一種管道風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)的原理及試驗(yàn)研究

左麗

（徐州眾凱機(jī)電設(shè)備制造有限公司，江蘇 徐州 221004）

風(fēng)速儀是測量空氣流速的儀器，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，如電力、鋼鐵、石化、節(jié)能等行業(yè)。現(xiàn)場風(fēng)速測量裝置按原理主要分為熱球式、葉輪式和壓差式。

熱球式主要原理是探頭設(shè)定了一個(gè)恒定的溫度，空氣流過探頭后會(huì)帶走熱量，這時(shí)探頭會(huì)被加熱至設(shè)定溫度，此過程中會(huì)有電信號(hào)被儀器收集，并依此換算出風(fēng)速。此方法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，量程較大，適應(yīng)環(huán)境測量，缺點(diǎn)是探頭中連接熱球的鉑絲比較脆弱，使用中容易造成探頭損壞，無法修復(fù)。

葉輪式主要靠風(fēng)吹動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生電磁信號(hào)來測量，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是儀器比較耐用，常用于長期測量，氣象觀測中所用的三杯式風(fēng)速儀也是相同的原理，缺點(diǎn)是測試精度較低、靈敏度稍差，不適合細(xì)小風(fēng)速變化的測試。

壓差式是流體力學(xué)中測量流速的經(jīng)典方法，主要依靠皮托管和壓差計(jì)測量出動(dòng)壓，再根據(jù)伯努利方程計(jì)算流速。此方法靈敏度高，主要用在風(fēng)管中測量風(fēng)速，但對(duì)流場均勻性要求較高，管內(nèi)含物料和粉塵時(shí)，容易造成檢測設(shè)備堵塞，影響測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

本文介紹一種新型壓差式氣體流速流量在線檢測設(shè)備，可有效避免檢測設(shè)備堵塞，不僅適用于清潔氣流風(fēng)速測量，而且可用于含物料、粉塵氣體及高溫、高濕氣體的流速流量檢測及控制，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、響應(yīng)迅速、維護(hù)便捷，可實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦S中央控制室，為實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

1 測量原理

新型壓差式風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)測量原理如圖1所示。

檢測用的空氣從恒壓箱入口O點(diǎn)進(jìn)入恒壓箱，在恒壓控制器控制之下，恒壓箱內(nèi)保持恒定壓力P0。P0大于C點(diǎn)處壓力P1，且大于D點(diǎn)處壓力P2，在AC管段，壓差帶動(dòng)檢測用的氣體從恒壓箱出口A流向被測管道內(nèi)C點(diǎn)，同理空氣從恒壓箱出口B點(diǎn)流向被測管道內(nèi)D點(diǎn)，采用壓差傳感器采集AC、BD段壓差，可得到C點(diǎn)處壓力P1和D點(diǎn)處壓力P2，結(jié)合C和D處管道截面積，可以得到管道內(nèi)C點(diǎn)所在截面的流體速度，及待測管道的風(fēng)速。因氣阻的存在，從恒壓箱流入管道內(nèi)的氣流流量十分微小，對(duì)管道內(nèi)待測氣流的影響可忽略，檢測氣流保證C、D點(diǎn)處無粉塵或物料堆積堵塞即可。

圖1 新型壓差式風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)測量原理

A1、A2為C、D所在截面積，v1、v2為C、D截面流體速度。

根據(jù)流體恒定總流能量方程（伯努利方程）：

p：管道內(nèi)氣體密度，

g：重力加速度。

（1）、（2）兩式聯(lián)立，可得到C點(diǎn)所在截面流體速度即管道風(fēng)速v1。

2 測量裝置工作原理

新型壓差式風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 新型壓差式風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)工作原理

檢測氣流經(jīng)過濾和壓力平衡，使測量更為精確穩(wěn)定。數(shù)據(jù)采集采用微差壓傳感器，測量精度達(dá)0.01Pa。采用數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理及一系列運(yùn)算后得到風(fēng)速數(shù)據(jù)，以RS485信號(hào)傳輸至電腦終端。

3 試驗(yàn)裝置及數(shù)據(jù)

試驗(yàn)裝置由風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)兩端直管道、風(fēng)機(jī)和葉輪式風(fēng)速儀組成，試驗(yàn)管道直徑為φ350mm。試驗(yàn)方法為改變風(fēng)機(jī)頻率，以改變管道內(nèi)風(fēng)速，將風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)得到的風(fēng)速與葉輪式風(fēng)速儀測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)與葉輪式風(fēng)速儀測試數(shù)據(jù)之間的差值百分比。為與葉輪式風(fēng)速儀測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)氣流采用常溫常壓空氣，氣流不帶物料。

試驗(yàn)中隨著風(fēng)機(jī)頻率的改變，風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)反應(yīng)靈敏，可在2s內(nèi)完成數(shù)據(jù)響應(yīng)，而葉輪式風(fēng)速儀完成數(shù)據(jù)響應(yīng)需60s以上。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和圖3所示。

由圖表可以看到，新型壓差式風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)與葉輪式風(fēng)速儀相比，兩種風(fēng)速測量方式的數(shù)據(jù)差值百分比在5%以內(nèi)，滿足工程使用的要求，而且因風(fēng)機(jī)頻率變化與管道內(nèi)實(shí)際風(fēng)量成正比，新型壓差式風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)與實(shí)際風(fēng)速有更好的線性關(guān)系，而葉輪式風(fēng)速儀在風(fēng)速較大時(shí)與實(shí)際風(fēng)速的線性關(guān)系較差。

表1 風(fēng)速檢測數(shù)據(jù)表格

圖3 風(fēng)速檢測數(shù)據(jù)圖表

4 結(jié)語

（1）新型壓差式風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)與葉輪式風(fēng)速儀相比較，兩種測量方式的數(shù)據(jù)差值百分比在5%以內(nèi)，滿足工程使用的要求。

（2）風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)與實(shí)際風(fēng)速的線性關(guān)系優(yōu)于葉輪式風(fēng)速儀。

（3）風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，響應(yīng)速度快。

（4）風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)采用氣流吹入式檢測方式，有效避免檢測點(diǎn)處灰塵和物料料堆積堵塞，可用于除塵管道、稀相氣力輸送管道的風(fēng)速在線檢測。