馬平昌，侯京鋒，李 紅

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

0 引言

研究流量測(cè)量技術(shù)與裝備對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)、能源傳輸、電力工程等方面均有著非常重要的意義[1]。目前根據(jù)流量計(jì)測(cè)量方式的不同可以分為熱式[2-4]、差壓式[5-6]、電磁式[7-8]、超聲波式[9-10]、渦街式[11]等，在各種流量測(cè)量方式中，差壓流量計(jì)應(yīng)用廣泛，其具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[12]，但是差壓流量計(jì)也存在發(fā)生裝置體積大、安裝要求高、測(cè)量范圍較窄等缺點(diǎn)[13-14]。均速管流量計(jì)具有插入式結(jié)構(gòu)、管道截面多點(diǎn)測(cè)量等特點(diǎn)，使得均速管流量計(jì)得到快速的發(fā)展與應(yīng)用[15]，特別是在DN200口徑以上的大直徑管道中，均速管流量計(jì)的應(yīng)用比例達(dá)到50%以上。

為了使均速管流量計(jì)具有更加穩(wěn)定的流量系數(shù)、更大的輸出壓力、較小的阻力損失以及更佳的防堵性能，研究人員針對(duì)均速管流量計(jì)的截面形狀、取壓孔位置、取壓孔數(shù)量、取壓孔形狀和大小進(jìn)行了大量的數(shù)值或者實(shí)驗(yàn)研究[16-19]。隨著研究人員對(duì)均速管流量計(jì)測(cè)量方式的不斷深入研究，各大流量計(jì)廠家也相繼生產(chǎn)出各類均速管流量計(jì)產(chǎn)品，如VERIS公司推出子彈頭形均速管，美國DS公司推出T形均速管流量計(jì)等。雖然各類均速管流量計(jì)在理論或者實(shí)驗(yàn)室具有良好的流量計(jì)量特性，但是在實(shí)際工業(yè)測(cè)量中，管路內(nèi)流動(dòng)的流體具有一定的偏角，而且在實(shí)際安裝過程中工作人員無法精確保證均速管流量計(jì)取壓孔正對(duì)來流方向，所以均速管流量計(jì)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理想狀態(tài)存在一定的偏角誤差。針對(duì)此問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于差壓測(cè)量方式的角度自適應(yīng)均速管流量計(jì)，采用圓形截面，截面上設(shè)計(jì)三方向取壓孔，并配合角度修正算法，從而實(shí)現(xiàn)管路內(nèi)流體流動(dòng)偏角或流量計(jì)安裝偏角所帶來的測(cè)量誤差的自適應(yīng)修正，以提高管路流量測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1 工作原理

角度自適應(yīng)均速管流量計(jì)基于圓柱繞流原理。當(dāng)流體在圓形截面上流動(dòng)時(shí)，圓形截面上各點(diǎn)由于當(dāng)?shù)亓魉俚牟煌瑥亩纬裳貓A周方向的壓力分布，如圖1所示[19]。研究表明，當(dāng)雷諾數(shù)小于105時(shí)，分離角固定為 78°，但是雷諾數(shù)增大到2×105時(shí)，邊界層變?yōu)槲闪餍再|(zhì)，分離點(diǎn)變得不穩(wěn)定[20]。

圖1 圓柱繞流壓力分布圖

流體繞圓柱流動(dòng)時(shí)，圓柱表面上任意兩點(diǎn)的靜壓差關(guān)系可以表達(dá)為

(1)

式中：ΔPS為靜壓,Pa；Ki為速度校正系數(shù)；ρ為流體密度,kg/m3；v為來流速度，m/s。

所以根據(jù)圓柱表面上任意兩點(diǎn)的靜壓差可以得到流場(chǎng)的速度信息，為了進(jìn)一步獲取流場(chǎng)的偏角信息，則需要2組獨(dú)立的壓差數(shù)據(jù)。

2 流量計(jì)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

流量計(jì)的設(shè)計(jì)如圖2所示，采用圓柱發(fā)生體，在柱體圓截面周向不同位置設(shè)計(jì)3個(gè)取壓孔，沿柱體軸線方向設(shè)計(jì)若干取壓孔，以達(dá)到管路流量的多點(diǎn)平均測(cè)量，從而提高測(cè)量精度。為了防止取壓孔位于不穩(wěn)定分離區(qū)，從而影響取壓孔感受壓力的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)3個(gè)取壓孔分別位于來流滯止點(diǎn)以及與滯止點(diǎn)呈±45°位置處，如圖3所示，這樣既可以保證取壓孔感受到的壓力與來流速度有固定的關(guān)系，又可以為傳感器測(cè)量偏角誤差留有一定的裕度，保證取壓孔在一定偏角下不進(jìn)入分離區(qū)。

