MPA流量计——差压式流量计的技术进步
李吉男 常金旺 杨晨声 周晓昱 大连中隆仪表有限公司 116023
摘要：本文介绍了一种新型的差压式流量计——MPA流量计，它是通过管道多个测压孔采用全流场取压的方式测得管道的平均流速。它的取压方式与以往传统的、新式的差压流量计如孔板、喷嘴、皮托管、V型内锥等等完全不同。它除具有传统差压式流量计的优点外，还具有压损小、对前后直管段要求低、量程比（范围度）大、准确度高等明显的优点。
关键词：MPA流量计 新型差压流量计 流体连续性原理
一、引言
差压式流量计是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸汽流量的*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，差压式流量计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计在工业领域中用的*多。但由于传统的差压流量计的流出系数不稳定，、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流量计等节流装置。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）流量计(多点测量平均流速流量计)，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计。流体的流量正比于流量计差压信号的平方根，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计的区别：
例如：皮托管流量计－测量的是某个点的流速；均速管流量计－测量的是管道纵向或横向分布的平均流速。而MPA流量计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*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计的区别：
与节流式孔板流量计、v型内锥式流量计等相比。MPA流量计的管道压力损失很小，仅为普通孔板流量计的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流量计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；
场取压差压测量技术措施可抑制测量噪声，提高信号测量的准确性，测量范围度一般可达到1：12或更大。
因此，MPA流量计是一种新型的高性能的流量测量仪表。
三、工作原理及结构
1、工作原理
MPA流量计是根据伯努力方程和流体连续性原理用差压法测量流量的。
1、连续性方程 连续性方程是质量守恒定律应用于运动流体的一种数学表达式。它是运动学方程，既适用于理想流体，亦适用于实际流体。
封闭管道的连续性方程如下。
(a)可压缩非定常流动
(1)
(b)可压缩定常流动
(2)
(c)不可压缩定常流动,在温度压力不变情况下
(3)
式中 A——过流断面面积；
ν——过流断面上的平均流速；
ρ——过流断面上的平均密度；
脚标1、2代表不同断面；
qm（t）——随时间变化的质量流量；
qm，qv——分别为不随时间变化的质量流量和体积流量。
2、伯努利方程 伯努利方程是能量守恒定律应用于运动流体的一种数学表达式。
(a)不可压缩流体定常流的伯努利方程
(4)
式中Z，
—分别表示单位质量流体在过流断面上的位能、压力能及动能的平均
值；
—单位质量流体的平均能量损失；
脚标1、2代表不同的过流断面。
(b)可压缩流体定常流的伯努利方程
(5)
式中k—等熵指数；其余符号同上。
流量方程式是从伯努利方程和连续性方程推导得出得，其推导过程不一一列举了，直接给出其流量方程式：
（6）
（7）
式中： Qv 体积流量 (m3/s)
Qm 质量流量 (kg/s)
A 管道横截面积 (m2 )
C 流出系数（由制造厂提供）
△p 差压值 (Pa)
ρ1 管道内流体的密度 (kg/m3)
质量流量由体积流量Qv与流体在此工作温度和压力下的密度之积得到。
2、MPA流量计的结构见下图
用MPA流量计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。
等环面法将半径为R的圆管分成n个面积相等的同心圆环（*中间的为圆）。在每一个圆环的等面积处设置测量点，即特征点位置。半径方向上n个测量点的位置为r1、r2、r3……、rn，
。
切比雪夫积分法是利用切比雪夫插值点ti求函数在区间﹣1到1的积分的一种近似算法。经过变换，可以求得管内半径方向的测点位置
。
对数线性法选择特征点的原则是把各环面上的平均速度看作是该环面上各特征点所测得的速度的算术平均值。而整个截面上的平均速度就等于各环面平均速度的算术平均值。
MPA流量计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：
流速测量点分布示意图
MPA流量计为低压差设计，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），差压值与系统压力比（△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:
为气体可膨胀系数 ，其他同上。
四、试验数据
下图是100mm口径MPA流量计在美国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″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、结束语
MPA流量计是一种高精度、压损小的新型流量计，尤其它的量程范围更是传统差压式流量计不可比拟的。MPA流量计经过现场运行考验，其性能良好。
参 考 文 献
1、梁国伟 蔡武昌 流量测量技术及仪表 机械工业出版社
2、孙淮清 王建中 流量测量节流装置设计手册 化学工业出版社
3、RaymondK.KimandSeong-GilChoe MPAFLOWMETERING
Seojin Instech Co., Seoul, Korea
MPA流量计——差压式流量计的技术进步