压缩空气皮托管流量计测量应用

一、皮托管流量测量基本原理和发展

皮托管测量是依据经典流体力学一种测量流体点速度的测量原理。该原理是依据皮托管测量出所测量介质的全压和静压的差值，根据伯努利方程：

其中，P是静压，P0是全压，ρ是介质密度，V是介质的流速。对于空气测量来说，根据以上公式，再加上需要考虑由于测量元件的精度有限，皮托管所测量的数值与真实值之间的误差，需要引入一个校准系数α，最后得到空气的流速与测量得到的全压和静压公式：^[1]

其中ΔP为微压计测得的微压差，即全压和静压的差值。^[2]

皮托管测量原理结构简单，测量压力的测量元件价格低廉，制造使用也较为方便，对于较平稳的气流测量的准确度较高。因为这些特点，皮托管测量原理广泛适用于空气动力和风力相关领域的气体流速的测量，根据此原理制造的气体流量计在市场中的应用也较为常见。尤其是S型皮托管，具有防尘防堵、耐温耐压等特点，广泛应用于炼化、煤电等高排放、环境复杂的大型烟道的烟气测量中。^[3]

但在压缩空气的测量应用中，皮托管流量计的应用不多。直到2016年，压缩气体测量设备厂家SUTO首先发布了一款基于皮托管测量原理的皮托管流量计并应用到压缩气体流量测量中。而后基于该原理的产品逐渐被市场认可并陆续有制造厂家跟进效仿，现在皮托管测量原理的流量计已经较普遍地被工业企业尤其压缩机制造企业所认可并应用。对于压缩空气的流量测量，是皮托管流量计在工业应用中的创新。相比传统的也是基于差压原理的转子流量计、孔板流量计等[4]，具有一些不可替代的优势，例如安装方便、测量精度高、可同时具有温压补偿等特点。

二、压缩空气流量测量中常用的测量原理

压缩空气中的气流测量，即压缩空气的流量测量，在工业测量尤其是能源测量中具有非常重要的意义。对于压缩空气的流量测量装置，大体可以分为几类：一是节流装置类，例如喷嘴流量计、孔板流量计、转子流量计等；二是通过一些原理，以测量气体流速为目的，间接计算气体流量的测量方法，例如涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计等；三是通过一些原理，直接测量气体的质量流量，而后换算为容积流量的测量方法，例如科里奥利式流量计、热式质量流量计等。随着科学技术发展，电子信息产业飞跃，一些机械式仪表已经慢慢在时代的发展中被淘汰，留下的一些也在几十年的应用中被实践所验证和选择，优胜劣汰，逐渐形成了目前的在工业应用中主流的几种测量原理的流量计。^[5]

1.一种应用比较广泛的是基于涡流原理的流量计。涡街测量原理，也叫旋进漩涡测量原理，即利用卡门涡街体，当气流流经卡门涡街发生体时，会在其下游形成规则的两列不对称的旋涡列，而此漩涡产生的频率与气流流经漩涡发生体时的流速具有确定的关系[6]，所以当旋涡发生体的形状和尺寸确定后，即可通过测量旋涡产生频率来测量气流的流速，再与管径尺寸、温度、压力等参数相结合，便可计算出流量。涡街测量的原理如图：

根据涡街原理设计的流量计具有一些普适性的优势，例如：结构简单，测量稳定，没有可动的部件，使用寿命长，在一定的流速范围之内测量比较精确。同时，涡街测量原理对于测量的介质也就是压缩空气的质量要求并不高，在一定测量位置即使有水或者一些杂质也不影响测量的稳定性。而涡街也是最早应用于空气测量的原理之一，测量技术成熟，制造厂家众多，制造成本比较低廉，这些特点使得涡街流量计在压缩空气的流量测量中应用广泛。但是随着测量需求的多样性以及测量精确性要求的提高，在压缩空气的测量需求中也逐渐显露了涡街流量计的一些弊端：管道式的安装使用相对较复杂，测量范围相对局限以及振动对于测量的干扰较大等。

2.一种是基于热平衡原理的热式质量流量计。当热式传感器周围介质流动时就会有热量的传递，在稳定状态下热敏传感器所散失到周围气体中的热量与气体的质量流量有确定的关系。通过测量周围介质的温度变化，可得到气体的质量流量或体积流量。[7]热式质量测量原理简图如下^[8]：

热式流量计根据分类又分为热损失型即恒功率式、热温差型即恒温差式和热脉冲型等类型。随着热式质量流量计的发展和实践检验，浸入式或称为探头型式的热式质量流量计占据了热式流量计的主导。尤其在压缩空气流量的测量中，探头型式的热式质量流量计应用到市场中绝大多数工业企业压缩空气流量的测量中。

