插入式均速管畢托管流量計
對冶金企業(yè)的生產(chǎn)、生活用水實行按表 計量考核管理，是節(jié)水節(jié)能工作中一個重要 環(huán)節(jié)。為了尋求較為簡便易行的水流量計量 手段，水城鋼鐵廠'自1978年以來，進行了插入式均速管畢托管流量計的研制工作。 提出了插入式均速管畢托管流量計的結(jié)構(gòu)設(shè) 計；試制了一批口徑分別為150、200、250、 300、500mm的均速畢托管流量計，其中30 余套在本廠和一些兄弟單位安裝試用。
經(jīng)過三年多來的現(xiàn)場應(yīng)用和貴州省計量 測試所對部分樣機的測試表明運行情況良 好，計量性能達到研制設(shè)計要求，取得了初 步效果，并在1982年底鑒定，現(xiàn)在該流量計 已由水城鋼鐵廠電修廠投入試生產(chǎn)。
經(jīng)過三年多來的現(xiàn)場應(yīng)用和貴州省計量 測試所對部分樣機的測試表明運行情況良 好，計量性能達到研制設(shè)計要求，取得了初 步效果，并在1982年底鑒定，現(xiàn)在該流量計 已由水城鋼鐵廠電修廠投入試生產(chǎn)。
均速管畢托管流量計的主要技術(shù)指標(biāo)及適用條件如 下：
1. 主要技術(shù)指標(biāo)見表1。
2. 適用條件
工作壓力：0.3—10kgf/cm2;
水 溫：0—50迫；
7k 質(zhì)：（差壓式）適用 于清水及懸浮物少于500 mg//,'無大顆粒雜質(zhì)的工 業(yè)水計量；（分 流式）只適用于清水計 量。
3. 安裝要求
（1 ）表前應(yīng)有不小于10倍管徑的直 管段，表后應(yīng)有5倍管徑的直管段。
（2）均速畢托管的附件短管4 （見 后圖4）與輸水管保持垂直:。
二、均速管畢托管流量計原理和構(gòu)造
1. 主要技術(shù)指標(biāo)見表1。
2. 適用條件
工作壓力：0.3—10kgf/cm2;
水 溫：0—50迫；
7k 質(zhì)：（差壓式）適用 于清水及懸浮物少于500 mg//,'無大顆粒雜質(zhì)的工 業(yè)水計量；（分 流式）只適用于清水計 量。
3. 安裝要求
（1 ）表前應(yīng)有不小于10倍管徑的直 管段，表后應(yīng)有5倍管徑的直管段。
（2）均速畢托管的附件短管4 （見 后圖4）與輸水管保持垂直:。
二、均速管畢托管流量計原理和構(gòu)造
運用畢托管和繞流圓柱體水測速管（簡 稱水測速管）來測量水流速，具有結(jié)構(gòu)簡單 等優(yōu)點。但普通畢托管或水測速管一次只能 測試管道截面上某一點的瞬時流速。如用畢 托管來測試水流量，通常要在管道橫截面的 不同位置處分別測出若干點的流速，輔以均 化計算導(dǎo)出平均流速及流量。也有采用水測 速管只測管軸處最大流速值，再乘以平均流 速與最大流速之比（實驗數(shù)），導(dǎo)出平均流 速，從而計算流量。這些方法由于測點多、 流量推算繁復(fù)，在非穩(wěn)定流、雷諾數(shù)變化較 大時，誤差也較大，故作為固定式水流量計 量器具，在生產(chǎn)上很少采用。
通過實驗，在探索分析紊流狀態(tài)時圓形 壓力輸水管內(nèi)水流速分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，我 們將只有一對感壓孔的普通畢托管（或水測 速管）變換改造成具有多對感壓孔的均速畢 托管，達到了直接測試管道內(nèi)平均水流速的 目的（圖1）。
