內藏式雙文丘里管流量測量裝置的研究

　　在工業化迅速發展的大時代，缺少不了壓力變送器、流量計、液位計、密度計、差壓變送器等儀表把現場第一數據實時傳輸到工控系統上，為整個工業自動化系統充當控制、檢測等一系列的眼睛，接下來華恒儀表為您解讀工業現場最前沿的壓力變送器使用情況。

　　目前，國內熱電廠的大容量鍋爐機組一次風、二次風管道的風量，煙道的煙量以及發電機組的回熱管道，回熱蒸汽流量及煉鐵廠熱風爐助燃風、冷風煤氣的計量，以及各大電廠燃氣鍋爐與煤氣廠商業貿易結算計量等，其一次元件多為機翼型或均速管測量裝置及標準文丘里管。由于均速管（阿牛巴）輸出的差壓信號較小，易堵塞，且分辨率低，一般需要與微差壓變送器配套，測量精度不高。近幾年國內的一些代理公司推出了美國生產的威力巴差壓流量計，在性能上比阿牛巴均速管提高了一大步。但由于受直管段、量程比的限制，在煤氣計量上仍存在許多問題，不能滿足用戶的要求。而機翼型測量裝置體積較大，壓損較大，制造工藝比較困難，且易堵塞信號管路，采用標準文丘里管，在大管徑時，其前后直管段要求很長，成本很高。近年來在矩形風道的流量測量中，人們通過對文丘里管的變異，設計出了矩形文丘里管，并進行了一定的試驗，但由于壓力損失較大等原因，亦限制了它的推廣和應用。

　　在煉鐵廠中，大容量的熱風爐入口冷風、凈煤氣及助燃風的管徑一般都超過1200mm，但管徑超過1200mm的節流裝置，目前國內、國外均未建立標準，一般節流裝置的生產廠家無法進行標定和校驗。由于流量變化范圍大，介質受壓力及溫度影響較大，在低壓，低流速狀態下工作，要求永久性壓力損失小，采用一般節流裝置很難實現。另外，流量測量裝置一般要求前直管段為10D，后直管段為5D，導致造價增高。為解決這些問題，國內一些企業引進國外的產品，如插入式質量流量計（熱差式），不僅造價昂貴，且由于工藝條件限制，介質中含水份多等種種原因仍存在計量不準或無法測量的問題。

　　針對以上存在的問題，西安航聯測控設備有限公司，采用航空氣動理論和飛機發動機內流流體力學等學科的最新研究成果，應用大型計算機技術和風洞實驗，研究和生產出BYW－F內藏式雙文丘里管智能流量計。

　　工作原理及風洞實驗結果

　　1.1 工作原理

　　根據伯努利方程和連續方程的基本原理和風洞實驗結果，內藏式雙文丘里管流量測量裝置的流量計算數學模型（帶壓力、溫度全自動補償）可歸納為下式：

　　式中 A、B、C――常數，由被測介質工作狀態的技術參數及風道截面的形狀和尺寸計算，并通過風洞實驗校正而得出，其中A為ΔP≠0時溫度變化函數；Q――被測流體的體積流量，Nm3/h；

　　t――文丘里管測量段流體溫度，℃；

　　P0――當地平均大氣壓，Pa；

　　PH――文丘里管所取差壓值，Pa。

　　經整理簡化后的含溫度、壓力全自動補償的計算式為：

　　K值為流量系數與普通孔板計算式相同。

　　1.2 實驗設備與實驗對象

　　實驗是在NF-3風洞內進行的，其實驗段截面尺寸為2.5×3.5米，長12米，實驗風速為V＝5~90米／秒，紊流度為0.08%，信號采集采用8400電子掃描閥完成，采集速度為5萬點／秒，測量精度為0.05%。該風洞為我國唯一的低速、大管徑重點實驗室，也是國防科工委的重點實驗室。

　　1.3 風洞實驗結果

　　空氣在風道中流動都是紊流狀態，由于計算是按照理想流體一元流體流動來推導文丘里管產生的差壓與流速之間的關系式，顯然存在誤差，另外在設計收縮比時，其中流量系數理論上解決十分困難，它是一個綜合性系數，其值與節流件的類型、取壓方式、直徑及雷諾數Re等因素有關，所以必須借助于風洞實驗對流量系數進行標定。我公司大量多次實驗的基礎上逐漸建立了計算流量系數K值的數學模型。

