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矩形大管道的風(fēng)量測(cè)量
文章來源：本站收集  上傳時(shí)間：2018-6-25  瀏覽量：2812
　　決矩形大管道風(fēng)量測(cè)量的幾種方法，比較了各自優(yōu)缺點(diǎn)，舉薦了運(yùn)用場(chǎng)合。文中關(guān)鍵介紹了機(jī)翼流量計(jì)。

　　　　大型管道中的流量測(cè)量近年來已廣泛引起人們的重視，并認(rèn)真地著手處理。不少企業(yè)為節(jié)約場(chǎng)所，便于設(shè)備，在管道中流體壓力不大的情況下，常選用矩形管道貼壁設(shè)備，如火電廠進(jìn)風(fēng)管道、大型通風(fēng)系統(tǒng)，選用邊長(zhǎng)達(dá)2~3m的矩形管道已層出不窮。這種管道中的流量測(cè)量有一些特別問題，不能照搬圓管中的測(cè)量方法和儀表，而中又稀有介紹。前二年，筆者為處理某工程的這個(gè)問題，進(jìn)行了探求，規(guī)劃、制造了二臺(tái)機(jī)翼流量計(jì)，并一次調(diào)試、投運(yùn)成功。

　　　　1流體在矩形管道中的活動(dòng)特征早在1926年，Nikuradse就對(duì)流體在矩形管道中的活動(dòng)進(jìn)行了檢驗(yàn)，其等速線如所示。它顯示出不同于圓管中的同心圓等速線，而且發(fā)現(xiàn)有二次流。

　　　　二次流從本質(zhì)上來看，是在紊流條件下，在管道橫截面上，有垂直于軸向的法向活動(dòng)，它與軸向活動(dòng)疊加后構(gòu)成二次流，也可稱為渦流。由于層流不存在法向活動(dòng)，所以在層流條件下不可能發(fā)作二次流。

　　　?。茖W(xué)技術(shù)服務(wù)中心，1964年，Brundrett及Baines又對(duì)矩形光滑管及粗糙管中的活動(dòng)進(jìn)行了檢驗(yàn)。他們認(rèn)為矩形管道中的二次流是由橫截面上的雷諾力所引起的，而起首要作用的是法向應(yīng)力強(qiáng)度，這是一種非等熵活動(dòng)，紊流運(yùn)動(dòng)是構(gòu)成二次流的基礎(chǔ)。1973年Landei和Ying選用分析方法描繪了這種雜亂的活動(dòng)。他們證明了二次流有使壁面應(yīng)力均勻化的趨勢(shì)，并指出二次流將改動(dòng)抵觸因子的大小，其起伏約為±10%.長(zhǎng)期以來，人們對(duì)這種活動(dòng)的研討偏重在對(duì)阻力的影響，很少涉及流量的測(cè)量，近年來才有所考慮，有關(guān)論說拜見。

　　　　也曾有人試圖只測(cè)矩形管道軸向的壓力梯度dp/d，來處理流量測(cè)量問題，其公式為1/2高度；為流體動(dòng)力粘性系數(shù)；dPl/ck為無(wú)量綱軸向壓力梯度。

　　　　這種方法至今還未傳聞運(yùn)用到實(shí)踐工程中，問題在于這個(gè)核算公式是否切當(dāng)?shù)孛枥L了實(shí)踐的活動(dòng)情況，是否可準(zhǔn)確判定邊界條件。這些還有待于實(shí)踐證明。

　　　　2常用方法下面介紹測(cè)量矩形大管道流量的三種常用方法，雖各有所長(zhǎng)，但均不盡人意。

　　　　2.1速度面積法這是一種經(jīng)典的測(cè)量方法，早已有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)能夠遵循（IS03966，IS07194）。這種方法的長(zhǎng)處是不受管道大小的束縛，而且也還準(zhǔn)確、可靠；不足之處是判定一個(gè)流量值要測(cè)20多點(diǎn)的流速，測(cè)量非常繁瑣，因此簡(jiǎn)直不太可能運(yùn)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)上，但卻可做為一種最基本、最實(shí)踐的校驗(yàn)方法。

