CN104076166A - 一种测量流体流速的再改进型l型皮托管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量流体流速的再改进型L型皮托管，所述再改进型L型皮托管将现在L型皮托管测量全压的测量头的一段由半球形、或半椭圆球形、或圆锥台形统一改变成为一段小直管，一段小直管与皮托管的外套管中间，用一段小锥角的圆锥管或圆锥管加椭圆锥管连接过渡。由于大大缩小了测量头的面积，就能减小测量口前面形成的漩涡，使全压测得更准，可测更高流速；由于测量头小了，并采用了小锥角锥管过渡，管外流体比现在平稳，所以静压测得更准；由于皮托管的外径容易做得很小了，能减小对被测管道内流体状态的干扰，所以能测量更小的风管，扩大了测量范围。

Description

一种测量流体流速的再改进型L型皮托管

技术领域

本发明涉及一种流体流速测量仪器，具体是对L型标准皮托管的再次改进。

背景技术

现在测量流体流速的仪器有很多种，很多类，如：容积式、差压式、转子式、超声波式、电磁式、多普勒式等等。其中差压式流量计就有皮托管、孔板、文丘里、喷咀等很多种；皮托管一类之下又有L型皮托管、S型皮托管、笛形皮托管等。有资料说共有60多种流体流量计。

参见上海交通大学关于皮托管的介绍，具体网址为：http://www.ie.sjtu.edu.cn/jc/files/pitot/introduction.htm。

在所有各种各样流体流量计中，L型标准皮托管有着特殊的重要地位，因为只有它是直接根据世界公认的能量守恒定律在流体力学中体现的伯努利方程原理制作的，利用它就可以直接测出流体的全压、静压和动压，再结合流体的密度、温度和管道截面积，就可以准确计算出流体的流速和流量来。而其他的差压式流量计，如S型皮托管、孔板、文丘里、喷咀等等，之所以能够作为流量计使用，只不过是因为从理论分析相信它们所测得的数据与流体速度之间有“正相关关系”，经过严格的标定可以求得每一件具体仪器的相关系数，也就是修正系数，使用中只要将测量结果乘以这个系数即可。

要想标定一种流速测量仪器，就必须先有一种准确的标准仪器，这时就可选用制作精良的L型标准皮托管。但皮托管究竟准不准？可以通过具体测量在多长时间内输送了多少体积的流体来计算。液体的体积计量比较简单，气体的计量就复杂得多。大多容积式气体流量计由于压力变化、漏风、短路等原因而并不准确。制作精良的现代大型涡流气体流量计、汞密封活塞标准体积管等据说能够作为比较准确的标定设备，但很贵。最可靠、又价廉的方法是采用套在刚性圆管内的塑料薄膜圆筒计量，或用低压水封储气罐计量，这都可以准确求得在一段时间内得到了多少体积的气体，再根据压力和温度换算成计算所需状态的数据即可。但这些方法非常麻烦，成本很高，而且都只能求得一段时间内全管道内的平均速度，而不能得到管内各点的具体速度，更不能到达各个需要测定的现场。所以采用修正系数等于1的L型标准皮托管标定其他流量计，或作为各种现场测量仪器，均为最经济、最方便、又可靠的方法。此外，要测定飞机在空中飞行的速度，因大气压力随高度不断变化，这时就只有皮托管能够胜任了。

现在广泛使用的L型标准皮托管，是由法国人亨利-皮托(Henri-Pitot，1695-1771)在1732年发明的，又在19世纪中叶由法国科学家亨利-达西(Henri-Darcy，1803-1858)做了重要的改进完善。现在的L型皮托管的形状就是一根直角弯管，带测量口的一段直角边可叫测量段，另一直角边叫支持段。

在我国标准GB/T1236-2000《风机标准化风道性能试验》中，规定了可以选用的4种L型标准皮托管分别是：AMCA型、NPL型、CETIAT型和DLR型，其测量头的形状有半球形、半椭圆球形、圆锥台形几种。在几种型式中，全压测量口直径与外径的比例、静压孔的尺寸和位置等都各不相同，制作比较复杂，所以做成后都要逐个标定。

为了提高测量的准确度和减小对被测管道内流体的干扰，现在的趋势都是将皮托管的外径做得越来越小，如：16mm,14mm,12mm,10mm,9mm,8mm,

7.5mm,6mm,4mm等，还有用于研究的3.0mm,2.5mm等。但外径越小就越难制造，也越易堵塞。我国还有规定：皮托管的直径不能大于被测风管直径的1/48，这样一来，直径200mm的风管就只能用4mm以下的皮托管测量，更小的风管就难以找到更细的皮托管了；而这样的小风管测量在我们的科学、技术及经济活动中都有重要的意义。