　　將流量測量裝置管道安裝在風洞實驗段的支架上，且雙文丘里管的軸線與管道軸線重合。

　?。?） 實驗方法

　　PE為管道E截面處的管壁靜壓；

　　PC和PC分別為管道C截面處的總壓和靜壓，它是由風速管移測得到各點的總靜壓。

　　PA*和PA分別為雙文丘里管直線段A截面處的總壓和靜壓，它是由總壓管移測獲得各點的總壓和管壁靜壓孔測得該截面的靜壓。

　　PB為雙文丘里管B截面的管壁靜壓；

　　PD*為管道出口端面軸線上的總壓，由總壓管測得，各壓力測量位置見圖1（2） 數據處理

　　管道C截面的風速Vc，m/s為

　?。?）

　　雙文丘里管A截面的風速VA，m/s為

　?。?）

　?。?）

　?。?）

　　式中 ――空氣運動粘度系數，m2/s；

　　通過管道體積流量Q為

　　Q＝VcSc　　　　　　　　?。?）

　　式中 SC――管道橫截面積，m2；

　　通過雙文丘里管A截面的質量流量，Kg/h為

　?。?）

　　式中 ρ――空氣密度，kg/m3；

　　通過管道截面C的質量流量kg/h為

　?。?）

　　流量裝置C、D截面間的流阻系數為

　?。?）

　　A、 B和E、B兩處的靜壓差分別為：

　　PAB＝PA－PB          　　　　　　　　　?。?）PEB＝PE－PB 　　　　　　　　　?。?0）

　　測量裝置的結構，組成及主要特點

　　2.1結構

　　如圖2、3所示，內藏式雙文丘里管風量測量裝置主要由外部誘導整流裝置和核心一次傳感元件組成。外部誘導整流裝置是核心一次傳感元件大差壓形成的必要條件，它決定了系統差壓的量級和差壓值。核心一次傳感元件是取得差壓的直接元件，外部誘導整流裝置是內藏式雙文丘里管流量測量裝置的關鍵。圖2、3所示是矩形管道也可是圓形管道。

　　2.2 RD-LG內藏式雙文丘里管測風流量裝置組成（1） 組成（見示意圖2、圖3）

　?。?）傳感器雙文丘里管結構（示意圖4）

　　氣流在雙文丘里管內的流動狀態至關重要，直接影響雙文丘里管的性能。試驗表明把喉部設計為平面結構有利于內部氣流的穩定。

　　雙文丘里管的負壓測點是從內文丘里管喉部引出，為提高信號的穩定性，在喉部同一截面上采用多點取壓方式，信號引出后由聯通管道連接送入壓差變送器，采用這種方式對信號的穩定性有明顯效果。

　　對雙文丘里管前直管段的研究發現，其對直管段的要求并不嚴格，連同直管段在內，整套裝置為1.5D即可。一般情況下文丘里管前面至少應有0.3D，有一個D最好。

　　為了使流體在通過內藏式雙文丘里管測風裝置時減少渦流和紊流，在裝置的入口處增設了三個流線型機翼支撐架，即可以起到固定支撐作用，又可起到整流作用，實驗表明，采用此種方法是十分重要的。

　　2.3 主要特點

　?。?）流阻小、功耗低，在相同條件下，其流體阻力僅約為標準文丘里管的15％，標準噴嘴的6％，標準孔板的3％，提高了系統的使用效率。

　?。?）系統可靠性高、壓差值大、穩定性好，在大的負荷范圍內具有平滑的壓差特性，幾乎不用維護保養。

　?。?）適用范圍寬，根據使用條件和用戶需求，其幾何尺寸可進行無級變化，可大可小，便于安裝。

　?。?）精度高，一般為1、1.5級，經過風洞標定后可達到0.5級，測量流體流速為3m/s~130m/s。

　?。?）制造公稱直徑可達DN6000mm,并具有耐磨損和抗腐蝕功能。

　?。?）對流量變化范圍特別大、量程比特別寬的工況，可采用雙量程或多量程的配置方式，根據配置不同采用智能流量計算機量程比可達1：10，1：30。

　　儀器儀表是工業化進程的基石，只有選用工業現場選用合適的儀表，才能夠事半功倍，自動化流程才能夠更加動化自。