皮托管和均速管流量计

　　（1）皮托管

　　皮托管是一根弯成直角的双层空心复合管，带有多个取压孔，能同时测量流体总压和静压，其结构如图1所示。由于流体的总压和静压之差与被测流体的流速有确定的数值关系，因此可以用皮托管测得流体流速从而计算出被测流量的大小。

图1　皮托管结构

　　皮托管的工作原理可分析如下：

　　皮托管头部迎流方向开有一个小孔A，称为总压孔，在距头部一定距离处开有若干垂直于流体流向的静压孔B，各孔所测静压在均压室均压后输出。设在均匀流动的管道中某点处流体的静压为p，流速为u。若在此处放置一根皮托管，并使皮托管轴线与流向平行，如图1所示，紧靠皮托管前端A的流体被阻滞，在阻滞区域的中心形成“驻点”，驻点处流动完全停止，流速等于零，压力由静压p上升到滞止压力p₁ （总压）。设流动为不可压缩无粘性流体的稳定流动，则驻点处流体的伯努利方程为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

　　式中，p1为驻点处流体总压；p、μ分别为驻点处流体静压和流速；ρ为流体密度。由此 可以得该点的流速为：

　　　　　　　　　　　　　　 （2）

图2　皮托管测量原理

A-总压感应点；B-静压感应点

　　考虑到实际测量情况与理论上的差别，引入皮托管系数a（数值由实验确定）对上式进行修正，修正后的流速公式为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3）

　　对于可压缩流体，考虑到压缩性的影响，实际流速计算公式为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　（4）

　　式中，（1-ε）为流体可压缩性修正系数，对不可压缩流体ε＝0。

　　皮托管可以测得管道截面上某一点的流速，若该点流速恰为管道截面上的平均流速，则流量可由式（A为管道截面积）求出。理论上可以根据前述流速分布与平均流速关系式求出平均流速所在半径位置（例如层流状态时，在管道半径r＝0.707R的圆环上的流速等于管道截面平均流速，R为管道内半径），只要将皮托管放在该位置就可测得平均流速，进而求出流量。但实际应用中，该方法误差大，难以实施，因为由于种种因素的影响，圆管内的实际流速分布并不能按理论方法确定。因此，实用中通常采取在同一截面选取多点测量，然后求出平均流速的方法。如何选取测量点是皮托管测流量的关键，目前较常用的方法有等环面法、切比雪夫积分法和对数线性法。

　　使用皮托管时，需将其牢固固定，测头轴线应与管道轴线平行，被测流体的流动应尽可能保持稳定，否则将带来测量误差。在管路中选择插入皮托管的横截面位置，应保证其有足够长的上下游直管段。

　　皮托管具有压损小、价格低廉等优点，适用于中、大管径管道的流量测量，尤其在实验室研究和测定流体的流速分布时，更具明显优越性。缺点是测量结果受流速分布影响严重、计算复杂，精度也较低，测量时间长，难以实现自动测量等。

　　（2）均速管流量计

　　均速管流量计（又称阿纽巴Annubar管）是基于皮托管原理而发展起来的一种新型流量计。均速管能够直接测出管道截面上的平均流速，比之于皮托管，简化了测量过程，提高了测量准确性。

　　均速管是一根横跨管道的中空、多孔金属管，其结构如图3所示。在迎流方向上开有对称的两对总压取压孔（也可以是二对以上），各总压取压孔位置分别对应4个面积相等的半环形和半圆形区域，各总压孔相通，测得的流体总压均压后由总压管引出，这可认为是反映截面平均流速的总压。在背向流体流向一侧的中央开有一个静压取压孔，测得流体静压由静压管引出。由平均总压与静压之差即可求得管道截面的平均流速，从而实现测量流量的目的。

图3　均速管原理

　　均速管测量流速的原理与皮托管相同，其流速也可以用皮托管的流速公式（3）表示．而体积流量可由下式确定

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（5）

　　式中，A为管道截面积；α为取决于均速管及管道内径的流量系数，由实验确定。

　　均速管流量计结构简单，便于安装，价格便宜；压力损失小，能耗少；准确度及长期稳定性较好；适用范围广，可适用于液体、气体和蒸汽等多种流体以及高温高压介质的流量测量。均速管流量计适用的管径范围为25～9000mm，尤其适用于大口径管道的流量测量。但它产生的差压信号较低，需要配用低量程差压计；不适用于污脏、有沉淀物的流体。