昆山科爾源儀器儀表有限公司
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昆山科爾源儀器儀表有限公司
閱讀：14發(fā)布時間：2025-7-8
前言
，規(guī)模產(chǎn)生效益。近二、三十年來，工程的大型化已成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。工程中口徑大于500毫米的管道已十分普遍，其流量檢測（特別對氣體）已日益迫切，有待解決。可測氣體流量的儀表不少，從原理及制造角度來說，將尺寸放大應(yīng)無問題，但儀表的體積及重量將隨口徑按幾何級數(shù)增長，而且還會帶來其他問題，例如孔板，這種人們熟知的節(jié)流裝置，當(dāng)口徑較大時不僅笨重，還有較大的壓損，運(yùn)行費(fèi)用過高，再加上ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)要求前直管段達(dá)30~40D，現(xiàn)場很難滿足，無法考慮再采用這類儀表。量變到質(zhì)變，面臨這些困難，近二、三十年來，普遍采用的是采用取樣原理、插入安裝方式，僅測取管道中一點(diǎn)或多點(diǎn)的流速來推算流量的插入式流量計，這類儀表的共同特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便，價格低廉，重復(fù)性好，準(zhǔn)確度一般不高。因其原理均為取樣性質(zhì)，所以首先要了解管道內(nèi)的流速分布，這樣才能正確選定檢測點(diǎn)的位置及數(shù)量。
工業(yè)管流
千變?nèi)f化的管內(nèi)流速分布
各行各業(yè)的工程，從其本身的工藝要求出發(fā)在管道中都必需安裝形形色色的管配件（如閥門、彎頭、歧管、變徑管、過濾器等），由于它們的形式及組合方式極多所引起的管內(nèi)流速分布也千變?nèi)f化，難以估計。R．W．Miller( 美國流量測量工程手冊作者)認(rèn)為：“流速分布是影響流量測量準(zhǔn)確度的主要因素，而工業(yè)現(xiàn)場的配件種類繁多，其流動情況十分復(fù)雜，不僅難以描述，也不易在實驗室模擬它們"。由于絕大多數(shù)流量儀表都與流速分布有關(guān)，它的校驗所處的流場應(yīng)與實用條件的流場一致，校驗的系數(shù)才有意義。這個流場被為充分發(fā)展紊流，只要管道具有較長的直管段就可以得到（見圖1）。
充分發(fā)展紊流
■ 形成―由于實際流體均有粘性，在流動過程中將會帶動、制約相鄰層面的流體，這種作用經(jīng)過約30D（D為管內(nèi)徑）直管段長度，其流速分布將不再變化，如雷諾數(shù)Re＜2000為層流；Re＞4000則為紊流，工業(yè)中多為紊流，即充分發(fā)展紊流。
■ 描述―近百年來不少科學(xué)家對充分發(fā)展紊流進(jìn)行了大量測試與描述，其中以Nikuradse的光滑管充分發(fā)展紊流公式，它近似地表達(dá)為
......(1)
其中 Vi為任一點(diǎn)流速；Vm中心流速；y流速點(diǎn)至管壁的距離；R管道半徑；n為指數(shù)，與Re有關(guān)。
■ 平均流速點(diǎn)―通過公式１可推導(dǎo)出光滑管充分發(fā)展紊流的平均流速點(diǎn)
......(2)
由式2可知，圓管內(nèi)的平均流速點(diǎn)取決于3個因素：
1）直管段長度；2）雷諾數(shù)Re；3）粗糙度e，因此它的位置并非固定不變，不像有些廠商宣傳的那樣，僅測管道一點(diǎn)流速就可取得．±0.5~1%的流量準(zhǔn)確度，按ISO7145評估，其準(zhǔn)確度只能達(dá)到±3%；如直管段較短，流量準(zhǔn)確度甚至不足±5~10%。
