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| 取樣流量傳感器的應用與發展 |
| 取樣流量傳感器的應用與發展 | | 發布時間：2020/4/23 8:24:36 |
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采用取樣法測量流量已有幾百年的歷史，其原理猶如對大面積農田收割前的估產，僅取其中一小塊進行收割、稱重，然后推算擴大至整個大面積農田的產量。流量測量則是測管道中一點（或幾點）流速，再乘以整個截面。顯然，取樣法測流量的準確度取決于以下三個因素：
管道的流速分布是否均勻，或符合一定的規律；
流速測量是否準確；
管道截面測量是否準確。
流速分布
直勻流
按流量的定義：單位時間S通過管道（或通道）的流體容積m3（或質量kg）。如下式：
流量q v = AV = m 2 .×[m／s]= m 3 /s。 （1）
式(1)中的A為管道的橫截面積(m 2 )，V為通過此截面的流速(m／s)。如果管道中的流速分布為流體力學中的直勻流，即管道截面中的流速V為常數，流量測量就十分簡單了。問題在于在工業管道中欲取得直勻流無異于緣木求魚，完全沒有可能。
充分發展紊流* 2
流程工業從其本身的工藝要求出發，在管道中須安裝形形色色的管配件（如閥門、彎頭、歧管、變徑管、過濾器等）。由于它們的形式及組合方式極多，所引起的管內流速分布也千變萬化，難以估計。
好在實際流體均有黏性，在流動過程中將因粘性會帶動（或制約）相鄰層面的流體，經過約30D（D為管內徑）直管段長度后，其流速分布將不再變化,工業中稱為充分發展紊流，可用數學公式進行描述。必須強調：只有在充分發展紊流中取樣流量傳感器才可能取得一定的準確度，并已有相關一些標準（ISO3354、ISO7145、ISO3966----）予以確認。
現場能提供充分發展紊流嗎?
隨著現代工業規模的擴大管徑日益增大，以及工業用地的日趨緊缺，現代流程工業不可能考慮流量傳感器準確度的需要，提供30D的直管段長度，所以當前工業現場不可能具有充分發展紊流，流速分布千變萬化，而且還可能存在漩渦。
采用測一點流速（如雙文丘里；熱式；插入式渦街、渦輪；測管-----），及直線上多點流速(如各種類型的均速管)來推算流量，將會得到極大的誤差，并出現了流量增大輸出差壓反而減小的現象，完全無法有效測量流量。這說明了流速分布對流量測量準確度的重要性。
面對千變萬化的工業流場，如要準確測量流量，從理論上講，可盡量按（2）式增加流速的測點以充分反映管道中的流速分布，顯然難以實現。工程中是將管道（含通道，如江、河）中某一截面劃分為有限的單元面積Ai，并假設流經其中的流速Vi近似相等（3式）。這種方法也稱為速度—面積法(Velocity—Area Method)。
q v= ∫ f
0 V i dA（2）
q v= ∑ n
i =1 ViAi （3）
流速測量
從以上三個公式可見，式中的vi即流速，廠家所生產的“插入式“流量傳感器實質上只是一個流速傳感器，它必須插入到管道中，才能成為流量傳感器。以測管道中單點流速推算流量的這類傳感器，如：雙文丘里；皮托管；插入式渦街、插入式渦輪、測管---等應在風洞中標定，確定其流速系數。因為只有風洞才可能產生一個截面上流速完全相等的直勻流，可在同一截面上安置一個流速基準，以比對方式確定上述插入式流量傳感器的流速系數。
而對于測管道直徑上多點總、靜壓以推算流量的流量傳感器，如均速管則不同，它應在充分發展紊流中標定以確定其流量系數。因為多點的總、靜壓在均速管內平均后輸出的只有一對總、靜壓，管內的平均過程比較復雜，由此推算的流速并不等于管道中的平均流速。不少國外名牌均速管廠家，均照此辦理，不過管徑僅0.3~0.4米，遠遠小于使用管徑。說明即使這些名牌廠家用于1~2米的均速管，其流量系數也是推算的，不可能準確。
