一、皮托管流量測量基本原理和發(fā)展
皮托管測量是依據(jù)經(jīng)典流體力學(xué)一種測量流體點(diǎn)速度的測量原理。該原理是依據(jù)皮托管測量出所測量介質(zhì)的全壓和靜壓的差值，根據(jù)伯努利方程：
其中，P是靜壓，P0是全壓，ρ是介質(zhì)密度，V是介質(zhì)的流速。對于空氣測量來說，根據(jù)以上公式，再加上需要考慮由于測量元件的精度有限，皮托管所測量的數(shù)值與真實(shí)值之間的誤差，需要引入一個校準(zhǔn)系數(shù)α，最后得到空氣的流速與測量得到的全壓和靜壓公式：[1]
其中ΔP為微壓計(jì)測得的微壓差，即全壓和靜壓的差值。[2]
皮托管測量原理結(jié)構(gòu)簡單，測量壓力的測量元件價格低廉，制造使用也較為方便，對于較平穩(wěn)的氣流測量的準(zhǔn)確度較高。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，皮托管測量原理廣泛適用于空氣動力和風(fēng)力相關(guān)領(lǐng)域的氣體流速的測量，根據(jù)此原理制造的氣體流量計(jì)在市場中的應(yīng)用也較為常見。尤其是S型皮托管，具有防塵防堵、耐溫耐壓等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煉化、煤電等高排放、環(huán)境復(fù)雜的大型煙道的煙氣測量中。[3]
但在壓縮空氣的測量應(yīng)用中，皮托管流量計(jì)的應(yīng)用不多。直到2016年，壓縮氣體測量設(shè)備廠家SUTO首先發(fā)布了一款基于皮托管測量原理的皮托管流量計(jì)并應(yīng)用到壓縮氣體流量測量中。而后基于該原理的產(chǎn)品逐漸被市場認(rèn)可并陸續(xù)有制造廠家跟進(jìn)效仿，現(xiàn)在皮托管測量原理的流量計(jì)已經(jīng)較普遍地被工業(yè)企業(yè)尤其壓縮機(jī)制造企業(yè)所認(rèn)可并應(yīng)用。對于壓縮空氣的流量測量，是皮托管流量計(jì)在工業(yè)應(yīng)用中的創(chuàng)新。相比傳統(tǒng)的也是基于差壓原理的轉(zhuǎn)子流量計(jì)、孔板流量計(jì)等[4]，具有一些不可替代的優(yōu)勢，例如安裝方便、測量精度高、可同時具有溫壓補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)。
二、壓縮空氣流量測量中常用的測量原理
壓縮空氣中的氣流測量，即壓縮空氣的流量測量，在工業(yè)測量尤其是能源測量中具有非常重要的意義。對于壓縮空氣的流量測量裝置，大體可以分為幾類：一是節(jié)流裝置類，例如噴嘴流量計(jì)、孔板流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等；二是通過一些原理，以測量氣體流速為目的，間接計(jì)算氣體流量的測量方法，例如渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)等；三是通過一些原理，直接測量氣體的質(zhì)量流量，而后換算為容積流量的測量方法，例如科里奧利式流量計(jì)、熱式質(zhì)量流量計(jì)等。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，電子信息產(chǎn)業(yè)飛躍，一些機(jī)械式儀表已經(jīng)慢慢在時代的發(fā)展中被淘汰，留下的一些也在幾十年的應(yīng)用中被實(shí)踐所驗(yàn)證和選擇，優(yōu)勝劣汰，逐漸形成了目前的在工業(yè)應(yīng)用中主流的幾種測量原理的流量計(jì)。[5]
1.一種應(yīng)用比較廣泛的是基于渦流原理的流量計(jì)。渦街測量原理，也叫旋進(jìn)漩渦測量原理，即利用卡門渦街體，當(dāng)氣流流經(jīng)卡門渦街發(fā)生體時，會在其下游形成規(guī)則的兩列不對稱的旋渦列，而此漩渦產(chǎn)生的頻率與氣流流經(jīng)漩渦發(fā)生體時的流速具有確定的關(guān)系[6]，所以當(dāng)旋渦發(fā)生體的形狀和尺寸確定后，即可通過測量旋渦產(chǎn)生頻率來測量氣流的流速，再與管徑尺寸、溫度、壓力等參數(shù)相結(jié)合，便可計(jì)算出流量。渦街測量的原理如圖：