流動調(diào)整器（flow conditioner）
要準(zhǔn)確地測量流量，必需具有較長的直管段長度，而實際現(xiàn)場往往無法滿足，為此，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織曾多次推薦采用十余種類型的流動調(diào)整器，但筆者認(rèn)為這并非上策，因為：1）增加成本，一臺流動調(diào)整器的價格不亞于一臺流量計；2）需經(jīng)常清洗加大了維修量；3）效果好的流動調(diào)整器壓損大，增加了運(yùn)行成本；4）易于堵塞，即使部分堵塞也改變了流速分布，無法提高準(zhǔn)確度。
既然事與愿違，又何必多次一舉。
大管道氣體流量檢測儀表
在我國倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型經(jīng)濟(jì)的前提下，本文所介紹的大管道氣體流量檢測儀表排除了壓損大、運(yùn)行費(fèi)過高的節(jié)流裝置；也不推薦價格過高的氣體超聲波流量計，于介紹在工控系統(tǒng)中，性價比較高，以取樣原理的插入式流量儀表，按其取點(diǎn)方式可分為以下三大類：
測點(diǎn)速
凡可測流速的儀表插入管道均可成為流量計，較為通用的有以下幾種：
■ 雙文丘利管―早于40年前，美國Taylar公司已推出此產(chǎn)品，國內(nèi)曾仿制用于火電廠稱“小喇叭管"。近十多年國內(nèi)已有產(chǎn)品進(jìn)入市場。它是利用外文丘利管喉部加速產(chǎn)生低壓，促進(jìn)內(nèi)文丘利再次加速可得到更低的壓力，從而在相同流速下可得到更大的輸出差壓，較適用于大管道低流速的氣體流量測量。
■ 熱式―利用傳熱原理，以熱電阻為敏感元件，當(dāng)流速高時將帶走更多的熱量，降低了熱電阻溫度，改變了電阻值，通過電阻值的變化了解流速大小及流量值，其特點(diǎn)是可測低于小于5m/s的流速，傳熱與流體質(zhì)量有關(guān)，因此所測為質(zhì)量流量；不足是氣體溫度一般要低于200℃，響應(yīng)時間在1秒以上。
■ 其他―按理，皮托管、插入式渦街（圖2）、渦輪均可用于測流量，皮托管可用于工業(yè)現(xiàn)場校驗，很少作為工業(yè)儀表。插入式渦街在低速及管道有振動時，工作不可靠；插入式渦輪由于有轉(zhuǎn)動件，維修量大等等。這些儀表近年來市場占有量都呈較大的下降趨勢。
這類儀表生產(chǎn)廠商常宣傳他們的儀表都在風(fēng)洞中標(biāo)定過，其實那僅只是標(biāo)定流速不是流量，流量準(zhǔn)確度不可能達(dá)到他們宣傳的±1%。
測線速
以測管道中分布在一條線上的多點(diǎn)流速來推算流量，較上述測單點(diǎn)的準(zhǔn)確，安裝穩(wěn)定，可靠，在工控系統(tǒng)中檢測大管道氣體流量，常為儀表，較典型的為均速管流量計：
差壓式均速管流量計
以皮托管測速原理為基礎(chǔ)，三十多年來經(jīng)過了不斷改進(jìn)，目前在國內(nèi)外市場上有以下幾種：
■ 菱形-Ⅱ―檢測桿截面為圓形，因“阻力危機(jī)"被菱形-I型取代，菱形-I又因背壓孔易堵，而被菱形-Ⅱ型代替。這種類型主要有二種：其一是艾默生公司十多年前推出的由三個型材組合形成的檢測桿，由于型材公差較大，當(dāng)溫度變化時，易發(fā)生漏氣或初始應(yīng)力過大削弱強(qiáng)度等弊病，現(xiàn)已很少采用；另一種是一體化結(jié)構(gòu)，由德國二、三家公司推出，工作可靠，可承受較高的溫
度，但價格較貴，我國已可生產(chǎn)并應(yīng)用于現(xiàn)場。
