CN201251456Y - 新型节能差压式流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种新型节能差压式流量测量装置，包括均速管及一个差压讯号放大器，其特征在于：所述均速管内在其中心处设置有独立的作为流动差压讯号放大器的中心单元体，所述中心单元体为一个流体流动的高效二元扩压器。本实用新型可以大幅度提高差压讯号，且与均速管相比较不会引起额外的压力损失。

Description

新型节能差压式流量测量装置

技术领域

本实用新型涉及流体测量技术领域，特别涉及一种新型节能差压式流量测量装置。

背景技术

差压式流量计是工业中最为普遍应用的一类管道内流体流量测量装置。它包括：孔板、文丘里管、环形孔板、标准喷嘴、皮托管、均速管、弯头等差压装置。其主要优点是工作可靠、精度较高、价格便宜、安装及维护方便等。

对于管内测量流量计的主要技术要求为：

1.测量精度要高，并且需要在较宽的流量变化范围内都能保证具有足够的测量精度；

2.测量的精密度和一致性要好；

3.压力损失小，能量损失小；

4.安装方便，维护方便，结构可靠性要好；

5.成本低，价格便宜。

在这些要求中，“压力损失小，能量损失小”和“需要在较宽的流量变化范围内都能保证足够好的精度”是一对互为矛盾的条件，主要是小流量(相当于小差压)时的相对误差相应的会较大，精度很不容易保证，这样就希望差压讯号大，但是差压讯号大的装置一般压力损失也大，尤其是节能指标对于工业领域愈来愈重要时，这种矛盾就更为明显，所以流量测量技术的发展就需要解决克服这种矛盾，也就是希望差压讯号要大，同时压力损失并不会明显增大的差压装置。

例如在中国专利CN85204529U中，公开了一种大差压均速管流量计，其主要通过在检测管中部镶有位于管道心中的迎流的文丘里管，并在文丘里管喉部侧壁垂直取压，获得比静压低得多的低压，并与来自检测管总压孔的平均总压构成大差压。这种均速管流量计其差压讯号在空气流速10米/秒的标况下，与标准皮托管(流量系数K＝1.0)相比，其差压讯号

提高了100％(参见图7中B)，在随后的罗斯蒙特公司(美国)的阿牛巴(Annubar)是均速管流量计发展的重要趋势之一，其主要的技术特点就是增大差压讯号阿牛巴第4代与中国专利CN85204529U相比，其差压讯号

提高了15％～16％左右，其最新的阿牛巴第5代(参见图7中F)比第4代(参见图7中D)的差压讯号

增大了70％~80％，关于差压讯号

的发展趋势图见附图7，本实用新型的目的就是进一步大幅提高差压讯号

实用新型内容

本实用新型的目的就是要提供一种压力损失小(即节能)又差压讯号大的节能流量测量装置。

本实用新型的技术方案为：

新型节能差压式流量测量装置，包括均速管及一个差压讯号放大器，其特征在于：所述均速管内在其中心处设置有独立的作为流动差压讯号放大器的中心单元体，所述中心单元体为一个流体流动的二元扩压器，所述二元扩压器内设置有收敛形流道，所述收敛形流道内还具有一直段，所述流道的直段的侧壁上垂直设置有测量用通孔，且在该直段后设置有一直线扩散形流道，该收敛形流道具有光滑的流道内侧，以减少流体的阻力及附面层，所述流道由三部分组成，包括收敛部、喉部和扩散部，喉部位于收敛部和扩散部之间，其为流道的最窄部位，在该喉部处取其流动的静压，这个中心单元体喉部的静压是流动全流场的最小静压(称为Pc)，从而达到差压讯号放大的目的。

所述所述直线扩散形流道其长度L与最窄处宽度W₁之比为15～35，出口面积与喉道面积之比为2.5～4.5。

所述均速管为平板形均速管，其将一具有一定宽度的平板插入管道，平板上迎流按面积均布有若干小孔，从这些小孔处测取流动的平均总压，在该平板的中心位置设置有所述的二元扩压器。

所述平板的迎流面周边具有锐角倒棱。

所述二元扩压器流道各处的横截面为长方形或类似长方形。

所述喉部为等面积直管段。

所述喉部的壁上垂直设置有用以探测内流压力的通孔。

本实用新型的技术效果：

本实用新型利用平板型均速管及其中心区域的二元扩压器实现大幅度增大差压讯号而且同时不明显引起压力损失的目的。

本实用新型的主要特点是采用平板形均速管以及设置于其中心区域的二元扩压器，这样的结构能够达到大幅度增加差压讯号而其压力损失却很小的技术目的。本实用新型采用平板中心区域设置二元扩压器，能大幅度增加差压讯号