根據(jù)渦街原理設(shè)計(jì)的流量計(jì)具有一些普適性的優(yōu)勢，例如：結(jié)構(gòu)簡單，測量穩(wěn)定，沒有可動的部件，使用壽命長，在一定的流速范圍之內(nèi)測量比較精確。同時，渦街測量原理對于測量的介質(zhì)也就是壓縮空氣的質(zhì)量要求并不高，在一定測量位置即使有水或者一些雜質(zhì)也不影響測量的穩(wěn)定性。而渦街也是最早應(yīng)用于空氣測量的原理之一，測量技術(shù)成熟，制造廠家眾多，制造成本比較低廉，這些特點(diǎn)使得渦街流量計(jì)在壓縮空氣的流量測量中應(yīng)用廣泛。但是隨著測量需求的多樣性以及測量精確性要求的提高，在壓縮空氣的測量需求中也逐漸顯露了渦街流量計(jì)的一些弊端：管道式的安裝使用相對較復(fù)雜，測量范圍相對局限以及振動對于測量的干擾較大等。
2.一種是基于熱平衡原理的熱式質(zhì)量流量計(jì)。當(dāng)熱式傳感器周圍介質(zhì)流動時就會有熱量的傳遞，在穩(wěn)定狀態(tài)下熱敏傳感器所散失到周圍氣體中的熱量與氣體的質(zhì)量流量有確定的關(guān)系。通過測量周圍介質(zhì)的溫度變化，可得到氣體的質(zhì)量流量或體積流量。[7]熱式質(zhì)量測量原理簡圖如下[8]：
熱式流量計(jì)根據(jù)分類又分為熱損失型即恒功率式、熱溫差型即恒溫差式和熱脈沖型等類型。隨著熱式質(zhì)量流量計(jì)的發(fā)展和實(shí)踐檢驗(yàn)，浸入式或稱為探頭型式的熱式質(zhì)量流量計(jì)占據(jù)了熱式流量計(jì)的主導(dǎo)。尤其在壓縮空氣流量的測量中，探頭型式的熱式質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用到市場中絕大多數(shù)工業(yè)企業(yè)壓縮空氣流量的測量中。
熱式質(zhì)量流量計(jì)因其熱傳遞的原理，具有一些其他原理流量計(jì)不具備也不可替代的優(yōu)勢。一是測量范圍寬，因?yàn)闊醾鬟f的敏感性，熱式質(zhì)量流量計(jì)通常的量程比在100：1以上，優(yōu)秀的熱式流量計(jì)可以達(dá)到300：1，使熱式質(zhì)量流量計(jì)對于測量小流量尤其是微小流量具有天然的優(yōu)勢；二是熱式流量計(jì)的測量直接測出的是氣體的質(zhì)量流量，可以通過換算，得到氣體的體積流量。換算過程只是根據(jù)氣體在標(biāo)況下的密度計(jì)算得到，不需要通過測量氣體的溫度和壓力等工況條件，減少了測量的誤差，從而直接提高了測量的精確性；三是典型的探頭型式的熱式質(zhì)量流量計(jì)一般設(shè)計(jì)為插入形式，在安裝和使用中給用戶提供了方便快捷的一種安裝形式，尤其適用于一些現(xiàn)有管道的改善性測量需求。但是同時，熱式質(zhì)量流量計(jì)也具有一些明顯的短板，例如對于介質(zhì)的品質(zhì)和濕度的要求較高，對于一些含有雜質(zhì)或者含水量大的氣體測量，測量會受到比較明顯的影響[9]。因此在壓縮空氣的流量測量中，一些特殊位置的測量例如空壓機(jī)出氣位置的流量測量，并不適合使用熱式質(zhì)量流量計(jì)。
3.另外一種常被提及的是基于超聲波原理的流量計(jì)。超聲波原理是通過檢測超聲波脈沖順流傳播和逆流傳播的速度差來檢測風(fēng)速大小，從而再結(jié)合工況的溫度、壓力等參數(shù)計(jì)算出氣體的流量。根據(jù)計(jì)算公式不同可分為時差法、頻差法和相位差法等。[10]超聲波原理的流量計(jì)具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢，因?yàn)闇y量過程可以在管道外部通過傳感器貼合在管道上，因此測量對于管道無破損，測量無壓損，對于介質(zhì)無污染，同時量程范圍較寬，可以雙向測量等特點(diǎn)也是非常具有優(yōu)勢的。
超聲波原理流量計(jì)隨著這些年微處理技術(shù)和信號處理的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水、油等介質(zhì)的測量中，但是對于氣體的測量仍處于發(fā)展階段，并未有大規(guī)模的應(yīng)用。主要原因還是局限于超聲波測量原理的測量受限于現(xiàn)場不斷變化的工況條件(如流量、壓力和溫度)以及各種不同類型的“噪聲”干擾。[11]
除了以上幾種，噴嘴流量計(jì)、電磁流量計(jì)、科里奧利熱式流量計(jì)、孔板流量計(jì)等原理的流量計(jì)在氣體測量領(lǐng)域都有一定的應(yīng)用，但是在壓縮空氣流量測量中，應(yīng)用相對有限，本文不再一一討論。而對于皮托管原理流量計(jì)在壓縮氣體中的應(yīng)用，本文第四部分會著重研究。