L型标准皮托管的测量包括全压测量和静压测量。全压测量的原理可以这样来理解：假如有一根一端开口、另一端封闭的小盲管固定在风管内并与管道轴线平行，其开口端对着流体过来方向，当流体流到测量口端面时骤然滞止，即其轴向速度骤然为0，这时流体的动压转变为静压，与盲管内原有的静压叠加就成了全压。这是动压与静压理论相加的和，用仪器测到的全压不可能大于这个和，只可能小于这个和。当测量头外径很大、并且流速也很大时，测量头前面的一定范围内就会形成漩涡，这时全压管口测到的压力就有可能小于全压。皮托管的静压测量孔开在其外套管壁上，在流速很大时，由于尺寸较大的测量头会使流体形成伞形流场，可能在静压测孔区域形成紊流，就会干扰静压测量。

此外，现在的皮托管的方位指示杆太短，只有40mm左右，不利于调准皮托管方位。

发明内容

为了提高现有L型标准皮托管全压测量和静压测量的准确度，使皮托管能够测量更高流速，并适用于更小直径的风管测量，本发明旨在提供一种测量流体流速的再改进型L型皮托管，该皮托管对现有L型标准皮托管的测量端头一段做了改进，将现在皮托管测量全压的测量头一段由半球形、或半椭圆球形、或圆锥台形统一改为一段小直管；在管轴线方向，小直管与皮托管的外套管之间用一根小锥角的圆锥管或圆锥管加椭圆锥管连接。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种测量流体流速的再改进型L型皮托管，包括L型外套管与内管，其结构特点是，测量全压的测量头是一根小直管，小直管与皮托管的内管相通，用于向压力表传送全压；小直管的外壁与皮托管的外套管之间，用一根小锥角的圆锥管或圆锥管加椭圆锥管连接，静压测量孔开在外套管上；小直管与外套管同轴。

这里所说的椭圆锥管是以椭圆长轴为轴心旋转一周所得椭圆球面的其中一段，这一段的小端起点是前述圆锥管与椭圆球面相切的圆面，另一端是椭圆球面的极大圆面，也是与皮托管之外套管表面相切的圆面，显然所述椭圆的短轴与外套管直径相等。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

所述的小直管的外径为0.5～3mm，优选1～2mm；从小直管的测量端面到与圆锥管的接口之间的距离是小直管外径的3～20倍，优选5～15倍；小直管的测量端面的管壁厚度应加工到0.05～0.5mm，优选0.1～0.2mm；小直管的测量端面垂直于管轴线。

所述的圆锥管或圆锥管加椭圆椎管的制作方式有两种：一种是先将包括圆锥管、椭圆锥管在内的材料车削成实心锥体并钻孔，然后焊接打磨；另一种方式是将带有圆锥管、椭圆锥管和外套管并且已经开好了静压孔的空心管与包括小直管、内管在内的全压传送管路焊接或粘接；圆锥管的锥角为5～20度；椭圆椎管的椭圆短轴等于外套管直径。

所述的小直管与圆锥管之间的连接方法有焊接、粘接或插接，插接就是可插可抽的活动形式。

所述外套管可以做得比现在的大直径皮托管小，测量段的外套管直径都可以在4.5mm以下，优选为2～4.5mm；对用于大风管测量的长杆皮托管，其支持段的直径可以比测量段大0.1～2.0倍，其断面形状可以做成椭圆形或其他阻力小、耐受力大的形状。

将皮托管的方位指示杆长度由现在的40mm左右，增加到120mm以上，并做成可插可抽的活动形式。

所述小直管的端面壁厚为0.05～0.5mm，优选0.1～0.2mm。

优选地，所述小直管的长度为其外径的5～15倍。

所述小直管的外径为0.2mm～3mm，优选为1mm～2.0mm。

优选地，所述外套管测量段的外径为4.5mm以下。

所述小直管与圆锥管之间的连接为焊接、粘接或插接，其中插接便于保护小直管；如果采用焊接或粘接方式，也可以另作套筒保护小直管。小直管插入后的固定方式可以是靠零件的弹性，也可以靠螺纹，或其他方式。小直管的材质要求和现在的皮托管头部一样。

为了调准皮托管的现场安装方向，进一步地，所述皮托管还包括方位指示杆，现在4mm皮托管的方位指示杆只有40mm，本发明加长至120mm以上，并做成可插可抽的活动形式。