根據(jù)繞流原理，潛沒于水流體中的柱體 物（如圖2所示圓柱體），在一定的雷諾數(shù) （Red）變化區(qū)間內(nèi)，水流沿物體表面繞 行，到達分離點以后，附面層脫離，物體尾
通過實驗，在探索分析紊流狀態(tài)時圓形 壓力輸水管內(nèi)水流速分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，我 們將只有一對感壓孔的普通畢托管（或水測 速管）變換改造成具有多對感壓孔的均速畢 托管，達到了直接測試管道內(nèi)平均水流速的 目的（圖1）。
根據(jù)繞流原理，潛沒于水流體中的柱體 物（如圖2所示圓柱體），在一定的雷諾數(shù) （Red）變化區(qū)間內(nèi)，水流沿物體表面繞 行，到達分離點以后，附面層脫離，物體尾
| 型 號 及 規(guī) 格 |
測量范圍 m3/h |
參考上限差壓 mmH2O |
基本誤差限 | |
|
JBL—H 型 (差壓式) |
Dgl50 Dg200 Dg250 Dg300 Dg400 Dg500 Dg600 |
25—200 50—400 60—500 100—800 160—1250 250—2000 360—3000 |
860 940 690 830 660 660 710 |
基本誤差限為流最上 限值的土 1.5% |
|
JBL- I 型 (分流式) |
Dgi50 Dg200 Dg250 Dg300 |
60—200 120—400 160—500 270—800 |
基本誤差限為上限流 量值的±2.5% |
|
A-探頭（差壓感受元件）
圖2柱體在水流體中的繞流示意圖
部形成渦流低壓區(qū)，迎、背流面間產(chǎn)生壓強 差A(yù)P。在5x 102<Red<2x 105區(qū)間，即在 稱之為牛頓區(qū)的渦流壓差阻力區(qū)內(nèi)，壓強差 △P與水流速的平方根成近似線性關(guān)系。
AP = C – V – ~~ （ 1 ）
圖3圓柱體阻力系數(shù)曲線
式中-C——阻力系數(shù)，牛頓區(qū)內(nèi)C近似為 常數(shù)（圖3）；
V-——流體重度（kg/m3） 式（1）可寫成V=J器•!/花 （2） 即水流速與柱體迎、背流面之間壓強差平方 根成正比。
斷面為橋墩形的柱體探頭（即差壓感受 元件）A位于輸水管橫截面中心線上（見圖 1）,探頭的迎流面和背流面各有一排（9孔） 成對稱分布的感壓孔，分別與正負導(dǎo)壓管連 通。由于輸水管內(nèi)水流體與靜止柱體探頭相
V?d 對運動，產(chǎn)生繞流。繞流雷諾數(shù)Red = %-, 其中P為水流體運動粘度,V為水流速。流 量計探頭迎流面上諸感壓孔承受流體全壓。 因水流速在管道直徑方向非均勻分布，故探 頭各感壓孔承受的全壓值也不相等。這些數(shù) 值不等的全壓值在正壓聯(lián)通管內(nèi)自動平衡。 平衡后正壓管內(nèi)的全壓值為P”以水柱高 Hi表示，則Fh=導(dǎo)；位于渦流低壓區(qū)的背 流面感壓孔承受流體低壓，同樣，在負壓管 內(nèi)自動平衡后的低壓值為Pz,以水柱高Hz 表 7K , H 2
&——探頭后駐點無因次壓力，為負 值
a-a2用流速系數(shù)a表示，又因a?為負 值，須a = «1-a2 = a1 + | a2 \ 代入式（3）
式（4）與式（2）比較，物理含義相 同，a相當(dāng)于式（2）中的阻力系數(shù)C,探 頭的幾何形狀、工藝參數(shù)擇定后，a為常 數(shù)。
在常溫下，輸水■體積流量
