点速VAF流量计方法研究

刘德宇，毛新业

（1.天津市润泰自动化仪表有限公司，天津 300402；2.重庆工业自动化仪表研究所，重庆 400708）

点速VAF流量计方法研究

刘德宇1，毛新业2

（1.天津市润泰自动化仪表有限公司，天津 300402；2.重庆工业自动化仪表研究所，重庆 400708）

近二十多年来，我国不少流量企业根据标准ISO7145研发了很多点速插入式流量计，用于流量测量。该文认为，随着工业现代化的推进，现场管径的日益增大，VAF点速插入式流量计已经无法满足ISO7145标准所要求的直管段安装长度，造成管内流速分布十分复杂，流量测量的精度大幅降低。因此，这种测量已毫无意义，应该慎用。

插入式流量计；VAF流量计；直管段长度；流速分布；漩涡

流量仪表大多按原理分类，这样容易认识到仪表的本质。然而我国近二十年来的技术资料或专业书刊在仪表分类时，将测量管道一点或多点流速来确定流量的仪表，按安装方式归于插入式流量仪表，如均速管、插入式双文丘里管等。插入安装方式的仪表未必采用速度面积法计算流量[1]，如：靶式、插入式孔板、超声流量计等等，而采用速度面积法原理的流量仪表又未必一定采用插入安装方式。小口径均速管流量计采用了管道式法兰安装（非插入式安装），但却采用的是速度面积法原理。也就是说，插入式流量仪表与采用的测量原理没有必然的关系，最主要的是这样的分类难以了解仪表的本质，而且常被误认为其检测件本体就是流量计。其实，这类仪表（检测件及本体配件）仅仅只是一个流速计，必须插入管道才形成流量计。这样的分类忽视了管道中的流速分布及管道流通面积在测量中的重要性，造成了对用户的长期误导。所以，本文强调流量仪表应该用速度-面积法原理VAF（velocity area flowmeter）进行分类较为妥当，以便于读者清晰地了解这类仪表的本质。

1 速度-面积法的两大要素

流量的定义为单位时间t内通过某个流通截面A的流体容积或质量，前者称为容积流量qv，后者称为质量流量qm。

由式（1）可见，在实际测量应用中，流量表现为测量管道某一截面的流速V及该截面的面积A，二者的乘积就是容积流量qv。

质量流量qm与容积流量的关系为

式中：ρ为流体密度。

1.1 流速

当前采用VAF研发的仪表，例如涡街、涡轮、热式、测速管、双文丘里等，都只是一台流速计，而且必须进行流速标定，用所得流速系数来计算流量，而不能采用通常的流量标定。还要强调说明的是，在前安装直管段较短的情况下，管道中的流速分布十分复杂，且存在漩涡，仅测一点流速不可能准确测量流量。

1.2 面积

所有的VAF仪表都需插入管道才能成为流量计，计算流量时必须准确知道管道的截面积A，但这个因素往往被厂家与用户所忽视，在计算时未认真测量管道截面，仅根据管道外径及壁厚估算，因此会产生较大的流量测量误差。

综上所述，对于VAF流量计[2]，无论流速还是管道截面尺寸都存在较大误差，因此导致测量误差增大。

2 VAF流量计的典型类型及特点

2.1 皮托管

自1732年法国汉瑞·皮托发明以他名字命名的皮托管，至今已有近300年的历史。国际标准化组织在ISO3966标准中推荐了3种类型的标准皮托管。皮托管结构如图1所示，其性能特点如下：

结构简单皮托管基本组成为检测杆、连接法兰及安装底座、取压导管连接差压变送器或微压计。

稳定性好皮托管能够保持长期输出非常稳定的差压信号，在使用过程中磨损、磨蚀以及粘附的油污灰尘等，对皮托管的流量系数影响不大，所以皮托管的准确度是长期稳定的。

安装维修简单，有利于管道布局皮托管传感器为插入式结构，重量轻，安装拆卸方便，由于没有易磨损的运动件，维修工作是极少量的。

压力损失小，能源消耗小永久压力损失小也即动力损耗小，皮托管传感器的不可恢复压损仅占差压的2%～5%，比孔板小的多，随着管径增加，皮托管的永久压力损失可忽略不计。所以对于需要长期运行的管路，选用皮托管作为流量计是非常经济的。

