一、均速管流量計(jì)的工作原理
均速管流量計(jì)的工作原理見圖1。
圖1中，面對(duì)流體流動(dòng)方向在全壓管上開了4個(gè)測(cè)孔，測(cè)孔按切比雪夫法或其它方法定位，4個(gè)測(cè)孔檢測(cè)的壓力由插入管均壓，插入管的壓力與背對(duì)流體流動(dòng)方向的靜壓管檢測(cè)壓力的差值，經(jīng)開方運(yùn)算后即反映測(cè)量截面處流體平均流速的大小，也就反映了流量的大小。
與孔板等標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置比較，均速管流量計(jì)具有以下特點(diǎn)：計(jì)算簡(jiǎn)便，易于按現(xiàn)場(chǎng)使用條件變更和修改參數(shù)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工，價(jià)格低廉；安裝方便、維護(hù)量??；性能穩(wěn)定，在長(zhǎng)期使用過程中，其測(cè)量精確度基本不變；阻力損失小，大體相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置阻力損失的5%。
以制造成本為例，對(duì)直徑100毫米的管道來說，孔板的價(jià)格稍高于均速管。隨著管徑的增加，孔板的制造成本直線上升，而均速管增加不多。當(dāng)管徑達(dá)到400毫米時(shí)，孔板的制造成本較100mm管徑時(shí)增加了3-4倍，而均速管僅增加0.5倍。管徑再大，價(jià)格相差就更多了。但是，由于對(duì)均速管流量計(jì)的研究深度遠(yuǎn)不及標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，所以對(duì)流體介質(zhì)較為清潔并需精確計(jì)量的場(chǎng)合，一般仍應(yīng)選標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。
二、均速管流量計(jì)結(jié)構(gòu)
各種均速管本體結(jié)構(gòu)大體相同，對(duì)選型來說其截面形狀和靜壓取壓點(diǎn)較為重要。
1、截面形狀
均速管截面形狀有圓形、菱形等，當(dāng)流體流過均速管時(shí)，流體微團(tuán)發(fā)生反向流動(dòng)的起始點(diǎn)稱為分離點(diǎn)。對(duì)圓形截面均速管來說，雷諾數(shù)和靜壓的變化都會(huì)使分離點(diǎn)位置移動(dòng)，從而使流量系數(shù)變化，如在雷諾數(shù)小于105及大于1.1×106時(shí)，流量系數(shù)基本穩(wěn)定，但在105~1.1×106之間時(shí)，流量系數(shù)變化達(dá)±10%。這種異常稱為臨界現(xiàn)象。對(duì)菱形截面的均速管來說，分離點(diǎn)位置始終固定，因而不存在臨界現(xiàn)象。
圓形和菱形截面形狀均速管的性能対比見表1。
當(dāng)設(shè)計(jì)選用圓形截面均速管后，應(yīng)按流量變化范圍計(jì)算雷諾數(shù)變化范圍，如計(jì)算結(jié)果不能避開105~1.1×106范圍，而測(cè)量精確度要求較高時(shí)，則應(yīng)考慮選用菱形截面均速管。
2、靜壓取壓點(diǎn)
均速管有工藝管壁取靜壓及測(cè)量管背面中心取靜壓兩種結(jié)構(gòu)。工藝管壁取靜壓的結(jié)構(gòu)可以減小均速管的尺寸，其特性曲線直線性好，但所得差壓值不足背面中心取靜壓所得差壓值的一半，所以對(duì)低速流體不宜采用這種結(jié)構(gòu)。
三、混濁流體的測(cè)量
均速管流量計(jì)的測(cè)量對(duì)象基本上與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置相同，主要用于干凈的氣體、液體及蒸汽，也可以用于有少量沉積物、粘附物的混濁流體。用于混濁流體時(shí)，應(yīng)考慮選用帶下述結(jié)構(gòu)的均速管流量計(jì)：