Q = 3600- co* V （m3/h） 式中q一_輸水管橫斷面積
則 。=3600,蘭?~?J夸h
令36。。•平
必——儀表流量常數(shù)
0 = ^ ■/ h
經(jīng)實驗證明，只要感壓孔沿圓管直徑向 紊流范圍內(nèi)按一定規(guī)律分布，正負導(dǎo)壓管內(nèi) 的水壓強差h與管道內(nèi)平均水流速可保持以 下函數(shù)關(guān)系：
=（% 一 口2）
(m)
(3)
圖4流量計構(gòu)造
1 .輸水管，2.探頭，3.分流水表；4,短管，
5.正壓導(dǎo)管，6.負壓導(dǎo)管，7.閘閥；8.閘閥,
9 .平衡閥；10.差壓變送器；11開方器$ 12 ,電 子電位差計；13 .旋塞閥
式中 V-—輸水管內(nèi)平均水流速;
p
靜壓水頭;
%——探頭前駐點無因次壓力;
42
圖4流量計構(gòu)造
1 .輸水管，2.探頭，3.分流水表；4,短管，
5.正壓導(dǎo)管，6.負壓導(dǎo)管，7.閘閥；8.閘閥,
9 .平衡閥；10.差壓變送器；11開方器$ 12 ,電 子電位差計；13 .旋塞閥
V-——流體重度（kg/m3） 式（1）可寫成V=J器•!/花 （2） 即水流速與柱體迎、背流面之間壓強差平方 根成正比。
斷面為橋墩形的柱體探頭（即差壓感受 元件）A位于輸水管橫截面中心線上（見圖 1）,探頭的迎流面和背流面各有一排（9孔） 成對稱分布的感壓孔，分別與正負導(dǎo)壓管連 通。由于輸水管內(nèi)水流體與靜止柱體探頭相
V?d 對運動，產(chǎn)生繞流。繞流雷諾數(shù)Red = %-, 其中P為水流體運動粘度,V為水流速。流 量計探頭迎流面上諸感壓孔承受流體全壓。 因水流速在管道直徑方向非均勻分布，故探 頭各感壓孔承受的全壓值也不相等。這些數(shù) 值不等的全壓值在正壓聯(lián)通管內(nèi)自動平衡。 平衡后正壓管內(nèi)的全壓值為P”以水柱高 Hi表示，則Fh=導(dǎo)；位于渦流低壓區(qū)的背 流面感壓孔承受流體低壓，同樣，在負壓管 內(nèi)自動平衡后的低壓值為Pz,以水柱高Hz 表 7K , H 2
&——探頭后駐點無因次壓力，為負 值
a-a2用流速系數(shù)a表示，又因a?為負 值，須a = «1-a2 = a1 + | a2 \ 代入式（3）
式（4）與式（2）比較，物理含義相 同，a相當(dāng)于式（2）中的阻力系數(shù)C,探 頭的幾何形狀、工藝參數(shù)擇定后，a為常 數(shù)。
在常溫下，輸水■體積流量
Q = 3600- co* V （m3/h） 式中q一_輸水管橫斷面積
則 。=3600,蘭?~?J夸h
令36。。•平
必——儀表流量常數(shù)
0 = ^ ■/ h
經(jīng)實驗證明，只要感壓孔沿圓管直徑向 紊流范圍內(nèi)按一定規(guī)律分布，正負導(dǎo)壓管內(nèi) 的水壓強差h與管道內(nèi)平均水流速可保持以 下函數(shù)關(guān)系：
=（% 一 口2）
(m)
(3)
圖4流量計構(gòu)造
1 .輸水管，2.探頭，3.分流水表；4,短管，
5.正壓導(dǎo)管，6.負壓導(dǎo)管，7.閘閥；8.閘閥,
9 .平衡閥；10.差壓變送器；11開方器$ 12 ,電 子電位差計；13 .旋塞閥
式中 V-—輸水管內(nèi)平均水流速;
p
靜壓水頭;
%——探頭前駐點無因次壓力;
42
圖4流量計構(gòu)造
1 .輸水管，2.探頭，3.分流水表；4,短管，
