文章介紹適用于大口徑流量測(cè)量的差壓式阿牛巴流量計(jì)，闡述阿牛巴流量計(jì)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)和應(yīng)用情況，并和孔板流量計(jì)作運(yùn)行能耗的計(jì)算比較。
概述
利用差壓原理進(jìn)行流量測(cè)量是當(dāng)今世界上使用最多，同時(shí)也是可靠的流量測(cè)量系統(tǒng)之一。差壓流量計(jì)的代表產(chǎn)品孔板有著悠久的歷史，它占據(jù)了目前世界上大概50%-55%左右的工業(yè)流量測(cè)量市場(chǎng)，大家對(duì)其安裝、使用和檢修非常熟悉。
孔板流量計(jì)簡(jiǎn)單可靠、加工方便，但也存在著量程比小、精度低、不可恢復(fù)壓損大、安裝調(diào)試不方便、需要進(jìn)行磨損更換等缺點(diǎn)；而且在大于6英寸大口徑管道應(yīng)用上，孔板流量計(jì)更失去了它的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槎€(gè)大法蘭價(jià)格和安裝、維護(hù)成本是可觀的。
T型阿牛巴流量計(jì)就非常好地解決了孔板流量計(jì)在大口徑流量測(cè)量上的全部問題。阿牛巴流量計(jì)有著測(cè)量精度高、量程比大、不可恢復(fù)壓損小、調(diào)試方便、不需要進(jìn)行磨損更換維護(hù)、安裝成本非常低、可以在不停流的情況下帶壓安裝或檢修、并降低了對(duì)直管段的長(zhǎng)度要求等優(yōu)點(diǎn)。
第三代T型阿牛巴流量計(jì)
阿牛巴流量計(jì)是由美國(guó)Dieterich Standard Inc(縮寫DSI)在60年代末基于伯努利能量守恒原則和皮托管(Pitot)測(cè)速原理制造的的差壓式均速管流量計(jì)，Annubar®為其注冊(cè)商標(biāo)(中文譯為阿牛巴)。DSI公司是這種差壓式均速管流量檢測(cè)元件的發(fā)明者，現(xiàn)已成為艾默生公司的一個(gè)產(chǎn)品子公司。
阿牛巴流量計(jì)在70年代隨成套設(shè)備引入我國(guó)。由于制作簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，國(guó)內(nèi)、外已有多達(dá)數(shù)十家的仿制產(chǎn)品。在產(chǎn)品樣本上、在科技論文中常?？梢砸姷健鞍⑴０土髁坑?jì)”之類說法，實(shí)際上是一種錯(cuò)誤理解，因?yàn)榘⑴０?Annubar®)是DSI為其發(fā)明的均速流量計(jì)所注冊(cè)的商標(biāo)，而不是某類產(chǎn)品的名稱。
DSI公司的阿牛巴流量計(jì)從60年代末到現(xiàn)在總共經(jīng)歷了第一代圓型、第二代寶石I型、寶石II型和革命性的T型三代產(chǎn)品的發(fā)展(見圖1)。
圖1 DSI公司三代阿牛巴產(chǎn)品
最初的阿牛巴流量計(jì)的檢測(cè)桿斷面形狀是圓形的，但圓形阿牛巴流量系數(shù)K值在雷諾數(shù)Re為105-106之間時(shí)，分離角處于78-130°之間不確定的位置上(見圖2)，K值增大且分散，分散度約為±10％。根據(jù)阿牛巴流量計(jì)算公式中流量與K值成正比的關(guān)系，因此K值±10％的分散性將造成流量測(cè)量±10％的誤差。
圖2 圓形阿牛巴流量系數(shù)K值分離角位置圖
隨后，菱形斷面的寶石I型阿牛巴流量計(jì)解決了圓形阿牛巴流量系數(shù)K值不穩(wěn)定的問題；寶石II型的阿牛巴則進(jìn)一步減少了流體經(jīng)過阿牛巴傳感器邊緣時(shí)所產(chǎn)生的旋渦引起的信號(hào)失真；其他在圓型阿牛巴流量計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展來的橢圓型、扇型、子彈型、機(jī)翼型等多種均速管流量計(jì)(這些都屬于第二代的產(chǎn)品)，相比一代圓形阿牛巴，它們或多或少的都有進(jìn)步，但使用存在著以下問題：