三、壓縮空氣流量測量需求
壓縮空氣的流量測量相比簡單的風(fēng)速測量，具有復(fù)雜性和特殊性。比較標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)主要包含了以下幾個部分：壓縮空氣生產(chǎn)端如空壓站、壓縮空氣運(yùn)輸端如運(yùn)輸管網(wǎng)和壓縮空氣使用端即生產(chǎn)使用車間。而針對不同組成部分的壓縮空氣流量測量會有比較不同的需求，需要在應(yīng)用中加以區(qū)分并根據(jù)不同的需求選用合適測量原理的流量計(jì)，以達(dá)到準(zhǔn)確測量的目的。
1.壓縮空氣生產(chǎn)端的流量測量需求。對于生產(chǎn)端即空壓站的流量測量需求比較復(fù)雜，通常需要由簡單到復(fù)雜逐步分解。首先，對于壓縮空氣生產(chǎn)端的總生產(chǎn)能力需要有非常明確的掌握，因此對于空壓站房總出氣管路必須進(jìn)行流量測量，這也是《壓縮空氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50029-2014中明確要求的[12]。在總氣路的測量一般管道較粗，流量波動較大，而因?yàn)闅怏w一般經(jīng)過了空壓站房內(nèi)一些干燥過濾設(shè)備的處理，氣體較為干凈，因此此處須采用量程范圍較寬，不受流量下限限制的流量計(jì)，熱式質(zhì)量流量計(jì)為首選。其次，如果對于空壓機(jī)的運(yùn)行效率和排氣能力需要進(jìn)行分析和監(jiān)控的話，空壓機(jī)排氣位置也應(yīng)該配置流量計(jì)進(jìn)行流量的測量，這在設(shè)計(jì)規(guī)范中也明確了。對于空壓排氣位置的流量測量，一直以來是一個難點(diǎn)，因?yàn)榇颂幍膲嚎s空氣，具有溫度高、濕度大、流速高、直管段不足等各種限制。工業(yè)企業(yè)也嘗試用各種原理的流量計(jì)去測量，但是均有其局限性，熱式質(zhì)量流量計(jì)因?qū)y量介質(zhì)的要求并不適用此處流量測量，而渦街、孔板等流量計(jì)因受安裝、振動等因素限制，測量效果不佳，皮托管流量計(jì)則比較全面地適合于此處的應(yīng)用。再次，對于一些有節(jié)能需求的用戶，在一些特殊設(shè)備的特定位置也需要進(jìn)行一些測量。例如在《空氣壓縮機(jī)組及供氣系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測》GB/T16665-2017中對空壓站房的節(jié)能監(jiān)測做了要求，要對壓縮空氣干燥器的耗氣率應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測[13]。這就要求用戶需要在壓縮空氣干燥器前后進(jìn)行流量的測量，從而計(jì)算出干燥器的耗氣率。而對于干燥器前后兩端的測量，需求是不同的，因?yàn)楦稍锲髑岸说臍怏w介質(zhì)通常含水量較高，而后端卻是干燥的空氣，所以并不能都使用熱式質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測量。總體來說，壓縮空氣生產(chǎn)端的流量測量具有一定的多樣性，應(yīng)酌情考慮不同的需求應(yīng)用不同原理的流量計(jì)進(jìn)行測量。
2.壓縮空氣運(yùn)輸端的流量測量需求。壓縮空氣運(yùn)輸端主要包括了運(yùn)輸管網(wǎng)、閥門和一些調(diào)節(jié)裝置組成。對于此端的流量測量，一般目的是為了掌握站房出氣后運(yùn)輸?shù)礁鱾€部門的壓縮空氣的分別用量，從而進(jìn)行壓縮空氣成本的分析和管理。而在這些測量位置，一般性的測量要求是管道較粗，流量隨著生產(chǎn)用量的波動而波動較大，大多數(shù)工業(yè)企業(yè)使用的壓縮空氣都是經(jīng)過干燥和過濾處理的。而在一些管理較為粗放的行業(yè)中，也仍然存在一些使用未經(jīng)任何處理的壓縮空氣的情況，例如鋼鐵、石化、電力等行業(yè)，因此這里需要根據(jù)企業(yè)用戶的個體情況按照實(shí)際情況選擇。例如經(jīng)過干燥過濾的空氣，可以考慮熱式質(zhì)量和渦街流量計(jì)；而未經(jīng)干燥過濾的空氣，可以考慮渦街流量計(jì)和皮托管流量計(jì)；對于管道較粗，管道式安裝不方便的可以從熱式質(zhì)量和皮托管等可以實(shí)現(xiàn)插入式安裝的流量計(jì)中選擇。