图1 皮托管检测件结构Fig.1 Structure of test pieces for pitot tube

由于皮托管的以上诸多优势，很多国家（含中国）将它定为标准流速计，标定其他流速计的流速系数。但皮托管也有其劣势，由于其测压孔尺寸过小，易于堵塞。同时皮托管采用单点检测，在管道内流速复杂的条件下，测量精度差，所以，皮托管很少直接用于流程工业。

2.2 测管

测管是我国近二十年推出的一种防堵测速计，已经取得了专利，具有自主知识产权。由图2可知它就是早期的背靠背动压管，只不过将静压孔置于套管的底部，曾在我国冶金、钢铁行业中应用。考虑到阻力件对管道内流速分布的影响，研发者曾在试验室进行了同一平面双90°弯头的流速分布测试，取得了一些试验数据，但十分有限，因此，将测管用于千变万化的现场，使用效果有时不理想，不能满足现场测量的要求。

图2 测管头部结构Fig.2 Structure of the head for measurement tube

2.3 双文丘里管

双文丘里、皮托管同属于插入式差压类仪表，依靠仪表测量的差压来计算流量。流量与差压的关系为

式中：k为流量系数；d为节流件开孔直径；ρ为密度；ΔP为差压。

由式（3）可以看出，采用皮托管测流速求流量的方法，特别是当流体密度小、流速低的情况下，输出差压太小，很难准确测量。在被测流速V不变的情况下，要增大输出差压ΔP，其方法就是在流速计的内部设法增大局部流速，在流速最高的地方静压最低，这样可获得较大的输出差压，双文丘里管的结构如图3所示，其结构特点如下：

灵敏度高由于双文丘里测速管具有差压放大特点，所以在插入式测速管系列传感器中，双文丘里测速管的差压是最高的，最低风速可测到3 m/s；

体积小，压力损失小双文丘里测速管的压力损失一般只是其产生差压的1%左右；

重复性好，性能稳定每一台出厂的产品均要经过风洞标定，大量标定统计数据表明，双文丘里的重复性很好。

安装方便，便于维护和检修由于双文丘里测速管具有以上特点，因此广泛应用于冶金、电力、化工等行业。特别适合大管径、低风速情况下风量的测量。但双文丘里管的测量原理仍为一点流速测量以确定流量，难以反应整个管道截面的流速分布，特别对于直管段较短，阻力件多的不利条件下，测量准确度差。

图3 ASME推荐的2种皮托文丘里管结构Fig.3 Structure of two pitot venturi recommended by ASME

2.4 热式流速计

温度为T0的流体以速度V通过温度为T1的热敏电阻。如果T1＞T0，将带走热敏电阻上的热量，使其温度下降至T2，温差ΔT（即T1-T2）正比于质量流速ρV（ρ为流体的密度）。

热式流速计结构如图4所示，与上述差压式流速计的比较，其优点是可测极低的流速（2～3 m/s）以及不易堵塞；缺点是只能测干燥的、温度较低的气体，最重要的是它仍然受管道内流速分布复杂的影响，不可能准确测量流量。

图4 热式流速传感器Fig.4 Structure of hot type flow velocity sensor

2.5 在线插入式涡街、涡轮、电磁流量计

近四十年来，工业管径随工程日益增大，将各种流速型测量头，作为流速计插入管道组成流量计，以测量管道中某点的流速推算流量，是一种成本低、维护简便、甚至可在不断流情况下进行安装。图5所示为在线插入式流量计（涡街、涡轮、电磁等）。但要强调的是，它仍要求较长的前直管段，以保证必要的测量准确度。为此，ISO7145标准要求在不同阻力件下，上游必须具有所要求的最小直管段长度，约为30～50 D（D为管道内径），现场常常无法满足。而且对于垂直管道，这种悬臂安装方式，测量头很容易产生振动，特别是涡街VAF，难以正常测量。

图5 在线插入式流量计结构图Fig.5 Structure of online plug-in flow meter

3 管道内流速分布研究

几十年来，单点VAF流量计在大管径流量测量中发挥了一些作用，但随着工业的现代化推进，现场的条件已有了很大的变化，其应用弊端愈发突出。

被测量管径逐渐加大，有的已达到了5～6 m，按ISO7145标准要求，直管段长度与管径成正比，因此，管径越大，要求的直管段越长；工业用地日益短缺，安装直管段长度难以保证，常常不足2～3 D（D为管道内径），造成管内流速分布十分复杂，且还有漩涡；现代化的生产线对测量的要求十分苛刻，常常要求测量精度0.5%～1%，在直管段严重不足的条件下是难以是实现的。以上3点说明，单点VAF流量计在极为复杂的流速分布中，试图仅测一点流速准确确定流量，显然是不可能的。

