0 前言

规模产生效益。众所周知，近二、三十年来，工程的大型化已成为现代工业发展的必然趋势。工程中口径大于300毫米的管道已十分普遍，其流量检测(特别对气体)问题的待解决程度已日益迫切。可测气体流量的仪表不少，从原理及制造角度来说，将尺寸放大应无问题，但仪表的体积及重量将随口径按几何级数增长，而且还会带来其它问题。例如孔板，这种人们熟知的节流装置，当口径较大时不仅笨重，还有较大的压损，运行费用过高，再加上ISO5167新标准要求前直管段达30D~40D，现场很难满足。因此，很难考虑再采用这类仪表。

近年来，采用取样原理、插入安装方式较为普遍，仅测取管道中一点或多点的流速来推算流量的插入式流量计，这类仪表的共同特点是：结构简单、安装维修方便、价格低廉、重复性好，是工控系统中检测大管道气体流量性价比较高的仪表，但其准确度一般不高，不宜用于需要准确计量的贸易结算。因其原理均为取样性质，所以首先要了解管道内的流速分布，才能正确选定检测点的位置及数量。

1 工业管流

1.1 千变万化的管内流速分布

各行各业的工程，从其本身的工艺要求出发，在管道中都必须安装形形色色的管配件(如阀门、弯头、歧管、变径管、过滤器等)。由于它们的形式及组合方式极多，所引起的管内流速分布也千变万化，难以估计(图1b)。R.W.Miller(美.流量测量工程手册作者)认为：“流速分布是影响流量准确的主要因素，而工业现场的配件各类繁多，其流动情况十分复杂，不仅难以描述这，也不易在实验室的模拟它们。”由于绝大多数流量仪表都与流速分布有关，它的校验所处的流场应与实用条件的流场一致，校验的系数才有意义。这个流场被公认为充分发展紊流，只要管道具有较长的直管段就可以得到(图1a、c)。

1.2 充分发展紊流

1.2.1 形成：由于实际流体均有粘性，在流动过程中将会带动或制约相邻层面的流体，这种作用经过约30D(D为管内径)直管长度，其流速分布将不再变化，如雷诺数Re<2000为层流，Re>4000则为紊流。工业中多为紊流。

1.2.2 描述：近百年来不少科学家对充分发展紊流进行了大量的测试与描述。其中以Nikaradse的光滑管充分发展紊流公式最简单，它近似地表达为：

V/Vm=(y/R)1/n…… (1)

其中：Vm为任何一点流速;Vm为中心最大流速;y为流速点距主管壁的距离;R为管道半径;n为指数，与Re有关。

1.2.3 平均流速点y通过式(1)可推导出光滑管充分民展紊流的平均流速点y：

y=R[2n2/(n+1).1/(n+2)]n

由式(2)可知，圆管内的平均流速点取决于3个因素：a、直管段长度;b、雷诺数Re;c、粗糙度ε。因此，它的位置并非固定不变，这不像有些厂商宣传的那样，仅测管道一点的流速就能达到±1.0%的流量准确度。按ISO7145评估，在满足a、b、c三个条件下其准确度也只能达到3%;如果直管段较短，流量准确度甚至不足±5%~10%(见本刊2002年10期)。

1.3 流动调整器(flow conditioner)

要准确地测量流量，必须具有较长的直管段长度，而实际现场往往无法满足。为此，国际标准化组织曾多次推荐采用十余种类型的流动调整器，但笔者认为这并非上策，因为：1增加成本，一台流动调整器的价格不亚于一台流量计;2需经常清洗，加大了维修量;3效果好的流动调整器永久压损大，增加了运行成本;4易于堵塞，即使部分堵塞也改变了流速分布，无法提高准确度。

2 大管道气体流量检测仪表

在我国倡导建设节约型社会的前提下，本文所介绍的大管道气体流量检测仪表排除了压损大、运行费用过高的节流装置，也不推荐价格过高的气体超声波流量计，仅介绍性价比较高的。以取样原理的插入式流量仪表为例，按其取点方式可分为以下三大类：

