差壓式T型阿牛巴流量計的應用

1 問題的提出

利用差壓原理進行流量測量是當今世界上使用zui多，同時也是zui可靠的流量測量系統之一。以孔板、噴嘴和文丘里管為代表的差壓式流量計成功地應用于工業領域已愈百年，尤其是標準孔板的應用更有悠久的歷史，它占據了目前世界上大約50%~55%的工業流量測量市場。

孔板流量計具有簡單可靠、加工方便等優點，但也存在著如下局限性。
a）孔板入口邊緣易磨損，測量精度降低，性能不穩定，需定期進行更換；
b）對于臟污流、含濕氣體及蒸汽的介質較敏感，易積垢造成取壓孔堵塞，從而引起測量誤差；
c）量程比比較小，差壓信號中的信噪比低，不可恢復壓損大，安裝、調試不方便；
d）大口徑管道應用中，失去了價格優勢，維護成本高。

由于孔板流量計存在著上述問題，一種新型的差壓式均速管流量計—T型阿牛巴流量計在實際的應用中逐漸顯露出它的性。

2 阿牛巴流量計的發展

阿牛巴流量計是基于伯努利能量守恒原理和皮托管測量原理而發展起來的差壓式均速管流量計。它共經歷了圖1所示的3個發展階段。

zui初的阿牛巴流量計的檢測桿斷面是圓形的，發現圓形阿牛巴流量計的流量系數K值在雷諾數Re<1O⁵時基本不變，而在10⁶~10⁸之間時，K值增大且分散，分散度約為±10%。進一步研究表明，上述現象是由流體流過圓管時，分離點位置不固定造成的；當Re<1O⁵時，分離點與管道中心的分離角為78゜，當Re＞10⁵時，分離角為130゜；當Re在10⁵~10⁸之間時，分離角處于78゜~130゜之間不確定的位置上，如圖2所示。由于阿牛巴流量計計算公式中流量與K值成正比，因而K值±10%的分散性將造成流量測量±10%的誤差，而阿牛巴流量計K值分散性較大的這段雷諾數范圍對應的流體流速正是大多數氣體在管道中的正常流速值。

第二代寶石I型（菱形斷面）阿牛巴流量計突出的優點是流體分離點的位置固定在菱形兩側尖銳的拐點上，從而解決了圓形阿牛巴流量計K值不穩定的問題，測量精度大大地提高了。

當流體流經阿牛巴傳感器邊緣時會產生漩渦，這些漩渦導致了阿牛巴流量傳感器的震動，產生脈動的噪聲信號失真，從而影響測量的穩定性。第二代寶石Ⅱ型（改進型菱形斷面）阿牛巴流量計解決了這個問題。

無論是改進型菱形斷面的阿牛巴流量計還是在圓形阿牛巴流量計基礎上發展起來的橢圓形、扇形、型、機翼型等多種均速管流量計雖然比圓形阿牛巴流量計有了很大的進步，但還存在著如下問題。
a）K值還是不夠恒定，特別是在小流量測量時，大大影響了阿牛巴流量計在低流速，低流量時測量的精度。
b）產生的差壓信號比較小，一般只有1~3kPa。在測量流速比較低的工況時，甚至只有20~50Pa，對這樣低的差壓，測量精度和穩定性是沒有辦法保證的。限制了阿牛巴流量計的使用范圍，尤其是在氣體流量測量的應用中。
c）容易受到各種干擾，產生差壓信號的信噪比比較低，影響了測量的穩定性。
d）由于均速管流量計是流體速度取樣式流量計，按照流體力學研究的要求要對管道內一定位置的流體速度取樣，因此對安裝有著較高的要求，在X，Y，Z三軸方向上一般要求不偏差大于±3゜，在一般現場要達到如此的安裝精度是相當困難的。

3 T型阿牛巴流量計的特點

T型阿牛巴流量計和以往的均速管流量計相比，不僅保持了改進菱形阿牛巴流量計的各種優點，同時地解決了上述提到的存在的實際問題，它的改進是革命性的。

3.1 良好的本質抗堵性能

流體在管道各個截面上的速度分布是有差別的。一個的速度式流量計需要得到流體的平均速度，以往均速管流量計只開了幾個取壓孔，對流體的速度取樣率僅為6.5%左右。T型阿牛巴流量計正面高壓取壓槽口跨越整個管道，獲得比以往各種形狀勻速管流量計12倍以上的流體速度取樣面積，它對流體的速度取樣率高達85%，因而得到的平均速度測量精度。

T型阿牛巴流量計跨越整個管道的高壓取壓槽口的設計也使得它有了更好的抗堵性，一些雜質的吸附對測量精度不會造成在以往的均速管流量計上發生的災難性的測量誤差。T型阿牛巴在管道中流體的流線如圖3所示，從圖3中可以看到，流體在阿牛巴正面能形成一個大的高壓區，流體中的微粒偏轉繞過這個高壓區，并流離T型阿牛巴背后低壓取壓口的滯留區，使得雜質不會進入阿牛巴的內部，獲得了良好的抗堵性能。

3.2 精度高穩定性好

K值是差壓流量計zui重要的表征系數，對于測量流量范圍的穩定與否至關重要，并直接關系到流量計的測量精度。從圖4中可以清楚地看到T型阿牛巴流量計的K值在各個雷諾數范圍內能夠保持恒定，解決了以往所有各種均速管流量計K值在流量變化，特別是在小流量時不穩定的問題，使得測量精度保證在±0.75 %范圍內。從根本上保證了阿牛巴流量計在各種流體狀況中都能得到的測量。T型阿牛巴流量計的改進是非常顯著的，同時其重復性同樣非常出色，為±0.1%。