◆流量系數(shù)K不夠恒定，大大影響了阿牛巴在低速度、低流量時(shí)測(cè)量的精度。
◆產(chǎn)生的差壓信號(hào)比較小：一般只有1~3kPa左右；在測(cè)量流速比較低的工況時(shí)，甚至只有20-50Pa。當(dāng)時(shí)的差壓變送器對(duì)這樣低的差壓的測(cè)量精度和穩(wěn)定性沒有辦法保證，局限了其使用范圍，特別是一些氣體流量測(cè)量的應(yīng)用。
◆容易受各種干擾影響，產(chǎn)生差壓的信噪比低,，影響了測(cè)量的穩(wěn)定性。
◆因?yàn)榫俟芰髁坑?jì)是流體速度取樣式流量計(jì)，需要按流體力學(xué)研究的要求對(duì)管道內(nèi)一定位置的流體速度取樣，所以安裝要求在X、Y、Z三軸方向一般要求不能偏差±3°：在一般現(xiàn)場(chǎng)要達(dá)到這個(gè)安裝精度是很困難的。
為了解決上面的這些問題，DSI公司繼續(xù)對(duì)阿牛巴流量計(jì)做了近二十年的大量的流體力學(xué)研究，終于在2001年推出了第三代T型阿牛巴流量計(jì)(圖3)。
圖3 T型阿牛巴流量計(jì)
和以往的各種以圓形、菱形為基礎(chǔ)的各式各樣的均速管流量計(jì)相比，第三代的T型阿牛巴流量計(jì)的不僅保持了寶石II型阿牛巴的各種優(yōu)點(diǎn)，而且比較完美地解決了上面提到的四個(gè)存在的問題。
這些改進(jìn)是革命性的：
1、T型阿牛巴解決了以往所有各種形狀阿牛巴流量計(jì)流量系數(shù)K在流量變化特別是在小流量時(shí)不穩(wěn)定的問題，它有著非常恒定的K系數(shù)，流量測(cè)量最高精度可以達(dá)到±0.75% ，重復(fù)性為±0.1%。
從下圖4各種均速管流量計(jì)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)圖中可以看到T型阿牛巴的流量系數(shù)K在各個(gè)雷諾數(shù)范圍(包括在流體小流量，低雷諾數(shù))中多能保持恒定在±0.75%以內(nèi),從根本上保證了它在各種流體狀況中能得到精確的測(cè)量。這個(gè)改進(jìn)非常明顯。
圖4 各種阿牛巴流量計(jì)流體雷諾數(shù)
2、T型阿牛巴正面高壓取壓槽口跨越整個(gè)管道直徑，獲得比以往各種形狀均速管流量計(jì)12倍以上的流體速度取樣面積，因而得到平均流量速度分布綜合的精確的測(cè)量結(jié)果 ，并具有出色的雜質(zhì)抗堵性能。
圖5 管道中流體的流線圖
從圖5中可以看到：流體在T型阿牛巴正面能形成一個(gè)大的高壓區(qū)，流體中的雜質(zhì)將繞過這個(gè)高壓區(qū)，并流離T型阿牛巴背后低壓取壓口的滯流區(qū)。雜質(zhì)一般不會(huì)進(jìn)入內(nèi)部。多年來在各行各業(yè)得到無數(shù)成功應(yīng)用的事例已經(jīng)證明T型阿牛巴的抗堵設(shè)計(jì)是非常出色的。
3、以往各種形狀阿牛巴流量計(jì)相比，取得專利的T型阿牛巴在流體同樣的工藝條件下產(chǎn)生的差壓信號(hào)大80％以上，并具有突出的信噪比。
以往的阿牛巴流量計(jì)抗干撓能力差，在低流量時(shí)，輸出信號(hào)的信噪比太低,失真度太大，而且配套使用的微差壓變送器對(duì)微差壓測(cè)量的精度和穩(wěn)定性無法保證，所以其使用好壞的一個(gè)重要條件，就是工藝條件要滿足它在測(cè)量流體時(shí)產(chǎn)生的差壓要足夠大。圖6顯示了各種均速管流量計(jì)的相對(duì)差壓信號(hào)強(qiáng)度。
圖6 相對(duì)差壓信號(hào)強(qiáng)度
第三代T型阿牛巴能產(chǎn)生比以往均速管流量計(jì)大80%以上的差壓，這種改進(jìn)不但使得它有著10:1到 20:1的量程比，測(cè)量精度得到提高，而且可以能使用在以往不能被使用的低流速場(chǎng)合。
從下圖7可以看出它的差壓輸出信號(hào)具有非常好的信噪比，使得差壓變送器能得到正確的差壓信號(hào)，從而得到流量的穩(wěn)定測(cè)量。
