文章介紹適用于大口徑流量測量的差壓式阿牛巴流量計，闡述阿牛巴流量計的工作原理、基本結構、性能特點和應用情況，并和孔板流量計作運行能耗的計算比較。

概述
利用差壓原理進行流量測量是當今世界上使用最多，同時也是可靠的流量測量系統之一。差壓流量計的代表產品孔板有著悠久的歷史，它占據了目前世界上大概50%-55%左右的工業流量測量市場，大家對其安裝、使用和檢修非常熟悉。

孔板流量計簡單可靠、加工方便，但也存在著量程比小、精度低、不可恢復壓損大、安裝調試不方便、需要進行磨損更換等缺點；而且在大于6英寸大口徑管道應用上，孔板流量計更失去了它的價格優勢，因為二個大法蘭價格和安裝、維護成本是可觀的。

T型阿牛巴流量計就非常好地解決了孔板流量計在大口徑流量測量上的全部問題。阿牛巴流量計有著測量精度高、量程比大、不可恢復壓損小、調試方便、不需要進行磨損更換維護、安裝成本非常低、可以在不停流的情況下帶壓安裝或檢修、并降低了對直管段的長度要求等優點。

第三代T型阿牛巴流量計
阿牛巴流量計是由美國Dieterich Standard Inc(縮寫DSI)在60年代末基于伯努利能量守恒原則和皮托管(Pitot)測速原理制造的的差壓式均速管流量計，Annubar®為其注冊商標(中文譯為阿牛巴)。DSI公司是這種差壓式均速管流量檢測元件的發明者，現已成為艾默生公司的一個產品子公司。

阿牛巴流量計在70年代隨成套設備引入我國。由于制作簡單、計算方便，國內、外已有多達數十家的仿制產品。在產品樣本上、在科技論文中常常可以見到“阿牛巴流量計”之類說法，實際上是一種錯誤理解，因為阿牛巴(Annubar®)是DSI為其發明的均速流量計所注冊的商標，而不是某類產品的名稱。

DSI公司的阿牛巴流量計從60年代末到現在總共經歷了第一代圓型、第二代寶石I型、寶石II型和革命性的T型三代產品的發展(見圖1)。


圖1 DSI公司三代阿牛巴產品

最初的阿牛巴流量計的檢測桿斷面形狀是圓形的，但圓形阿牛巴流量系數K值在雷諾數Re為105-106之間時，分離角處于78-130°之間不確定的位置上(見圖2)，K值增大且分散，分散度約為±10％。根據阿牛巴流量計算公式中流量與K值成正比的關系，因此K值±10％的分散性將造成流量測量±10％的誤差。


圖2 圓形阿牛巴流量系數K值分離角位置圖

隨后，菱形斷面的寶石I型阿牛巴流量計解決了圓形阿牛巴流量系數K值不穩定的問題；寶石II型的阿牛巴則進一步減少了流體經過阿牛巴傳感器邊緣時所產生的旋渦引起的信號失真；其他在圓型阿牛巴流量計基礎上發展來的橢圓型、扇型、子彈型、機翼型等多種均速管流量計(這些都屬于第二代的產品)，相比一代圓形阿牛巴，它們或多或少的都有進步，但使用存在著以下問題：
◆流量系數K不夠恒定，大大影響了阿牛巴在低速度、低流量時測量的精度。
◆產生的差壓信號比較小：一般只有1~3kPa左右；在測量流速比較低的工況時，甚至只有20-50Pa。當時的差壓變送器對這樣低的差壓的測量精度和穩定性沒有辦法保證，局限了其使用范圍，特別是一些氣體流量測量的應用。
◆容易受各種干擾影響，產生差壓的信噪比低,，影響了測量的穩定性。
◆因為均速管流量計是流體速度取樣式流量計，需要按流體力學研究的要求對管道內一定位置的流體速度取樣，所以安裝要求在X、Y、Z三軸方向一般要求不能偏差±3°：在一般現場要達到這個安裝精度是很困難的。