管道截面
上述公式說明，取樣流量傳感器測流量都必須考慮流通面積的大小，而生產廠家往往只精心制作流量傳感器本身，忽略了它的重要伙伴—管道的存在。從此類傳感器的誤差分析來看，截面的誤差對流量準確度的影響將四倍于流量傳感器輸出差壓的誤差，說明準確測量流通截面的重要性。此外，還有以下幾個概念需說明：
公稱內徑
這類傳感器因采用插入安裝形式，難以準確測量管道內徑，用戶計算時多按公稱外徑減兩倍管壁為內徑。但由于壓力等級不同，實際所用管道內徑并非是公稱內徑；其次，管道在長期使用后，由于腐蝕、污染、積垢---等原因，也會有較大變化。
矩形管道
在其四個邊角實際流動十分小，或趨于零* 4 。
阻塞比
在計算面積時往往忽視了流量傳感器的存在，它的存在不僅減小了流通面積，而且增大流經此截面的流速。這種影響稱為阻塞效應。其阻塞比S定義為：
阻塞比S=（πd 2 /4. +hB）/πD 2 /4. （4）
4式中：d：測量頭外徑； h：插入桿伸入深度； B：插入桿橫截面寬度； D：管道內徑
研究表明：當S<0.02時，阻塞很小可忽略不計，β≈1；
當0.02<s
當S>0.06時，β值需實流標定
類型
測點流速
凡可測流速的傳感器插入管道均可成為流量傳感器。較為通用的有以下幾種：
雙文丘里管
早于40年前，美國Taylar公司已有產品推向市場，稱皮托一文丘利管（Pitot Venturi Tube）。近年，國內廠商按此原理推出產品，稱為雙文丘利管，區別僅是前者高壓取自支持桿，而后者取自管壁，在同樣流量下，后者輸出差壓將略小于前者。
測位于直徑上多點流速以均速管為例說明：
以皮托管測速原理為基礎，當直管道足夠長時管內流速分布為充分發展紊流，等速線為同心圓，才有可能僅測直徑上幾點流速即可反映整個截面的流速分布。一般在檢測桿迎流向有數對總壓檢測孔，所測總壓平均后也傳至變送器，二個壓力差的平方根與流量成正比。近四十年有不少改進，但多限于檢測桿的形狀、現簡述如下：
圓形
上世紀60年代末期推出，使用后發現Re在105~106之間，流量系數K分散度約為±10%，原因是在Re<105時流體在圓柱體分離角為780，而Re>106時，后移至1300，即所謂“阻力危機”現象，引起了K系數不穩定而影響了流量準確度，已于30多年前被淘汰。
菱型-Ⅱ型
1978年由DSI公司推出，檢測桿橫截面為菱形，流體分離點固定在菱形拐角處，解決了“阻力危機”帶來的流量系數不穩定的問題，但是背壓通過一個內徑約3毫米的細管引至變送器，使用中發現背壓孔易于堵塞的缺點。
機翼、橢圓型
設計這二種截面形狀的目的都是為了減少迎風阻力，其實無論那種均速管永久壓損都僅只有幾十帕，可以忽略不計，不必小題大做。但可用于測量流速高、密度大的過熱蒸汽。
菱形-Ⅱ組合式
1984年由美國DSI公司推出，它由一個菱形型材，二個三角形型材組合而成，這種結構因型材公差較大，當溫度變化時，過盈易泄漏；太緊初始應力過大削弱了強度，現也逐漸淘汰。
菱形-Ⅱ一體式
上世紀90年代初相繼由德國IA公司及Systec公司推出分別稱為Itabar及Deltabar。結構特點是用中隔板將高低壓分隔為二個空腔，我國已可生產推出市場，價格較國外產品低廉不少。
彈頭型
1992年由美國Veris公司研制推出稱Verabar（威力巴）。主要特點檢測桿截面形狀為彈頭型，頭部作了粗糙處理（粗糙度x/ks~200），廠家宣傳這樣做可保證在檢測桿表面形成紊流附面層，從而推高了準確度，相對其他因素（直管長度、管內徑……）這些改進微不足道。而由于靜壓取自二側，輸出差壓較其他均速管小30~50%。