圖7 信噪比測(cè)試數(shù)據(jù)
4、取得專利的T型阿牛巴正面高壓取壓槽口跨越整個(gè)管道直徑，允許在X、Y、Z三軸方向有±5°的偏差，安裝人員能更容易地安裝、調(diào)試。
氣體流量的測(cè)量問題
由于氣體流量的復(fù)雜性，氣體流量?jī)x表在測(cè)量精度、可靠性等方面都明顯劣于液體流量?jī)x表，特別是對(duì)DN>200的大管徑的氣體(如煤氣、煙道氣、蒸汽)流量測(cè)量面臨的問題更多。這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
◆流量計(jì)的標(biāo)定基本是以水為介質(zhì)，因此缺乏國(guó)家授權(quán)、客觀公正的大管徑氣體流量標(biāo)定裝置，致使氣體流量?jī)x表的精確度不能得到公認(rèn)，測(cè)量誤差大。
◆氣體的流量測(cè)量受溫度、壓力的變化而變動(dòng)，這些不利因素對(duì)氣體流量?jī)x表的精確度、重復(fù)性造成嚴(yán)重影響，經(jīng)常無法達(dá)到用戶的需求。
◆工業(yè)流程的大口徑管道往往是總管，一旦停氣檢修，牽涉面廣，損失大，因此需要流量?jī)x表高可靠性，和穩(wěn)定性，同時(shí)具有免維護(hù)性。
◆大部分的差壓流量計(jì)，特別是孔板的不可恢復(fù)壓損大，長(zhǎng)年累月的運(yùn)行成本高。
第三代T型阿牛巴是如何面對(duì)上面的四個(gè)問題的？
問題1：流量計(jì)標(biāo)定的問題
流量計(jì)的標(biāo)定是為了檢驗(yàn)它在規(guī)定流量測(cè)量范圍中的精度和重復(fù)性。第三代T型阿牛巴在各個(gè)流量范圍中的高精度、高重復(fù)性的指標(biāo)在美國(guó)、歐洲多個(gè)權(quán)威流量研究中心得到認(rèn)可(包括美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院，簡(jiǎn)稱NIST)，并完全符合均速管流量計(jì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T5325-1991)；在中國(guó)獲得中國(guó)質(zhì)檢總局的計(jì)量器具的認(rèn)可批文。
流體的沖刷磨損對(duì)第三代T型阿牛巴的測(cè)量幾乎沒有影響。所以無需標(biāo)定，僅僅只需對(duì)其配套微差壓變送器做普通壓力測(cè)量精度的標(biāo)定。
昌暉儀表YR-ER101-CA系列微差壓變送器具有0.1%測(cè)量精度，同時(shí)五年免標(biāo)定。
問題2：氣體的壓力，溫度變化對(duì)測(cè)量的影響
氣體的壓力，溫度變化對(duì)流量測(cè)量的精度會(huì)造成很大的影響。以往是通過增加壓力，溫度補(bǔ)償來提高流量測(cè)量的精度。常規(guī)的流體溫度、壓力補(bǔ)償公式為：圖片，其中Qmass是流體的質(zhì)量流量，K是流量系數(shù)，DP是流量計(jì)產(chǎn)生的差壓，P是工作壓力，T是流體的溫度。但流量系數(shù)K不是一個(gè)常數(shù)，是隨著流量、壓力、溫度的變化而變化的。但是在實(shí)際使用中， 流量系數(shù)K則采用了流體正常流量時(shí)的固定值，所以流量計(jì)的測(cè)量精度就大大降低了，這是導(dǎo)致差壓式流量計(jì)測(cè)量精度低的一個(gè)重要原因。
昌暉儀表為了解決這個(gè)問題，在高精度差壓變送器基礎(chǔ)上發(fā)展了YR-ER105多參數(shù)流量變送器，配套各種各樣的差壓式流量傳感器使用。
YR-ER105多參數(shù)流量變送器內(nèi)置了±0.075％精度的差壓變送器、±0.075％精度的絕壓變送器、溫度變送器、高速CPU和大容量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，廢棄了常用的用恒定流量系數(shù)K的粗略流量計(jì)算公式，對(duì)流體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)最完全的補(bǔ)償計(jì)算。