热式质量流量计因其热传递的原理，具有一些其他原理流量计不具备也不可替代的优势。一是测量范围宽，因为热传递的敏感性，热式质量流量计通常的量程比在100：1以上，优秀的热式流量计可以达到300：1，使热式质量流量计对于测量小流量尤其是微小流量具有天然的优势；二是热式流量计的测量直接测出的是气体的质量流量，可以通过换算，得到气体的体积流量。换算过程只是根据气体在标况下的密度计算得到，不需要通过测量气体的温度和压力等工况条件，减少了测量的误差，从而直接提高了测量的精确性；三是典型的探头型式的热式质量流量计一般设计为插入形式，在安装和使用中给用户提供了方便快捷的一种安装形式，尤其适用于一些现有管道的改善性测量需求。但是同时，热式质量流量计也具有一些明显的短板，例如对于介质的品质和湿度的要求较高，对于一些含有杂质或者含水量大的气体测量，测量会受到比较明显的影响[9]。因此在压缩空气的流量测量中，一些特殊位置的测量例如空压机出气位置的流量测量，并不适合使用热式质量流量计。

3.另外一种常被提及的是基于超声波原理的流量计。超声波原理是通过检测超声波脉冲顺流传播和逆流传播的速度差来检测风速大小，从而再结合工况的温度、压力等参数计算出气体的流量。根据计算公式不同可分为时差法、频差法和相位差法等。[10]超声波原理的流量计具有一些独特的优势，因为测量过程可以在管道外部通过传感器贴合在管道上，因此测量对于管道无破损，测量无压损，对于介质无污染，同时量程范围较宽，可以双向测量等特点也是非常具有优势的。

超声波原理流量计随着这些年微处理技术和信号处理的发展，已经广泛应用于水、油等介质的测量中，但是对于气体的测量仍处于发展阶段，并未有大规模的应用。主要原因还是局限于超声波测量原理的测量受限于现场不断变化的工况条件(如流量、压力和温度)以及各种不同类型的“噪声”干扰。^[11]

除了以上几种，喷嘴流量计、电磁流量计、科里奥利热式流量计、孔板流量计等原理的流量计在气体测量领域都有一定的应用，但是在压缩空气流量测量中，应用相对有限，本文不再一一讨论。而对于皮托管原理流量计在压缩气体中的应用，本文第四部分会着重研究。

三、压缩空气流量测量需求

压缩空气的流量测量相比简单的风速测量，具有复杂性和特殊性。比较标准的工业压缩空气系统主要包含了以下几个部分：压缩空气生产端如空压站、压缩空气运输端如运输管网和压缩空气使用端即生产使用车间。而针对不同组成部分的压缩空气流量测量会有比较不同的需求，需要在应用中加以区分并根据不同的需求选用合适测量原理的流量计，以达到准确测量的目的。

1.压缩空气生产端的流量测量需求。对于生产端即空压站的流量测量需求比较复杂，通常需要由简单到复杂逐步分解。首先，对于压缩空气生产端的总生产能力需要有非常明确的掌握，因此对于空压站房总出气管路必须进行流量测量，这也是《压缩空气站设计规范》GB50029-2014中明确要求的[12]。在总气路的测量一般管道较粗，流量波动较大，而因为气体一般经过了空压站房内一些干燥过滤设备的处理，气体较为干净，因此此处须采用量程范围较宽，不受流量下限限制的流量计，热式质量流量计为首选。其次，如果对于空压机的运行效率和排气能力需要进行分析和监控的话，空压机排气位置也应该配置流量计进行流量的测量，这在设计规范中也明确了。对于空压排气位置的流量测量，一直以来是一个难点，因为此处的压缩空气，具有温度高、湿度大、流速高、直管段不足等各种限制。工业企业也尝试用各种原理的流量计去测量，但是均有其局限性，热式质量流量计因对测量介质的要求并不适用此处流量测量，而涡街、孔板等流量计因受安装、振动等因素限制，测量效果不佳，皮托管流量计则比较全面地适合于此处的应用。再次，对于一些有节能需求的用户，在一些特殊设备的特定位置也需要进行一些测量。例如在《空气压缩机组及供气系统节能监测》GB/T16665-2017中对空压站房的节能监测做了要求，要对压缩空气干燥器的耗气率应进行监测[13]。这就要求用户需要在压缩空气干燥器前后进行流量的测量，从而计算出干燥器的耗气率。而对于干燥器前后两端的测量，需求是不同的，因为干燥器前端的气体介质通常含水量较高，而后端却是干燥的空气，所以并不能都使用热式质量流量计进行测量。总体来说，压缩空气生产端的流量测量具有一定的多样性，应酌情考虑不同的需求应用不同原理的流量计进行测量。