T型
2001年美國DSI公司推出，稱Annubar-485，檢測桿橫截面為T型，正對流向有二排密集約2毫米的小孔（即使用細縫代替，也僅是反映截面中直線上的流速）。廠家卻宣稱由于總壓取壓孔幾乎占整個直徑的85%，可獲取“更多的流速分布信息”，準確度可達到令人匪夷所思的±0.75%。結構復雜，成本高，測壓孔過小易于堵塞，銷售并不理想，說明在檢測桿上精雕細刻是沒有必要的。
風光一時、難以為繼
上世紀六十年代，隨著流程工業的現代化，管徑0.5~2米逐漸增多，采用取樣原理、插入安裝形式的流量傳感器，結構簡單，成本低，維修簡便，頗受用戶歡迎，卻也風光一時，占有較大的市場份額。但由于它過于簡單，現場情況又十分復雜，難以保證必要的準確度,上述的取樣流量傳感器已難以滿足要求。問題在于：
流場
目前工業管道日益增大，火電廠一次風風管可達5~6米，直管段長度僅1~2D,嚴重不足，管內流速多為非充分發展紊流，且有漩渦，上述取樣流量傳感器不可能取得必要的準確度。
標定
取樣流量傳感器，測量頭只是一個流速傳感器，應在風洞中標定流速系數，且阻塞比S應小于0.02。
研發
四十年來，均速管的研發著重于檢測桿的形狀，而對其準確度起決定性作用的是它的應用條件，廠家有意或無意忽視（或回避）了這個問題。
大管道氣體流量測量系統
當無法改變工程現場條件時，可以采取措施改善現場條件，以達到準確測量風量的目的
整流器
當管中流速分布十分復雜，可以通過增加流速測量點準確進行描述，但如存在漩渦，且其大小及位置隨流量大小不斷變化，不清除漩渦就無法正確測量流量。當前最有效的辦法就是采用整流器。
多點流速傳感器
AM多點流速傳感器
根據皮托管測速原理，通過測流體總靜壓之差推算流速，測點位置及數量按相關規范組成矩陣，充分反映管道中流速分布；流速傳感器如采用圓管截面，當管徑大于1米，空氣流速大于2m/s時，雷諾數已超過106，采用圓截面管道已不存在“阻力危機”問題，而且還易于制造降低成本。
總壓孔
總壓孔加工了一個凹形槽，當氣流偏斜±20％時，仍可準確測量差壓。
靜壓孔
根據菲克亥爾摩方法，圓管在迎向流向±30％處壓力分布，為理想靜壓孔的位置，因而流速系數等于1，可以避免圓管上壓力分布帶來的誤差，但在相同流速下，輸出差壓將比均速管小50％。
熱式多點流速傳感器
當前較多用于測單點流速的流量傳感器，優點是不易堵塞；靈敏度高可測0.05m/s以上的流速；不足是只能測干燥的氣體流量；溫度低于3000C，且探頭易于污染，導致靈敏度下降。原則上也可研發為多點流速傳感器，但不似差壓式將所測多點總、靜壓平均后輸出，因此，每一個熱點探頭都需在風洞中進行流速標定，工藝過程比較復雜，目前似尚未見有成熟的產品推出。
吹掃機
為解決粉塵的堵塞，采用吹掃裝置可取得較好的效果，確保流量傳感器長期可靠的工作。
流量傳感器算機
根據速度面積法在一個截面上測幾十點流速，才可能充分反映管道中的流速分布，以確保流量測量的準確度，以下因素應當考慮：每一個測點不僅因流速不同差壓值會有差異；且溫度、壓力也因不等需進行補償；因測點位置不同加權系數也不相同，計算十分復雜。采用的流量傳感器算機就輕而易舉了。
現場校驗
單臺流量傳感器已很難準確測量大管道氣體流量，必需由以上各部分組成系統，但尚無合適的試驗室來校驗千變萬化的現場。校驗必需在現場就地解決。
小結
取樣流量傳感器是否取得較好的測量效果的核心是它的應用條件—流場，無論是研發、校驗和應用都必須面對，無法回避。
風洞是研究航空、航天的高科技試驗設備，只能提供直勻流，可以校驗流速傳感器，給出流速系數，但不能校驗流量傳感器，因為流量傳感器應用的現場不可能提供直勻流，流場不同，校驗就失去意義。