　　　　此處要說明的是，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，這種方法舉薦的流速計(jì)是NPL型皮保管，它雖準(zhǔn)確但對(duì)流向比較靈敏，當(dāng)流向違反軸向逾越10時(shí)，就將引起1%以上的過失。在圓管中運(yùn)用多屬位流不成問題，但用于矩形管道則應(yīng)另當(dāng)別論。因在矩形管道中不可防止地會(huì)存在二次流，流向違反逾越±10則習(xí)認(rèn)為常，仍用NPL型皮保管，難保必要的準(zhǔn)確度。為此，筆者舉薦一種帶導(dǎo)流進(jìn)口的特別皮保管，它在流向違反軸線±40.以內(nèi)時(shí)，仍可堅(jiān)持1%的準(zhǔn)確度。

　　　　2.2刺進(jìn)法2.2.1點(diǎn)速法點(diǎn)速法是通過測(cè)量管道中某一點(diǎn)的流速來核算流量的方法。這種方法簡(jiǎn)略易行，但準(zhǔn)確度很低，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多用于監(jiān)測(cè)，很少用于計(jì)量。

　　　　原則上，選用這種方法一般流速計(jì)均可測(cè)流量。

　　　　現(xiàn)在所用的有刺進(jìn)式渦輪流量計(jì)、插人式渦街流量計(jì)、皮托一文丘利管等等。筆者在此特別舉薦皮托一文丘利管，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)略，作業(yè)可靠，可輸出比皮保管大幾倍的差壓信號(hào)，且耐高溫及可作業(yè)在較前二者更為惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，在火電廠及冶金、鋼鐵行業(yè)曾風(fēng)靡一時(shí)。要注意的是，其速度-差壓特性重復(fù)性差，每支均需在風(fēng)洞中校驗(yàn)后才好運(yùn)用。

　　　　2.2.2線速法線速法是指一次測(cè)量沿一貫線上多點(diǎn)流速的概括值來判定流量，較點(diǎn)速法準(zhǔn)確，且設(shè)備條件也優(yōu)于點(diǎn)速法，國(guó)內(nèi)外常選用均速管。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)略，作業(yè)可靠，便于設(shè)備，較適用于矩形管道各種情況的風(fēng)量測(cè)量，其設(shè)備方位如所示。

　　　　均速管在矩形管道中運(yùn)用時(shí)，其流量核算公式與圓管類似，不同之處是在核算橫截面積及便于選用流量系數(shù)K時(shí)引證了當(dāng)量直徑與矩形橫截面寬6與高/1的聯(lián)絡(luò)為這樣處理僅為權(quán)宜之計(jì)，特別是當(dāng)矩形截面的寬6與高h(yuǎn)相差較大時(shí)，會(huì)有較大的過失。

　　　　2.3彎管流計(jì)（見這種方法已運(yùn)用了幾十年，是一種較老到的測(cè)量方法，只是輸出差壓太小，測(cè)量精度也不高。在選用矩形管道時(shí)，由于工藝布局的需求，可常見有矩形彎頭，假設(shè)順?biāo)浦奂右赃\(yùn)用，倒也是一種可考慮的方法。

　　　　否則，在直管道中故意參與一個(gè)90彎管流量計(jì)則就大可不必了。

　　　　3機(jī)翼流量計(jì)3.1原理測(cè)量矩形管道中的流量，早期曾選用過矩形文丘利管。為防止氣流在擴(kuò)張段分別，增大壓損，后擴(kuò)張角一般不得逾越1p~12，因此文丘利管很長(zhǎng)，給設(shè)備與運(yùn)送帶來不方便。假設(shè)在矩形通道中設(shè)備一至數(shù)個(gè)機(jī)翼（見），則既可能將每個(gè)分別角控制在10~12°，又縮短了整個(gè)長(zhǎng)度，使結(jié)構(gòu)緊湊，便于設(shè)備、運(yùn)送。