3.壓縮空氣使用端的流量測量需求。在工業(yè)企業(yè)中，壓縮空氣使用端的流量測量往往被忽視，然而在此處的氣體使用量卻是關(guān)乎企業(yè)生產(chǎn)效率的重要方面。壓縮空氣是昂貴的次生能源，此能源的使用不像水、電等能源的使用顯而易見，卻更加昂貴并且非常易于被浪費(fèi)。因此工業(yè)企業(yè)中壓縮空氣的使用成本往往非常高，在壓縮空氣使用端的流量測量可以使企業(yè)用戶有效的監(jiān)控企業(yè)壓縮空氣的使用量，從而精確地分析壓縮空氣的使用成本，為企業(yè)的成本核算和節(jié)能減耗提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在壓縮空氣使用端的流量測量類似于運(yùn)輸端的測量，只是增加了一些細(xì)小的分支并且更加的精細(xì)化。一個比較特殊的應(yīng)用是對壓縮空氣系統(tǒng)泄漏量的測量。壓縮空氣泄露對于企業(yè)是極大的成本損失，不僅造成了壓縮空氣的浪費(fèi)，同時還造成了氣體的壓降和壓縮空氣品質(zhì)的降低。企業(yè)可以考慮用一些可測量微小流量的流量計(jì)進(jìn)行壓縮空氣泄露的測量。
四、皮托管流量測量在壓縮空氣測量中的合適應(yīng)用。
皮托管流量計(jì)應(yīng)用于壓縮空氣流量測量中，應(yīng)著重考慮皮托管流量計(jì)的幾個特性：高溫高濕氣體測量、可同時集成溫壓測量、皮托管的插入式設(shè)計(jì)等。如前文所述，在壓縮空氣流量測量中，特別典型的測量應(yīng)用是空壓機(jī)的排氣位置的流量測量。除了考慮測量原理的特性之外，還應(yīng)考慮施工、安裝等現(xiàn)實(shí)情況。例如空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造工程中，為了不影響現(xiàn)用系統(tǒng)的正常運(yùn)行，插入式流量計(jì)的可帶壓安裝拆卸的特性非常重要。而且相比結(jié)構(gòu)較為龐大的管道式流量計(jì)，設(shè)計(jì)小巧簡單、結(jié)構(gòu)更精密的插入式皮托管流量計(jì)更能得到用戶的認(rèn)可。
皮托管流量計(jì)可同時集成壓力、溫度的特性也可以大大簡化流量測量的過程。而通過一些工況參數(shù)的設(shè)定和補(bǔ)償，還可以實(shí)現(xiàn)一些更為專業(yè)的氣體流量的測量。例如對于空壓機(jī)的機(jī)組容積流量的測量，即要求除了空壓機(jī)排氣位置的流量測量外，還需要空壓機(jī)吸氣位置的溫度、濕度和大氣壓力[14]，而這些參數(shù)均可以通過皮托管流量計(jì)的參數(shù)設(shè)定與流量測量結(jié)合，經(jīng)過計(jì)算得到目標(biāo)測量值。
而對于一般性的壓縮空氣的流量測量，則要注意皮托管流量計(jì)的一些特性是否具有局限性。例如皮托管流量計(jì)的測量范圍相對不寬，尤其大管道、低流速的測量需求，對于這樣的測量位置，要注意皮托管流量計(jì)的測量范圍要涵蓋所需測量的流量，否則有可能會出現(xiàn)流速過低而皮托管流量計(jì)無法測量出數(shù)據(jù)的情況。
總體上來看，皮托管流量計(jì)，作為性能較為全面的一種流量計(jì)，在壓縮空氣流量測量中普適性較好，是一種綜合性能不錯的流量計(jì)的選擇。
五、結(jié)語
壓縮空氣是一種比較特殊的介質(zhì)，壓力大、流速快、密度相對其他流體不高，但空氣的流動特性又相對其他流體較為復(fù)雜，因此使得壓縮空氣流量測量是一種較為專業(yè)的測量。想要達(dá)到準(zhǔn)確可靠的測量，需要兩個方面同時滿足，一方面需要能夠準(zhǔn)確測量的設(shè)備，即流量計(jì)，但并不僅僅包括流量計(jì)本身的質(zhì)量、可靠性、精度等，也包括了對于流量計(jì)的正確選型，包括了各種原理的選擇和正確原理?xiàng)l件下的正確配置的選擇。第二個方面也是極易被忽視的一方面，即合適的流量計(jì)的正確應(yīng)用條件，既包括了測量的位置、溫度、壓力、流量范圍等工況和條件，也包括了流量計(jì)的正確設(shè)置和使用，例如管徑設(shè)置、參考條件設(shè)置，流量計(jì)的正確安裝等。
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一、皮托管流量測量基本原理和發(fā)展
