本文介绍了“插入式”流量仪表的原理、类型、应用及其发展中的问题，这种仪表在我国工程中近二、三十年被广泛使用。如果按原理命名，这类仪表应称为取样流量仪表（Sampling Flow Meter）,这样有利于明确它的特性与利弊。本文还强调要用好这类仪表，不仅取决于流速准确度，还取决于管道的截面积及流速分布。后二者与应用条件密切相关，而厂商却有意或无意地回避。涉及这类原理的仪表很多，本文着重介绍应用较多的差压式仪表。

自1732年皮托（H. Pitot）通过流体总、静压测流体流速的皮托管后，就开启了通过测通道（含管道）中一点（或多点）流速以推算流量的方法，至今已有几百年的历史。而后来的发展测流速则不限于皮托管，凡是可测流速的仪表，如：涡轮、涡街、文丘里、热式、电磁等都可成为这类流量计。

近几十年随着工程的现代化、大型化，工程中的管径日益增大，将这类仪表做成插入式方便了应用和维修，得到了广泛的应用。

这类仪表结构简单、成本低，总共十几个零件；安装和维护简便，可不断流进行装、拆；压损小，年运行费仅为孔板的几十分之一；适应口径可自几十毫米到数米，特别适用于大管道流量测量。但这类仪表还存在一定的问题，当前现场直管段长度较短，流速分布复杂，误差很大，甚至无法测量；差压式测气体时易于堵塞，且输出差压太低；热式只能测干燥气体，虽不易堵塞，但热敏探头易污染，导致灵敏度下降等。

工作原理

采用取样法测量流量已有几百年的历史，流量测量是测量测管道中一点（或几点）流速，再乘以整个截面。取样法测流量的准确度取决于以下三个因素：

管道的流速分布是否均匀，或符合一定的规律；

流速测量是否准确；

管道截面测量是否准确。

流速分布

直匀流流量qv= AV（1）

（1）式中的A为管道的横截面积(m2)，V为通过此截面的流速(m/s)。如果管道中的流速分布为流体力学中的直匀流，即管道截面中的流速V为常数，流量测量非常简单。问题在于在工业管道中并没有直匀流。

充分发展紊流

流程工业从其本身的工艺要求出发，在管道中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）。实际流体均有粘性，在流动过程中将因粘性会带动（或制约）相邻层面的流体，这种作用经过约30D（D为管内径）直管段长度后，其流速分布将不再变化,工业中称为充分发展紊流。虽然雷诺数Re、管壁粗糙度对它还有影响，但已可用数学公式进行描述。只有在充分发展紊流中采用取样流量仪表才可能取得一定的准确度，并已有相关一些标准（ISO3354、ISO7145、ISO3966）予以确认。

非充分发展紊流

目前，流程工业不可能考虑流量仪表准确度的需要，提供30D的直管段长度，所以生产现场十之八、九不可能具有充分发展紊流，而且还可能存在漩涡（图1）。图1是华北某电厂二次风管道布局图，说明现场管道中流速分布十分复杂。

由图1可见，采用测一点流速（如双文丘里；热式；插入式涡街、涡轮；测管等），及直线上多点流速(如各种类型的均速管)来推算流量，将会有极大的误差。在截面积为0.9×1.1m2的矩形管中安装了3根均速管(图1c)，因存在漩涡，出现当流量增大时输出差压反而减小的现象，完全无法有效测量流量。

面对千变万化的工业流场，如要准确测量流量，按（2）式增加流速的测点以充分反映管道中的流速分布，显然难以实现。工程中是将管道（含通道，如江、河）中某一截面划分为有限的单元面积Ai，并假设流经其中的流速Vi近似相等（3式）。这种方法也称为速度—面积法(Velocity—Area Method)。

流速测量

从以上3个公式可见，式中的Vi即流速，厂家所生产的“插入式”流量计实质上只是一个流速计，它必须插入到管道中，才能成为流量计。以测管道中单点流速推算流量的这类仪表，如：双文丘里；皮托管；插入式涡街、插入式涡轮、测管等应在风洞中标定，确定其流速系数。因为只有风洞才可能产生一个截面上流速完全相等的直匀流，可在同一截面上安置一个流速基准，以此确定上述插入式流量计的流速系数。