5.正壓導(dǎo)管，6.負壓導(dǎo)管，7.閘閥；8.閘閥,
9 .平衡閥；10.差壓變送器；11開方器$ 12 ,電 子電位差計；13 .旋塞閥
流量Q與均速畢托管測差壓h平方根成 正比。輸水管徑一定，標(biāo)定a值（或H值）， 只要測出差壓h、即可導(dǎo)出流量Q。
流量計構(gòu)造如圖4所示。探頭2插在輸 水管中，在其截面的徑向位置。探頭感受的 流量差壓信號經(jīng)導(dǎo)壓管5（ + ）、6（一）引出， 推動分流水表或其他形式的二次儀表進行流 量顯示和積算。
為便于維修和定期校驗，流量計帶有管 頭0 （焊接固定在輸水管上）、旋塞閥、外套 管、盤根座等動密封止水裝置及螺桿壓入緊 固裝置，均速畢托管可在管道不停水的情況 下裝入或拆卸。
按配用不同形式的二次儀表，流量計分 分為差壓式和分流式兩種類型：
1. JBL-I型差壓式流量計 以均速 畢托管作為流量計一次傳感元件，配以差壓 變送器、電子開方器、電子電位差計，或配 差壓變送器、開方積算器等DDZ系列電動單 元組合儀表，實現(xiàn)流量信號變送、轉(zhuǎn)換、顯 示、積算等目的（圖5）。
圖5差壓式流量計示意圖
2. 分流式流量計以高靈敏 度的YST5容積式水表或電子水表及Dgl5 旋翼式水表作為分流表，指示累計水量（參 見圖4 ）。將水表進出口接頭擰在閘閥7上與 導(dǎo)壓管5、6串聯(lián)，在壓差h推動下，水從探 頭迎流面感壓孔進入正壓導(dǎo)管，通過分流表 及負壓導(dǎo)管再由探頭背流面感壓孔流出，返 回主管道。
根據(jù)測試的分流管路阻力特性，在給定 的量程范圍內(nèi)，分流表通過的累計水量q與 相同時間內(nèi)輸水管通過的累計水量Q*成正 比，即
Qs-Kq K——倍率系數(shù)
通過流量檢定裝置標(biāo)定了每臺流量計的 倍率系數(shù)K,便可根據(jù)分流表秒表量q按上 式推算出相應(yīng)考核期內(nèi)輸水管過水量Q" 這種分流式流量計的特點在于構(gòu)造簡 單，有一定的精度。但受分流管路阻力特性 和分流表自身下限流量的制約，要求輸水管 內(nèi)平均水速不小于0.8?lm/s,為此分流 式流量計適合用于水泵揚水量或下限流速在 0.8-lm/s以上的清水輸水管道累計水量測 試。I型和I型流量計的均速畢托管 部分結(jié)構(gòu)相同。
感壓孔在探頭上的取孔位置、孔數(shù)、孔 徑及探頭截面形狀的選擇應(yīng)考慮以下要求：
1. 在欲定的流量量程范圍內(nèi)，a為足 夠準(zhǔn)確的近似常數(shù)。
2. 獲取較強的壓差信號，以利提高測 試靈敏度。
• 3.兼顧分流式流量計的功能需要，感 壓孔徑大小適當(dāng)，具有足夠的進出水流通面 積。
' 經(jīng)對幾種不同形狀的探頭及布孔方案試 驗比較，最后選擇了圖1、4所示方案，探頭 迎、背向各開9個感壓孔，在士0.75R范 圍內(nèi)均勻?qū)ΨQ分布。按此方案加工制作的 Dgl50-500不同規(guī)格探頭置于相應(yīng)口徑導(dǎo) 管中，放在大口徑流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上，進行了 系數(shù)a值的實測標(biāo)定,在流速0.355-3.265 m/s范圍內(nèi)，各流量點a值相對誤差均在士 1.2%以內(nèi)。表1為Dg300mm規(guī)格探頭流速 系數(shù)a實測數(shù)據(jù)。