皮托管測量是依據(jù)經(jīng)典流體力學(xué)一種測量流體點(diǎn)速度的測量原理。該原理是依據(jù)皮托管測量出所測量介質(zhì)的全壓和靜壓的差值，根據(jù)伯努利方程：
其中，P是靜壓，P0是全壓，ρ是介質(zhì)密度，V是介質(zhì)的流速。對于空氣測量來說，根據(jù)以上公式，再加上需要考慮由于測量元件的精度有限，皮托管所測量的數(shù)值與真實(shí)值之間的誤差，需要引入一個校準(zhǔn)系數(shù)α，最后得到空氣的流速與測量得到的全壓和靜壓公式：[1]
其中ΔP為微壓計(jì)測得的微壓差，即全壓和靜壓的差值。[2]
皮托管測量原理結(jié)構(gòu)簡單，測量壓力的測量元件價格低廉，制造使用也較為方便，對于較平穩(wěn)的氣流測量的準(zhǔn)確度較高。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，皮托管測量原理廣泛適用于空氣動力和風(fēng)力相關(guān)領(lǐng)域的氣體流速的測量，根據(jù)此原理制造的氣體流量計(jì)在市場中的應(yīng)用也較為常見。尤其是S型皮托管，具有防塵防堵、耐溫耐壓等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煉化、煤電等高排放、環(huán)境復(fù)雜的大型煙道的煙氣測量中。[3]
但在壓縮空氣的測量應(yīng)用中，皮托管流量計(jì)的應(yīng)用不多。直到2016年，壓縮氣體測量設(shè)備廠家SUTO首先發(fā)布了一款基于皮托管測量原理的皮托管流量計(jì)并應(yīng)用到壓縮氣體流量測量中。而后基于該原理的產(chǎn)品逐漸被市場認(rèn)可并陸續(xù)有制造廠家跟進(jìn)效仿，現(xiàn)在皮托管測量原理的流量計(jì)已經(jīng)較普遍地被工業(yè)企業(yè)尤其壓縮機(jī)制造企業(yè)所認(rèn)可并應(yīng)用。對于壓縮空氣的流量測量，是皮托管流量計(jì)在工業(yè)應(yīng)用中的創(chuàng)新。相比傳統(tǒng)的也是基于差壓原理的轉(zhuǎn)子流量計(jì)、孔板流量計(jì)等[4]，具有一些不可替代的優(yōu)勢，例如安裝方便、測量精度高、可同時具有溫壓補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)。
二、壓縮空氣流量測量中常用的測量原理
壓縮空氣中的氣流測量，即壓縮空氣的流量測量，在工業(yè)測量尤其是能源測量中具有非常重要的意義。對于壓縮空氣的流量測量裝置，大體可以分為幾類：一是節(jié)流裝置類，例如噴嘴流量計(jì)、孔板流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等；二是通過一些原理，以測量氣體流速為目的，間接計(jì)算氣體流量的測量方法，例如渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)等；三是通過一些原理，直接測量氣體的質(zhì)量流量，而后換算為容積流量的測量方法，例如科里奧利式流量計(jì)、熱式質(zhì)量流量計(jì)等。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，電子信息產(chǎn)業(yè)飛躍，一些機(jī)械式儀表已經(jīng)慢慢在時代的發(fā)展中被淘汰，留下的一些也在幾十年的應(yīng)用中被實(shí)踐所驗(yàn)證和選擇，優(yōu)勝劣汰，逐漸形成了目前的在工業(yè)應(yīng)用中主流的幾種測量原理的流量計(jì)。[5]
1.一種應(yīng)用比較廣泛的是基于渦流原理的流量計(jì)。渦街測量原理，也叫旋進(jìn)漩渦測量原理，即利用卡門渦街體，當(dāng)氣流流經(jīng)卡門渦街發(fā)生體時，會在其下游形成規(guī)則的兩列不對稱的旋渦列，而此漩渦產(chǎn)生的頻率與氣流流經(jīng)漩渦發(fā)生體時的流速具有確定的關(guān)系[6]，所以當(dāng)旋渦發(fā)生體的形狀和尺寸確定后，即可通過測量旋渦產(chǎn)生頻率來測量氣流的流速，再與管徑尺寸、溫度、壓力等參數(shù)相結(jié)合，便可計(jì)算出流量。渦街測量的原理如圖：