2.压缩空气运输端的流量测量需求。压缩空气运输端主要包括了运输管网、阀门和一些调节装置组成。对于此端的流量测量，一般目的是为了掌握站房出气后运输到各个部门的压缩空气的分别用量，从而进行压缩空气成本的分析和管理。而在这些测量位置，一般性的测量要求是管道较粗，流量随着生产用量的波动而波动较大，大多数工业企业使用的压缩空气都是经过干燥和过滤处理的。而在一些管理较为粗放的行业中，也仍然存在一些使用未经任何处理的压缩空气的情况，例如钢铁、石化、电力等行业，因此这里需要根据企业用户的个体情况按照实际情况选择。例如经过干燥过滤的空气，可以考虑热式质量和涡街流量计；而未经干燥过滤的空气，可以考虑涡街流量计和皮托管流量计；对于管道较粗，管道式安装不方便的可以从热式质量和皮托管等可以实现插入式安装的流量计中选择。

3.压缩空气使用端的流量测量需求。在工业企业中，压缩空气使用端的流量测量往往被忽视，然而在此处的气体使用量却是关乎企业生产效率的重要方面。压缩空气是昂贵的次生能源，此能源的使用不像水、电等能源的使用显而易见，却更加昂贵并且非常易于被浪费。因此工业企业中压缩空气的使用成本往往非常高，在压缩空气使用端的流量测量可以使企业用户有效的监控企业压缩空气的使用量，从而精确地分析压缩空气的使用成本，为企业的成本核算和节能减耗提供了基础数据。在压缩空气使用端的流量测量类似于运输端的测量，只是增加了一些细小的分支并且更加的精细化。一个比较特殊的应用是对压缩空气系统泄漏量的测量。压缩空气泄露对于企业是极大的成本损失，不仅造成了压缩空气的浪费，同时还造成了气体的压降和压缩空气品质的降低。企业可以考虑用一些可测量微小流量的流量计进行压缩空气泄露的测量。

四、皮托管流量测量在压缩空气测量中的合适应用。

皮托管流量计应用于压缩空气流量测量中，应着重考虑皮托管流量计的几个特性：高温高湿气体测量、可同时集成温压测量、皮托管的插入式设计等。如前文所述，在压缩空气流量测量中，特别典型的测量应用是空压机的排气位置的流量测量。除了考虑测量原理的特性之外，还应考虑施工、安装等现实情况。例如空压机系统节能改造工程中，为了不影响现用系统的正常运行，插入式流量计的可带压安装拆卸的特性非常重要。而且相比结构较为庞大的管道式流量计，设计小巧简单、结构更精密的插入式皮托管流量计更能得到用户的认可。

皮托管流量计可同时集成压力、温度的特性也可以大大简化流量测量的过程。而通过一些工况参数的设定和补偿，还可以实现一些更为专业的气体流量的测量。例如对于空压机的机组容积流量的测量，即要求除了空压机排气位置的流量测量外，还需要空压机吸气位置的温度、湿度和大气压力[14]，而这些参数均可以通过皮托管流量计的参数设定与流量测量结合，经过计算得到目标测量值。

而对于一般性的压缩空气的流量测量，则要注意皮托管流量计的一些特性是否具有局限性。例如皮托管流量计的测量范围相对不宽，尤其大管道、低流速的测量需求，对于这样的测量位置，要注意皮托管流量计的测量范围要涵盖所需测量的流量，否则有可能会出现流速过低而皮托管流量计无法测量出数据的情况。

总体上来看，皮托管流量计，作为性能较为全面的一种流量计，在压缩空气流量测量中普适性较好，是一种综合性能不错的流量计的选择。

五、结语

压缩空气是一种比较特殊的介质，压力大、流速快、密度相对其他流体不高，但空气的流动特性又相对其他流体较为复杂，因此使得压缩空气流量测量是一种较为专业的测量。想要达到准确可靠的测量，需要两个方面同时满足，一方面需要能够准确测量的设备，即流量计，但并不仅仅包括流量计本身的质量、可靠性、精度等，也包括了对于流量计的正确选型，包括了各种原理的选择和正确原理条件下的正确配置的选择。第二个方面也是极易被忽视的一方面，即合适的流量计的正确应用条件，既包括了测量的位置、温度、压力、流量范围等工况和条件，也包括了流量计的正确设置和使用，例如管径设置、参考条件设置，流量计的正确安装等。

参考文献

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[12]GB50029-2014压缩空气站设计规范[J].

[13]GB∕T16665-2017空气压缩机组及供气系统节能监测[J].

[14]GB19153-2019容积式空气压缩机能效限定值及能效等级[J].

以上为正文!
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