2.1 测点速 凡可测流速的仪表插入管道均可成为流量计。较为通用的有以下几种：

2.1.1 双文丘利管

早于40年前，美国Taylar公司已有产品推向市场，称皮托——文丘利管(Pitot Venturi Tube)(见国2a),国内不少火电厂曾仿制应用于风量测量，称“小喇叭管”。近十多年，国内厂商按此原理推出产品，称为双文丘利管(图2b),区别仅是前者高压取自支持杆，而后者取自管壁，在同样流量下，后者输出差压将略小于前者。其原理特点是利用外文丘管①喉部加速产生低压P2,而将内文丘利管②的尾部置于①的喉部低压区，促使②的喉部产生更低的低压P2’，因而在同样的流量下可获得更大的

输出差压，较适用于大管道的低流速气体流量测量。由于它仅测一点流速，管道中流速分布对其影响很大，因而准确度较低。目前市场上还有一种三文丘利管，它在双文丘利管内再安装一个文丘管，企图获得更大的差压，当尺寸较小时，附面层的作用将呈现出来，制约了这种加速降压效果，且产生了结构复杂、系数不稳定的负面影响，不宜倡导。

2.1.2 热式

利用传热原理，以热电阻为敏感元件，当流速高时将带走更多的热量，降低了热电阻温度，改变了电阻值，通过电阻值的变化了解流速大小及流量值。其最大特点是可测低于5m/s的流速，传热与流体量有关，因此所测为质量流量;不足之处是气体温度一般要低于200℃，响应时间在1秒以上。

2.1.3 其他

理论上说，皮托管、插入式涡街和涡轮均可用于测流量。皮托管可用于工业现场校验，但很少作为工业仪表;插入式涡街在低速及管道有振动时，工作不可靠;插入式涡轮由于有转动件，维修量大。这些仪表近年来市场占有量都呈较大的下降趋势。这类仪表生产厂商常宣传他们的仪表都在风洞中标定过，其实那仅是标定流速不是流量，流量准确度不可能达到他们宣传的±1%。

2.2 测线速

以测管道中分布在一条线上的多点流速来推断流量，较上述测单点更为准确，且安装稳定，可靠。在工控系统中检测大管道气体流量，常为首选仪表，较典型的为均速流量计：

2.2.1差压式均速管流量计

以皮托测速原理为基础，当支管道足够长时管内流速分布为充分发展紊流，等速线为同心圆，因此有可能仅测直径上几点流速即可反映整个截面的流速分布。一般在检测杆迎流向有数对总压检测孔，所测总压平均后也传至变送器，二个压力差的平方根与流量成正比(图三)。三十多年来已成为大管道气体流量检测的首选仪表，其改进多限于检测杆的形状，测点数量。现分述如下：

圆形(图4A)上世纪60年代末期，由美国Dieterich slan-dard lnc(简称DSI)公司推出，使用后发现Re在105-106之间，流量系数K分散度约为±10%原因是在Re<105时流体在圆柱体分离角为780，而Re>106时，后移至1300，即所谓“阻力危机“带来的流量系数不稳定而影响了流量准确度，早于20多年前被淘汰。

菱形—II型(图4B)：1978年由DSI公司推出，检测杆横截面为菱形，流体分离点固定在菱形拐角处，解决了“阻力危机“带来的流量系数不稳定的问题。但是背压通过一个内径约为3毫米的细管引至变送器，使用中发现背压孔易于堵塞。

拖巴管(图4C)：这种结构曾在西欧风行一时，检测杆基本上仍采用圆形，仅在中部背压附近一段铣为六角形，促使流体分离点固定以解决阻力危机问题，它不仅存在菱形—II型背压孔易堵问题，而且由于在一个检测杆存在两个不同的截面形状，流体压力分布不同还会引起横向流动。

机翼，椭圆形(图4D)设计这两种截面形状的目的都是为了减少迎风阻力。其实无论哪种均速管永久压损都只有几十帕，可以忽略不计，不必小题大做，这类截面形状都使其输出差减压减少，扬长避短得不偿失。但也有特殊情况，如Emerson公司采用机翼截面测蒸汽流量，由于蒸汽密度大，流速高，采用机翼型截面可谓因地制宜!