根據(jù)渦街原理設(shè)計(jì)的流量計(jì)具有一些普適性的優(yōu)勢，例如：結(jié)構(gòu)簡單，測量穩(wěn)定，沒有可動的部件，使用壽命長，在一定的流速范圍之內(nèi)測量比較精確。同時，渦街測量原理對于測量的介質(zhì)也就是壓縮空氣的質(zhì)量要求并不高，在一定測量位置即使有水或者一些雜質(zhì)也不影響測量的穩(wěn)定性。而渦街也是最早應(yīng)用于空氣測量的原理之一，測量技術(shù)成熟，制造廠家眾多，制造成本比較低廉，這些特點(diǎn)使得渦街流量計(jì)在壓縮空氣的流量測量中應(yīng)用廣泛。但是隨著測量需求的多樣性以及測量精確性要求的提高，在壓縮空氣的測量需求中也逐漸顯露了渦街流量計(jì)的一些弊端：管道式的安裝使用相對較復(fù)雜，測量范圍相對局限以及振動對于測量的干擾較大等。
2.一種是基于熱平衡原理的熱式質(zhì)量流量計(jì)。當(dāng)熱式傳感器周圍介質(zhì)流動時就會有熱量的傳遞，在穩(wěn)定狀態(tài)下熱敏傳感器所散失到周圍氣體中的熱量與氣體的質(zhì)量流量有確定的關(guān)系。通過測量周圍介質(zhì)的溫度變化，可得到氣體的質(zhì)量流量或體積流量。[7]熱式質(zhì)量測量原理簡圖如下[8]：
熱式流量計(jì)根據(jù)分類又分為熱損失型即恒功率式、熱溫差型即恒溫差式和熱脈沖型等類型。隨著熱式質(zhì)量流量計(jì)的發(fā)展和實(shí)踐檢驗(yàn)，浸入式或稱為探頭型式的熱式質(zhì)量流量計(jì)占據(jù)了熱式流量計(jì)的主導(dǎo)。尤其在壓縮空氣流量的測量中，探頭型式的熱式質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用到市場中絕大多數(shù)工業(yè)企業(yè)壓縮空氣流量的測量中。
熱式質(zhì)量流量計(jì)因其熱傳遞的原理，具有一些其他原理流量計(jì)不具備也不可替代的優(yōu)勢。一是測量范圍寬，因?yàn)闊醾鬟f的敏感性，熱式質(zhì)量流量計(jì)通常的量程比在100：1以上，優(yōu)秀的熱式流量計(jì)可以達(dá)到300：1，使熱式質(zhì)量流量計(jì)對于測量小流量尤其是微小流量具有天然的優(yōu)勢；二是熱式流量計(jì)的測量直接測出的是氣體的質(zhì)量流量，可以通過換算，得到氣體的體積流量。換算過程只是根據(jù)氣體在標(biāo)況下的密度計(jì)算得到，不需要通過測量氣體的溫度和壓力等工況條件，減少了測量的誤差，從而直接提高了測量的精確性；三是典型的探頭型式的熱式質(zhì)量流量計(jì)一般設(shè)計(jì)為插入形式，在安裝和使用中給用戶提供了方便快捷的一種安裝形式，尤其適用于一些現(xiàn)有管道的改善性測量需求。但是同時，熱式質(zhì)量流量計(jì)也具有一些明顯的短板，例如對于介質(zhì)的品質(zhì)和濕度的要求較高，對于一些含有雜質(zhì)或者含水量大的氣體測量，測量會受到比較明顯的影響[9]。因此在壓縮空氣的流量測量中，一些特殊位置的測量例如空壓機(jī)出氣位置的流量測量，并不適合使用熱式質(zhì)量流量計(jì)。
3.另外一種常被提及的是基于超聲波原理的流量計(jì)。超聲波原理是通過檢測超聲波脈沖順流傳播和逆流傳播的速度差來檢測風(fēng)速大小，從而再結(jié)合工況的溫度、壓力等參數(shù)計(jì)算出氣體的流量。根據(jù)計(jì)算公式不同可分為時差法、頻差法和相位差法等。[10]超聲波原理的流量計(jì)具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢，因?yàn)闇y量過程可以在管道外部通過傳感器貼合在管道上，因此測量對于管道無破損，測量無壓損，對于介質(zhì)無污染，同時量程范圍較寬，可以雙向測量等特點(diǎn)也是非常具有優(yōu)勢的。
超聲波原理流量計(jì)隨著這些年微處理技術(shù)和信號處理的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水、油等介質(zhì)的測量中，但是對于氣體的測量仍處于發(fā)展階段，并未有大規(guī)模的應(yīng)用。主要原因還是局限于超聲波測量原理的測量受限于現(xiàn)場不斷變化的工況條件(如流量、壓力和溫度)以及各種不同類型的“噪聲”干擾。[11]
除了以上幾種，噴嘴流量計(jì)、電磁流量計(jì)、科里奧利熱式流量計(jì)、孔板流量計(jì)等原理的流量計(jì)在氣體測量領(lǐng)域都有一定的應(yīng)用，但是在壓縮空氣流量測量中，應(yīng)用相對有限，本文不再一一討論。而對于皮托管原理流量計(jì)在壓縮氣體中的應(yīng)用，本文第四部分會著重研究。