根據(jù)每臺均速管標(biāo)定的a值及使用要 求，可按下式確定配套差壓變送器上限量程 差壓值 hg（mmHzO）。
hg=6.376 x 106 .以言1– （mmHzO）
43
流量計構(gòu)造如圖4所示。探頭2插在輸 水管中，在其截面的徑向位置。探頭感受的 流量差壓信號經(jīng)導(dǎo)壓管5（ + ）、6（一）引出， 推動分流水表或其他形式的二次儀表進行流 量顯示和積算。
為便于維修和定期校驗，流量計帶有管 頭0 （焊接固定在輸水管上）、旋塞閥、外套 管、盤根座等動密封止水裝置及螺桿壓入緊 固裝置，均速畢托管可在管道不停水的情況 下裝入或拆卸。
按配用不同形式的二次儀表，流量計分 分為差壓式和分流式兩種類型：
1. JBL-I型差壓式流量計 以均速 畢托管作為流量計一次傳感元件，配以差壓 變送器、電子開方器、電子電位差計，或配 差壓變送器、開方積算器等DDZ系列電動單 元組合儀表，實現(xiàn)流量信號變送、轉(zhuǎn)換、顯 示、積算等目的（圖5）。
圖5差壓式流量計示意圖
2. 分流式流量計以高靈敏 度的YST5容積式水表或電子水表及Dgl5 旋翼式水表作為分流表，指示累計水量（參 見圖4 ）。將水表進出口接頭擰在閘閥7上與 導(dǎo)壓管5、6串聯(lián)，在壓差h推動下，水從探 頭迎流面感壓孔進入正壓導(dǎo)管，通過分流表 及負壓導(dǎo)管再由探頭背流面感壓孔流出，返 回主管道。
根據(jù)測試的分流管路阻力特性，在給定 的量程范圍內(nèi)，分流表通過的累計水量q與 相同時間內(nèi)輸水管通過的累計水量Q*成正 比，即
Qs-Kq K——倍率系數(shù)
通過流量檢定裝置標(biāo)定了每臺流量計的 倍率系數(shù)K,便可根據(jù)分流表秒表量q按上 式推算出相應(yīng)考核期內(nèi)輸水管過水量Q" 這種分流式流量計的特點在于構(gòu)造簡 單，有一定的精度。但受分流管路阻力特性 和分流表自身下限流量的制約，要求輸水管 內(nèi)平均水速不小于0.8?lm/s,為此分流 式流量計適合用于水泵揚水量或下限流速在 0.8-lm/s以上的清水輸水管道累計水量測 試。I型和I型流量計的均速畢托管 部分結(jié)構(gòu)相同。
感壓孔在探頭上的取孔位置、孔數(shù)、孔 徑及探頭截面形狀的選擇應(yīng)考慮以下要求：
1. 在欲定的流量量程范圍內(nèi)，a為足 夠準(zhǔn)確的近似常數(shù)。
2. 獲取較強的壓差信號，以利提高測 試靈敏度。
• 3.兼顧分流式流量計的功能需要，感 壓孔徑大小適當(dāng)，具有足夠的進出水流通面 積。
' 經(jīng)對幾種不同形狀的探頭及布孔方案試 驗比較，最后選擇了圖1、4所示方案，探頭 迎、背向各開9個感壓孔，在士0.75R范 圍內(nèi)均勻?qū)ΨQ分布。按此方案加工制作的 Dgl50-500不同規(guī)格探頭置于相應(yīng)口徑導(dǎo) 管中，放在大口徑流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上，進行了 系數(shù)a值的實測標(biāo)定,在流速0.355-3.265 m/s范圍內(nèi)，各流量點a值相對誤差均在士 1.2%以內(nèi)。表1為Dg300mm規(guī)格探頭流速 系數(shù)a實測數(shù)據(jù)。
根據(jù)每臺均速管標(biāo)定的a值及使用要 求，可按下式確定配套差壓變送器上限量程 差壓值 hg（mmHzO）。
hg=6.376 x 106 .
