取样流量仪表的原理、应用与发展（上）

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MEASUREMENT EQUIPMENT AND APP LlCATlON取 样 流 量 仪 表 的 原 理应用与发展 (上 )毛新 业(中国仪器仪表学会 科技评估部，北京 100088)[摘 要]文章介绍了 “插入式”流量仪表的原理、应用与发展中的问题，近二三十年间其在我国工程中被普遍采用。

文章建议按原理划分，这类仪表应称为取样流量仪表 (Sampling Flow Meter)，以利于明确反映它的特性与利弊。文章还强调了要用好这类仪表 ，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。后二者与千变万化的应用条件密切相关。对如何用好这类仪表，文章提出了一些建议，供读者参考。涉及这类原理的仪表很多，文章着重介绍的是应用较多的差压式。

[关键词]插人式；取样法；流速分布；准确度[中图分类号]TH814 [文献标识码]A [文章编号]1002—1183(2013)05—0032—05自1732年皮托 (H．Pitot)通过流体总、静压测流体流速的皮托管起，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??都可称为这类流量计。

近几十年随着工程的现代化、大型化，工程中的管径I=1益增大，将这类仪表做成插入式，应用、维修都很方便，得到了广泛的应用。

这类仪表有不少优点，如：结构简单成本低，总共才十几个零件；安装、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监测。但上述优点也隐含了它难以逾越的不足，如：当前现场直管段长度较短，流速分布复杂时，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，导致灵敏度下降等等。

在我国的有些书刊 ¨中将上述取样原理 (通过测取通道中某一截面一点或多点流速以推算流量的方法)的这类流量仪表，分类以其安装形式定为插入式，笔者认为不妥，不仅概念模糊，而且二者并不完全等同，取样流量仪表并非一定采取插入式安装形式，反之亦然。

因此，建议按原理划分，将这类仪表命名为取样流量仪表 (Sampling Flow Meter)。按原理划分仪表，易于深入理解它的本质，而不为表面现象所迷惑。

1 工作原理采用取样法测量流量已有几百年的历史，其原理犹如对大面积农田收割前的估产，仅取其中一小块进行收割、称重，然后推算扩大至整个大面积农田的产量。流量测量则是测管道中一点 (或几点)流速，再乘以整个截面。显然，取样法测流量的准确度取决于以下三个因素：(1)管道的流速分布是否均匀，或符合一定的规律；(2)流速测量是否准确；(3)管道截面测量是否准确。

以下分别进行讨论。

1．1 流速分布(1)直匀流按流量的定义：单位时间 (S)通过管道 (或通道)的流体容积 (m )或质量 (kg)。如式 J¨：q =Av (1)式中：A为管道的横截面积，m ； 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 为常数，流量测量就十分简单了。问题在于在工业管道中欲取得直匀流无异于缘木求鱼，完全没有可能。

(2)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 (见图[收稿 日期]2012一O8—29[作者简介]毛新业 (1934一)，男，湖南常德人，高级工程师，毕业于北京航空航天大学，长期从事流量仪表的研发及校验工作。

· 32． Industrial Measurement 2013 Vo1．23 No．5MEASUREMENT EQUIPMENT AND APP LlCATION 量 堕 应1、图2)。R．W．Miler在其所著的 《流量测量工程手册》中强调：“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，也不易在实验室重现它们。”好在实际流体均有黏性，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、 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(IS03354、IS07145、IS03966等)予以确认。

(3)现场能否提供充分发展紊流随着现代工业规模的扩大管径 日益增大，以及工业用地的日趋紧缺，现代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，所以当前工业现场十之八九不可能具有充分发展紊流，流速分布千变万化，而且还可能存在漩涡 (如图 1一图3)。

业内生产厂商、工程技术人员都必须面对这个现实，不能视而不见。图 1是华北某电厂二次风管道布局图，并非虚拟，说明现场管道中流速分布十分复杂。

图 1 华北某电厂二次风管道布局图从图 1～图3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??)，及直线上多点流速 (如各种类型的均速管)来推算流量，将会得到极大的误差。在截面为 0．9m X 1．1m矩形管中安装了三根德国的名牌均速管 (图3)，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。这个实例说明了流速分布对流量测量准确度的重要性。

面对千变万化的工业流场，如要准确测量流量，工业计量 2013年第 23卷第5期图2 0．9×1．1管道流速分布图图3 风管中风门与均速管的位置图从理论上讲，可尽量按 (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A ，并假设流经其中的流速 近似相等，如式 (3)。这种方法也称为速度一面积法 (Velocity—Area Method)。

q =I UidA (2)q =∑ AA (3)1．2 流速测量从以上三个公式可见，式中的 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。所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· .

