MPA流量計——差壓式流量計的革命性進步
MPA流量計——差壓式流量計的革命性進步
常金旺 杨晨声 李吉男周晓昱 大连中隆仪表有限公司 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的、新式的差壓流量計如孔板、噴嘴、皮托管、V型內錐等等完全不同。它除具有傳統差壓式流量計的優點外，還具有壓損小、對前後直管段要求低、量程比（範圍度）大、准確度高等明顯的優點。
關鍵詞：MPA流量計 新型差压流量計 流體連續性原理
一、引言
差压式流量計是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸汽流量的最常用的一种流量仪表。据调查统计，在整个工业流量测量领域中，差压式流量計占流量仪表总数的一半以上。因为结构简单，安装方便成本低等一系列优点，所以由节流装置和差压计组成的节流式流量計在工业领域中用的最多。但由于传统的差压流量計的流出系数不稳定，、线性差，重复性不好，准确度因受诸多因素影响也不高，易被磨损，压损较大，量程比（范围度）小，现场安装条件高，要求的直管段过长等诸多缺陷，人们对产生差压的节流装置的优化改进工作一直没有中断。这种完善、改进的工作一直都没有停止，并有了很大的飞越，研制出了一些适应不同流体的节流装置，例如：耐磨孔板、环形孔板、V型内锥式、MPA流量計等节流装置。本文将简单论证它的工作原理、结构、技术性能及优缺点。
二、概述
MPA（Multi-Point AveragingFlow meter）流量計(多点测量平均流速流量計)，是一种用于测量管道中液体，气体或蒸汽等流体流量的新型的差压式流量計。流体的流量正比于流量計差压信号的平方根，用户只需配用差压计及流量显示积算仪就可以得到准确的流量测量。
与一般的速度式流量計的区别：
例如：皮托管流量計－测量的是某个点的流速；均速管流量計－测量的是管道纵向或横向分布的平均流速。而MPA流量計是测量分布在管道截面上多个点（测量点是严格按切比雪夫积分法选取在管道横截面上）的流体流速并最终得到准确的管道平均流速测量，因此它具有良好的流量测量准确度；
与一般节流式差压流量計的区别：
与节流式孔板流量計、v型内锥式流量計等相比。MPA流量計的管道压力损失很小，仅为普通孔板流量計的1/5--1/8，是一种节能式流量测量仪表；
由于测量是通过管道截面多点平均流速的测量来实现的，因此MPA流量計对前直管段要求相对较低，一般表前有5倍D的直管段就可以满足测量要求，而表后只要有2倍D的直管段就可以满足要求；
場取壓差壓測量技術措施可抑制測量噪聲，提高信號測量的准確性，測量範圍度一般可達到1：12或更大。
因此，MPA流量計是一种新型的高性能的流量测量仪表。
三、工作原理及結構
1、工作原理
MPA流量計是根据伯努力方程和流體連續性原理用差压法测量流量的。
1、連續性方程 連續性方程是質量守恒定律應用于運動流體的一種數學表達式。它是運動學方程，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,在温度压力不变情况下
(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1、2代表不同斷面；
qm（t）——隨時間變化的質量流量；
qm，qv——分別爲不隨時間變化的質量流量和體積流量。
2、伯努利方程 伯努利方程是能量守恒定律應用于運動流體的一種數學表達式。
(a)不可壓縮流體定常流的伯努利方程
(4)式中Z，
—分別表示單位質量流體在過流斷面上的位能、壓力能及動能的平均
—分別表示單位質量流體在過流斷面上的位能、壓力能及動能的平均值；
—單位質量流體的平均能量損失；
—單位質量流體的平均能量損失；腳標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
—等熵指數；其余符號同上。
—等熵指數；其余符號同上。流量方程式是從伯努利方程和連續性方程推導得出得，其推導過程不一一列舉了，直接給出其流量方程式：
（6）
（7）式中： Qv 體積流量 (m3/s)
Qm 質量流量 (kg/s)
A 管道橫截面積 (m2 )
C 流出系數（由制造廠提供）
△p 差壓值 (Pa)
ρ1 管道內流體的密度 (kg/m3)
質量流量由體積流量Qv与流体在此工作温度和压力下的密度之积得到。
2、MPA流量計的结构见下图
用MPA流量計测量流量的关键是如何确定特征点（即流速测量点的分布）。目前比较常用的有等环面法、切比雪夫积分法和对数线性法。
等環面法將半徑爲R的圓管分成n個面積相等的同心圓環（最中間的爲圓）。在每一個圓環的等面積處設置測量點，即特征點位置。半徑方向上n個測量點的位置爲r1、r2、r3……、rn，
。
。切比雪夫積分法是利用切比雪夫插值點ti求函數在區間﹣1到1的積分的一種近似算法。經過變換，可以求得管內半徑方向的測點位置
。
。對數線性法選擇特征點的原則是把各環面上的平均速度看作是該環面上各特征點所測得的速度的算術平均值。而整個截面上的平均速度就等于各環面平均速度的算術平均值。
MPA流量計是严格按照切比雪夫法选取分布在管道上的流速测量点的，其分布图如下：
流速測量點分布示意圖
MPA流量計为低压差设计，因此测量气体时一般不必考虑气体膨胀系数的影响。只有在低压系统中使用（例如常压系统气体流量测量），差壓值与系统压力比（△p/P）大于4％时需要考虑气体膨胀性对测量的影响。此时可压缩性气体介质的流量可用下式计算：
（8）式中
气体可膨胀系数 ，其他同上。
气体可膨胀系数 ，其他同上。四、試驗數據
下图是100mm口径MPA流量計在美国ARL流量实验室标定试验的结果。标定结果表明在1：12的量程范围内流出系数保证了0.2％的准确度。
4″MPA METER 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、結束語
MPA流量計是一种高精度、压损小的新型流量計，尤其它的量程范围更是传统差压式流量計不可比拟的。MPA流量計经过现场运行考验，其性能良好。
參 考 文 獻
1、梁國偉 蔡武昌 流量測量技術及儀表 機械工業出版社
2、孫淮清 王建中 流量測量節流裝置設計手冊 化學工業出版社
3、Raymond K.Kim and Seong-Gil Choe MPA FLOWMETERING
Seojin Instech Co., Seoul, Korea