為了解決上面的這些問題，DSI公司繼續對阿牛巴流量計做了近二十年的大量的流體力學研究，終于在2001年推出了第三代T型阿牛巴流量計(圖3)。


圖3  T型阿牛巴流量計

和以往的各種以圓形、菱形為基礎的各式各樣的均速管流量計相比，第三代的T型阿牛巴流量計的不僅保持了寶石II型阿牛巴的各種優點，而且比較完美地解決了上面提到的四個存在的問題。

這些改進是革命性的：
1、T型阿牛巴解決了以往所有各種形狀阿牛巴流量計流量系數K在流量變化特別是在小流量時不穩定的問題，它有著非常恒定的K系數，流量測量最高精度可以達到±0.75% ，重復性為±0.1%。

從下圖4各種均速管流量計實際測試數據圖中可以看到T型阿牛巴的流量系數K在各個雷諾數范圍(包括在流體小流量，低雷諾數)中多能保持恒定在±0.75%以內,從根本上保證了它在各種流體狀況中能得到精確的測量。這個改進非常明顯。


圖4 各種阿牛巴流量計流體雷諾數

2、T型阿牛巴正面高壓取壓槽口跨越整個管道直徑，獲得比以往各種形狀均速管流量計12倍以上的流體速度取樣面積，因而得到平均流量速度分布綜合的精確的測量結果 ，并具有出色的雜質抗堵性能。


圖5 管道中流體的流線圖  

從圖5中可以看到：流體在T型阿牛巴正面能形成一個大的高壓區，流體中的雜質將繞過這個高壓區，并流離T型阿牛巴背后低壓取壓口的滯流區。雜質一般不會進入內部。多年來在各行各業得到無數成功應用的事例已經證明T型阿牛巴的抗堵設計是非常出色的。
 
3、以往各種形狀阿牛巴流量計相比，取得專利的T型阿牛巴在流體同樣的工藝條件下產生的差壓信號大80％以上，并具有突出的信噪比。

以往的阿牛巴流量計抗干撓能力差，在低流量時，輸出信號的信噪比太低,失真度太大，而且配套使用的微差壓變送器對微差壓測量的精度和穩定性無法保證，所以其使用好壞的一個重要條件，就是工藝條件要滿足它在測量流體時產生的差壓要足夠大。圖6顯示了各種均速管流量計的相對差壓信號強度。


圖6 相對差壓信號強度

第三代T型阿牛巴能產生比以往均速管流量計大80%以上的差壓，這種改進不但使得它有著10:1到 20:1的量程比，測量精度得到提高，而且可以能使用在以往不能被使用的低流速場合。

從下圖7可以看出它的差壓輸出信號具有非常好的信噪比，使得差壓變送器能得到正確的差壓信號，從而得到流量的穩定測量。


圖7 信噪比測試數據

4、取得專利的T型阿牛巴正面高壓取壓槽口跨越整個管道直徑，允許在X、Y、Z三軸方向有±5°的偏差，安裝人員能更容易地安裝、調試。

氣體流量的測量問題
由于氣體流量的復雜性，氣體流量儀表在測量精度、可靠性等方面都明顯劣于液體流量儀表，特別是對DN>200的大管徑的氣體(如煤氣、煙道氣、蒸汽)流量測量面臨的問題更多。這主要表現在以下幾個方面：
◆流量計的標定基本是以水為介質，因此缺乏國家授權、客觀公正的大管徑氣體流量標定裝置，致使氣體流量儀表的精確度不能得到公認，測量誤差大。
◆氣體的流量測量受溫度、壓力的變化而變動，這些不利因素對氣體流量儀表的精確度、重復性造成嚴重影響，經常無法達到用戶的需求。
◆工業流程的大口徑管道往往是總管，一旦停氣檢修，牽涉面廣，損失大，因此需要流量儀表高可靠性，和穩定性，同時具有免維護性。
◆大部分的差壓流量計，特別是孔板的不可恢復壓損大，長年累月的運行成本高。