3.3 突出的信噪比和量程比

均速管流量計使用好壞的一個重要條件就是使得測量流體時產生的差壓要足夠大，以前的勻速管流量計抗*力差，在低流量時，輸出信號的信噪比太低，失真度大，同時以前的差壓變送器對微差壓測量的精度和穩定性不能令人滿意。在流體同樣的工藝條件下，T型阿牛巴流量計產生的差壓信號要比以往各種形狀均速管流量計大80%以上。這樣不但使得測量精度得到提高，而且能使其使用在其他低流速場合，這個特性使它具有了10:1到20:1的量程比。

從圖5可以看到，T型阿牛巴流量計輸出的差壓信號具有突出的信噪比，使得差壓變送器能夠獲得良好的差壓信號，從而得到流量的穩定測量。

3.4 一體化安裝實現溫壓補償

由于氣體流量的復雜性，氣體流量儀表在測量精度、可靠性等方面都明顯劣于液體流量儀表。氣體的流量測量受溫度、壓力變化而影響，這些因素對氣體流量儀表的度、重復性造成嚴重影響，因此，通過增加壓力、溫度補償來提高測量精度。

常規的流體壓力、溫度補償見式（1）

（1）

式中q_m— 流體的質量流量；
K— 流量系數；
Δp— 流量計產生的差壓；
p— 壓力；
T— 流體的溫度。

K基本上是隨著流量、壓力、溫度的變化而變化的，不是一個常數，溫度補償公式中如果僅采用正常流量時的流量系數，當流體工況變化時，其測量精度會大大降低，這也是導致差壓式流量計測量精度低的一個重要原因。

為了解決這個根本問題，目前展現出了一種多參數流量變送器。這種變送器內置了高精度的差壓變送器，絕壓變送器、溫度變送器、高速CPU和大容量數據存儲器。該存儲器存儲了各種流體在不同壓力、溫度下在溫度補償公式中所需要使用的物性參數，包括密度、黏度、氣體常數、壓縮系數、等容比熱等數據，根據流體實際變化的工作壓力、溫度進行實時、動態zui的補償計算，zui大程度地消除各個造成流量測量誤差的因素。

對于蒸汽流量測量會自動判斷蒸汽處于飽和、不飽和還是過熱的狀態，并自動進行補償計算。

多參數流量變送器和T型阿牛巴流量計的結合使用非常好地解決了氣體壓力、溫度對測量精度的干擾。溫度傳感器內置于T型阿牛巴流量計的腔體內，阿牛巴流量計就是它堅固的套管。這樣在工藝管道上僅僅需要開一個孔，就同時解決了差壓、壓力、溫度的測量，實現了一體化安裝。提高了整個差壓流量測量系統的測量精度，也大大節省了整個流量測量系統的投資成本，方便了施工。

3.5 安裝便利

T型阿牛巴流量計的正面高壓取壓槽口跨越整個管道，在提高流體平均的測量精度的同時，也大大降低了T型阿牛巴流量計的安裝要求。允許在X，Y，Z三軸方向上有±5゜的偏差，±5゜的偏差是人的眼睛能夠明顯判斷的，安裝人員能更容易地安裝和調試。

4 使用勻速管流量計需注意的問題

阿牛巴流量計的機械尺寸是根據要安裝的管道尺寸量身定制的，其流量測量范圍也是根據用戶提供的流量數據計算、標定的。因此提供的流量數據和管道數據一定要正確無誤，否則會造成大的測量誤差。

差壓式均速管流量計產生的差壓一般都比較小，zui小可能只有20~30Pa，均速管流量計產生差壓信號的大小和流體工況的雷諾數密切相關。對小于1kPa的差壓測量，特別是小于0.5kPa的差壓，需要特別關注。各種均速管流量計在這樣低的流速條件下K的波動非常大，影響測量精度。小于0.5kPa的微差壓測量，要求差壓變送器的性能是非常高的。

均速管流量計的性能是衡量整體儀表的一個重要參數，T型阿牛巴流量計雖然具有本質抗堵的特性，但下面的幾種情況需要關注。
a）流體中是否有黏沾性的雜質。如果流體中含有黏沾性的雜質，應用均速管流量計時需慎重考慮。黏沾性雜質黏在傳感器上，將大大影響測量精度，很多流量儀表都不適合這種工況的應用。
b）流體中雜質很多，并且裝置間歇操作，有經常停車而且時間長的情況。在斷流的時間里，雜質可能會干燥，并結垢在傳感器的表面，長年累月將堵塞取壓口。
c）引壓系統泄漏。沒有使用直接安裝形式，均速管流量計到變送器引壓管路系統的泄漏，會造成在阿牛巴流量計的引壓腔體內有流體流動。雖然此流量非常小，流速非常慢，但經過日積月累，雜質可能會進入其內部并結聚，從而造成堵塞。

5 結束語

隨著均速管流量測量技術的日趨成熟，其應用的前景是廣闊的。T型阿牛巴流量計不僅具有高穩定性和高測量精度，而且與高精度的差壓變送器一體化安裝，本質抗堵特性，寬量程比，運行能耗低等優點，這些都使得它有很高的應用價值。