(增加300％～400％)，而同时的压力损失仍然很低，因为中心区域的面积只占管道面积的1％左右，这么小的面积内的局部流速增加对总体压力损失的影响也是很小的。

大幅增强或放大差压讯号

是本实用新型的一个重要的技术特征和效果。

这种具有平板锐边形的平板型均速管其流量系数K对于板宽W(或管径D)不敏感，从而K的一致性就好。

附图说明

图1所示为本实用新型的结构示意图；

图2所示为平板形均速管的回流区示意图；

图3所示为二元扩压器的放大示意图；

图4所示为二元扩压器性能曲线图；

图5所示为典型的二元扩压器的示意简图；

图6所示为二元扩压器的喉部静压与回流区静压之间关系的示意图；

图7所示为本实用新型的差压讯号值与均速管流量测量的差压讯号值相比较的示意杆状图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步说明。

图1所示为本实用新型差压式流量测量装置的结构示意图。管道1壁上开口并通过安装座11与法兰10相连。平板2焊接在法兰10内侧并插置于被测管道1中，平板2上沿管径方向分别设置有若干小孔3，并按其面积平均分布在平板2上，各小孔3通过连接管12与总压引压管8相通，平板2的中心区域设置有二元扩压器4，二元扩压器4包括收敛部5、直段喉部6和直线形扩散部7，参见图3，图3为二元扩压器的放大示意图，其中收敛部5为圆弧形，喉部6为直段，喉部6壁上设置有孔9，孔9通过静压引压管13与外部相通以测取喉部静压值，扩散部7尺寸渐大，二元扩压器4与平板2焊接，并与法兰10焊成一体，再固定在管道1。

本实用新型的主要特点是采用平板形均速管以及设置于其中心区域的二元扩压器，这样的结构能够达到大幅度增加差压讯号而其压力损失却很小的技术目的。

本实用新型通过在被测管道中插入平板式均速管，该平板中心区域设置二元扩压器，平板上分布有若干小孔，通过这些小孔取得平均总压，称为P*，在扩压器喉部开孔取得静压Pc，其差值就为差压

(也叫差压讯号)，即P*-Pc。

通常，均速管(亦可称阿牛巴)的流量测量的通用计算公式见本实用新型后面叙述的公式(1)，其取的是图2中的(P*-Pd)，Pd是回流区内的压力，它在回流区内是均一的，而本实用新型取的差压是(P*-Pc)，按二元扩压器的内流流体动力学，其静压恢复系数Cp＝(Pd-Pc)/(P*-Pc)是一个衡量扩压器扩压效率的固定常数，且Cp＝ζ(1-1/AR²)，ζ是扩压效率，AR是扩压器出口面积与直段面积之比，对二元扩压器，AR＝W₂/W₁，见图3。通过简单的代数运算，可推导出：(P*-Pc)/(P*-Pd)＝1/(1-Cp)。上式中的左项就是本实用新型差压讯号与均速管(包括阿牛巴5代)差压讯号相比的放大倍数，称为E。可见二元扩压器性能ζ及Cp的增加，可使放大倍数E大幅度增加。

由公式(1)也可分析，同样的流量(标况，体积)，的增加，其实质就是使K值下降，或是令 $K\′=\frac{K}{\sqrt{E}},$ 上式中的K是均速管的流量系数，本实用新型在此基础上加上中心单元体二元扩压器以后，差压讯号

可放大至1～5倍，

可放大1～2.2倍。

由于扩压器的流通面积只占管道面积的0.5％～1.0％，而扩压器喉道部分的流速比管道内流速高很多(V_喉>>V_管)流速的差取决于扩压器的流体动力学设计，高效的扩压器可使流速加大很多，对于效率较低(η＝0.3～0.4)且W1/W2较小的扩压器的喉道流速增加很少(例如30％～40％)，这种喉部流速的大幅增加，大大降低了该处静压，从而相应的大幅提高了差压

。

同时由于扩压器内流量只占总流量的0.5％～1.0％，因此总的压力损失按流量平均积分的压力损失仍无多少变化。

本实用新型均速管采用平板形，与目前已有的圆形、菱形等相比，具有以下特点：1.平板的流量系数K相对较小；2.K值与插入件的绝对尺寸关系很小，即K值一致性好，一般的均速管其流量系数与形状、堵塞比B及绝对尺寸均有关。

图7所示为本实用新型与均速管流量测量技术差压讯号计算的比较示意图。其中A代表标况下空气介质，V＝10m/s下的标准皮托管，其流量系数K＝1.0；B代表中国专利CN85204529U的差压讯号与A相比其差压讯号提高约100％；D代表阿牛巴第4代的差压讯号，其流量系数K′＝0.65，与B相比其差压讯号

