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矩形大管道的風(fēng)量測量
文章來源：本站收集  上傳時間：2018-6-25  瀏覽量：2811
　　決矩形大管道風(fēng)量測量的幾種方法，比較了各自優(yōu)缺點，舉薦了運用場合。文中關(guān)鍵介紹了機翼流量計。

　　　　大型管道中的流量測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，如火電廠進風(fēng)管道、大型通風(fēng)系統(tǒng)，選用邊長達2~3m的矩形管道已層出不窮。這種管道中的流量測量有一些特別問題，不能照搬圓管中的測量方法和儀表，而中又稀有介紹。前二年，筆者為處理某工程的這個問題，進行了探求，規(guī)劃、制造了二臺機翼流量計，并一次調(diào)試、投運成功。

　　　　1流體在矩形管道中的活動特征早在1926年，Nikuradse就對流體在矩形管道中的活動進行了檢驗，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，它與軸向活動疊加后構(gòu)成二次流，也可稱為渦流。由于層流不存在法向活動，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又對矩形光滑管及粗糙管中的活動進行了檢驗。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)力強度，這是一種非等熵活動，紊流運動是構(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。他們證明了二次流有使壁面應(yīng)力均勻化的趨勢，并指出二次流將改動抵觸因子的大小，其起伏約為±10%.長期以來，人們對這種活動的研討偏重在對阻力的影響，很少涉及流量的測量，近年來才有所考慮，有關(guān)論說拜見。

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

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

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

　　　　2.1速度面積法這是一種經(jīng)典的測量方法，早已有國際標(biāo)準(zhǔn)能夠遵循（IS03966，IS07194）。這種方法的長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流量值要測20多點的流速，測量非常繁瑣，因此簡直不太可能運用于工業(yè)現(xiàn)場上，但卻可做為一種最基本、最實踐的校驗方法。

　　　　此處要說明的是，在國際標(biāo)準(zhǔn)中，這種方法舉薦的流速計是NPL型皮保管，它雖準(zhǔn)確但對流向比較靈敏，當(dāng)流向違反軸向逾越10時，就將引起1%以上的過失。在圓管中運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)流進口的特別皮保管，它在流向違反軸線±40.以內(nèi)時，仍可堅持1%的準(zhǔn)確度。

　　　　2.2刺進法2.2.1點速法點速法是通過測量管道中某一點的流速來核算流量的方法。這種方法簡略易行，但準(zhǔn)確度很低，在工業(yè)現(xiàn)場多用于監(jiān)測，很少用于計量。

　　　　原則上，選用這種方法一般流速計均可測流量。

　　　　現(xiàn)在所用的有刺進式渦輪流量計、插人式渦街流量計、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)簡略，作業(yè)可靠，可輸出比皮保管大幾倍的差壓信號，且耐高溫及可作業(yè)在較前二者更為惡劣的現(xiàn)場，在火電廠及冶金、鋼鐵行業(yè)曾風(fēng)靡一時。要注意的是，其速度-差壓特性重復(fù)性差，每支均需在風(fēng)洞中校驗后才好運用。

　　　　2.2.2線速法線速法是指一次測量沿一貫線上多點流速的概括值來判定流量，較點速法準(zhǔn)確，且設(shè)備條件也優(yōu)于點速法，國內(nèi)外常選用均速管。它的結(jié)構(gòu)簡略，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)量測量，其設(shè)備方位如所示。

　　　　均速管在矩形管道中運用時，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，特別是當(dāng)矩形截面的寬6與高h相差較大時，會有較大的過失。

　　　　2.3彎管流計（見這種方法已運用了幾十年，是一種較老到的測量方法，只是輸出差壓太小，測量精度也不高。在選用矩形管道時，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\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90彎管流量計則就大可不必了。

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

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

　　　　3.2核算公式一般流經(jīng)機翼流量計的氣流速度不會逾越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；七為流量計喉部最小通道面積，m2；山為流量計進口截面積，m2.在規(guī)劃機翼流量計時，往往是已知流量9及進口截面積木，由此來選定差壓Ap及阻塞比a二個參數(shù)。核算時要先給定其間一個參數(shù)來求另一個參數(shù)。筆者建議選定阻塞比a時以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?；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，上限則無束縛。

　　　　3.3結(jié)構(gòu)機翼流量計的結(jié)構(gòu)如所示。

　　　　機翼型面型面的曲線由三段組成：前緣為一個曲率半徑為25的圓?。ɑ蛑苯舆x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，三段滑潤相接，不容許有拐點。

　　　　總、靜壓孔方位在每個機翼前緣正對流向有一組總壓孔，各孔相距0.2~0.3m，將所測得的總壓集合在位于前緣的總壓匯管中，再將每個匯管中的總壓均值接至位于機翼流量計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。

　　　　在機翼最高點，也就是通道最窄處的機翼表面有一組靜壓孔（如考慮到流體的運動慣性，對流體而言，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，將所測得的靜壓集合在由截面50mmx60mm的方槽靜壓匯管中（見）。每個靜壓匯管收集的靜壓再接到位于流量計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，甚至為加強導(dǎo)流作用，設(shè)備導(dǎo)流套管。

　　　　人孔為便于檢修、校驗，在機翼流量計進口前方約1處，應(yīng)安排一個0.6mx0.6m的人孔。

　　　　這兒要說明二個問題。其一是為什么要用方槽靜壓匯管。原則上講，只需在機翼中靜壓排孔設(shè)備一個隔板，將總、靜壓分別隔也是可行的。但這就要求加工機翼時全部焊縫應(yīng)必定密封，不得漏氣，否則測不到真實的靜壓。其次由于機翼的后內(nèi)腔容積很大，而靜壓孔又僅為1~2mm，要達到安穩(wěn)的靜壓值需求較長的時間，流；1計時間常數(shù)太大。因此，從改善加工條件，改善測控系統(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)機翼流量計處于進風(fēng)管道進口，在進口處應(yīng)考慮設(shè)備有導(dǎo)流作用的喇叭口，喇叭口呈弧形，視點以45°~60為宜，在這種情況下，由于流量計距進口較近，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，簡化了結(jié)構(gòu)。

　　　　排污工業(yè)現(xiàn)場中的氣體難免會含有一些粉塵，機翼流量計由于測壓孔較多，一般不易阻塞。在運用較長時間后，集氣管或測壓匯管因空腔較小，可能集聚較多的粉塵。如在匯管或集氣管的另一端設(shè)備一個排污球閥（或堵頭）通向大氣，守時翻開閥門（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，在計量部門進行了標(biāo)定，為了與口徑為（425mm的電磁渦輪流量傳感器進行比較，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)程進行，標(biāo)定介質(zhì)為水，共進行了三個來回行程。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量規(guī)劃為0.29-12.60m3/h，量程比為43：1，在標(biāo)守時，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，流量測量上限還有可能前進。而相同口徑的電磁渦輪流量傳感器可測量規(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量死區(qū)大為減小。

　　　　經(jīng)對標(biāo)定效果進行分析核算可知：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量重復(fù)性好，量程比大，抗電磁干擾能力強和安全可靠等一起的長處，尤其是分別式光纖速度式渦輪流量傳感器，檢驗現(xiàn)場不帶電，在低粘度燃油及可燃性氣體流量測量中是一種安全可靠的流量檢測儀器。

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2018-05

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2018-08

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2018-09

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2018-09

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