1、排污型均速管
均速管的一端裝有取壓閥，而另一端裝有排污閥，可在運(yùn)行過程中排污。
2、不停車拆裝型均速管
在均速管裝置上裝有球閥，可在運(yùn)行中抽出均速管，然后迅速關(guān)閉球閥。當(dāng)均速管清洗完畢后再打開球閥，重新裝入均速管。這種在線清洗機(jī)構(gòu)可以省去測(cè)量管線的旁路閥和旁路管線。
3、吹掃型均速管
采用圖3所示外接管線可以對(duì)均速管進(jìn)行間斷吹掃。圖中閥1為全壓取樣閥，閥2為靜壓取樣閥，閥3、4為吹掃閥門。正常測(cè)量時(shí)，打開閥1、2，關(guān)閉 閥3、4；吹掃時(shí)，關(guān)閉閥1、2，打開閥3、4，用介質(zhì)蒸氣或壓縮空氣可對(duì)均速管進(jìn)行吹洗。
圖2 吹掃型均速管流量計(jì)管路示意圖
四、流速范圍
一般認(rèn)為，均速管流量計(jì)所測(cè)流體的雷諾數(shù)應(yīng)大于104，即處于紊流狀態(tài)。這是因?yàn)榫俟艿墓ぷ髟韺偎俣仁搅髁坑?jì)，是以測(cè)量流體在管道內(nèi)平均流速為依據(jù)的，也就是說，它是以點(diǎn)代面地進(jìn)行流量測(cè)量，而當(dāng)流體處于層流狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)代表不了面，測(cè)量的精確度就很低了。 '
再從測(cè)量差壓值方面考慮，當(dāng)氣體流速低于10米/秒、液體流速低于0.4米/秒時(shí)，差壓值大致只有160-200Pa(背面中心取靜壓)或60-70Pa(管壁取靜壓)(見表3、表4)。差壓值這樣低，檢測(cè)比較困難，精確度比較低。所以大多數(shù)資料推薦被測(cè)氣體的流速應(yīng)大于10米/秒、被測(cè)液體的流速應(yīng)大于0.5米/秒。精確的流量測(cè)量則要求氣體流速大于15米/秒，液體流速大于1米/秒。對(duì)氣體來說，這個(gè)流速應(yīng)該是根據(jù)工作狀態(tài)下的體積流量計(jì)算出的實(shí)際流速。這一點(diǎn)對(duì)高溫高壓氣體來說特別重要，因?yàn)樵诟邷貭顟B(tài)下實(shí)際流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流速，而高壓狀態(tài)下實(shí)際流速又小于換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流速。
五、均速管流量計(jì)直管段要求
由于均速管設(shè)有多對(duì)全壓取壓孔，所以對(duì)均速管流量計(jì)安裝位置前后直管段的要求低于孔板，具體要求見表2。
值得注意的是，國(guó)內(nèi)幾乎所有均速管流量計(jì)使用說明書引用這張表時(shí)，在序號(hào)1安裝位置示意圖中都略去了均速管下游側(cè)的彎頭，因此，用戶無法理解“同一平面"“不同平 面”有什么不同，因?yàn)椴还苌嫌蝹?cè)彎頭朝什么方向彎，均與主管線在“同一平面"。而表2序號(hào)1、2安裝位置示意圖有上游側(cè)及下游側(cè)兩個(gè)彎頭，“同一平面”與“不同平面”是指兩個(gè)彎頭是否在同一平面上。
文獻(xiàn)中的這張表也有不合情理之處。序號(hào)1、2的“均速管流量計(jì)安裝位置”示意圖與本文的次序是顛倒的。筆者認(rèn)為序號(hào)1在均速管上游側(cè)只一個(gè)90°彎頭，而序號(hào)2有兩個(gè)90。彎頭，序號(hào)2要求上游側(cè)直管段更長(zhǎng)一點(diǎn)才合理。