■ 彈夾型―近十年來，在國內(nèi)市場曾占有較大份額，生產(chǎn)廠商宣稱其頭部的粗糙面可控制附面層從而提高精確度，經(jīng)專業(yè)人士論證，附面層相對其他因素對準(zhǔn)確度的影響微不足道。而其缺點(diǎn)是輸出差壓較小，測壓孔太小，當(dāng)流體中含有粉塵，特別是有凝析物、油類、藻類等時，廠家也不得不承認(rèn)易于堵塞。
■ T型―迎流向有二排密集不到2毫米的總壓孔，低壓孔取出T形背部，孔徑較小，廠家宣稱測壓孔多更可“采集"流速分布狀況，準(zhǔn)確度達(dá)到令人難以置信的±0.7%。其實測壓孔就是密集到為一條縫，不也只能反映截面上直線上的流速嗎？當(dāng)直管段長度不夠時，又如何保證準(zhǔn)確度？況且由于測壓孔過小，與彈頭型一樣易于堵塞。
熱式均速管流量計
原理與上節(jié)測單點(diǎn)熱式相同，只是在結(jié)構(gòu)上為多點(diǎn)，反映管道內(nèi)多點(diǎn)的流速分布，以此推算流量。
比較上述二種均速管流量計，熱式優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高可測低速低溫流體流量，而且直接反映的是流速；而差壓式所測總壓在檢測桿內(nèi)平均后，由于流動復(fù)雜，混合后傳出的總壓未必是平均流速的總壓，所以必需通過校驗用流量系數(shù)來修正，可以預(yù)計熱式均速管流量計如能改進(jìn)提高準(zhǔn)確度，將會有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
測截面多點(diǎn)流速
■ 機(jī)翼型流量計―這是經(jīng)典文丘利管的改進(jìn)型式，縮短了長度，仍較笨重。
■ 總量測量裝置―在管道截面中插入了多根檢測管，檢測管正對流向鉆有多個總壓孔，側(cè)面多個靜壓孔，有較多的測點(diǎn)反映截面的流速分布，雖較機(jī)翼輕巧，但不夠準(zhǔn)確。
■ 熱式均速流量計―在管道中插入多根熱式均速管流量計，更全面反映管內(nèi)的流速分布，但每個熱電阻所反映的流速特性未必相同，校驗修正還有待改進(jìn)。
■ 均速環(huán)流量計（圖3）―針對均速管流量計應(yīng)用三十余年存在的輸出差壓小，準(zhǔn)確度低，忽視管內(nèi)徑對準(zhǔn)確度影響等缺點(diǎn)推出的一項產(chǎn)品（號ZL.3），它由雙文丘利管測低壓，提高了輸出差壓，用多根均速管充分反映了管內(nèi)的流速分布等一系列措施，改善均速管的技術(shù)特性，正引起國內(nèi)外廠商及用戶的關(guān)注。
校驗
流量是一個推導(dǎo)量，影響的因素較多，必需通過校驗所得的系數(shù)進(jìn)行修正，才可以得到正確的流量值。由于絕大多數(shù)流量儀表（容積、哥氏除外，但管徑一般小于0.2米）均與管道中流速分布密切相關(guān)，因此要正確使用流量儀表都必需具有較長的前直管段，即他們應(yīng)安裝在充分發(fā)展紊流之中，所以校驗裝置也必需提供充分發(fā)展紊流，它是校驗與應(yīng)用的流場平臺，只有這樣，校驗的系數(shù)才可以用于現(xiàn)場儀表，否則校驗毫無意義。
風(fēng)洞能校驗流量儀表嗎？
由于人們難以測取飛行器在運(yùn)動中的受力情況，只有用相對方法，令飛行器（或等比例縮小的模型）靜止不動。由風(fēng)洞產(chǎn)生一股迎面氣流，以模擬實際飛行情況，為此要精心設(shè)計，采取各種措施，使整個截面的流速都是相等的（即所謂均直流場，見圖4），它與充分發(fā)展紊流是不同的，只能校驗流速計，不能校驗流量計。
有人認(rèn)為用風(fēng)洞標(biāo)定插入式流量計探頭就可以了，有意或無意回避管道的影響。，流量Q=管道截面積AX流速V，因此可以說插入式流量計不插入管道只是流速計不能成為流量計，說明管道的影響*，它可表現(xiàn)為二個方面：