对于长杆的皮托管，为了避免在测量大风管时皮托管的支持段强度和刚度不够，支持段的直径可以比测量段大0.1～2.0倍，并且，支持段的横截面可以做成椭圆形或中间为矩形，两端为半椭圆形。

以下对本发明作进一步介绍。

一种测量流体流速的再改进型L型皮托管，包括L型外套管与内管，其结构特点是，还包括一段用于测量全压的与内管相通的小直管，以及过渡连接所述小直管与外套管的连接管；所述小直管与外套管同轴线布置，该小直管的端面垂直于该轴线，且其端面壁厚为0.05mm～0.5mm；所述小直管从测量端面到与连接管接口之间的距离为其外径的3-20倍，所述小直管的外径为0.5mm～3mm；所述外套管测量段的外径为4.5mm以下。

为了避免现在皮托管测量头引起的伞形流动而形成伞形流场，所述连接管为锥形管，该锥形管的一端与小直管的外壁相连，另一端与外套管对接相连；所述锥形管的锥角为5°～20°。

作为另一种避免测量头引起的伞形流动的结构形式，所述连接管包括锥形管和与锥形管相连的过渡管；所述锥形管的一端与小直管套接相连，该锥形管的另一端与过渡管平滑过渡连接，所述过渡管与外套管平滑过渡连接；所述过渡管由一流线型曲线段绕锥形管的轴心线回转而成；所述锥形管的锥角为5°～20°。进一步的，所述流线型曲线段为椭圆的一段，其旋转轴心线为椭圆长轴；所述外套管的外径与椭圆的短轴相等。

本发明的连接管可以是空心管，也可以是车削而成的实心锥体钻孔。

所述小直管的端面壁厚为0.08mm～0.2mm，更优选为0.1mm。

优选地，所述小直管的长度为其外径的5～15倍。

所述小直管的外径为0.5mm～3.0mm，更优选为1mm～2mm。

优选地，所述外套管的外径为2mm～4.5mm。

所述小直管与连接管之间的连接为焊接、粘接或插接，其中插接便于保护小直管。小直管插入后的固定方式可以是靠零件的弹性，也可以靠螺纹，或其他方式。小直管的材质要求和现在的皮托管头部一样。

为了调准皮托管的现场安装方向，进一步地，所述皮托管还包括方位指示杆，该方位指示杆的长度至少为120mm；由此，将现在4mm皮托管的方位指示杆从皮托管轴心算起只有40mm左右长度，加长至本发明的120mm以上，并可做成能插能抽的活动形式。

所述L型外套管包括与测量头相连的测量段和垂直于测量段的支持段；为了避免在测量大风管时皮托管支持段的强度和刚度不够，所述支持段的直径比测量段大0.1～2.0倍，其断面形状为椭圆形或中间为矩形，两端为半椭圆形。

藉由上述结构，本发明主要就是对L型标准皮托管的测量端头一段做了改进，将现在皮托管测量全压的测量头的一段由半球形、或半椭圆球形、或圆锥台形等形状统一改变为一段小直管；在管轴线方向，小直管与皮托管的外套管之间，用一根小锥角的圆锥管或圆锥管加椭圆锥管连接，让椭圆的短轴等于外套管直径。

所述小直管的外径可以根据进一步的测试结果和实际使用条件选定几个规格，一般可在1～2.5mm，优选为1.5mm左右。小直管的长度一般是其外径的3～20倍，优选5～15倍。小直管的测量端面管壁厚度应加工到0.05～0.5mm，优选0.1mm左右，端面应该垂直于管轴线。小直管可以是将现在皮托管的内管向外伸出的一段，也可以是插在车削成的锥管上的一段直管；可以是固定的，也能是可插可取的。

由于采用小直管，本发明大大缩小了测量头面积，减小了测量口前面形成的漩涡，使全压测得更准，可测更高流速；同时，由于测量头小了，并采用了小锥角锥管过渡，管外流体比现在平稳，所以静压测得更准；由于皮托管的外径容易做得很小了，能减小对流体状态的干扰，就能测量更小的风管，扩大测量范围。

为了简化“再改进型L型标准皮托管”的名称，也可以简称张氏管(Zhang Tube)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、由于测量全压的小直管可以做得很小，全压测量口端面的面积比现在的测量头面积缩小了几十倍，这能减小测量头前面形成的漩涡，能使全压测得更准，能测量更高的流速，扩大了高流速段的测量范围。这一点对用于高速测量的飞机空速管特别有意义。

