角度自适应均速管流量计

马平昌，侯京锋，李 红

(北京强度环境研究所，北京 100076)

0 引言

研究流量测量技术与装备对于工业生产、能源传输、电力工程等方面均有着非常重要的意义[1]。目前根据流量计测量方式的不同可以分为热式[2-4]、差压式[5-6]、电磁式[7-8]、超声波式[9-10]、涡街式[11]等，在各种流量测量方式中，差压流量计应用广泛，其具有结构简单、性能稳定可靠、使用寿命长等优点[12]，但是差压流量计也存在发生装置体积大、安装要求高、测量范围较窄等缺点[13-14]。均速管流量计具有插入式结构、管道截面多点测量等特点，使得均速管流量计得到快速的发展与应用[15]，特别是在DN200口径以上的大直径管道中，均速管流量计的应用比例达到50%以上。

为了使均速管流量计具有更加稳定的流量系数、更大的输出压力、较小的阻力损失以及更佳的防堵性能，研究人员针对均速管流量计的截面形状、取压孔位置、取压孔数量、取压孔形状和大小进行了大量的数值或者实验研究[16-19]。随着研究人员对均速管流量计测量方式的不断深入研究，各大流量计厂家也相继生产出各类均速管流量计产品，如VERIS公司推出子弹头形均速管，美国DS公司推出T形均速管流量计等。虽然各类均速管流量计在理论或者实验室具有良好的流量计量特性，但是在实际工业测量中，管路内流动的流体具有一定的偏角，而且在实际安装过程中工作人员无法精确保证均速管流量计取压孔正对来流方向，所以均速管流量计的实际测量结果与理想状态存在一定的偏角误差。针对此问题，本文设计了一种基于差压测量方式的角度自适应均速管流量计，采用圆形截面，截面上设计三方向取压孔，并配合角度修正算法，从而实现管路内流体流动偏角或流量计安装偏角所带来的测量误差的自适应修正，以提高管路流量测量的准确性。

1 工作原理

角度自适应均速管流量计基于圆柱绕流原理。当流体在圆形截面上流动时，圆形截面上各点由于当地流速的不同，从而形成沿圆周方向的压力分布，如图1所示[19]。研究表明，当雷诺数小于105时，分离角固定为 78°，但是雷诺数增大到2×105时，边界层变为紊流性质，分离点变得不稳定[20]。

图1 圆柱绕流压力分布图

流体绕圆柱流动时，圆柱表面上任意两点的静压差关系可以表达为

(1)

式中：ΔPS为静压,Pa；Ki为速度校正系数；ρ为流体密度,kg/m3；v为来流速度，m/s。

所以根据圆柱表面上任意两点的静压差可以得到流场的速度信息，为了进一步获取流场的偏角信息，则需要2组独立的压差数据。

2 流量计设计

2.1 结构设计

流量计的设计如图2所示，采用圆柱发生体，在柱体圆截面周向不同位置设计3个取压孔，沿柱体轴线方向设计若干取压孔，以达到管路流量的多点平均测量，从而提高测量精度。为了防止取压孔位于不稳定分离区，从而影响取压孔感受压力的稳定性，设计3个取压孔分别位于来流滞止点以及与滞止点呈±45°位置处，如图3所示，这样既可以保证取压孔感受到的压力与来流速度有固定的关系，又可以为传感器测量偏角误差留有一定的裕度，保证取压孔在一定偏角下不进入分离区。

图2 流量计结构示意图

图3 流量计截面示意图

2.2 偏角修正

当管路内流体流动方向与流量计标准取压方向存在一定的偏差时，差压测量原理中速度校正系数Ki就会产生一定的误差，从而影响测量结果。为了消除这种偏角误差，设计角度修正算法，根据测得的2组差压进行角度修正，以提高测量精度。

定义来流方向与流量计截面中心轴线A-A夹角为θ，即来流偏角误差，且当来流方向位于中心轴线顺时针方向时为正，如图4所示。

图4 来流偏角误差定义

均速管截面上感压孔0与感压孔2感受的静压差P0-2为

(2)

感压孔1与感压孔2感受的静压差P1-2为

(3)

将式(3)除以式(2)可得：

(4)

即：

(5)

管内流量可以表达为

(6)

通过实验标定，可得差压比值与偏角的关系(如图5所示)，速度校正系数K1、K2随来流偏角误差的变化如图6和图7所示。当偏角误差θ=0°时，感压孔0感受的压力最大，感压孔1与感压孔2由于结构对称，所以其感受到的压力一致，此时K2=0。当偏角误差向正向变化时，感压孔0与感压孔2感受到的压力均减小，但是此时感压孔0处于缓降区，而感压孔2处于压力陡降区，如图1所示，所以其差压值反而增大，相应的K1也增大；当θ向负向变化时，K1随θ减小而减小。由于感压孔1与感压孔2位置对称，所以感压孔1与感压孔2的压差值随偏角呈中心对称变化规律，即K2随偏角误差θ呈中心对称变化，当偏角向误差正向变化时，感压孔1压力增大，感压孔2压力减小，所以其差压值变大，K2增大；反之亦然。

图5 差压比值与偏角误差θ的关系

图6 速度校正系数K1与偏角误差θ的关系

图7 速度校正系数K2与偏角误差θ的关系

3 试验结果与分析

为了充分验证角度自适应均速管流量计的性能，搭建标准水管路系统进行标校检测，管路直径为DN100，流量计安装位置满足前端直线段为管路直径的20倍，后端直线段为管路直径的10倍，选择精度为0.2%的ROSEMOUNT流量计作为标准表进行标校。标校结果如表1所示。

表1 流量标校结果

该流量计测量水流量时，其满量程可至60 m3/h，结果表明角度自适应均速管流量计在各种不同的偏角误差下，流量测量最大误差≤3.5%FS，而在偏角误差θ≤±1°时，流量计的精度可以保持1%FS以内。通过对比可以发现流量计在不同流量情况下，均为来流偏角较大的情况下误差较大，特别是在小流量的情况下，角度偏差所带来的误差更加明显，这也进一步证明了角度偏差修正对于流量测量的重要性。

4 结束语

该角度自适应均速管流量计采用圆柱截面，设计3个取压孔，通过差压可以得到流量计的偏角信息，从而进行修正，该流量计偏角误差θ≤±1°时，其精度可以保持1%FS以内[21]，而在流量计存在较大的偏角误差时，即θmax≤±15°，其最大误差可以保持在3.5%FS以内，所以该设计有效地改善了管路内流体流动偏角或流量计安装偏角所带来的测量误差，从而提高了管路流量测量的准确性。