圖8 YR-ER105多參數(shù)流量變送器使用的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)流量補(bǔ)償、計(jì)算公式說明圖
YR-ER105內(nèi)置的大容量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器儲(chǔ)存了各種流體在不同壓力、溫度下在計(jì)算公式中所需要使用的物性數(shù)據(jù)：包括密度、粘度、氣體常數(shù)、壓縮系數(shù)、等容比熱等等數(shù)據(jù)；根據(jù)流體實(shí)際變化的工作壓力，溫度，可以從數(shù)據(jù)庫中取出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)放入補(bǔ)償公式中計(jì)算。這個(gè)流量計(jì)算公式還對(duì)管道和孔板中心孔在不同溫度，壓力下的熱脹冷縮和膨脹等各種影響進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，最大程度地消除各個(gè)造成流量測(cè)量誤差的因數(shù)。在使用同樣的差壓流量一次檢測(cè)元件的情況下，使用YR-ER105可以使整個(gè)流量測(cè)量系統(tǒng)精度提高一倍以上。
對(duì)于蒸汽的流量測(cè)量，YR-ER105多參數(shù)流量變送器會(huì)判斷蒸汽處于飽和、不飽和還是過熱的狀態(tài)，并自動(dòng)切換到相應(yīng)的補(bǔ)償計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。
YR-ER105和T型阿牛巴的結(jié)合使用能非常好地解決氣體壓力、溫度變化對(duì)流量測(cè)量精度的干擾，而且T型阿牛巴中的溫度傳感器是包含阿牛巴的腔體之中，(T型阿牛巴就是堅(jiān)固的套管)，這樣在工藝管道上僅僅需要開一個(gè)口，就同時(shí)解決了差壓、壓力、溫度的測(cè)量，節(jié)省安裝成本，方便施工。
問題3：工業(yè)生產(chǎn)需要整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)有高可靠性和穩(wěn)定性、免維護(hù)、支持在線維護(hù)、更換的問題
第三代T型阿牛巴的特點(diǎn)完全滿足這些要求：
◆結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有任何易損部件，穩(wěn)定性、可靠性高，基本就是免維護(hù)的。
◆流體的沖刷磨損對(duì)T型阿牛巴的測(cè)量幾乎沒有影響，所以無需定期標(biāo)定，僅僅只要對(duì)它的配套變送器做普通壓力測(cè)量精度的標(biāo)定。
◆提供專門設(shè)計(jì)的配套系統(tǒng)支持不停車、T型阿牛巴在線的拆裝、更換的操作。
問題4：孔板差壓流量計(jì)不可恢復(fù)壓損大，長(zhǎng)年累月運(yùn)行成本大的問題
大部分用戶基本上沒有關(guān)注對(duì)流量?jī)x表的不可恢復(fù)壓損所帶來的能源消耗成本，我們下面通過一個(gè)實(shí)際的例子(如圖9)，來看一下這個(gè)能源消耗成本是否應(yīng)該重視。
圖10 實(shí)例工況表
按孔板使用條件，其量程比最大為1:3~1:4，因此其最低量程達(dá)不到1500m3/h，這方面T型阿牛巴遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于孔板。
下面就二種流量計(jì)因不可恢復(fù)壓力損失造成的能源損耗作一些比較。
圖10 孔板和T型阿牛巴能源損耗計(jì)算