而对于测管道直径上多点总压和静压以推算流量的流量计，如均速管则不同，它应在充分发展紊流中标定以确定其流量系数。因为多点的总静压在均速管内平均后输出的只有一对总压和静压，管内的平均过程比较复杂，由此推算的流速并不等于管道中的平均流速。不少国外均速管厂家，均照此办理，不过管径仅0.3~0.4m，远远小于使用管径。说明即使这些厂家用1~2m的均速管，其流量系数也是推算的，不够准确。

管道截面

上述公式说明，取样流量计的流量计算都必须考虑流通面积的大小，而生产厂家往往只精心制作流量计本身，忽略了管道。从此类仪表的误差分析来看，截面的误差对流量准确度的影响将4倍于流量计输出差压的误差，说明准确测量流通截面的重要性。

仪表类型

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：

双文丘里管，早于40年前，美国Taylar公司已有产品推向市场，称皮托一文丘利管（Pitot Venturi Tube）（见图2a）。近年，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。其原理是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。

插入式流量计（图3），凡是可以反映流速大小的流量计，如涡街、涡轮、电磁、热式等都可以做成外径约为50mm的测量头（如图3所示），成为插入式流量计，由于它们都仅测一点流速，管道中流速分布对其影响很大，因而准确度较低，仅用于要求流量准确度不太高的监测领域。

测位于直径上多点流速

在均速管中，以皮托管测速原理为基础，当直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，才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，两个压力差的平方根与流量成正比（图4）。近四十年有不少改进，但多受限于检测杆的形状，简述如下：

圆形（图5a），上世纪60年代末期推出，使用后发现存在“阻力危机”现象，引起了K系数不稳定而影响了流量准确度，已于30多年前被淘汰。

菱型-Ⅱ型（图5b），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3毫米的细管引至变送器，使用中背压孔易堵塞的缺点。

机翼、椭圆型（图5c），设计这两种截面形状的目的都是为了减少迎风阻力，其实无论那种均速管永久压损都仅只有几十帕，可以忽略不计。但可用于测量流速高、密度大的过热蒸汽。

菱形-Ⅱ组合式（图5d），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，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，现也逐渐淘汰。

菱形-Ⅱ一体式（图5e），上世纪90年代初相继由德国IA公司及Systec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隔为两个空腔，我国已可生产推出市场，价格较国外产品低。

弹头型（图5f），1992年由美国Veris公司研制推出称Verabar（威力巴）。主要特点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），厂家宣传这样做可保证在检测杆表面形成紊流附面层，从而推高了准确度，相对其他因素（直管长度、管内径等）这些改进微不足道。而由于静压取自二侧，输出差压较其他均速管小30%~50%。

T型（图5g），2001年美国DSI公司推出，称Annubar-485，检测杆横截面为T型，正对流向有二排密集约2毫米的小孔（即使用细缝代替，也仅是反映截面中直线上的流速）。厂家却宣称由于总压取压孔几乎占整个直径的85%，可获取“更多的流速分布信息”，准确度可达到令人匪夷所思的±0.75%。结构复杂，成本高，测压孔过小易堵塞。目前在我国流量市场均速管主要选用的是5e、5f两种形式。

需要满足更高应用要求

20世纪六十年代，随着流程工业的现代化，管径0.5~2m逐渐增多，采用取样原理、插入安装形式的流量仪表，结构简单、成本低、维修简便，颇受用户欢迎，占有较大的市场份额。由于它结构过于简单，现场情况又十分复杂，难以保证准确度。

进入九十年代，工业规模迅速增大，对流量计量准确度提出了更为苛刻的要求，上述的取样流量仪表已难以满足要求。分析如下：

流场，目前工业管道日益壮大，直管段长度不足，管内流速分布十之八九如图1所示为非充分发展紊流，且多有漩涡，上述取样流量仪表不可能充分反映，得不到必要的准确度。

标定，如图3所示的取样流量仪表，测量头只是一个流速计，应在风洞中标定流速系数，且阻塞比S应小于0.02。当前仍有厂家将整台流量计置于风洞进行标定，但这种标定方式与均速管都是流量计，均应在充分发展紊流中进行标定。