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采用取樣法測量流量已有幾百年的歷史，其原理猶如對大面積農田收割前的估產，僅取其中一小塊進行收割、稱重，然后推算擴大至整個大面積農田的產量。流量測量則是測管道中一點（或幾點）流速，再乘以整個截面。顯然，取樣法測流量的準確度取決于以下三個因素：
管道的流速分布是否均勻，或符合一定的規律；
流速測量是否準確；
管道截面測量是否準確。
流速分布
直勻流
按流量的定義：單位時間S通過管道（或通道）的流體容積m3（或質量kg）。如下式：
流量q v = AV = m 2 .×[m／s]= m 3 /s。 （1）
式(1)中的A為管道的橫截面積(m 2 )，V為通過此截面的流速(m／s)。如果管道中的流速分布為流體力學中的直勻流，即管道截面中的流速V為常數，流量測量就十分簡單了。問題在于在工業管道中欲取得直勻流無異于緣木求魚，完全沒有可能。
充分發展紊流* 2
流程工業從其本身的工藝要求出發，在管道中須安裝形形色色的管配件（如閥門、彎頭、歧管、變徑管、過濾器等）。由于它們的形式及組合方式極多，所引起的管內流速分布也千變萬化，難以估計。
好在實際流體均有黏性，在流動過程中將因粘性會帶動（或制約）相鄰層面的流體，經過約30D（D為管內徑）直管段長度后，其流速分布將不再變化,工業中稱為充分發展紊流，可用數學公式進行描述。必須強調：只有在充分發展紊流中取樣流量傳感器才可能取得一定的準確度，并已有相關一些標準（ISO3354、ISO7145、ISO3966----）予以確認。
現場能提供充分發展紊流嗎?
隨著現代工業規模的擴大管徑日益增大，以及工業用地的日趨緊缺，現代流程工業不可能考慮流量傳感器準確度的需要，提供30D的直管段長度，所以當前工業現場不可能具有充分發展紊流，流速分布千變萬化，而且還可能存在漩渦。
采用測一點流速（如雙文丘里；熱式；插入式渦街、渦輪；測管-----），及直線上多點流速(如各種類型的均速管)來推算流量，將會得到極大的誤差，并出現了流量增大輸出差壓反而減小的現象，完全無法有效測量流量。這說明了流速分布對流量測量準確度的重要性。
面對千變萬化的工業流場，如要準確測量流量，從理論上講，可盡量按（2）式增加流速的測點以充分反映管道中的流速分布，顯然難以實現。工程中是將管道（含通道，如江、河）中某一截面劃分為有限的單元面積Ai，并假設流經其中的流速Vi近似相等（3式）。這種方法也稱為速度—面積法(Velocity—Area Method)。
q v= ∫ f
0 V i dA（2）
q v= ∑ n
i =1 ViAi （3）
流速測量
從以上三個公式可見，式中的vi即流速，廠家所生產的“插入式“流量傳感器實質上只是一個流速傳感器，它必須插入到管道中，才能成為流量傳感器。以測管道中單點流速推算流量的這類傳感器，如：雙文丘里；皮托管；插入式渦街、插入式渦輪、測管---等應在風洞中標定，確定其流速系數。因為只有風洞才可能產生一個截面上流速完全相等的直勻流，可在同一截面上安置一個流速基準，以比對方式確定上述插入式流量傳感器的流速系數。
而對于測管道直徑上多點總、靜壓以推算流量的流量傳感器，如均速管則不同，它應在充分發展紊流中標定以確定其流量系數。因為多點的總、靜壓在均速管內平均后輸出的只有一對總、靜壓，管內的平均過程比較復雜，由此推算的流速并不等于管道中的平均流速。不少國外名牌均速管廠家，均照此辦理，不過管徑僅0.3~0.4米，遠遠小于使用管徑。說明即使這些名牌廠家用于1~2米的均速管，其流量系數也是推算的，不可能準確。
