MPA流量計——差壓式流量計的技術(shù)進步
李吉男 常金旺 楊晨聲 周曉昱 大連中隆儀表有限公司 116023
摘要：本文介紹了一種新型的差壓式流量計——MPA流量計，它是通過管道多個測壓孔采用全流場取壓的方式測得管道的平均流速。它的取壓方式與以往傳統(tǒng)的、新式的差壓流量計如孔板、噴嘴、皮托管、V型內(nèi)錐等等完全不同。它除具有傳統(tǒng)差壓式流量計的優(yōu)點外，還具有壓損小、對前后直管段要求低、量程比（范圍度）大、準(zhǔn)確度高等明顯的優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：MPA流量計 新型差壓流量計 流體連續(xù)性原理
一、引言
差壓式流量計是目前工業(yè)生產(chǎn)中用來測量氣體、液體和蒸汽流量的*常用的一種流量儀表。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，在整個工業(yè)流量測量領(lǐng)域中，差壓式流量計占流量儀表總數(shù)的一半以上。因為結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便成本低等一系列優(yōu)點，所以由節(jié)流裝置和差壓計組成的節(jié)流式流量計在工業(yè)領(lǐng)域中用的*多。但由于傳統(tǒng)的差壓流量計的流出系數(shù)不穩(wěn)定，、線性差，重復(fù)性不好，準(zhǔn)確度因受諸多因素影響也不高，易被磨損，壓損較大，量程比（范圍度）小，現(xiàn)場安裝條件高，要求的直管段過長等諸多缺陷，人們對產(chǎn)生差壓的節(jié)流裝置的優(yōu)化改進工作一直沒有中斷。這種完善、改進的工作一直都沒有停止，并有了很大的飛越，研制出了一些適應(yīng)不同流體的節(jié)流裝置，例如：耐磨孔板、環(huán)形孔板、V型內(nèi)錐式、MPA流量計等節(jié)流裝置。本文將簡單論證它的工作原理、結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能及優(yōu)缺點。
二、概述
MPA（Multi-Point AveragingFlow meter）流量計(多點測量平均流速流量計)，是一種用于測量管道中液體，氣體或蒸汽等流體流量的新型的差壓式流量計。流體的流量正比于流量計差壓信號的平方根，用戶只需配用差壓計及流量顯示積算儀就可以得到準(zhǔn)確的流量測量。
與一般的速度式流量計的區(qū)別：
例如：皮托管流量計－測量的是某個點的流速；均速管流量計－測量的是管道縱向或橫向分布的平均流速。而MPA流量計是測量分布在管道截面上多個點（測量點是嚴(yán)格按切比雪夫積分法選取在管道橫截面上）的流體流速并*終得到準(zhǔn)確的管道平均流速測量，因此它具有良好的流量測量準(zhǔn)確度；
與一般節(jié)流式差壓流量計的區(qū)別：
與節(jié)流式孔板流量計、v型內(nèi)錐式流量計等相比。MPA流量計的管道壓力損失很小，僅為普通孔板流量計的1/5--1/8，是一種節(jié)能式流量測量儀表；
由于測量是通過管道截面多點平均流速的測量來實現(xiàn)的，因此MPA流量計對前直管段要求相對較低，一般表前有5倍D的直管段就可以滿足測量要求，而表后只要有2倍D的直管段就可以滿足要求；
場取壓差壓測量技術(shù)措施可抑制測量噪聲，提高信號測量的準(zhǔn)確性，測量范圍度一般可達(dá)到1：12或更大。
因此，MPA流量計是一種新型的高性能的流量測量儀表。
三、工作原理及結(jié)構(gòu)
1、工作原理
MPA流量計是根據(jù)伯努力方程和流體連續(xù)性原理用差壓法測量流量的。
1、連續(xù)性方程 連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律應(yīng)用于運動流體的一種數(shù)學(xué)表達(dá)式。它是運動學(xué)方程，既適用于理想流體，亦適用于實際流體。
封閉管道的連續(xù)性方程如下。
(a)可壓縮非定常流動
(1)
(b)可壓縮定常流動
(2)
(c)不可壓縮定常流動,在溫度壓力不變情況下
(3)
式中 A——過流斷面面積；
ν——過流斷面上的平均流速；
ρ——過流斷面上的平均密度；
腳標(biāo)1、2代表不同斷面；
qm（t）——隨時間變化的質(zhì)量流量；
qm，qv——分別為不隨時間變化的質(zhì)量流量和體積流量。
2、伯努利方程 伯努利方程是能量守恒定律應(yīng)用于運動流體的一種數(shù)學(xué)表達(dá)式。
(a)不可壓縮流體定常流的伯努利方程
(4)
式中Z，
—分別表示單位質(zhì)量流體在過流斷面上的位能、壓力能及動能的平均
值；
—單位質(zhì)量流體的平均能量損失；
腳標(biāo)1、2代表不同的過流斷面。
(b)可壓縮流體定常流的伯努利方程
(5)
式中k—等熵指數(shù)；其余符號同上。
流量方程式是從伯努利方程和連續(xù)性方程推導(dǎo)得出得，其推導(dǎo)過程不一一列舉了，直接給出其流量方程式：
（6）
（7）
式中： Qv 體積流量 (m3/s)
Qm 質(zhì)量流量 (kg/s)
A 管道橫截面積 (m2 )
C 流出系數(shù)（由制造廠提供）
△p 差壓值 (Pa)