2、由于采用了小锥角圆锥管或圆锥管加椭圆锥管过渡，减小了现在皮托管测量头引起的伞形流场，外套管的静压测量孔处的流体比现在平稳，所以静压测得更准。

3、由于采用了小直管和小锥角圆锥管，所以皮托管的外径容易做得很小了，这就能减小对被测流体的干扰，也就能测量更小的流体管道，扩大了测量小管道的适用范围；这一点在我国的科学、技术和教育领域都有重要意义。

4、再改进L型皮托管的测量段的外径都容易做到在4.5mm以下。但在测量大风管时，皮托管的支持段会出现强度和刚度不够的问题，这时可以使支持段的直径比测量段适当大一些，如大0.1～2.0倍；也可以考虑将支持段的横截面改成椭圆形或其它耐受力大、阻力又小的形状，如中间为矩形，两端为半椭圆形。

5、在有条件采用从流体管壁上测取静压的场合中，结合本发明的全压测量口取得的全压，这样能够得到最准确的动压数据(见附图曲线)。

6、因为测量头不再须要加工成球形、椭圆球形、圆锥台形了，只有小直管一种形式了，这既能简化制作型号，也便于客户选用。

7、由于加长了方位指示杆，能更好地调准方位，提高准确度。

8、改进后的皮托管制作更简单，成本更低。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的圆锥管加椭圆锥管结构示意图；

图3是本发明与外购皮托管的一次动压测量数据对比曲线图；

图4是本发明与外购皮托管的另一次动压测量数据对比曲线图；

图5是本发明所测动压与本发明所测全压结合管壁静压所得动压的对比曲线图；

图6是外购皮托管所测动压_与皮托管所测全压结合管壁静压所得动压的对比曲线图；

在图中

1-小直管；2-圆锥管；3-外套管；4-静压测量孔位置；5-椭圆锥管。

具体实施方式

申请人已经成功制作了4根完整的再改进型L型皮托管和几支没有静压孔的不同直径的头部为半球形的全压测量管，并和外购的直径4mm的皮托管做了对比测试。

自制皮托管的具体尺寸是：小直管外径1.5mm(测试中用到了最小为0.6mm的)，伸出长度20mm；圆锥管锥角约10度；外套管直径有4.4mm和4.8mm的。没有静压孔的半球形全压测量管直径有8mm、6mm、3mm和2.6mm的。

自制皮托管的方位指示杆是在现场安装的，长度约200mm。现场测试条件有：风机是4-72-4A-2900rpm-5.5kW,风量4020-7420m3/h,风压1999-1313Pa。风机出风口接天圆地方管，再接直径250mm、有效长度1030mm的布袋；测试的PVC直风管直径250mm，长3800mm，测试点开在距进风口2000mm处；压力计有多个U形压力计和一个475AV数字压力计，还有电流表、电压表；风管出风口有用螺杆调节开度的圆钢板开关，开关位置能够非常准确地调节：圆钢板每旋转一周就等于在螺杆轴线上移动1.75mm。对比测试就是将不同的仪器先后插入同一测试孔、插入同样深度并保持方位正确的条件下，对前后开度相同的多个测点进行的测试。

表12014年5月皮托管_4#_(8全-管静)所测动压数据对比表一

测试的结果制成曲线图如图3所示，(纵坐标均为动压，单位均为mmH2O)：

表22014年5月皮托管_4#_(8全-管静)所测动压数据对比表二

表32014年05月4#动压_(4#全压-管静)数据对比表

表42014年05月皮托管动压_(皮托管全压-管静)数据对比表

以上各表中，所述阀门开度的单位是对应的开度数值乘以8转，每一转在螺杆上外移1.75mm，也就是一个开度等于阀门外移14mm。所述皮托1、皮托2、皮托3是指外购皮托管3次测得的动压数据；(8全-管静1)、(8全-管静2)分别指第一次和第二次外径为8mm的全压管的全压测量值与风管管壁静压测量值之差；(81全-管静1)和(81全-管静2)分别指第一次和第二次外径为8mm且在原测量口插上一根直径0.6mm的小直管时的全压测量值与风管管壁静压测量值之差；4#-1、4#-2、4#-3、4#-4、4#-5分别指本发明4号管第一、第二、第三、第四、第五次测量的动压值；所述4#全压、4#动压分别指4号管的全压测量值和动压测量值；所述(4#静-管静)是指4号管的静压测量值与风管管壁静压测量值之差，即静压差；4#动压+静压差是指4号管的动压测量值与所述静压差之和，也就等于(4#全压-管静)；所述皮全和皮动分别是指外购皮托管的全压测量值和动压测量值；所述(皮静-管静)是指外购皮托管的静压测量值与风管管壁静压测量值之差；所述(皮动+静压差)是指外购皮托管的动压测量值加上皮托管的静压测量值减去风管管壁静压测量值所得的差，也就等于(皮托管全压-管静)。