43
式中：Qg——上限流量值（m3/h）；
D 輸水管內(nèi)徑（mm）
D 輸水管內(nèi)徑（mm）
表2 Dg300mm探頭流速系數(shù)a實測數(shù)據(jù)
| 序 號 |
平均流速 m/s |
Red | On |
儀表流速系數(shù) a |
(Zn ^—(Z _ . °= a % |
| 1 | 0.355 | 9.8X104 | 1.660 | + 1.2% | |
| 2 | 0.648 | 17.9X104 | 1.660 | + 1.2% , | |
| 3 | 1.259 | 34.8X10、 | 1.630 | 1.640 | -0.61% |
| 4 | 1.870 | 51.8X104 | 1.630 | -0.61% | |
| 5 | 2.490 | 68.9X104 | 1.646 | + 0.36% | |
| 6 | 3.146 | 87 x IO' | 1.643 | + 0.18% |
三、實驗數(shù)據(jù)及經(jīng)濟效益
為核定精度等級，委托貴州省計量測試 所將6套不同口徑規(guī)格的均速畢托管差壓式 流量計，在開封流量中心站的大口徑流量標(biāo) 準(zhǔn)裝置上進行了計量性能的測試。（標(biāo)準(zhǔn)裝 置系統(tǒng)精度為士0.2%）。實測結(jié)果表明，被 檢流量的基本誤差限均小于量程上限的士 1.5%。表3列舉了 Dg300口徑流量計的部分 測試數(shù)據(jù)。
分流式流量計的精度系用標(biāo)準(zhǔn)表法測 試，（以精度±0.5%的渦輪流量計為標(biāo)準(zhǔn) 表）。表4列舉了口徑150mm分流式流量計測 試數(shù)據(jù)。
為核定精度等級，委托貴州省計量測試 所將6套不同口徑規(guī)格的均速畢托管差壓式 流量計，在開封流量中心站的大口徑流量標(biāo) 準(zhǔn)裝置上進行了計量性能的測試。（標(biāo)準(zhǔn)裝 置系統(tǒng)精度為士0.2%）。實測結(jié)果表明，被 檢流量的基本誤差限均小于量程上限的士 1.5%。表3列舉了 Dg300口徑流量計的部分 測試數(shù)據(jù)。
分流式流量計的精度系用標(biāo)準(zhǔn)表法測 試，（以精度±0.5%的渦輪流量計為標(biāo)準(zhǔn) 表）。表4列舉了口徑150mm分流式流量計測 試數(shù)據(jù)。
表3均速畢托管流量計測試記錄
型號：規(guī)格：Dg300mm
型號：規(guī)格：Dg300mm
| 流量標(biāo)準(zhǔn)值 | 流量計 | 艷對誤差 | 上限流宜 | 精 度 | ||
| 序 | 號 | Qi S/h) |
指示流量 Qz （m3/h） |
2\Q = Q2—Qi (m3/h) |
Qmax (m3/h) |
AQmax »z 。一 c % M i max |
| 1 | 90.5 | 89 | -1.5 | |||
| 上 | 2 | 164.9 | 164.6 | -0.3 | ||
| 3 | 321.2 | 319.7 | -1.5 | |||
| 行 | 4 | 476.2 | 473.9 | -2.3 | ||
| 程 | 5 | 632.7 | 634.6 | + 1.9 | 800.80 | |
| 6 | 800.8 | 796.9 | -3.9 | + 0.2% | ||
| 下 | 6 | 800.6 | 796.9 | -3.7 | —0.5% | |
| 5 | 648.3 | 646.7 | -1.6 | |||
| 行 | 4 | 475.8 | 473.9 | -1.9 | ||
| 程 | 3 | 324.5 | 323.3 | -1.2 | ||
| 2 | 164.1 | 164.6 | + 0.5 |
該流量計的特點及經(jīng)濟效益分析如下：
1.能直接、準(zhǔn)確地反映出平均流速水 頭參數(shù)。測量探頭無活動部件，因而儀表具 有良好的復(fù)現(xiàn)性。采取多對感壓孔迎背流向 對稱布置，可獲取相當(dāng)于平均流速水頭L6 倍以上的差壓信號，有利于提高測試靈敏 度。
2. 阻力損失小。常用的測量水的孔板 差壓流量計壓力損失一般在70~120mmHg 范圍內(nèi)，均速畢托管的壓力損失約為前者的 2%,可忽略不計。對于用水量大的冶金、化 工、電力等行業(yè)而言，可節(jié)約大量輸水電 耗。
3, 采用插入式結(jié)構(gòu)，均速畢托管直接
|
插在輸水管上，可在管道不停水情況下拆卸 或裝入，便于維修及定期清洗、校驗。.
4. 有較寬的量程比。一般^^板差壓流 量計量程比為3 ： 1?4 : 1,均速畢托管差壓 式流量計可達5 : 1~8 : lo
5. 結(jié)構(gòu)簡單，無須敷設(shè)旁通管道與閥 門組，建設(shè)投資與運行費用明顯低于其他類 型的流量計。
6. 設(shè)計加工定型后，系數(shù)“、K值等 技術(shù)參數(shù)可按使用件進行計算，有利于實現(xiàn)
，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。
除上述特點外，均速畢托管作為水流量 計量器具也還存在一些問題有待進一步研究 解決，如擴大分流式流量計的測試量程比、 完善有關(guān)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)等。