圖2 流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 流量計(jì)截面示意圖

2.2 偏角修正

當(dāng)管路內(nèi)流體流動(dòng)方向與流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取壓方向存在一定的偏差時(shí)，差壓測(cè)量原理中速度校正系數(shù)Ki就會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，從而影響測(cè)量結(jié)果。為了消除這種偏角誤差，設(shè)計(jì)角度修正算法，根據(jù)測(cè)得的2組差壓進(jìn)行角度修正，以提高測(cè)量精度。

定義來流方向與流量計(jì)截面中心軸線A-A夾角為θ，即來流偏角誤差，且當(dāng)來流方向位于中心軸線順時(shí)針方向時(shí)為正，如圖4所示。

圖4 來流偏角誤差定義

均速管截面上感壓孔0與感壓孔2感受的靜壓差P0-2為

(2)

感壓孔1與感壓孔2感受的靜壓差P1-2為

(3)

將式(3)除以式(2)可得：

(4)

即：

(5)

管內(nèi)流量可以表達(dá)為

(6)

通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，可得差壓比值與偏角的關(guān)系(如圖5所示)，速度校正系數(shù)K1、K2隨來流偏角誤差的變化如圖6和圖7所示。當(dāng)偏角誤差θ=0°時(shí)，感壓孔0感受的壓力最大，感壓孔1與感壓孔2由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以其感受到的壓力一致，此時(shí)K2=0。當(dāng)偏角誤差向正向變化時(shí)，感壓孔0與感壓孔2感受到的壓力均減小，但是此時(shí)感壓孔0處于緩降區(qū)，而感壓孔2處于壓力陡降區(qū)，如圖1所示，所以其差壓值反而增大，相應(yīng)的K1也增大；當(dāng)θ向負(fù)向變化時(shí)，K1隨θ減小而減小。由于感壓孔1與感壓孔2位置對(duì)稱，所以感壓孔1與感壓孔2的壓差值隨偏角呈中心對(duì)稱變化規(guī)律，即K2隨偏角誤差θ呈中心對(duì)稱變化，當(dāng)偏角向誤差正向變化時(shí)，感壓孔1壓力增大，感壓孔2壓力減小，所以其差壓值變大，K2增大；反之亦然。

圖5 差壓比值與偏角誤差θ的關(guān)系

圖6 速度校正系數(shù)K1與偏角誤差θ的關(guān)系

圖7 速度校正系數(shù)K2與偏角誤差θ的關(guān)系

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了充分驗(yàn)證角度自適應(yīng)均速管流量計(jì)的性能，搭建標(biāo)準(zhǔn)水管路系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校檢測(cè)，管路直徑為DN100，流量計(jì)安裝位置滿足前端直線段為管路直徑的20倍，后端直線段為管路直徑的10倍，選擇精度為0.2%的ROSEMOUNT流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行標(biāo)校。標(biāo)校結(jié)果如表1所示。

表1 流量標(biāo)校結(jié)果

該流量計(jì)測(cè)量水流量時(shí)，其滿量程可至60 m3/h，結(jié)果表明角度自適應(yīng)均速管流量計(jì)在各種不同的偏角誤差下，流量測(cè)量最大誤差≤3.5%FS，而在偏角誤差θ≤±1°時(shí)，流量計(jì)的精度可以保持1%FS以內(nèi)。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)流量計(jì)在不同流量情況下，均為來流偏角較大的情況下誤差較大，特別是在小流量的情況下，角度偏差所帶來的誤差更加明顯，這也進(jìn)一步證明了角度偏差修正對(duì)于流量測(cè)量的重要性。

4 結(jié)束語

該角度自適應(yīng)均速管流量計(jì)采用圓柱截面，設(shè)計(jì)3個(gè)取壓孔，通過差壓可以得到流量計(jì)的偏角信息，從而進(jìn)行修正，該流量計(jì)偏角誤差θ≤±1°時(shí)，其精度可以保持1%FS以內(nèi)[21]，而在流量計(jì)存在較大的偏角誤差時(shí)，即θmax≤±15°，其最大誤差可以保持在3.5%FS以內(nèi)，所以該設(shè)計(jì)有效地改善了管路內(nèi)流體流動(dòng)偏角或流量計(jì)安裝偏角所帶來的測(cè)量誤差，從而提高了管路流量測(cè)量的準(zhǔn)確性。