在曲线图3中，共有12组数据，所作曲线明显分为三组，可以看作3条曲线：最下面的一条是三次用外购皮托管测得的动压，中间一条是5次用自制的4#再改进L型皮托管测得的，最上面一条是用申请人之前申请的专利(CN102410856B)方法测得的，显然是这一条最接近真理。这条线的测定方法是：用一根单独的直角弯管测全压，或者用外购皮托管、或自制皮托管的全压管测量全压，而静压取自开在被测风管壁上的静压测量孔。曲线图4与曲线图3类似，最下面的一条是用外购皮托管测的，中间线是5次用自制再改进L型皮托管测得的，最上面的是用申请人前次专利方法测得的。从这曲线图3和4可以看出：自制的4#再改进L型皮托管比外购的皮托管测得更准一些，其它三支自制皮托管的测试效果均与4#一样。

曲线图5的下面线是用自制再改进型4#管两次测得的动压，上面线是用4#管的全压管与风管壁上的静压孔配合两次测得的动压。曲线图6的下面线是用外购皮托管两次测得的动压，上面线是用外购皮托管的全压管配合风管壁上的静压孔测得的动压。曲线图6与曲线图5相比，可以看出曲线图6两线之间的间隔大一些，说明外购皮托管比自制4#管测量静压的误差更大一些，也就说明自制再改进L型皮托管比外购皮托管更准确些。从测试所得数据表看出，外购皮托管测得的静压值比风管壁上测得的值大6％左右，自制再改进L型皮托管测得的静压值比风管壁上测得的大3.8％左右。估计在风速更大时这种差别可能更大。这可能就是现在的皮托管误差大、不能用于40m/s以上风速测量的主要原因。

必须说明的是：本实施例的这些数据均为风速在40m/s以下测得的，在这里测得的全压差别很小，只是静压有明显差别。如果风速继续加大到40m/s以上、70m/s以上、100m/s以上，所测全压可能会有很大差别。此外，这次没有做液体的测试，在液流中的差别可能会比在气流中更大一些。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1. 一种测量流体流速的再改进型L型皮托管，包括L型外套管与内管，其特征在于：测量全压的测量头是一根小直管（1），小直管（1）与皮托管的内管相通，用于向压力表传送全压；小直管（1）的外壁与皮托管的外套管（3）之间，用一根小锥角的圆锥管（2）或圆锥管（2）加椭圆锥管（5）连接，静压测量孔开在外套管上；小直管与外套管同轴。

2. 根据权利要求1所述的测量流体流速的再改进型L型皮托管，其特征在于，所述的小直管（1）的外径为0.5~3mm，优选1~2mm；从小直管的测量端面到与圆锥管的接口之间的距离是小直管外径的3~20倍，优选5~15倍；小直管的测量端面的管壁厚度应加工到0.05~0.5mm，优选0.1~0.2mm；小直管的测量端面垂直于管轴线。

3. 根据权利要求1所述的测量流体流速的再改进型L型皮托管，其特征在于，所述的圆锥管（2）的锥角为5~20度；椭圆椎管的椭圆短轴等于外套管直径。

4. 根据权利要求1所述的测量流体流速的再改进型L型皮托管，其特征在于，所述的圆锥管（2）加椭圆锥管（5）的制作方式有两种：一种是先将包括圆锥管、椭圆锥管在内的材料车削成实心锥体并钻孔，然后焊接打磨；另一种方式是将带有圆锥管、椭圆锥管和外套管并且已经开好了静压孔的空心管与包括小直管、内管在内的全压传送管路焊接或粘接。

5. 根据权利要求1所述的测量流体流速的再改进型L型皮托管，其特征在于，所述小直管与圆锥管之间的连接为焊接、粘接或插接，插接就是可插可抽的活动形式。

6. 根据权利要求1所述的测量流体流速的再改进型L型皮托管，其特征在于，所述外套管（3）的测量段直径都可以在2~4.5mm；对用于大风管测量的长杆皮托管，其支持段的直径可以比测量段大0.1~2.0倍，其断面形状可以做成椭圆形或其他阻力小、耐受力大的形状。

7. 根据权利要求1所述的测量流体流速的再改进型L型皮托管，其特征在于，皮托管的方位指示杆长度在120mm以上，并做成可插可抽的活动形式。