研发，从图5可见，40年来，均速管的研发着重于检测杆的形状，而对其准确度起决定性作用的是它的应用条件，厂家有意或无意忽视（或回避）了这个问题。

大管道气体流量测量系统

当无法改变工程现场条件时，可以采取措施改善现场条件，以达到准确测量风量的目的。

整流器

①必要性 当管中流速分布十分复杂，可以通过增加流速测量点准确进行描述，但如存在漩涡，且其大小及位置随流量大小不断变化，不清除漩涡就无法正确测量流量。当前最有效的办法就是采用整流器（图6）。

②蜂窝状结构 这种整流器不同于ISO-TC30所推荐的整流器，而是选用用于风洞设备中的蜂窝状整流器。

特点是：流通面积/管道截面比值较大，以减小压力损失。整流器的整流叶长L不宜太长，但又应具有较好的整流效果，如整流器单元孔径为d,则d/L取在1/5~1/10之间为宜。

③收缩弧形板 实施中蜂窝状结构因费用高、安装繁等原因用户常不愿选用。是否还有其他的办法？如采用收缩弧形板是一种简而易行的办法（图10），从流体力学原理分析，流体在收缩弧形板中加速有利于减小漩涡甚至消除漩涡。

多点流速计

①AM多点流量计（图7）

根据皮托管测速原理，通过测流体总静压之差推算流速，测点位置及数量按相关规范组成矩阵，充分反映管道中流速分布；流速计如采用圆管截面，当管径大于1m，空气流速大于2m/s时，雷诺数已超过106，采用圆截面管道已不存在“阻力危机”问题，而且还易于制造降低成本。

总压孔 总压孔加工了一个凹形槽，当气流偏斜±20％时，仍可准确测量差压。

静压孔 根据菲克亥尔摩方法，圆管在迎向流向±30％处压力分布，为理想静压孔的位置，因而流速系数等于1，可以避免圆管上压力分布带来的误差，但在相同流速下，输出差压将比均速管小50％。

对此，笔者有质疑曾实测验证，圆管迎流向确存在一个“区域”，此处为理想静压，只是十分狭窄，仅1°~2°，气流稍有偏离，即将产生很大的误差，而圆管后却有±70°稳定的静压区，考虑安装的误差，现场流速分布的复杂性等因素，对此建议静压孔仍应处于圆管后方。

②防堵变异多点流量计（图8）

为我国东部某高校推出，原理虽仍采用取样法，但安装并非插入式，结构源于一种所谓“背靠背”皮托管。如图8所示，其总压孔为一斜切的椭圆孔，如垂直安装在水平管道的上方，气体中的污物（粉尘、液滴等）可因重力流出到主管，然后被吹除，（类似的产品还有S型皮托管、测管等）。由图8可见，这种多点流速计其阻塞比S几乎达到了40%，极大的阻塞、干扰了流场，且总压孔中的“除尘棒”频频折断，又难以维修。③热式多点流量计 当前较多用于测单点流速的流量计，优点是不易堵塞；灵敏度高可测0.05m/s以上的流速；但只能测干燥的气体流量；温度低于300℃，且探头易于污染，导致灵敏度下降。原则上也可研发为多点流速计，但不似差压式将所测多点总、静压平均后输出，因此，每一个热点探头都需在风洞中进行流速标定，工艺过程比较复杂，目前似尚未见有成熟的产品推出。

吹扫机

为解决粉尘的堵塞，采用吹扫装置可取得较好的效果，确保流量计长期可靠的工作。如AM公司提供的自动吹扫装置（Auto-purge），该装置可根据现场的需要设定吹扫的间隔时间（每小时、数小时或一天吹扫一次），而每次吹扫持续的时间也可在30~120s范围内设定，吹扫时将自动关闭测量阀门，保证不影响测量数据，整个过程设定后均由计算机自动完成。

