摘 要: 在现场使用中, 皮托管不可避免地会偏离其标准使用条件, 从而引起附加误差. 针对不同型号的皮托管进行了较系统的试验, 旨在研究检测杆和安装角对皮托管测量的影响. 结果表明, 在被测流速较低时, 皮托管检测杆直径的大小对全压的测量影响较小, 且测量值误差也较小; 在皮托管安装角不超过±10° 的范围内, 流速测量误差为± 2%; 较小管径检测杆的测量值存在非零安装角时, 受流速的影响比较小. 这些结论为优化皮托管的测量提供了指导.
关键词: 流速测量; 影响因素; 空气试验; 皮托管; 检测杆; 安装角
皮托管是使用最早和应用最广的一种气力式流速传感装置. 由于它具有结构简单, 制造使用方便, 价格低廉, 而且只要精心制造并经过严格标定和适当修正, 即可在一定的雷诺数范围内达到较高的测量精度[ 1] , 所以, 虽然皮托管的出现已历时两个多世纪, 但至今仍是在工业过程中被广泛使用, 尤其是在大管道风量和烟气量的测量中具有其它仪表所不能替代的优势[ 2-3] .
尽管对于皮托管测量的研究比较早, 国际标准化组织( Internat ional OrgaNIzatio n for Standardization, ISO ) 也颁布了关于皮托管测量的标准ISO3966-1977[ 4] , 为皮托管的设计、制造和使用提供了指导; 但是在工业现场使用时, 由于环境恶劣, 不可避免地会偏离规定的使用条件, 所以研究皮托管在非标准使用条件下各种因素对其测量的影响并进行修正[ 5-6] , 无论是在理论上还是应用上都具有重要的意义. 除了被测介质的物性参数以外, 影响皮托管测量的因素主要有检测杆( 即皮托管探头) 的形状和大小、安装角度、全压孔的大小、静压孔的位置等.本文分为两个部分: 第I 部分研究检测杆和安装角的影响, 第II 部分研究全压孔和静压孔的影响, 为优化皮托管的测量提供指导.
1 皮托管测量方程与特征速度点选择
实际上, 通过合理调整皮托管各部分的几何尺寸, 可以使全压、静压的测量误差接近于零. 图1 所示的L型( 标准) 皮托管是迄今为止最为完善的一种, 其校准系数为0. 99~ 1. 01, 且在较大的马赫数和雷诺数范围内保持定值[ 7] .
由式( 3) 可知, 皮托管所测得的实际上是其放置点处的流速, 如果该点速度或若干点的平均值正好等于管道截面上的平均流速, 则乘以管道截面积即可得到管道中的体积流量值. 这些用来计算平均流速的待测点称为特征速度点[ 8] . 特征速度点的选取方法很多, 对于直径不是很大的管道, 最简单最直接的一种方法是按照流速在管道内的分布, 将理论平均速度点作为特征速度点. 研究表明[ 9] , 流体在圆管内作层流流动时, 距管中心0. 707 R (R 为管道半径) 处的流速等于截面上的平均流速. 紊流流动时,若达到充分发展, 距管中心0. 762 R 处的流速近似等于截面的平均流速.
2 试验装置和过程
试验系统的组成如图2 所示.
离心式风机的流量为1 756 m³ / h, 压头为3. 6 kPa, 试验介质为15 e 的空气, 密度为1. 226 5kg/ m³ ; 直管段的内径为100 mm, 长度为4 500mm; 参考皮托管为L 型, 校准系数为1. 008, 其测量值作为试验皮托管的参考值; 试验皮托管均为L 型共有10 种, 参数如表1 所示.
试验中参考皮托管和试验皮托管分别置于直管段的1/ 3 和2/ 3 处, 径向插入深度为距管道中心0. 762 R(R 为管道半径) , 以使所测流速近似等于管道平均流速, 这样既测得了该点的流速, 又可将该值直接用来计算流量; 它们在不同流量时的全压和静压分别用4 台数字微压计同时测得, 动压值等于对应全压与静压之差.
3 检测杆的影响
不同流速时, 试验皮托管1# 、2 # 、4# 、5# 、6# 、7# 、9# 、10# 测得的全压值如图3 所示, 其中参考全压值p s t1 和p s t2为参考皮托管测得的全压值.
