皮托管和均速管流量計(jì)測量原理的比較

（1）皮托管

皮托管是一根彎成直角的雙層空心復(fù)合管，帶有多個取壓孔，能同時測量流體總壓和靜壓，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于流體的總壓和靜壓之差與被測流體的流速有確定的數(shù)值關(guān)系，因此可以用皮托管測得流體流速從而計(jì)算出被測流量的大小。

圖1　皮托管結(jié)構(gòu)

皮托管的工作原理可分析如下：

皮托管頭部迎流方向開有一個小孔A，稱為總壓孔，在距頭部一定距離處開有若干垂直于流體流向的靜壓孔B，各孔所測靜壓在均壓室均壓后輸出。設(shè)在均勻流動的管道中某點(diǎn)處流體的靜壓為p，流速為u。若在此處放置一根皮托管，并使皮托管軸線與流向平行，如圖1所示，緊靠皮托管前端A的流體被阻滯，在阻滯區(qū)域的中心形成“駐點(diǎn)”，駐點(diǎn)處流動完全停止，流速等于零，壓力由靜壓p上升到滯止壓力p1 （總壓）。設(shè)流動為不可壓縮無粘性流體的穩(wěn)定流動，則駐點(diǎn)處流體的伯努利方程為：

（1）

式中，p1為駐點(diǎn)處流體總壓；p、μ分別為駐點(diǎn)處流體靜壓和流速；ρ為流體密度。由此 可以得該點(diǎn)的流速為：

（2）

圖2　皮托管測量原理

A-總壓感應(yīng)點(diǎn)；B-靜壓感應(yīng)點(diǎn)

考慮到實(shí)際測量情況與理論上的差別，引入皮托管系數(shù)a（數(shù)值由實(shí)驗(yàn)確定）對上式進(jìn)行修正，修正后的流速公式為：

（3）

對于可壓縮流體，考慮到壓縮性的影響，實(shí)際流速計(jì)算公式為：

（4）

式中，（1-ε）為流體可壓縮性修正系數(shù)，對不可壓縮流體ε＝0。

皮托管可以測得管道截面上某一點(diǎn)的流速，若該點(diǎn)流速恰為管道截面上的平均流速，則流量可由式（A為管道截面積）求出。理論上可以根據(jù)前述流速分布與平均流速關(guān)系式求出平均流速所在半徑位置（例如層流狀態(tài)時，在管道半徑r＝0.707R的圓環(huán)上的流速等于管道截面平均流速，R為管道內(nèi)半徑），只要將皮托管放在該位置就可測得平均流速，進(jìn)而求出流量。但實(shí)際應(yīng)用中，該方法誤差大，難以實(shí)施，因?yàn)橛捎诜N種因素的影響，圓管內(nèi)的實(shí)際流速分布并不能按理論方法確定。因此，實(shí)用中通常采取在同一截面選取多點(diǎn)測量，然后求出平均流速的方法。如何選取測量點(diǎn)是皮托管測流量的關(guān)鍵，目前較常用的方法有等環(huán)面法、切比雪夫積分法和對數(shù)線性法。

使用皮托管時，需將其牢固固定，測頭軸線應(yīng)與管道軸線平行，被測流體的流動應(yīng)盡可能保持穩(wěn)定，否則將帶來測量誤差。在管路中選擇插入皮托管的橫截面位置，應(yīng)保證其有足夠長的上下游直管段。

皮托管具有壓損小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，適用于中、大管徑管道的流量測量，尤其在實(shí)驗(yàn)室研究和測定流體的流速分布時，更具明顯優(yōu)越性。缺點(diǎn)是測量結(jié)果受流速分布影響嚴(yán)重、計(jì)算復(fù)雜，精度也較低，測量時間長，難以實(shí)現(xiàn)自動測量等。

（2）均速管流量計(jì)

均速管流量計(jì)（又稱阿紐巴Annubar管）是基于皮托管原理而發(fā)展起來的一種新型流量計(jì)。均速管能夠直接測出管道截面上的平均流速，比之于皮托管，簡化了測量過程，提高了測量準(zhǔn)確性。

均速管是一根橫跨管道的中空、多孔金屬管，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。在迎流方向上開有對稱的兩對總壓取壓孔（也可以是二對以上），各總壓取壓孔位置分別對應(yīng)4個面積相等的半環(huán)形和半圓形區(qū)域，各總壓孔相通，測得的流體總壓均壓后由總壓管引出，這可認(rèn)為是反映截面平均流速的總壓。在背向流體流向一側(cè)的中央開有一個靜壓取壓孔，測得流體靜壓由靜壓管引出。由平均總壓與靜壓之差即可求得管道截面的平均流速，從而實(shí)現(xiàn)測量流量的目的。

圖3　均速管原理

均速管測量流速的原理與皮托管相同，其流速也可以用皮托管的流速公式（3）表示．而體積流量可由下式確定

（5）

式中，A為管道截面積；α為取決于均速管及管道內(nèi)徑的流量系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。

均速管流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，價(jià)格便宜；壓力損失小，能耗少；準(zhǔn)確度及長期穩(wěn)定性較好；適用范圍廣，可適用于液體、氣體和蒸汽等多種流體以及高溫高壓介質(zhì)的流量測量。均速管流量計(jì)適用的管徑范圍為25～9000mm，尤其適用于大口徑管道的流量測量。但它產(chǎn)生的差壓信號較低，需要配用低量程差壓計(jì)；不適用于污臟、有沉淀物的流體。