流量计算机

当前工业管径已达5~6m，直管段十分短，流速分布极其复杂，只有采用取样多点流速计。根据速度面积法在一个截面上测几十点流速，才可能充分反映管道中的流速分布，以确保流量测量的准确度，以下因素应当考虑：每一个测点不仅因流速不同差压值会有差异；温度、压力也因不等需进行补偿；因测点位置不同加权系数也不相同（见IS03966）等，计算十分复杂。采用的流量计算机就轻而易举了。

现场校验

单台流量仪表已很难准确测量大管道气体流量，必需由以上各部分组成系统，但尚无合适的试验室来校验千变万化的现场。校验必需在现场解决。

1.上述的各种差压式流速计，无论测多少点的总压和静压，在检测杆中汇总后输出的只有两个总压和静压。它的平方根虽与流量成正比，但据此计算的流速；并非管道中的平均流速。

2.测量的高压和低压并非真实的总压和静压值，因为总压孔未必正对流向，仅部分流体的动能进入总压孔，滞止后的总压（此处称高压）将低于流体的总压；而低压孔往往取自流速计背流向一侧，其低压值往往低于真实静压的50%。

3.流速计的阻塞作用。多支流速计会形成一定的迎风截面，将减小测量截面的流通面积，增大气体的流速。

4.有限测点无法反映管道中的流速分布。实际应用时必需通过现场校验取得流量系数，再用流量系数进行修正以得到真实的流量值。

实际应用

图9所示为美国AM公司(Air Monitor Co)推出的矩形大管道取样流量计，它的进口安装了蜂窝整流器，消除了漩涡，然后用多点流速计测量流速分布。总压和静压检测杆共6根，均采用圆管分别测量，由于通过整流后的流体，流向基本上平行于轴线，测量截面上无横向流动，静压较均衡，所以，总压测管为4根，而静压测管仅需两根，即总压测点将一倍于静压。此外，它还安装了温度探头，其实可用薄膜温度传感器，贴在中间的总压平均歧管上，以减小阻塞比。

图10所示为一带收缩弧形板（图中注明为喷嘴）的取样流量计，如为矩形大管道，从工艺角度仅采用两片收缩弧形板比蜂窝整流器简单，而且还可增加流速，加大输出差压。图中所示的流速测量矩阵，即多点流速计，可以不用采用皮托管，可以像AM公司直接在检测杆上钻孔测取总压和静压就行。

工艺与仪表

长期以来检测仪表在流程工业中都处于配角地位，工艺提出的要求，仪表只能想尽设法予以满足，准确检测工艺过程中的各种参数有助于提高产品质量，促进节能减排。但长期以来工艺却很少考虑仪表的要求。管径日益增大，直管段长度减小，流量测量准确度却要求更高，发展、改进的空间越来越窄。如果工艺设计能适度考虑一下仪表的要求，在结构上做一些改进，则将事半功倍，给提高流量测量准确度很大的支持，只要工艺心系仪表、仪表则可优化工艺，关系密切。

举例说明

风门、阀门，火电厂控制风量大小多采用向一侧开启的风门，它将流体推向管道一侧，不仅造成流速分布不均匀，而且产生漩涡，形成如图1所示的流速分布；如果采用相向开启的风门,将会改善流场，在较短的直管段长度条件下，取得较高的准确度。

众所周知，闸阀、蝶阀都会恶化流场，而如果采用梭式阀则有可能改善流场，其阀芯是一个梭体，通过轴向移动改变环形通道的大小达到调节流量大小的目的。

弯头，将现在所用的直角弯头改为带导流片的圆弧弯头，将抑制漩涡生成，改善流场。

扩张管，当扩张角大于15°时，流体易分离；如在其中安装同心的扩张环，将有助于抑制分离，产生漩涡。

歧管，从歧管进入主管的流体，不是从主管的一处，而是从主管圆周上的多处进入，将有助于改善流场。

上述各例只是说明工艺只要心系仪表，略加改进，就有助于提高流量仪表的技术性能的思想。

小结

取样流量仪表是否取得较好的测量效果的核心是应用条件必须流场，不能回避仪表的研发、校验和应用。

风洞是研究航空、航天的高科技试验设备，只能提供直匀流，可以校验取样流量计的测量头，给出流速系数，但不能校验整台取样流量计，因为流量计应用的现场不可能提供直匀流，流场不同，校验就失去意义。