提高了16％；F代表了阿牛巴第5代(T形杆)的差压讯号，其流量系数K′＝0.5，与D相比差压讯号

提高了约70％；G代表了本实用新型的流量测量装置的第1代的差压讯号，其流量系数K′＝0.46，与F相比差压讯号

提高了约17％；H代表了本实用新型的流量测量装置的第2代的差压讯号，其流量系数K′＝0.354，与F相比差压讯号

提高了约100％；M代表了本实用新型的流量测量装置理论上可能达到的最大差压讯号，其流量系数可望达到K′＝0.3，与F相比差压讯号

提高了约175％。

由图7可见，图7中F即阿牛巴第5代(485型)比中国专利CN85204529U(图7中的B)的差压讯号

提高了约100％，而本实用新型第1代(图7中的G)比阿牛巴第5代提高了约17％，本实用新型的第2代(图7中的H)比阿牛巴第5代的差压讯号提高了100％，并且本实用新型的第1代、第2代(实质上是第1代、第2代的二元扩压器)是在工程应用中已经实现的，图7中的M是本实用新型第3代，其差压讯号比阿牛巴第5代提高了175％，这在实验室亦已实现，并且仍有潜力进一步提高差压讯号。

因此，本实用新型在保持了低压力损失的均速管的基础上，大幅度的提高了差压讯号，获得了质的提高和飞跃。

图5所示为典型的二元扩压器的结构示意图。

通用流量公式(标况，体积流量)：

$\mathrm{Qs}=\mathrm{Fna}\·\mathrm{Ya}\·\mathrm{Fpb}\·\mathrm{Ftb}\·\mathrm{Ftf}\·\mathrm{Fg}\·\mathrm{Fpv}\·\mathrm{Faa}\·\sqrt{P_f}\·K\·D^2\·\sqrt{\mathrm{\ΔP}}$

式中的Fna为单位转换系数＝0.01135

K为流量系数(基于管径D)

D为管道内径(mm)

Ya为修正系数

Fpb为修正系数＝101.325KPa/基准压力KPa

Ftb为修正系数＝基准温度/288.15

Faa为修正系数＝热膨胀修正

Pf为流动压力KPa(绝)。

其中，是流动时的密度修正。

由公式可以看出，当流量Qs一定时，流量系数K与差压讯号

成反比，流量系数K越小，则差压讯号

就越大。

本实用新型的差压讯号

均速管的差压讯号

本实用新型的差压讯号与均速管相比的放大倍数

$=1+\frac{P_d-P_c}{P*-P_d}=1+\frac{C_p(P*-P_c)}{(P*-P_c)-(P_d-P_c)}$

$=1+C_p\×\frac{1}{1-C_p}=1+\frac{C_p}{1-C_p}=\frac{1}{1-C_p}$

二元扩压器Cp＝ζCp_理＝ζ(1-1/AR²)

其中，AR是出口面积与喉道面积之比，对于二维情况，AR＝W₂/W₁

实验证明，Cp最大可期望值为0.80～0.85。参见附图4.

其中，P*是指来流的总压(即静压与动压之和)。

Pc是指附图6中的c-c截面即喉部的静压。

Pd是指回流区(参见附图3)中的静压。

因此，采用本实用新型的差压式流量测量装置，可期望的E＝1/(1-0.8)＝5。

Claims (7)

1、新型节能差压式流量测量装置，包括均速管及一个差压讯号放大器，其特征在于：所述均速管内在其中心处设置有独立的作为流动差压讯号放大器的中心单元体，所述中心单元体为一个流体流动的二元扩压器，所述二元扩压器内设置有收敛形流道，所述收敛形流道内还具有一直段，所述流道的直段的侧壁上垂直设置有测量用通孔，且在该直段后设置有一直线扩散形流道，该收敛形流道具有光滑的流道内侧，以减少流体的阻力及附面层，所述流道由三部分组成，包括收敛部、喉部和扩散部，喉部位于收敛部和扩散部之间，其为流道的最窄部位，在该喉部处取其流动的静压，这个静压是流动全流场的最小静压，从而达到差压讯号放大的目的。

2.如权利要求1所述的新型节能差压式流量测量装置，其特征在于：所述所述直线扩散形流道其长度L与最窄处宽度W₁之比为15～35，出口面积与喉道面积之比为2.5～4.5。

3、如权利要求2所述的新型节能差压式流量测量装置，其特征在于：所述均速管为平板形均速管，其将一具有一定宽度的平板插入管道，平板上迎流按面积均布有若干小孔，从这些小孔处测取流动的平均总压，在该平板的中心位置设置有所述的二元扩压器。

4、如权利要求3所述的新型节能差压式流量测量装置，其特征在于：所述平板的迎流面周边具有锐角倒棱。

5、如权利要求4所述的新型节能差压式流量测量装置，其特征在于：所述二元扩压器流道各处的横截面为长方形或类似长方形。

6、如权利要求5所述的新型节能差压式流量测量装置，其特征在于：所述喉部为等面积直管段。

7、如权利要求6所述的新型节能差压式流量测量装置，其特征在于：所述喉部的壁上垂直设置有用以探测内流压力的通孔。

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