　　　　從原理上來看，機(jī)翼流量計(jì)選用的仍是節(jié)約，使氣流加速、降壓，通過測(cè)差壓來判定流量的大小，因此，它仍是一種節(jié)約設(shè)備。但機(jī)翼流量進(jìn)口部分有導(dǎo)流作用，在氣體加速的過程中，可緩解氣流的橫向活動(dòng)，減小渦流的標(biāo)準(zhǔn)，所以它對(duì)進(jìn)口直管道的長(zhǎng)度要求不象機(jī)翼流量計(jì)原理圖一般節(jié)約設(shè)備那么苛刻，約僅需3倍當(dāng)量直徑的長(zhǎng)度，這一點(diǎn)對(duì)矩形大管道特別具有實(shí)用價(jià)值。

　　　　3.2核算公式一般流經(jīng)機(jī)翼流量計(jì)的氣流速度不會(huì)逾越30m/s，故可按不可壓流處理，流體的密度p可視為常數(shù)，公工推導(dǎo)以柏努利方程及連續(xù)方程為基礎(chǔ)（推導(dǎo)從略），核算公式為輸出差壓，pa；yv為常數(shù)，取決式（2）各參數(shù)的單位，此處為5.09x103；K為流量系數(shù)，一般在0.95~0.99之間；a為阻塞比，界說為m=42/禹；七為流量計(jì)喉部最小通道面積，m2；山為流量計(jì)進(jìn)口截面積，m2.在規(guī)劃?rùn)C(jī)翼流量計(jì)時(shí)，往往是已知流量9及進(jìn)口截面積木，由此來選定差壓Ap及阻塞比a二個(gè)參數(shù)。核算時(shí)要先給定其間一個(gè)參數(shù)來求另一個(gè)參數(shù)。筆者建議選定阻塞比a時(shí)以0.3~0.5之間為宜；a值選得太小，過于阻塞則壓力丟掉太大，影響管道中的正?；顒?dòng)；選得太大，節(jié)約作用不明顯，輸出差壓又太小，難以選用差壓變送器。差壓Ap值建議不要小于400Pa，上限則無(wú)束縛。

　　　　3.3結(jié)構(gòu)機(jī)翼流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如所示。

　　　　機(jī)翼型面型面的曲線由三段組成：前緣為一個(gè)曲率半徑為25的圓弧（或直接選用一根衫0的圓管）；中段曲線為二次方程y2=c（c為常數(shù)）所描繪；后緣為便于加工選用直線，三段滑潤(rùn)相接，不容許有拐點(diǎn)。

　　　　總、靜壓孔方位在每個(gè)機(jī)翼前緣正對(duì)流向有一組總壓孔，各孔相距0.2~0.3m，將所測(cè)得的總壓集合在位于前緣的總壓匯管中，再將每個(gè)匯管中的總壓均值接至位于機(jī)翼流量計(jì)外殼上的總壓集氣管，通過儀表閥門，接至差壓變送器篼壓端。

　　　　在機(jī)翼最高點(diǎn)，也就是通道最窄處的機(jī)翼表面有一組靜壓孔（如考慮到流體的運(yùn)動(dòng)慣性，對(duì)流體而言，最窄通道應(yīng)處于結(jié)構(gòu)最窄處下流約1公分處）。各靜壓孔的距離為0.1~02m，將所測(cè)得的靜壓集合在由截面50mmx60mm的方槽靜壓匯管中（見）。每個(gè)靜壓匯管收集的靜壓再接到位于流量計(jì)外殼上的靜壓集氣管，通過儀表閥門接到差壓變送器低壓端。

　　　　總、靜壓孔徑總壓孔徑為2~3mm；靜壓孔徑為1~2mm.一般來說，靜壓孔應(yīng)為機(jī)翼板厚的1/2.靜壓孔不容許有倒角，邊際光滑不得有毛刺、焊渣。而總壓孔前緣可容許有90>~120P內(nèi)倒角，甚至為加強(qiáng)導(dǎo)流作用，設(shè)備導(dǎo)流套管。