ρ1 管道內(nèi)流體的密度 (kg/m3)
質(zhì)量流量由體積流量Qv與流體在此工作溫度和壓力下的密度之積得到。
2、MPA流量計的結(jié)構(gòu)見下圖
用MPA流量計測量流量的關(guān)鍵是如何確定特征點（即流速測量點的分布）。目前比較常用的有等環(huán)面法、切比雪夫積分法和對數(shù)線性法。
等環(huán)面法將半徑為R的圓管分成n個面積相等的同心圓環(huán)（*中間的為圓）。在每一個圓環(huán)的等面積處設(shè)置測量點，即特征點位置。半徑方向上n個測量點的位置為r1、r2、r3……、rn，
。
切比雪夫積分法是利用切比雪夫插值點ti求函數(shù)在區(qū)間﹣1到1的積分的一種近似算法。經(jīng)過變換，可以求得管內(nèi)半徑方向的測點位置
。
對數(shù)線性法選擇特征點的原則是把各環(huán)面上的平均速度看作是該環(huán)面上各特征點所測得的速度的算術(shù)平均值。而整個截面上的平均速度就等于各環(huán)面平均速度的算術(shù)平均值。
MPA流量計是嚴(yán)格按照切比雪夫法選取分布在管道上的流速測量點的，其分布圖如下：
流速測量點分布示意圖
MPA流量計為低壓差設(shè)計，因此測量氣體時一般不必考慮氣體膨脹系數(shù)的影響。只有在低壓系統(tǒng)中使用（例如常壓系統(tǒng)氣體流量測量），差壓值與系統(tǒng)壓力比（△p/P）大于4％時需要考慮氣體膨脹性對測量的影響。此時可壓縮性氣體介質(zhì)的流量可用下式計算：
（8）
式中:
為氣體可膨脹系數(shù) ，其他同上。
四、試驗數(shù)據(jù)
下圖是100mm口徑MPA流量計在美國ARL流量實驗室標(biāo)定試驗的結(jié)果。標(biāo)定結(jié)果表明在1：12的量程范圍內(nèi)流出系數(shù)保證了0.2％的準(zhǔn)確度。
4″MPAMETER CALIBRATION
DATE: April, 8,2003
PIPE DIAMETER=4.026
|
Run
#
|
Line Temp Deg F
|
Air Temp Deg F
|
Net Weight Jb
|
Run Duration secs
|
Output
|
Flow GPM
|
H Line FT H20
|
Pipe Rey.# 105
|
Cd
|
Downstream Pressure psig
|
|
1
|
39
|
70
|
9588
|
57.024
|
4.111
|
1210
|
21.981
|
6.0354
|
0.8116
|
3.2
|
|
2
|
39
|
70
|
9580
|
62.670
|
8.992
|
1100
|
18.189
|
5.4870
|
0.8112
|
18.0
|
|
3
|
39
|
70
|
9578
|
68.814
|
7.792
|
1001
|
15.070
|
4.9961
|
0.8115
|
29.7
|
|
4
|
39
|
70
|
9580
|
76.627
|
6.683
|
900.9
|
12.186
|
4.4925
|
0.8114
|
13.0
|
|
5
|
39
|
70
|
9577
|
86.044
|
5.699
|
801.2
|
9.627
|
3.9954
|
0.8119
|
21.4
|
|
6
|
39
|
70
|
9579
|
98.507
|
4.821
|
699.9
|
7.344
|
3.4907
|
0.8121
|
28.8
|
|
7
|
39
|
70
|
9578
|
115.101
|
4.059
|
599.0
|
5.362
|
2.9871
|
0.8134
|
35.6
|
|
8
|
39
|
70
|
9579
|
137.561
|
3.440
|
501.2
|
3.752
|
2.4997
|
0.8136
|
21.2
|
|
9
|
39
|
70
|
9070
|
161.755
|
2.931
|
403.6
|
2.428
|
2.0128
|
0.8144
|
26.0
|
|
10
|
39
|
70
|
8066
|
193.706
|
7.153
|
299.7
|
1.340
|
1.4947
|
0.8143
|
3.1
|
|
11
|
39
|
70
|
6056
|
217.614
|
4.300
|
200.3
|
0.598
|
0.9989
|
0.8144
|
5.8
|
|
12
|
39
|
70
|
2540
|
181.709
|
2.580
|
100.6
|
0.151
|
0.5018
|
0.8140
|
7.5
|
五、結(jié)束語
MPA流量計是一種高精度、壓損小的新型流量計，尤其它的量程范圍更是傳統(tǒng)差壓式流量計不可比擬的。MPA流量計經(jīng)過現(xiàn)場運行考驗，其性能良好。
參 考 文 獻(xiàn)
1、梁國偉 蔡武昌 流量測量技術(shù)及儀表 機械工業(yè)出版社
2、孫淮清 王建中 流量測量節(jié)流裝置設(shè)計手冊 化學(xué)工業(yè)出版社
3、RaymondK.KimandSeong-GilChoe MPAFLOWMETERING
Seojin Instech Co., Seoul, Korea
MPA流量計——差壓式流量計的技術(shù)進步