一、前言

众所周知，规模产生效益，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)已日益迫切有待解决。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，还有太大的压损，运行费用过高，再加上ISO5167新标准要求前直管段达30D~40D，现场无法满足。很难考虑再采用这类仪表。

量变到质变，面临这些困境，近年来，普遍是采用取样原理、插入安装方式，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，一般准确度不高，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，这样才能正确选定检测点的位置及数量。

二、工业管流

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，而工业现场的配件种类繁多，其流动情况十分复杂，不仅难以描述，也不易在实验室模拟它们”。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)

2、充分发展紊流

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)直管段长度，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，即充分发展紊流。

② 描述 近百年来不少科学家对充分发展紊流进行了大量地测试与描述。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：

Vi/Vm=(y/R)1/n……(1) 其中：Vi任一点流速;Vm为中心最大流速;

y流速点距主管壁的距离;R管道半径;

n为指数，与Re有关

③ 平均流速点 y通过式(1)可推导出光滑管充分发展紊流的平均流速点y

y=R[2n2/(n+1).1/(n+2)]n……(2)

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,这不象有些厂商宣传的那样,仅测管道一点的流速即可达到±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)

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。

既然事与愿违，又何必多此一举。

三、插入式气体流量检测仪表

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，仅限于介绍性价比较高，以取样原理的插入式流量仪表，按其取点方式可分为以下三大类：

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：

①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)。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，且带来了结构复杂，系数不稳定负面影响，不宜倡导。

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。传热与流体质量有关，因此所测质量流量，不足是气体温度一般要低于200℃，响应时间在1秒以上，流体成分影响测量，准确度较低。

③ 其他 按原理皮托管、插入式涡街、涡轮。均可用于测流量。皮托管可用于工业现场校验，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、测线速 以测管道中分布在一条线上的多点流速来推算流量，较上述测单点的准确。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：

①差压式均速管流量计 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，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3)。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：

■图形：(图4A)上世纪60年代末期，由美国Dieterich standard 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”现象，引起了K系数不稳定而影响了流量准确度，早于20多年前被淘汰。

■菱型-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3毫米的细管引至变送器，使用中发现背压孔易于堵塞的缺点。

■托巴管(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，仅在中部背压孔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二个不同的截面形状，流体压力分布不同还会引起横向流动。

■机翼、椭圆型(图4D)设计这二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，不必小题大做，这类截面形状都使其输出差压减少，扬短避长得不偿失。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组合式(图4E)1984年由美国DSI公司推出，它由一个菱形型材，二个三角形型材组合而成，迎流向有3~5对总压孔，背流向对应有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，现已逐渐淘汰。

■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二个空腔;当强度要求较高时也可在实心棒材钻二个深孔，组成二个压力空腔，采用的材料多达10余种，因而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，我国已可生产推出市场，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，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，厂家也不得不承认易于堵塞。

■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，正对流向有二排密集约2毫米的小孔(或直接用细缝代替)。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直管道长度的前提!至于说到在总压孔前可形成一个高压区，粉尘将绕道而行，也难以令人置信，如果按他们所说那样，汽车前挡风玻动还需用雨刷吗?

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。

比较上述二种均速管流量计，热式优点在于灵敏度高，可测低速低温流体流量，而且直接反映的是流速;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。可以预计热式均速管流量计如能改进提高其准确度，减小响应时间，将会有较大的发展潜力。

3、测截面多点流速

① 机翼型流量计 是经典文丘里管的改进型式，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，侧面钻多个静压孔，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 在管道中插入多根热式均速管流量计，更全面反映管内的流速分布，但每个热电阻所反映的流速特性未必相同，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存在的输出差压小、准确度低，忽视管内径对准确度的影响等缺点推出的一项专利产品。它由双文丘里管测低压，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。

四、影响准确度的因素

插入式流量计的流量计算公式： qv="AK"[△p/ρ]1/2

式中，A管内截面积，K流量系数，△p输出差压，ρ流体密度

流量系数 K=αβγkv

其中，kv测量头的流速系数，它可以用风洞标定，但除此而外还有αβγ，用风洞标定无法确定。

①流速分布系数α，在充分发展紊流条件下，如光滑管平均流速点的位置应为0.242R，但测量头的位置并不一定处于这点上，如处于中心，则必需进行修正，并非常数，它还取决于粗糙度e及Re数：

如e=0.001，当Re从2×104~3×105时，α的变化为2.8%;

当Re=3×105而e自0.001~0.002时，α的变化为1.4%。

②阻塞系数β，如图2b所示，插入式流量计必需具有测量头，插入杆等，它将阻塞管内的流动使通道变窄，流速加快，并干扰流速分布。

阻塞率S=( d2+hB)/ D2

d测量头外径;h插入杆伸入深度;

B插入杆横截面宽度;D管道内径

当S<0.02时，阻塞很小可忽略不计，β≈1

当0.02

当S>0.06时，β值需实流标定

③干扰系数γ，在直管段不足流量计处于非充分发展紊流时，必需用γ对流量系数进行修正。由于大管边在现场往往不具备有较长的直管段，无法处于充分发展紊流，流速分布千变万化，很难建立足够有效的数据库可以引用，只有采用速度面积法进行现场校验。

④从以上分析可知，测点速的插入式流量计αβ系数，都可以基本做到心中有数，而最困难的是干扰系数γ;

测线速的均速管流量计，由于它是测多点流速，可以反映充分发展紊流的流速分布，所以不存在流速分布系数α的问题;只要仪表定型横截面宽度也就确定了，阻塞系数β也较容易解决，较困难的仍是干扰系数γ。

测截面的均速环流量计在非充分发展紊流情况下，由于它可以反映截面上各种流速分布情况，干扰系数γ对其精确度的影响相对就小多了，但这个专利还仅是一种设想，是否实用应有充分的试验数据，才更有说明力。

五 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;也有人提出应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。