大管道氣體流量檢測儀表與校驗

眾所周知，規模產生效益。近二、三十年來，工程的大型化已成為現代工業發展的必然趨勢。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?？蓽y氣體流量的儀表不少，從原理及制造角度來說，將尺寸放大應無問題，但儀表的體積及重量將隨口徑按幾何級數增長，而且還會帶來其他問題，例如孔板，這種人們熟知的節流裝置，當口徑較大時不僅笨重，還有較大的壓損，運行費用過高，再加上ISO5167新標準要求前直管段達30~40D，現場很難滿足，無法考慮再采用這類儀表。量變到質變，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，僅測取管道中一點或多點的流速來推算流量的插入式流量計，這類儀表的共同特點是：結構簡單，安裝維修方便，價格低廉，重復性好，準確度一般不高。因其原理均為取樣性質，所以首先要了解管道內的流速分布，這樣才能正確選定檢測點的位置及數量。

工業管流

千變萬化的管內流速分布

各行各業的工程，從其本身的工藝要求出發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流速分布也千變萬化，難以估計。R．W．Miller( 美國流量測量工程手冊作者)認為：“流速分布是影響流量測量準確度的主要因素，而工業現場的配件種類繁多，其流動情況十分復雜，不僅難以描述，也不易在實驗室模擬它們”。由于絕大多數流量儀表都與流速分布有關，它的校驗所處的流場應與實用條件的流場一致，校驗的系數才有意義。這個流場被公認為充分發展紊流，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，這種作用經過約30D（D為管內徑）直管段長度，其流速分布將不再變化，如雷諾數Re＜2000為層流；Re＞4000則為紊流，工業中多為紊流，即充分發展紊流。

描述—近百年來不少科學家對充分發展紊流進行了大量測試與描述，其中以Nikuradse的光滑管充分發展紊流公式最簡單，它近似地表達為

其中Vi為任一點流速；Vm中心最大流速；y流速點至管壁的距離；R管道半徑；n為指數，與Re有關。

平均流速點—通過公式１可推導出光滑管充分發展紊流的平均流速點

圓管內的平均流速點取決于３個因素：

1）．直管段長度；2）．雷諾數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，僅測管道一點流速就可取得．±0.5~1%的流量準確度，按ISO7145評估，其準確度只能達到±3%；如直管段較短，流量準確度甚至不足±5~10%。

流動調整器（flow conditioner）

要準確地測量流量，必需具有較長的直管段長度，而實際現場往往無法滿足，為此，國際標準化組織曾多次推薦采用十余種類型的流動調整器，但筆者認為這并非上策，因為：1）增加成本，一臺流動調整器的價格不亞于一臺流量計；2）需經常清洗加大了維修量；3）效果好的流動調整器永久壓損大，增加了運行成本；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

在我國倡導建設節約型經濟的前提下，本文所介紹的大管道氣體流量檢測儀表排除了壓損大、運行費過高的節流裝置；也不推薦價格過高的氣體超聲波流量計，僅限于介紹在工控系統中，性價比較高，以取樣原理的插入式流量儀表，按其取點方式可分為以下三大類：

測點速

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公司已推出此產品，國內曾仿制用于火電廠稱“小喇叭管”。近十多年國內已有產品進入市場。它是利用外文丘利管喉部加速產生低壓，促進內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，其最大特點是可測低于小于5m/s的流速，傳熱與流體質量有關，因此所測為質量流量；不足是氣體溫度一般要低于200℃，響應時間在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，皮托管可用于工業現場校驗，很少作為工業儀表。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。

這類儀表生產廠商常宣傳他們的儀表都在風洞中標定過，其實那僅只是標定流速不是流量，流量準確度不可能達到他們宣傳的±1%。

測線速

以測管道中分布在一條線上的多點流速來推算流量，較上述測單點的準確，安裝穩定，可靠，在工控系統中檢測大管道氣體流量，常為首選儀表，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，三十多年來經過了不斷改進，目前在國內外市場上有以下幾種：

菱形-Ⅱ—最早檢測桿截面為圓形，因“阻力危機”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，當溫度變化時，易發生漏氣或初始應力過大削弱強度等弊病，現已很少采用；另一種是一體化結構，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，我國已可生產并應用于現場。