可以发现, 在本试验中, 一方面在管道内流体流速不大( 如24. 0 m/ s) 时, 检测杆外径的大小对测量的影响较小, 也即不同管径的测量值相差不大, 都在参考值附近. 有趣的是, 当外径不大于6 mm 时,所测得的全压值略大于参考值, 而当外径大于6mm 时, 所测得的全压值略小于参考值. 另一方面,在管内流速相对较大( 如46. 8 m/ s) 时, 检测杆外径对测量的影响却比较大, 测量值在参考值附近有明显的波动.
4 安装角的影响
由于现场管道常出现弯管连接的情况, 即使皮托管安装在弯管后的直管道上, 由于弯管的影响以及现场直管段长度难以保证, 测量时很难保证流体流线与检测杆在同一轴线上, 因此研究皮托管的安装角对测量的影响十分必要.
如图4 所示, 记向上的偏角H为正偏角, 向下偏角H为负偏角, 与直管段同轴则为0b. 试验中通过改变皮托管与来流方向的安装角H, 以研究由于来流与检测杆不平行所带来的测量误差.
试验皮托管5# 和8# 在不同安装角、不同流速下测得的流体速度示于图5. 表2 和表3 则分别给出了不同安装角、不同流速下5# 和8# 皮托管的测量结果及其相对误差e:
比较表2 和表3 可见, 首先, 对于两种管型在安装角不超过? 10b的范围内, 测量均相当稳定; 当偏角超过±10°之后, 测量误差急剧增加. 其次, 当流速较大( 如45. 8 m/ s) 时测量值的稳定范围较之流速较小( 如32. 5 m/ s) 时更大. 再次, 较小管径检测杆( 如5# ) 的测量值在存在非零安装角时受流速的影响比较小, 且在? 10b范围内误差均小于±2% . 所以, 皮托管进行测量时安装角不能过大需严格控制在± 10°范围内, 应尽量选择管径较小的检测杆, 否则将造成较大的测量误差.
5 结 论
为了优化皮托管的测量, 本文在DN100 风管中对不同型号的皮托管进行了试验, 研究了皮托管检测杆和安装角对其测量的影响. 结果表明: 在被测流速较低时, 皮托管检测杆直径的大小对全压的测量影响较小且测量值误差较小, 而在被测流速较高时,皮托管检测杆直径的大小对全压的测量影响较大且测量值误差较大; 在皮托管安装角不超过± 10°的范围内, 测量误差均小于± 2% , 较小管径检测杆的测量值在存在非零安装角时受流速的影响比较小.
参考文献:
[ 1] Klopf ens t ein R. Air Velocit y and Fl ow M easuremen t U sing aPit ot Tu be [ J] . ISA Transact ions, 1998, 37( 4) : 257- 263.
[ 2] Bouhy J. Evolut ion of the Pitot Tub e S ens or [ J] . Flow Measurement T echn ology in Pract ice, 1996, 21 ( 1) : 1-4.
[ 3] Kan g H , Yang Q, But ler C, et al. Opt imizat ion of Sensor Lo-cat ions f or Meas ureM ent of Flue Gas Fl ow in Indust rial Du ct sand S tack s U sing Neural Netw ork s [ J] . IEE E T rans acti on s onIns t rumen tat ion and Measu rem ent , 2000, 49 ( 2) : 228- 233.
[ 4] ISO-3966 M easuremen t of Fluid Fl ow in Cl osed Conduit s: Velocity-Area Method Usin g Pit ot S tat ic Tub es [ S ] . Int ernat ionalOrganizat ion for St an dardiz at ion, 1977: 1- 15.
[ 5] Wys ocki M, Drobniak S. A Comparati ve Analysis of Correction Meth od f or T ot a-l Head Pr ob es in Large Vel ocit y-GradientFl ow s [ J] . J ou rnal of Wind Engineering and Indus t rial Aerodynamics,2001, 89 ( 1) : 31- 43.
[ 6] H ou J. Analysis on St ructu re and Charact eri st ics of Pit ot T ypeFlowmet er [ J] . J ournal of Xin jian g Uni versit y ( Natu ral Sc-ience Edit ion) , 2005, 22 (2) : 189- 193.
[ 7] 严兆大, 王振子, 俞小莉. 热能与动力机械测试技术[ M ] . 北京: 机械工业出版社, 2003: 132-133.
[ 8] 梁国伟, 蔡武昌. 流量测量技术及仪表[ M] . 北京: 机械工业出版社, 2002: 108-111.
[ 9] 莫乃榕. 工程流体力学[ M ] . 武汉: 华中科技大学出版社,2000: 64-70.