三、壓縮空氣流量測量需求
壓縮空氣的流量測量相比簡單的風(fēng)速測量，具有復(fù)雜性和特殊性。比較標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)主要包含了以下幾個部分：壓縮空氣生產(chǎn)端如空壓站、壓縮空氣運(yùn)輸端如運(yùn)輸管網(wǎng)和壓縮空氣使用端即生產(chǎn)使用車間。而針對不同組成部分的壓縮空氣流量測量會有比較不同的需求，需要在應(yīng)用中加以區(qū)分并根據(jù)不同的需求選用合適測量原理的流量計(jì)，以達(dá)到準(zhǔn)確測量的目的。
1.壓縮空氣生產(chǎn)端的流量測量需求。對于生產(chǎn)端即空壓站的流量測量需求比較復(fù)雜，通常需要由簡單到復(fù)雜逐步分解。首先，對于壓縮空氣生產(chǎn)端的總生產(chǎn)能力需要有非常明確的掌握，因此對于空壓站房總出氣管路必須進(jìn)行流量測量，這也是《壓縮空氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50029-2014中明確要求的[12]。在總氣路的測量一般管道較粗，流量波動較大，而因?yàn)闅怏w一般經(jīng)過了空壓站房內(nèi)一些干燥過濾設(shè)備的處理，氣體較為干凈，因此此處須采用量程范圍較寬，不受流量下限限制的流量計(jì)，熱式質(zhì)量流量計(jì)為首選。其次，如果對于空壓機(jī)的運(yùn)行效率和排氣能力需要進(jìn)行分析和監(jiān)控的話，空壓機(jī)排氣位置也應(yīng)該配置流量計(jì)進(jìn)行流量的測量，這在設(shè)計(jì)規(guī)范中也明確了。對于空壓排氣位置的流量測量，一直以來是一個難點(diǎn)，因?yàn)榇颂幍膲嚎s空氣，具有溫度高、濕度大、流速高、直管段不足等各種限制。工業(yè)企業(yè)也嘗試用各種原理的流量計(jì)去測量，但是均有其局限性，熱式質(zhì)量流量計(jì)因?qū)y量介質(zhì)的要求并不適用此處流量測量，而渦街、孔板等流量計(jì)因受安裝、振動等因素限制，測量效果不佳，皮托管流量計(jì)則比較全面地適合于此處的應(yīng)用。再次，對于一些有節(jié)能需求的用戶，在一些特殊設(shè)備的特定位置也需要進(jìn)行一些測量。例如在《空氣壓縮機(jī)組及供氣系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測》GB/T16665-2017中對空壓站房的節(jié)能監(jiān)測做了要求，要對壓縮空氣干燥器的耗氣率應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測[13]。這就要求用戶需要在壓縮空氣干燥器前后進(jìn)行流量的測量，從而計(jì)算出干燥器的耗氣率。而對于干燥器前后兩端的測量，需求是不同的，因?yàn)楦稍锲髑岸说臍怏w介質(zhì)通常含水量較高，而后端卻是干燥的空氣，所以并不能都使用熱式質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測量。總體來說，壓縮空氣生產(chǎn)端的流量測量具有一定的多樣性，應(yīng)酌情考慮不同的需求應(yīng)用不同原理的流量計(jì)進(jìn)行測量。
2.壓縮空氣運(yùn)輸端的流量測量需求。壓縮空氣運(yùn)輸端主要包括了運(yùn)輸管網(wǎng)、閥門和一些調(diào)節(jié)裝置組成。對于此端的流量測量，一般目的是為了掌握站房出氣后運(yùn)輸?shù)礁鱾€部門的壓縮空氣的分別用量，從而進(jìn)行壓縮空氣成本的分析和管理。而在這些測量位置，一般性的測量要求是管道較粗，流量隨著生產(chǎn)用量的波動而波動較大，大多數(shù)工業(yè)企業(yè)使用的壓縮空氣都是經(jīng)過干燥和過濾處理的。而在一些管理較為粗放的行業(yè)中，也仍然存在一些使用未經(jīng)任何處理的壓縮空氣的情況，例如鋼鐵、石化、電力等行業(yè)，因此這里需要根據(jù)企業(yè)用戶的個體情況按照實(shí)際情況選擇。例如經(jīng)過干燥過濾的空氣，可以考慮熱式質(zhì)量和渦街流量計(jì)；而未經(jīng)干燥過濾的空氣，可以考慮渦街流量計(jì)和皮托管流量計(jì)；對于管道較粗，管道式安裝不方便的可以從熱式質(zhì)量和皮托管等可以實(shí)現(xiàn)插入式安裝的流量計(jì)中選擇。
