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皮托管介紹

1. 測量原理和結構

1.1 測量原理

  皮托靜壓管（以下簡稱皮托管）是由一個垂直在支桿上的圓筒形流量頭組成的管狀裝置。本裝置在側壁周圍有一些靜壓孔, 頂端有一個迎流的全壓孔。它能測出差壓，并根據差壓確定流場中某處的流速，由流速與面積的乘積計算出流量。

  皮托管的測量原理是基于伯努利方程在空氣中應用的一個實例，如圖1所示。當理想流體均勻的平行流向靜止物體時，設想其中一條流線撞在物體上（即圖1中的A點），在此處流體發生分岔，A點稱為滯止或駐點，A點的流速為零，V_A＝0。

圖1 皮托管靜壓管原理結構圖

  如果我們選擇兩個截面Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ、Ⅰ－Ⅰ截面流動沒有受到任何的影響，流束是平行的，流速形成規則的速度分布，截面上各點的靜壓力相等。Ⅱ－Ⅱ截面流動受到影響，流束密集，流速加快，靜壓降低。則兩個面上的伯努利方程為 （1）

式中：－Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ區間的流體阻力系數，這里可以不考慮即：＝0；

— 流體密度，因為是均勻的

K－速度分布不均勻系數，這里可設K₁＝K₂＝1；

P－兩個截面的靜壓力；

V－兩個截面的流速，V₂＝V_A＝0。

整理得到公式為：

（2）

式中：P₂－總壓力（因為動壓為零）；

P₁－靜壓力。

如圖1所示，若在物體B點開一個孔，由于均勻流場中靜壓力相等，則 P₁＝P_B＝P₀；令P₂＝P₁，V₁＝V，公式（2）就變成為

（3）

_（4）

式中：P-P₀實際上是流場中某一點流體的動壓力P。

1.2 皮托管結構

  皮托管的原理結構如圖2所示,當一臺差壓計兩端分別與總壓管和靜壓管連接,這樣差壓計上就可以顯示出動壓值來。

_{圖2 皮托管靜壓管結構}

  圖2是一般皮托管的結構,為了能看清楚把兩端放大。如圖中可以看到皮托管外形是一個直角彎折的金屬管，與管軸平行安置的直角邊是測頭，其頂端有一個總壓孔，在其側壁有若干個靜壓孔。總壓孔與靜壓孔不相通，分別用導壓管引出，從靜壓孔至總壓孔稱為鼻端。直角的另一邊稱為支桿，引出總壓孔和靜壓孔的接頭以便與微壓計相連。其上有定向桿，指示鼻端方向。測量總壓力的管子叫皮托管；測量靜壓力的管子叫靜壓管。實際上常用的形狀都是皮托管和靜壓管的組合，而且多數使用實驗系數近似為1的形狀，也就是標準推薦的GETIAT型（錐形頭），AMCA型（球形頭）MPL型（橢圓形頭）三種，如圖3所示，皮托管各部分的結構要求如下。

圖3

a.  皮托管的支桿直徑應與測頭直徑相同，其長度不能短于測頭的長度；支桿尾端的定向桿應與測頭平行。

b.         測頭與支桿的平角應為90±2°,彎折處的曲率半徑為（2.5～3.5）d,并應圓滑,不得有皺折和明顯變扁等現象。

c.         總壓孔應位于測頭橫截面的中心，總壓孔的直徑d為（0.1～0.4）d,并不得小于1mm其邊緣不應不倒角、毛刺等。

d.         靜壓孔的位置與總壓孔的距離應不小于4d，與支桿相距應不應小于8d；靜壓孔的數目不少于4個，并均勻地分布在橫截面的圓周上。靜壓孔的直徑為0.5～1.0mm,孔的邊緣要求與總壓孔相同。

e.         總壓孔與總壓管，靜壓孔與靜壓管，均應通暢不堵塞。

f.         總壓管與總壓接頭，靜壓管與靜壓接頭之間，各焊縫處應不漏氣。

g.         皮托管測頭的直徑d應為4～15mm，長度為12～25d，而且外表面應光潔，接縫處應平整，不得有裂痕、劃傷、凹凸不平等缺陷，不得有銹蝕，鍍層起泡或脫落等現象。

h.         校準系數應在0.99 ～1.01之間。

i.              在空氣流速不超過40m/s的水流速度不超過2.5m/s的情況下,由皮托管給出的校準系數其準確度1%。

2. 安裝及使用

2.1使用范圍

2.1.1流體性質:用皮托管進行流量測量的流體,應是連續的單相流體或是具有與單相流體相類似的流體。如果是液體,則應該是牛頓流體,流動時應沒有橫向速度梯度。

2.1.2皮托管一般常用的流速為5～30m/s,不能使用于馬赫數約大于0.8的流體,而且為了得到佳的準確度,應在皮托管使用條件下進行校準。當馬赫數在0.9～1.0之間,大多數皮托管出現不規性,不能用以進行測量。

2.1.3皮托管的d/D不允許大到0.04,當d/D在0.02～0.04時需對阻塞影響和速度梯度進行修正,在高流速場合應避免皮托管的振動。

2.1.4皮托管安裝示意圖（見圖4）

圖4

2.1.5應用皮托管測流量時等面積劃分測點示意圖（見圖5）

圖5

2.2用皮托管測速時注意事項

a.    皮托管測量頭的軸線與管壁的距離不得小于測頭直徑。

b.    皮托管的位置應測準到下列兩個允差中的較小者。±0.005x,其中x是平行于皮托管定位方向的管道尺寸；±0.005y，其中y是皮托管到近管壁的距離。

c.    矩形橫截面測量點的小數目為25，測點位置應根據平行于各管壁的五 條直線的交叉點來確定，若采用算術法計算軸向平均速度測點分布按有關規定執行。

d.     圓形橫截面的各測點應被設置在同心圓上，在橫截面上至少為兩個相互正交的直徑上，每個半徑上至少3點，因而在一個截面中至少有12個測點。

e.    使用皮托管定期檢驗、標定。

2.3使用前的檢查

  皮托管使用前應檢查總壓孔和靜壓孔以及它們的連接是否有堵塞,皮托管內部總壓和靜壓腔室之間是否有泄漏。另外還要檢查是否有變形和鼻部損傷等。測量頭應垂直于支桿，與壓力計連接的導壓管應盡量短，并要求密封。壓力的阻尼要對稱和線性，皮托管應清潔。