菱形—II合式(图4E)：1984年由美国DSI公司推出。它由一个菱形型材，两个三角形型材组合而成，迎流向有3—5对静压孔以适应当Re变化时，流速分布在靠壁面变化较大的情况。这种结构因型材公差较大，当温度变化时，过盈易泄漏，太紧初始应力过大削弱了强度，现以逐渐淘汰。

菱形—II(一体式)(图4F)：上世纪90年代初相继由德国IA公司及Systee 公司推出分别称为Itabar 及Deltaflow。结构特点是用中隔板将高低压分割为两个空腔。当强度要求较高时也可承受更恶劣的工况，温度高达1200℃，压力限可达69Mpa，也可用于强腐蚀介质。我国已可生产进入市场，价格较国外产品低廉不少。

弹头型(图4G)：1992年由美国Veris公司研制推出称 Verabar(威力巴)。主要特点是检测杆截面形状为弹头型，头部作了粗糙处理(粗糙度x/ks~200)厂家宣传这样做可以保证在检测杆表面形成紊流附面层，从而提高了准确度，经专业人士估算(详见本刊2004年7月P42—44)其影响不到千分之一，相对其他因素(直管长度，管内径等)微不足道，无需夸大其词。而由于静压取自二侧，输出差压较其他均速管小30—50%，难以应用于低流速低密度场合。此外，由于取压孔较小，当流体含有粉尘，油污，凝折物，纤维等时，易于堵塞。

T型(图4H)2001年美国DSI公司推出，称Annubar—485，检测杆横截面为T型，正对流向有两排密集约2毫米的小孔(或直接用横缝代替)，厂家宣称由于总压取压孔几乎占整个直径的85%，因而可以获取更多的流速分布信息，准确度可达到令人匪夷所思的±0.75%。这种构思上世纪80年代即有专利介绍，并未进入实用。如果直管移长度不足，不能获得充分发展紊流，仅测直径上多点流速并不能反映整个管道的流速分布;如果达到了充分发展紊流，也只需测几点流速即可较充分反映，无需用这么多测点，这里厂家有意回避了支管道长度的前提。至于说到在总压孔前可形成一个高压区，粉尘将绕道而行，也令人难以置信：如果真是那样，汽车前挡风波动还需要雨刷吗?

2.2.2热式均速管流量计：原理与上节测单点热式相同，只是在结构上为多点，反映管道内多点的流速分布，以此推算流量。

比较上诉二种均速管流量计，热式优点在于灵敏度高，可测低速低温流体流量，而且直接反应的是流速，而差压式所测总压在检测杆内平均后，由于流动复杂，混合后传出的总压未必是平均流速的总压，所以必须通过校验用流量系数来修正。热式均速管流量计如能改进提高其准确度，将会有较大的发展潜力。

2.3测截面多点流速

①机翼型流量计：是经典文丘利管的改进型式，缩短了长度，仍较笨重。

②风量装置：在管道截面中插入了多根检测管，检测管正对流向钻有多个总压孔，侧面多个静压孔，有较多的测点反映截面的流速分布，虽较机翼型轻巧，但不够准确。

③热式均速流量计：在管道中插入多要热式均速管流量计，更全面反映管内的流速分布，但每个热电阻所反映的流速我未必相同，校验修正还有待改进。

④均速环流量计(图5)：针对均速管流量计应用三十余年一直存在的输出差压小、准确度低、忽视管内径对准确度有影响等缺点推出的一项专利产品。它通过由双文丘利管测低压，提高了输出差压，用多根均速管充分反映了管内的流速分布等一系列措施，改善均速管的技术特性，正引起国内外厂商及用户的关注。

    3 影响准确度的因素

4 小结

1.测量大管道气体流量目前对工程界仍是一个较困惑的问题，除本文介绍的插入式外，还有超声、弯管等。从工控系统来说，测线速(或面速)插入式仪表性价比较高，但不宜用于准确计量、贸易结算。

2.流量仪表大多面临一个校验问题，有人提出在风洞中校验，也有人提出就在充分发展紊流中校验。问题是大管道现场能否提供以上这两种流场?如无法提供，校验是否有意义，又应如何解决这个问题?笔者将另文阐述。