某幾個(gè)廠的產(chǎn)品說明書在列出表2的同時(shí)又加了二張插圖(見圖3)，圖名為“均速管所要求的上下游直管段”，圖中表示了在均速管上游側(cè)有一個(gè)90°彎頭時(shí)，上下游直管段長(zhǎng)度各為2D。在均速管設(shè)計(jì)選用及現(xiàn)場(chǎng)安裝定點(diǎn)時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往以此圖作依據(jù)。這張插圖近自自文獻(xiàn)，原文圖名是“均速管流量計(jì)直接裝在彎頭后”，但文獻(xiàn)正文中下述一段說明則沒有被這些廠的使用說明書引用：“而尤其難得的是，均速管流量計(jì)可以直接安裝在彎頭后僅兩倍直徑的地方，仍有可能給出穩(wěn)定的示值。在這種情總下，如經(jīng)過單獨(dú)的標(biāo)定,可得到±2%的準(zhǔn)確度，如仍用原給定的流量系數(shù)，仍可得到±5%的準(zhǔn)確度?！闭_的做法應(yīng)采用本圖的圖名，并在正文中以顯要位置對(duì)此圖作必要的說明。
圖3 不精確測(cè)量時(shí)所允許的均速管最小直管段長(zhǎng)度示意圖
昌暉儀表還建議；在只有圖示4D直管段長(zhǎng)度的場(chǎng)所，按上游側(cè)2.5D、下游側(cè)1.5D位置安裝均速管效果可能更好。
六、均速管流量計(jì)差壓值估算
用均速管進(jìn)行流量測(cè)量，的缺點(diǎn)是差壓值很小，別是對(duì)低流速的氣體更是如此。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過精確計(jì)算或估算，求出差壓值，依此確定微差壓變送器的量程。如果無根據(jù)地選定微差壓變送器的量程，往往導(dǎo)致流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)時(shí)量程不符、需重新選型的錯(cuò)誤。而均速管的差壓值估算，比孔板計(jì)算要簡(jiǎn)單得多。為使設(shè)計(jì)選型正確，差壓值估算應(yīng)該是均速管流量計(jì)設(shè)計(jì)選用過程中的一步。
均速管流量計(jì)差壓值可按速算式近似估算：
，公式中△P為差壓值(Pa)；Qa為刻度流量(m3/h)；K為流量系統(tǒng)；D為管道直徑(mm)；ρf為流體密度(kg/m3)。對(duì)背面中心取靜壓的方式來說，計(jì)算時(shí)可先按K=0.6來估算差壓；對(duì)管壁取靜壓的方式來說，計(jì)算時(shí)可先按K=1.0來估算差壓。為了方便估算，列出了圖4及表2、表3。由圖4可方便地估算出流體流速，再按流體種類(氣體、液體)，分別査表2、表3，即可由流體流速査出差壓值。
表2 氣體流速與均速管差壓值對(duì)照表
表3 液體流速與均速管差壓值對(duì)照表
表2是以空氣(20℃時(shí)密度1.205千克/立方米)為例計(jì)算的，表3是以水(20℃時(shí)密度998.2千克/立方米)為例計(jì)算的，與空氣密度相近的氣體、與水密度相近的液體，均可參照表2、表3確定差壓值。
如果設(shè)計(jì)者手頭上已經(jīng)有某廠產(chǎn)品的使用說明書，而說明書中已經(jīng)提供了流量系數(shù)K的參考值，則可用前述式直接計(jì)算差壓值，或者按下列算式求出修正后的差壓值△P修：
①對(duì)背面中心取靜壓的方式來說：△P修=△P(0.6/K)2
②對(duì)管壁取靜壓的方式來說：△P修=△P(1.0/K)2
大多數(shù)均速管流量計(jì)出廠時(shí)要附標(biāo)定證書，證書上列出單獨(dú)標(biāo)定的流量系數(shù)K值，根據(jù)標(biāo)定證書上所列K值進(jìn)行計(jì)算所得差壓值是可靠的，根據(jù)這個(gè)差壓值確定微差壓變送器的量程不會(huì)錯(cuò)。但在設(shè)計(jì)選用時(shí)最多只能知道可供參考的K值，所以估算的結(jié)果可能會(huì)有±30~40%的出入。因此，所選擇的微差壓變送器應(yīng)該給△P值留有向上調(diào)及向下調(diào)的余地。切記：均速管流量計(jì)一定要以盡可能準(zhǔn)確的K值進(jìn)行較為精確的差壓值計(jì)算，以求微差壓變送器選型盡量正確。