3.1 实例分析

图6所示为华北某电厂二次风的管道布局图，管道为矩形，尺寸为1.1 m×0.9 m，风门为百叶窗式，单向打开。如图7所示，在距上弯头3.475 m处均匀安装了3支均速管[3]，每支均速管迎流向有10个总压孔，背流向有10个静压孔，一一对应，在测量截面具有30个流速测点。当风门开度由0°～30°时，风量尚符合规律，而风门从30°～60°时，风门开度增大流量反而下降，风门开度继续增大，从60°～90°时，风量又开始符合规律。这种风门开度（介质流通面积）与风量不成比例的现像不符合速度—面积法。

图6 某电厂二次风布局Fig.6 Secondary air distribution of a certain power plant

图7 风门及三支均速管位置Fig.7 Air door and three averaging pitot-tubes position

由图8仿真试验结果可见，在风门的不同开度下，测量截面的流速分布有很大的变化，尽管安放了30个流速点，还是保证不了测量的准确性，最关键的一点就是，管道内介质流动存在“漩涡”。当风门开度由 0°～30°时，风门后虽有漩涡，但力度不大，在未到达测量截面之前，已逐渐消失了；而当风门开度从30°～60°时，漩涡正好到达均速管测量截面，这时均速管的静压孔成了总压孔，而总压孔成了静压孔，流量越大输出越小。所以，要想准确测量流量，仅在测量截面上增加测点还是不行的，首先是绝不能存在漩涡。

图8 风门不同开度在均速管测量截面的流速分布Fig.8 Flow velocity distribution of the test point in averaging pitot-tube with several different air door angles

3.2 改善测量条件

近二十年来，国外的一些仪表公司，已不再指望在恶劣的条件下，用单一的仪表来解决准确测量大管径气体流量，提出了大管径流量测量系统，这个系统就包含了改善流场的整流器、改善堵塞的吹除器等附件。近十年来，国内也开始研发各种管道流动整流器[4]，三菱式、管束式、赞克式整流器相继消化研发成功，在天然气、液化石油气等领域使用，收到了良好的效果。

4 结语

随着工业现代化的推进，工艺管道直径日益增大，直管段长度却逐渐减小，ISO7145标准要求的安装直管段长度常常不能满足，标准已失去了现场应用的可能性，火电厂风量测量尤为突出。而供货商在推荐这类仪表时，往往有意回避现场因达不到所需安装条件而带来很大的误差问题，只强调它在风洞中标定的流速精确度，并以其代替流量精确度以误导用户。实际上，这种按ISO7145标准，测单点的VAF在实际应用中不仅准确度很低，而且如存在漩涡甚至连测量规律都得不到。因此，ISO/TC30（封闭管道中流量测量技术委员会）于2003年撤销了ISO7145国际标准的执行，说明伴随工业的现代化、大型化，对点速VAF流量计测量精度的要求越来越高。

[1] 国际标准化组织.圆形横截面封闭管道中流体流量的测定—在横截面的一点上速度测量的方法[S].1982.

[2] 毛新业.探询插入式流量计的精确度[J].世界仪表与自动化，2002（10）：43-46.

[3] 毛新业.提高火电风量测量准确度、促进节能减排[J].软件，2010（4）：52-55.

[4] R.W.Miller Flow Measurement Engineering Handbook MoGraw.Hill Book CO.1983.

Study on Application Method of VAF Flowmeter

LIU De-yu1，MAO Xin-ye2
（1.Tianjin Runtai Automation Instrument Company，Tianjin 300402，China；2.Chongqing Industrial Automation Institute，Chongqing 400708，China）

In recent two decades，many companies developed several kinds of multipoint plug-in flow meter for flow measurement，based on ISO7145 standard.With modern industry development，the diameter of pipes increasingly grows，and long enough front and back straight pipes cannot be realized on site required by VAF multipoint plug-in flow meter in ISO7145，which causes flow in pipes getting much more complex and lower measurement accuracy.Thus，this kind of flow measurement is not applicable and shall be used with caution.

plug-in flow meter；velocity area flowmeter（VAF）；straight pipe length；flow velocity distribution；whirlpool

TH86

B

1001-9944（2017）08-0044-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.011

2017－05－19；

2017-06-19

刘德宇（1962—），男，学士，工程师，主要从事工业自动化流量仪表的研发和产品设计工作；毛新业（1934—），男，高级工程师，主要从事工业自动化流量仪表的试验研究工作。