管道截面
上述公式說明，取樣流量傳感器測流量都必須考慮流通面積的大小，而生產廠家往往只精心制作流量傳感器本身，忽略了它的重要伙伴—管道的存在。從此類傳感器的誤差分析來看，截面的誤差對流量準確度的影響將四倍于流量傳感器輸出差壓的誤差，說明準確測量流通截面的重要性。此外，還有以下幾個概念需說明：
公稱內徑
這類傳感器因采用插入安裝形式，難以準確測量管道內徑，用戶計算時多按公稱外徑減兩倍管壁為內徑。但由于壓力等級不同，實際所用管道內徑并非是公稱內徑；其次，管道在長期使用后，由于腐蝕、污染、積垢---等原因，也會有較大變化。
矩形管道
在其四個邊角實際流動十分小，或趨于零* 4 。
阻塞比
在計算面積時往往忽視了流量傳感器的存在，它的存在不僅減小了流通面積，而且增大流經此截面的流速。這種影響稱為阻塞效應。其阻塞比S定義為：
阻塞比S=（πd 2 /4. +hB）/πD 2 /4. （4）
4式中：d：測量頭外徑； h：插入桿伸入深度； B：插入桿橫截面寬度； D：管道內徑
研究表明：當S<0.02時，阻塞很小可忽略不計，β≈1；
當0.02<s
當S>0.06時，β值需實流標定
類型
測點流速
凡可測流速的傳感器插入管道均可成為流量傳感器。較為通用的有以下幾種：
雙文丘里管
早于40年前，美國Taylar公司已有產品推向市場，稱皮托一文丘利管（Pitot Venturi Tube）。近年，國內廠商按此原理推出產品，稱為雙文丘利管，區別僅是前者高壓取自支持桿，而后者取自管壁，在同樣流量下，后者輸出差壓將略小于前者。
測位于直徑上多點流速以均速管為例說明：
以皮托管測速原理為基礎，當直管道足夠長時管內流速分布為充分發展紊流，等速線為同心圓，才有可能僅測直徑上幾點流速即可反映整個截面的流速分布。一般在檢測桿迎流向有數對總壓檢測孔，所測總壓平均后也傳至變送器，二個壓力差的平方根與流量成正比。近四十年有不少改進，但多限于檢測桿的形狀、現簡述如下：
圓形
上世紀60年代末期推出，使用后發現Re在105~106之間，流量系數K分散度約為±10%，原因是在Re<105時流體在圓柱體分離角為780，而Re>106時，后移至1300，即所謂“阻力危機”現象，引起了K系數不穩定而影響了流量準確度，已于30多年前被淘汰。
菱型-Ⅱ型
1978年由DSI公司推出，檢測桿橫截面為菱形，流體分離點固定在菱形拐角處，解決了“阻力危機”帶來的流量系數不穩定的問題，但是背壓通過一個內徑約3毫米的細管引至變送器，使用中發現背壓孔易于堵塞的缺點。
機翼、橢圓型
設計這二種截面形狀的目的都是為了減少迎風阻力，其實無論那種均速管永久壓損都僅只有幾十帕，可以忽略不計，不必小題大做。但可用于測量流速高、密度大的過熱蒸汽。
菱形-Ⅱ組合式
1984年由美國DSI公司推出，它由一個菱形型材，二個三角形型材組合而成，這種結構因型材公差較大，當溫度變化時，過盈易泄漏；太緊初始應力過大削弱了強度，現也逐漸淘汰。
菱形-Ⅱ一體式
上世紀90年代初相繼由德國IA公司及Systec公司推出分別稱為Itabar及Deltabar。結構特點是用中隔板將高低壓分隔為二個空腔，我國已可生產推出市場，價格較國外產品低廉不少。
彈頭型
1992年由美國Veris公司研制推出稱Verabar（威力巴）。主要特點檢測桿截面形狀為彈頭型，頭部作了粗糙處理（粗糙度x/ks~200），廠家宣傳這樣做可保證在檢測桿表面形成紊流附面層，從而推高了準確度，相對其他因素（直管長度、管內徑……）這些改進微不足道。而由于靜壓取自二側，輸出差壓較其他均速管小30~50%。
T型
