类S型皮托管及其测量特性研究

　　0　引　言

　　在工业过程中,常常需要测量工作介质在某些特定区域的流速,以研究其流动状态对工作过程和性能的影响。由于结构简单、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,即可在一定的速度范围内达到较高的测量精度^[1],所以,迄今为止,皮托管仍然是一类应用最广的气力式流速传感装置^[2]。

　　就结构形式而言,皮托管主要有L型(标准型)和S型2种。L型皮托管是目前最为完善的一种皮托管,其校准系数一般为0. 99~1. 01,且在较大的马赫数和雷诺数范围内保持定值。S型皮托管则在锅炉烟道等含尘系统的流速测量中得到了最为广泛的使用^[3~5],但由于它取压孔开口较大,所以,容易在口内形成漩涡流,对测量有一定的影响^[6~8]。

　　本文对S型皮托管的改良型式——类S型皮托管的测量特性进行了实验研究,结合对流场的数值模拟结果,讨论了测头形状及其几何结构对测量的影响。研究结果表明:类S型皮托管不但有S型皮托管结构简单、使用方便、可测含尘气体等优点,又能较好地削弱甚至消除较大测头开口对测量的影响,经过优化设计的类S型皮托管具有比较稳定的校准系数,并可达到相当高的测量精度。

　　1　测量原理与特点

　　类S型皮托管的结构与S型皮托管基本相同,几种主要的类S型皮托管的外形如图1所示。它们都是由两根属管定向焊接而成的,测头上有2个方向相反的开口, 2个开口截面互相平行,测量时正对气流来向的开口称为全压孔,背向气流来向的开口称为静压孔。测得的全压和静压分别由两根引出导管送至微压计,通过微压计测得差压值。

　　图中, 1为全压通道, 2为静压通道。根据伯努利方程,可得类S型皮托管的速度测量公式

　　式中　u为类S型皮托管测点处的速度,m /s;α为校准系数,用于修正由于全压孔和静压孔位置不一致及流体滞止过程中的能量损失等因素造成的差异,由实验标定得到,无量纲; (1-ε)为压缩影响系数,用于修正测量可压缩流体时流体压缩性带来的影响,无量纲;ρ为流体密度,kg/m³;p0和p分别为全压和静压,Pa。

　　研究表明:图1所示的5种类S型皮托管的测量特性相差甚远^{[9, 10],}得到的差压测量值和校准系数均有较大的差异: a和b在5种测头中具有最大的差压测量值,但它们的校准系数都偏离1较多,会引入过多的测量误差; d和e的差压测量值大小居中,但当测量的流速u>10m /s时,测量值会有较大的波动,不能用来测量中、高流速的介质; c测头的校准系数最大,并非常接近1,当所测流速u>10m /s时,校准系数仍相当稳定,可在较宽流速范围内实现稳定测量。从各方面看, c都是一种比较理想的类S型皮托管测头,所以,本文的研究将集中围绕具有c测头形式的类S型皮托管展开。