從圖10上可以看到，每年節(jié)約的能源費(fèi)用為57619-1779＝55840(元)：僅僅一個(gè)測(cè)點(diǎn)，使用T型阿牛巴流量計(jì)每年至少節(jié)省大約5.5萬元，而且在低流量段提供了孔板不能滿足的流量測(cè)量精度。
上面這個(gè)例子是工廠生產(chǎn)中一個(gè)非常普通的事例。T型阿牛巴流量計(jì)就是這樣一個(gè)既省錢又有更好測(cè)量精度的流量計(jì)，符合用戶多種要求。
使用阿牛巴流量計(jì)需要注意的問題
1、提供的流量數(shù)據(jù)和管道數(shù)據(jù)一定要正確
◆阿牛巴流量計(jì)的機(jī)械尺寸是根據(jù)要安裝的管道尺寸(包括外徑和壁厚)量身定制的；
◆阿牛巴的流量測(cè)量范圍是根據(jù)用戶提供的流量數(shù)據(jù)計(jì)算和標(biāo)定的；
因此如果用戶憑經(jīng)驗(yàn)和印象提供流量數(shù)據(jù)和管道的尺寸，造成數(shù)據(jù)和實(shí)際情況有大的差異，從而引起大的測(cè)量誤差。
2、特別注意小流量時(shí)的差壓大小
對(duì)于小于1kPa 、特別是小于0.5kPa的的差壓測(cè)量，需要明了：
◆T型阿牛巴流量計(jì)在低流速時(shí)流量系數(shù) K值也是非常恒定的，測(cè)量精度非常高。
◆對(duì)于<0.5kPa的微差壓測(cè)量，是非?？简?yàn)差壓變送器的性能的：如果使用一個(gè)阿牛巴流量計(jì)而沒有得到好的測(cè)量精度的話，那變送器選擇不當(dāng)也很可能是一個(gè)重要的原因。YR-ER101-CA微差壓變送器在微差壓測(cè)量精度上有0.1%測(cè)量精度，它的最小量程可以做到0-100Pa，且提供5年免標(biāo)定的穩(wěn)定性承諾。
3、引壓管的使用
差壓式阿牛巴流量計(jì)產(chǎn)生的差壓一般都比較小，要盡量不使用引壓管道，以提高小差壓信號(hào)傳遞的信噪比。
T型阿牛巴流量計(jì)提供了阿牛巴，三閥組，差壓變送器一體化的直接安裝方案，在流體溫度不高于300℃的情況下，我們建議使用這種方式，可以徹底減除引壓管，排污閥，保溫措施，安裝支架等，降低了安裝成本，同時(shí)減少使用引壓管道而引起的泄露，差壓信號(hào)失真等問題，保證高測(cè)量精度。
圖11 復(fù)雜的引壓系統(tǒng)的安裝可能泄露點(diǎn)(箭頭示意可能的泄漏點(diǎn))
4、抗堵塞問題
對(duì)于T型阿牛巴使用中遇到的抗堵，需要考慮下面3個(gè)點(diǎn)：
◆流體中是否有粘沾性的雜質(zhì)：
如果有，那就需慎重考慮了-粘沾性的雜質(zhì)粘在傳感器上，將大大影響測(cè)量的精度。
◆流體中是否雜質(zhì)很多，而且裝置是間隙操作、經(jīng)常停車且時(shí)間長(zhǎng)：
如果是，在長(zhǎng)時(shí)間的斷流時(shí)間中,雜質(zhì)可能會(huì)干燥、結(jié)垢在傳感器的表面，長(zhǎng)年累月一點(diǎn)點(diǎn)地堵死取壓口。
◆引壓系統(tǒng)泄露：
如果沒有使用直接安裝方式,引壓管路系統(tǒng)引起的可能泄露點(diǎn)會(huì)造成在阿牛巴的引壓腔體內(nèi)部有流體流動(dòng)。這個(gè)流量即使是非常、非常小的, 流速是非常、非常慢的，但長(zhǎng)年累月下，雜質(zhì)還是可能會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)入阿牛巴內(nèi)部并結(jié)聚，從而造成堵塞。
結(jié)束
阿牛巴流量測(cè)量的理論研究和應(yīng)用技術(shù)日趨成熟，T型阿牛巴又具有高穩(wěn)定性和高測(cè)量精度、一體化的安裝方式、本質(zhì)性抗堵特性，寬測(cè)量量程范圍，非常低的運(yùn)行能耗等等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)有節(jié)能減排的大時(shí)代中，有著越來越寬廣的應(yīng)用價(jià)值。
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