2001年美國DSI公司推出，稱Annubar-485，檢測桿橫截面為T型，正對流向有二排密集約2毫米的小孔（即使用細縫代替，也僅是反映截面中直線上的流速）。廠家卻宣稱由于總壓取壓孔幾乎占整個直徑的85%，可獲取“更多的流速分布信息”，準確度可達到令人匪夷所思的±0.75%。結構復雜，成本高，測壓孔過小易于堵塞，銷售并不理想，說明在檢測桿上精雕細刻是沒有必要的。
風光一時、難以為繼
上世紀六十年代，隨著流程工業的現代化，管徑0.5~2米逐漸增多，采用取樣原理、插入安裝形式的流量傳感器，結構簡單，成本低，維修簡便，頗受用戶歡迎，卻也風光一時，占有較大的市場份額。但由于它過于簡單，現場情況又十分復雜，難以保證必要的準確度,上述的取樣流量傳感器已難以滿足要求。問題在于：
流場
目前工業管道日益增大，火電廠一次風風管可達5~6米，直管段長度僅1~2D,嚴重不足，管內流速多為非充分發展紊流，且有漩渦，上述取樣流量傳感器不可能取得必要的準確度。
標定
取樣流量傳感器，測量頭只是一個流速傳感器，應在風洞中標定流速系數，且阻塞比S應小于0.02。
研發
四十年來，均速管的研發著重于檢測桿的形狀，而對其準確度起決定性作用的是它的應用條件，廠家有意或無意忽視（或回避）了這個問題。
大管道氣體流量測量系統
當無法改變工程現場條件時，可以采取措施改善現場條件，以達到準確測量風量的目的
整流器
當管中流速分布十分復雜，可以通過增加流速測量點準確進行描述，但如存在漩渦，且其大小及位置隨流量大小不斷變化，不清除漩渦就無法正確測量流量。當前最有效的辦法就是采用整流器。
多點流速傳感器
AM多點流速傳感器
根據皮托管測速原理，通過測流體總靜壓之差推算流速，測點位置及數量按相關規范組成矩陣，充分反映管道中流速分布；流速傳感器如采用圓管截面，當管徑大于1米，空氣流速大于2m/s時，雷諾數已超過106，采用圓截面管道已不存在“阻力危機”問題，而且還易于制造降低成本。
總壓孔
總壓孔加工了一個凹形槽，當氣流偏斜±20％時，仍可準確測量差壓。
靜壓孔
根據菲克亥爾摩方法，圓管在迎向流向±30％處壓力分布，為理想靜壓孔的位置，因而流速系數等于1，可以避免圓管上壓力分布帶來的誤差，但在相同流速下，輸出差壓將比均速管小50％。
熱式多點流速傳感器
當前較多用于測單點流速的流量傳感器，優點是不易堵塞；靈敏度高可測0.05m/s以上的流速；不足是只能測干燥的氣體流量；溫度低于3000C，且探頭易于污染，導致靈敏度下降。原則上也可研發為多點流速傳感器，但不似差壓式將所測多點總、靜壓平均后輸出，因此，每一個熱點探頭都需在風洞中進行流速標定，工藝過程比較復雜，目前似尚未見有成熟的產品推出。
吹掃機
為解決粉塵的堵塞，采用吹掃裝置可取得較好的效果，確保流量傳感器長期可靠的工作。
流量傳感器算機
根據速度面積法在一個截面上測幾十點流速，才可能充分反映管道中的流速分布，以確保流量測量的準確度，以下因素應當考慮：每一個測點不僅因流速不同差壓值會有差異；且溫度、壓力也因不等需進行補償；因測點位置不同加權系數也不相同，計算十分復雜。采用的流量傳感器算機就輕而易舉了。
現場校驗
單臺流量傳感器已很難準確測量大管道氣體流量，必需由以上各部分組成系統，但尚無合適的試驗室來校驗千變萬化的現場。校驗必需在現場就地解決。
小結
取樣流量傳感器是否取得較好的測量效果的核心是它的應用條件—流場，無論是研發、校驗和應用都必須面對，無法回避。
風洞是研究航空、航天的高科技試驗設備，只能提供直勻流，可以校驗流速傳感器，給出流速系數，但不能校驗流量傳感器，因為流量傳感器應用的現場不可能提供直勻流，流場不同，校驗就失去意義。
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