖3所示，這樣既可以保證取壓孔感受到的壓力與來流速度有固定的關(guān)系，又可以為傳感器測量偏角誤差留有一定的裕度，保證取壓孔在一定偏角下不進(jìn)入分離區(qū)。

圖2 流量計結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 流量計截面示意圖

2.2 偏角修正

當(dāng)管路內(nèi)流體流動方向與流量計標(biāo)準(zhǔn)取壓方向存在一定的偏差時，差壓測量原理中速度校正系數(shù)Ki就會產(chǎn)生一定的誤差，從而影響測量結(jié)果。為了消除這種偏角誤差，設(shè)計角度修正算法，根據(jù)測得的2組差壓進(jìn)行角度修正，以提高測量精度。

定義來流方向與流量計截面中心軸線A-A夾角為θ，即來流偏角誤差，且當(dāng)來流方向位于中心軸線順時針方向時為正，如圖4所示。

圖4 來流偏角誤差定義

均速管截面上感壓孔0與感壓孔2感受的靜壓差P0-2為

(2)

感壓孔1與感壓孔2感受的靜壓差P1-2為

(3)

將式(3)除以式(2)可得：

(4)

即：

(5)

管內(nèi)流量可以表達(dá)為

(6)

通過實驗標(biāo)定，可得差壓比值與偏角的關(guān)系(如圖5所示)，速度校正系數(shù)K1、K2隨來流偏角誤差的變化如圖6和圖7所示。當(dāng)偏角誤差θ=0°時，感壓孔0感受的壓力最大，感壓孔1與感壓孔2由于結(jié)構(gòu)對稱，所以其感受到的壓力一致，此時K2=0。當(dāng)偏角誤差向正向變化時，感壓孔0與感壓孔2感受到的壓力均減小，但是此時感壓孔0處于緩降區(qū)，而感壓孔2處于壓力陡降區(qū)，如圖1所示，所以其差壓值反而增大，相應(yīng)的K1也增大；當(dāng)θ向負(fù)向變化時，K1隨θ減小而減小。由于感壓孔1與感壓孔2位置對稱，所以感壓孔1與感壓孔2的壓差值隨偏角呈中心對稱變化規(guī)律，即K2隨偏角誤差θ呈中心對稱變化，當(dāng)偏角向誤差正向變化時，感壓孔1壓力增大，感壓孔2壓力減小，所以其差壓值變大，K2增大；反之亦然。

圖5 差壓比值與偏角誤差θ的關(guān)系

圖6 速度校正系數(shù)K1與偏角誤差θ的關(guān)系

圖7 速度校正系數(shù)K2與偏角誤差θ的關(guān)系

3 試驗結(jié)果與分析

為了充分驗證角度自適應(yīng)均速管流量計的性能，搭建標(biāo)準(zhǔn)水管路系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校檢測，管路直徑為DN100，流量計安裝位置滿足前端直線段為管路直徑的20倍，后端直線段為管路直徑的10倍，選擇精度為0.2%的ROSEMOUNT流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行標(biāo)校。標(biāo)校結(jié)果如表1所示。

表1 流量標(biāo)校結(jié)果

該流量計測量水流量時，其滿量程可至60 m3/h，結(jié)果表明角度自適應(yīng)均速管流量計在各種不同的偏角誤差下，流量測量最大誤差≤3.5%FS，而在偏角誤差θ≤±1°時，流量計的精度可以保持1%FS以內(nèi)。通過對比可以發(fā)現(xiàn)流量計在不同流量情況下，均為來流偏角較大的情況下誤差較大，特別是在小流量的情況下，角度偏差所帶來的誤差更加明顯，這也進(jìn)一步證明了角度偏差修正對于流量測量的重要性。

4 結(jié)束語

該角度自適應(yīng)均速管流量計采用圓柱截面，設(shè)計3個取壓孔，通過差壓可以得到流量計的偏角信息，從而進(jìn)行修正，該流量計偏角誤差θ≤±1°時，其精度可以保持1%FS以內(nèi)[21]，而在流量計存在較大的偏角誤差時，即θmax≤±15°，其最大誤差可以保持在3.5%FS以內(nèi)，所以該設(shè)計有效地改善了管路內(nèi)流體流動偏角或流量計安裝偏角所帶來的測量誤差，從而提高了管路流量測量的準(zhǔn)確性。