彈夾型—近十年來，在國內市場曾占有較大份額，生產廠商宣稱其頭部的粗糙面可控制附面層從而提高精確度，經專業人士論證，附面層相對其他因素對準確度的影響微不足道。而其缺點是輸出差壓較小，測壓孔太小，當流體中含有粉塵，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，準確度達到令人難以置信的±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？當直管段長度不夠時，又如何保證準確度？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

原理與上節測單點熱式相同，只是在結構上為多點，反映管道內多點的流速分布，以此推算流量。

比較上述二種均速管流量計，熱式優點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平均后，由于流動復雜，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來修正，可以預計熱式均速管流量計如能改進提高準確度，將會有較大的發展潛力。

測截面多點流速

機翼型流量計—這是經典文丘利管的改進型式，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，側面多個靜壓孔，有較多的測點反映截面的流速分布，雖較機翼輕巧，但不夠準確。

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。

均速環流量計（圖3）—針對均速管流量計應用三十余年存在的輸出差壓小，準確度低，忽視管內徑對準確度影響等缺點推出的一項專利產品（專利號ZL200420061027.3），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的流速分布等一系列措施，改善均速管的技術特性，正引起國內外廠商及用戶的關注。

校驗

流量是一個推導量，影響的因素較多，必需通過校驗所得的系數進行修正，才可以得到正確的流量值。由于絕大多數流量儀表（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，因此要正確使用流量儀表都必需具有較長的前直管段，即他們應安裝在充分發展紊流之中，所以校驗裝置也必需提供充分發展紊流，它是校驗與應用的流場平臺，只有這樣，校驗的系數才可以用于現場儀表，否則校驗毫無意義。

風洞能校驗流量儀表嗎？

由于人們難以測取飛行器在運動中的受力情況，只有用相對方法，令飛行器（或等比例縮小的模型）靜止不動。由風洞產生一股迎面氣流，以模擬實際飛行情況，為此要精心設計，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），它與充分發展紊流是完全不同的，只能校驗流速計，不能校驗流量計。

有人認為用風洞標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。眾所周知，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，說明管道的影響舉足輕重，它可表現為二個方面：

1）具有較長的直管段，以保證流速的準確度；2）準確的管道截面積，用風洞可以標定流速，不能標定流量。

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（10：1）調整流量；

具有較高精確度的流量基準；

具有較長的直管段，以保證提供充分發展紊流（如受場地限制，在實驗室建議采用流動調整器）；

其他特殊要求：如工況、實流、二相、脈動等。

如何面對現場條件：

在現場應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，其流量系數也因為流場的差異，直接引用并不能保證其準確度。在這種情況下，只有采用速度一面積法進行現場校驗。

速度一面積法

原理—速度面積法是一種測量管道內流量的經典方法，由于較為繁瑣，只適用于現場校驗，而不宜用于流程工業檢測。由于管道內流速分布不等，可將管道分割許多單元面積Ａi，并認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確，但也越繁瑣而不現實。

準確度— 采用速度面積法的準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，取決于管內流速分布，取點的多少；

I：流速計的誤差；　

z：測量管道截面積儀器的  誤差

由于現場流速分布比較復雜，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數目，據ISO7194估計，圓管采用速度面積法，測點為48個 Q＜±5%；測點36個 Q＜±7%；測點20個 Q可達±14%.

標準—有關速度一面積法如何操作，由于篇幅所限，本文略去，讀者可參閱以下標準：
－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。

－ISO7145-1982  封閉管道中的流量測量—測量截面一點流速的方法。

－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。

－中國國家標準 jjG835-1993 速度面積法流量校驗裝置檢定規程。

小結

直管長度舉足輕重

直管段長度對流量儀表準確度影響很大，插入式儀表尤為突出，而現場難以保證，生產廠商往往回避這個問題，片面強調儀表本身的流速精確度，用戶選用時應理性。

計量、檢測各有側重

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易計量，準確度應放在首位，插入式流量儀表一般難以滿足要求；但它的重復性較好，可以用于工控系統的檢測環節。

綜合考慮，按需選用

本文按大管道氣體流量檢測的特點，介紹了不少插入式流量計，測點速的簡單，價廉，但不準確；測截面多點的，準確度雖有所提高，但笨重，安裝維修不便。筆者認為測線的二種均速管（差壓、熱式），結構仍較簡單，性能有所提高，在工控系統中是屬于性價比較高的產品。