　　　　人孔為便于檢修、校驗(yàn)，在機(jī)翼流量計(jì)進(jìn)口前方約1處，應(yīng)安排一個(gè)0.6mx0.6m的人孔。

　　　　這兒要說明二個(gè)問題。其一是為什么要用方槽靜壓匯管。原則上講，只需在機(jī)翼中靜壓排孔設(shè)備一個(gè)隔板，將總、靜壓分別隔也是可行的。但這就要求加工機(jī)翼時(shí)全部焊縫應(yīng)必定密封，不得漏氣，否則測(cè)不到真實(shí)的靜壓。其次由于機(jī)翼的后內(nèi)腔容積很大，而靜壓孔又僅為1~2mm，要達(dá)到安穩(wěn)的靜壓值需求較長(zhǎng)的時(shí)間，流；1計(jì)時(shí)間常數(shù)太大。因此，從改善加工條件，改善測(cè)控系統(tǒng)功用啟航，選用容積較小，易于加工的靜壓匯管是有必要的。其二是假設(shè)機(jī)翼流量計(jì)處于進(jìn)風(fēng)管道進(jìn)口，在進(jìn)口處應(yīng)考慮設(shè)備有導(dǎo)流作用的喇叭口，喇叭口呈弧形，視點(diǎn)以45°~60為宜，在這種情況下，由于流量計(jì)距進(jìn)口較近，可疏忽壓損，大氣壓力可視為總壓，差壓變送器高壓腔直接與大氣相通，省掉了總壓匯管及集氣管，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。

　　　　排污工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的氣體難免會(huì)含有一些粉塵，機(jī)翼流量計(jì)由于測(cè)壓孔較多，一般不易阻塞。在運(yùn)用較長(zhǎng)時(shí)間后，集氣管或測(cè)壓匯管因空腔較小，可能集聚較多的粉塵。如在匯管或集氣管的另一端設(shè)備一個(gè)排污球閥（或堵頭）通向大氣，守時(shí)翻開閥門（或堵頭），（下轉(zhuǎn)第16）3傳感器標(biāo)定效果傳感器在規(guī)劃設(shè)備調(diào)試結(jié)束之后，在計(jì)量部門進(jìn)行了標(biāo)定，為了與口徑為（425mm的電磁渦輪流量傳感器進(jìn)行比較，本文給出了與之口徑一起，軸承和渦輪轉(zhuǎn)子材料相同的光纖速度式渦輪流量傳感器的標(biāo)定效果。標(biāo)定程序嚴(yán)峻依照流量標(biāo)定規(guī)程進(jìn)行，標(biāo)定介質(zhì)為水，共進(jìn)行了三個(gè)來回行程。標(biāo)定效果見，其間a為辦-TV聯(lián)絡(luò)曲線，b為辦-A：聯(lián)絡(luò)曲線。

　　　　由標(biāo)定效果可知：光纖速度式渦輪流量傳感器的可測(cè)量規(guī)劃為0.29-12.60m3/h，量程比為43：1，在標(biāo)守時(shí)，由于標(biāo)定設(shè)備壓力不可，流量只能做到12.60m3/h，不可能再上升，否則，流量測(cè)量上限還有可能前進(jìn)。而相同口徑的電磁渦輪流量傳感器可測(cè)量規(guī)劃為1.19~12.24m3/h，量程比只需10：1，由此可見，光纖速度式流量傳感器的測(cè)量死區(qū)大為減小。

　　　　經(jīng)對(duì)標(biāo)定效果進(jìn)行分析核算可知：傳感器在全量程規(guī)劃內(nèi)的線性過失為0.83%，該數(shù)值有些偏大，但其重復(fù)性過失僅為0.25%，因此，能夠很方便地運(yùn)用非線性修改的方法來減小線性過失。例如，選用三段線性插值方法，傳感器的線性過失就可減到0.30%.4結(jié)論光纖速度式渦輪流量傳感器具有測(cè)量重復(fù)性好，量程比大，抗電磁干擾能力強(qiáng)和安全可靠等一起的長(zhǎng)處，尤其是分別式光纖速度式渦輪流量傳感器，檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)不帶電，在低粘度燃油及可燃性氣體流量測(cè)量中是一種安全可靠的流量檢測(cè)儀器。
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