第三代T型阿牛巴是如何面對上面的四個問題的？
問題1：流量計標定的問題
流量計的標定是為了檢驗它在規定流量測量范圍中的精度和重復性。第三代T型阿牛巴在各個流量范圍中的高精度、高重復性的指標在美國、歐洲多個權威流量研究中心得到認可(包括美國國家標準與技術研究院，簡稱NIST)，并完全符合均速管流量計行業標準(JB/T5325-1991)；在中國獲得中國質檢總局的計量器具的認可批文。

流體的沖刷磨損對第三代T型阿牛巴的測量幾乎沒有影響。所以無需標定，僅僅只需對其配套微差壓變送器做普通壓力測量精度的標定。

昌暉儀表YR-ER101-CA系列微差壓變送器具有0.1%測量精度，同時五年免標定。
 
問題2：氣體的壓力，溫度變化對測量的影響
氣體的壓力，溫度變化對流量測量的精度會造成很大的影響。以往是通過增加壓力，溫度補償來提高流量測量的精度。常規的流體溫度、壓力補償公式為：圖片，其中Qmass是流體的質量流量，K是流量系數，DP是流量計產生的差壓，P是工作壓力，T是流體的溫度。但流量系數K不是一個常數，是隨著流量、壓力、溫度的變化而變化的。但是在實際使用中， 流量系數K則采用了流體正常流量時的固定值，所以流量計的測量精度就大大降低了，這是導致差壓式流量計測量精度低的一個重要原因。

昌暉儀表為了解決這個問題，在高精度差壓變送器基礎上發展了YR-ER105多參數流量變送器，配套各種各樣的差壓式流量傳感器使用。

YR-ER105多參數流量變送器內置了±0.075％精度的差壓變送器、±0.075％精度的絕壓變送器、溫度變送器、高速CPU和大容量數據儲存器，廢棄了常用的用恒定流量系數K的粗略流量計算公式，對流體流量進行實時、動態最完全的補償計算。


圖8 YR-ER105多參數流量變送器使用的動態、實時流量補償、計算公式說明圖

YR-ER105內置的大容量數據儲存器儲存了各種流體在不同壓力、溫度下在計算公式中所需要使用的物性數據：包括密度、粘度、氣體常數、壓縮系數、等容比熱等等數據；根據流體實際變化的工作壓力，溫度，可以從數據庫中取出對應的數據放入補償公式中計算。這個流量計算公式還對管道和孔板中心孔在不同溫度，壓力下的熱脹冷縮和膨脹等各種影響進行補償計算，最大程度地消除各個造成流量測量誤差的因數。在使用同樣的差壓流量一次檢測元件的情況下，使用YR-ER105可以使整個流量測量系統精度提高一倍以上。

對于蒸汽的流量測量，YR-ER105多參數流量變送器會判斷蒸汽處于飽和、不飽和還是過熱的狀態，并自動切換到相應的補償計算公式進行計算。
 
YR-ER105和T型阿牛巴的結合使用能非常好地解決氣體壓力、溫度變化對流量測量精度的干擾，而且T型阿牛巴中的溫度傳感器是包含阿牛巴的腔體之中，(T型阿牛巴就是堅固的套管)，這樣在工藝管道上僅僅需要開一個口，就同時解決了差壓、壓力、溫度的測量，節省安裝成本，方便施工。

問題3：工業生產需要整個測量系統有高可靠性和穩定性、免維護、支持在線維護、更換的問題
第三代T型阿牛巴的特點完全滿足這些要求：
◆結構簡單，沒有任何易損部件，穩定性、可靠性高，基本就是免維護的。
◆流體的沖刷磨損對T型阿牛巴的測量幾乎沒有影響，所以無需定期標定，僅僅只要對它的配套變送器做普通壓力測量精度的標定。
◆提供專門設計的配套系統支持不停車、T型阿牛巴在線的拆裝、更換的操作。  