1）具有較長的直管段，以保證流速的準(zhǔn)確度；2）準(zhǔn)確的管道截面積，用風(fēng)洞可以標(biāo)定流速，不能標(biāo)定流量。
氣體流量校驗裝置
裝置的基本條件：
■ 管徑大小與形狀與被校表基本相同；
■ 可在較大范圍內(nèi)（10：1）調(diào)整流量；
■ 具有較高精確度的流量基準(zhǔn)；
■ 具有較長的直管段，以保證提供充分發(fā)展紊流（如受場地限制，在實驗室建議采用流動調(diào)整器）；
■ 其他特殊要求：如工況、實流、二相、脈動等。
如何面對現(xiàn)場條件：
在現(xiàn)場應(yīng)用的大管徑氣體流量計常采用矩形截面，大小，寬高比例形形色色，實驗室難以一一滿足；其次往往面臨直管段不足的情況，即未安裝在充分發(fā)展紊流中，即使在具備上述條件的裝置中校驗過，其流量系數(shù)也因為流場的差異，直接引用并不能保證其準(zhǔn)確度。在這種情況下，只有采用速度一面積法進(jìn)行現(xiàn)場校驗。
速度一面積法
■ 原理―速度面積法是一種測量管道內(nèi)流量的經(jīng)典方法，由于較為繁瑣，只適用于現(xiàn)場校驗，而不宜用于流程工業(yè)檢測。由于管道內(nèi)流速分布不等，可將管道分割許多單元面積Ａi，并認(rèn)為單元面積上的流速Vi近似相等，這樣流量 不難理解面積分割越多則越準(zhǔn)確，但也越繁瑣而不現(xiàn)實。
■ 準(zhǔn)確度― 采用速度面積法的準(zhǔn)確度取決于以下四個因素：
上式中：Q：流量測量誤差；a：管道截面誤差；v：流速測量誤差，取決于管內(nèi)流速分布，取點(diǎn)的多少；I：流速計的誤差；z：測量管道截面積儀器的誤差
由于現(xiàn)場流速分布比較復(fù)雜，不對稱且可能存在二次流及漩渦，要取得較高精確度必需增加測點(diǎn)數(shù)目，據(jù)ISO7194估計，圓管采用速度面積法，測點(diǎn)為48個Q＜±5%；測點(diǎn)36個Q＜±7%；測點(diǎn)20個Q可達(dá)±14%.
■ 標(biāo)準(zhǔn)―有關(guān)速度一面積法如何操作，由于篇幅所限，本文略去，讀者可參閱以下標(biāo)準(zhǔn)：
－ISO3966-1977 封閉管道中流量測量―采用皮托－靜壓管的速度一面積法。
?。璉SO7145-1982 封閉管道中的流量測量―測量截面一點(diǎn)流速的方法。
－ISO7194-1983 封閉管道中的流量測量―在圓管中處于漩渦及非對稱流動下采用皮托管的速度面積法。
?。袊鴩覙?biāo)準(zhǔn) jjG835-1993 速度面積法流量校驗裝置檢定規(guī)程。
小結(jié)
直管長度*
直管段長度對流量儀表準(zhǔn)確度影響很大，插入式儀表尤為突出，而現(xiàn)場難以保證，生產(chǎn)廠商往往回避這個問題，片面強(qiáng)調(diào)儀表本身的流速精確度，用戶選用時應(yīng)理性。
計量、檢測各有側(cè)重
流量儀表因其使用目的不同，及要求的特性也隨之不同，如用于物流核算的貿(mào)易計量，準(zhǔn)確度應(yīng)放在，插入式流量儀表一般難以滿足要求；但它的重復(fù)性較好，可以用于工控系統(tǒng)的檢測環(huán)節(jié)。
綜合考慮，按需選用
本文按大管道氣體流量檢測的特點(diǎn)，介紹了不少插入式流量計，測點(diǎn)速的簡單，價廉，但不準(zhǔn)確；測截面多點(diǎn)的，準(zhǔn)確度雖有所提高，但笨重，安裝維修不便。筆者認(rèn)為測線的二種均速管（差壓、熱式），結(jié)構(gòu)仍較簡單，性能有所提高，在工控系統(tǒng)中是屬于性價比較高的產(chǎn)品。
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