3.壓縮空氣使用端的流量測量需求。在工業(yè)企業(yè)中，壓縮空氣使用端的流量測量往往被忽視，然而在此處的氣體使用量卻是關(guān)乎企業(yè)生產(chǎn)效率的重要方面。壓縮空氣是昂貴的次生能源，此能源的使用不像水、電等能源的使用顯而易見，卻更加昂貴并且非常易于被浪費(fèi)。因此工業(yè)企業(yè)中壓縮空氣的使用成本往往非常高，在壓縮空氣使用端的流量測量可以使企業(yè)用戶有效的監(jiān)控企業(yè)壓縮空氣的使用量，從而精確地分析壓縮空氣的使用成本，為企業(yè)的成本核算和節(jié)能減耗提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在壓縮空氣使用端的流量測量類似于運(yùn)輸端的測量，只是增加了一些細(xì)小的分支并且更加的精細(xì)化。一個比較特殊的應(yīng)用是對壓縮空氣系統(tǒng)泄漏量的測量。壓縮空氣泄露對于企業(yè)是極大的成本損失，不僅造成了壓縮空氣的浪費(fèi)，同時還造成了氣體的壓降和壓縮空氣品質(zhì)的降低。企業(yè)可以考慮用一些可測量微小流量的流量計(jì)進(jìn)行壓縮空氣泄露的測量。
四、皮托管流量測量在壓縮空氣測量中的合適應(yīng)用。
皮托管流量計(jì)應(yīng)用于壓縮空氣流量測量中，應(yīng)著重考慮皮托管流量計(jì)的幾個特性：高溫高濕氣體測量、可同時集成溫壓測量、皮托管的插入式設(shè)計(jì)等。如前文所述，在壓縮空氣流量測量中，特別典型的測量應(yīng)用是空壓機(jī)的排氣位置的流量測量。除了考慮測量原理的特性之外，還應(yīng)考慮施工、安裝等現(xiàn)實(shí)情況。例如空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造工程中，為了不影響現(xiàn)用系統(tǒng)的正常運(yùn)行，插入式流量計(jì)的可帶壓安裝拆卸的特性非常重要。而且相比結(jié)構(gòu)較為龐大的管道式流量計(jì)，設(shè)計(jì)小巧簡單、結(jié)構(gòu)更精密的插入式皮托管流量計(jì)更能得到用戶的認(rèn)可。
皮托管流量計(jì)可同時集成壓力、溫度的特性也可以大大簡化流量測量的過程。而通過一些工況參數(shù)的設(shè)定和補(bǔ)償，還可以實(shí)現(xiàn)一些更為專業(yè)的氣體流量的測量。例如對于空壓機(jī)的機(jī)組容積流量的測量，即要求除了空壓機(jī)排氣位置的流量測量外，還需要空壓機(jī)吸氣位置的溫度、濕度和大氣壓力[14]，而這些參數(shù)均可以通過皮托管流量計(jì)的參數(shù)設(shè)定與流量測量結(jié)合，經(jīng)過計(jì)算得到目標(biāo)測量值。
而對于一般性的壓縮空氣的流量測量，則要注意皮托管流量計(jì)的一些特性是否具有局限性。例如皮托管流量計(jì)的測量范圍相對不寬，尤其大管道、低流速的測量需求，對于這樣的測量位置，要注意皮托管流量計(jì)的測量范圍要涵蓋所需測量的流量，否則有可能會出現(xiàn)流速過低而皮托管流量計(jì)無法測量出數(shù)據(jù)的情況。
總體上來看，皮托管流量計(jì)，作為性能較為全面的一種流量計(jì)，在壓縮空氣流量測量中普適性較好，是一種綜合性能不錯的流量計(jì)的選擇。
五、結(jié)語
壓縮空氣是一種比較特殊的介質(zhì)，壓力大、流速快、密度相對其他流體不高，但空氣的流動特性又相對其他流體較為復(fù)雜，因此使得壓縮空氣流量測量是一種較為專業(yè)的測量。想要達(dá)到準(zhǔn)確可靠的測量，需要兩個方面同時滿足，一方面需要能夠準(zhǔn)確測量的設(shè)備，即流量計(jì)，但并不僅僅包括流量計(jì)本身的質(zhì)量、可靠性、精度等，也包括了對于流量計(jì)的正確選型，包括了各種原理的選擇和正確原理?xiàng)l件下的正確配置的選擇。第二個方面也是極易被忽視的一方面，即合適的流量計(jì)的正確應(yīng)用條件，既包括了測量的位置、溫度、壓力、流量范圍等工況和條件，也包括了流量計(jì)的正確設(shè)置和使用，例如管徑設(shè)置、參考條件設(shè)置，流量計(jì)的正確安裝等。
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