問題4：孔板差壓流量計不可恢復壓損大，長年累月運行成本大的問題
大部分用戶基本上沒有關注對流量儀表的不可恢復壓損所帶來的能源消耗成本，我們下面通過一個實際的例子(如圖9)，來看一下這個能源消耗成本是否應該重視。


圖10  實例工況表

按孔板使用條件，其量程比最大為1:3~1:4，因此其最低量程達不到1500m3/h，這方面T型阿牛巴遠遠優于孔板。

下面就二種流量計因不可恢復壓力損失造成的能源損耗作一些比較。


圖10 孔板和T型阿牛巴能源損耗計算

從圖10上可以看到，每年節約的能源費用為57619-1779＝55840(元)：僅僅一個測點，使用T型阿牛巴流量計每年至少節省大約5.5萬元，而且在低流量段提供了孔板不能滿足的流量測量精度。

上面這個例子是工廠生產中一個非常普通的事例。T型阿牛巴流量計就是這樣一個既省錢又有更好測量精度的流量計，符合用戶多種要求。

使用阿牛巴流量計需要注意的問題
1、提供的流量數據和管道數據一定要正確
◆阿牛巴流量計的機械尺寸是根據要安裝的管道尺寸(包括外徑和壁厚)量身定制的；
◆阿牛巴的流量測量范圍是根據用戶提供的流量數據計算和標定的；
因此如果用戶憑經驗和印象提供流量數據和管道的尺寸，造成數據和實際情況有大的差異，從而引起大的測量誤差。

2、特別注意小流量時的差壓大小
對于小于1kPa 、特別是小于0.5kPa的的差壓測量，需要明了：
◆T型阿牛巴流量計在低流速時流量系數 K值也是非常恒定的，測量精度非常高。
◆對于<0.5kPa的微差壓測量，是非常考驗差壓變送器的性能的：如果使用一個阿牛巴流量計而沒有得到好的測量精度的話，那變送器選擇不當也很可能是一個重要的原因。YR-ER101-CA微差壓變送器在微差壓測量精度上有0.1%測量精度，它的最小量程可以做到0-100Pa，且提供5年免標定的穩定性承諾。

3、引壓管的使用
差壓式阿牛巴流量計產生的差壓一般都比較小，要盡量不使用引壓管道，以提高小差壓信號傳遞的信噪比。

T型阿牛巴流量計提供了阿牛巴，三閥組，差壓變送器一體化的直接安裝方案，在流體溫度不高于300℃的情況下，我們建議使用這種方式，可以徹底減除引壓管，排污閥，保溫措施，安裝支架等，降低了安裝成本，同時減少使用引壓管道而引起的泄露，差壓信號失真等問題，保證高測量精度。


圖11 復雜的引壓系統的安裝可能泄露點(箭頭示意可能的泄漏點)     
 

4、抗堵塞問題
對于T型阿牛巴使用中遇到的抗堵，需要考慮下面3個點：
◆流體中是否有粘沾性的雜質：
如果有，那就需慎重考慮了-粘沾性的雜質粘在傳感器上，將大大影響測量的精度。
◆流體中是否雜質很多，而且裝置是間隙操作、經常停車且時間長：
如果是，在長時間的斷流時間中,雜質可能會干燥、結垢在傳感器的表面，長年累月一點點地堵死取壓口。 
◆引壓系統泄露：

如果沒有使用直接安裝方式,引壓管路系統引起的可能泄露點會造成在阿牛巴的引壓腔體內部有流體流動。這個流量即使是非常、非常小的, 流速是非常、非常慢的，但長年累月下，雜質還是可能會一點點進入阿牛巴內部并結聚，從而造成堵塞。

結束
阿牛巴流量測量的理論研究和應用技術日趨成熟，T型阿牛巴又具有高穩定性和高測量精度、一體化的安裝方式、本質性抗堵特性，寬測量量程范圍，非常低的運行能耗等等優點，在現有節能減排的大時代中，有著越來越寬廣的應用價值。

相關閱讀
微差壓變送器選型應注意的問題