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MEASUREMENT EQUIPMENT AND APPLICATION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、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、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。不少国外名牌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。说明即使这些名牌厂家用于 1～2m的均速管，其流量系数也是推算的。

1．3 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，忽略了它的重要伙伴——管道的存在。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四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。此外，还有以下几个概念需说明：(1)公称内径这类仪表因采用插入安装形式，难以准确测量管道内径，用户计算时多按公称外径减两倍管壁为内径。但由于压力等级不同，实际所用管道内径并非是公称内径；其次，管道在长期使用后，由于腐蚀、污染、积垢等原因，也会有较大变化。

(2)矩形管道在其四个边角实际流动十分小，或趋于零 。

(3)阻塞 比在计算面积时往往忽视了流量计的存在，它的存在不仅减小了流通面积，而且增大流经此截面的流速。这种影响称为阻塞效应。其阻塞比5定义为：S=(竹d ／4+hB)／~rD ／4 (4)式中：d为测量头外径；h为插入杆伸入深度；B为插入杆横截面宽度；D为管道内径。

研究表明：当 S<0．02时，阻塞很小可忽略不计 ，卢 1；当0．020．06时， 值需实流标定。

2 类型2．1 测点流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)双文丘里管早在 40年前，美国Taylar公司已有产品推向市． 34 .

场，称皮托一文丘利管 (Pitot Venturi Tube) [见图4(a)]。近年，国内厂商按此原理推出产品，称为双文丘利管 [见图4(b)]，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P ，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P；'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。

图4 双文丘里管原理图(2)插入式流量计 (图5)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 50ram的测量头 (如图5所示)，成为插入式流量计，由于它们都仅’狈4一点流速，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，难以承担流量测量的主角。

Industrial Measurement 2013 VoI．23 No．5MEASUREMENT EQUIPMENT AND APPLICAT10N 计量装置及应用— — — — — — — — — — — — — — —
弋 U 2．2 测位于直径上多点流速以均速管为例说明：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，二个压力差的平方根与流量成正比 (见图6)。近40年有不少改进 ．但多限于检测杆的形状，现简述如下：图6 均速管测量原理图(1)圆形 [图 7(a)]：上世纪 6O年代末期推出，使用后发现尺e在 10 ～l0。之间，流量系数 K分散度约为 ±10％，原因是在 Re<10 时流体在圆柱体分离角为 78。，而 Re>10 时，后移至 130。，即所谓“阻力危机”现象，引起了 系数不稳定而影响了流量准确度，已于30多年前被淘汰。

(2)菱型一Ⅱ型 [图7(b)]：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 3mm的细管引至变送器，使用中发现背压孔易于堵塞的缺点。

(3)机翼、椭圆型 [图 7(c)]：设计这二种截面形状的目的都是为了减少迎风阻力，其实无论哪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。但可用于测量流速高、密度大的过热蒸汽。

(4)菱形一Ⅱ组合式 [图7(d)]：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，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。

(5)菱形 一Ⅱ一体式 [图7(e)]：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 habar及 Deltaflow。结构特点是用中隔板将高低压分隔为二个空腔，我国已可生产推出市场，价格较国外产品低廉不少。

(6)弹头型 [图7(f)]：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％。

(7)T型 [图7(g)]：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2mm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”，准确度可达到令人惊异的 4-0．75％。

结构复杂，成本高，测压孔过小易于堵塞，销售并不理想，说明在检测杆上精雕细刻是没有必要的。

目前在我国流量市场均速管主要选用的是图 7(e)、图7(f)两种形式。

2．3 风光一时 难以为继上世纪60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，风光一时，占有较大的市场份额。但 “福兮祸所伏”，由于它过于简单 ，现场情况又十分复杂，难以保证必要的准确度。

进入90年代，工业规模迅速增大，以火电厂为例，目前多为 60～100万 kW机组，10万 kW 以下基工业计量 2013年第23卷第 5期图7 主要均速管检测杆截面简图 量 矍 堕 曼 璺曼 呈 =!=至 ! 至 =! 垒=!!本淘汰，以前进风管径多为 1—2m，现已达到 5～6m，加上节能减排已上升为经济发展的国策，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。问题何在?简要分析如下：(1)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～图3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。

(2)标定 ：如图5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，标定得到的是流速系数呢还是流量系数?本想以此作为卖点，实为一大败笔，它与均速管都是流量计，均应在充分发展紊流中进行标定。

(3)研发：从图7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。

面对新的形势，市场迫切需要一种新型取样流量仪表。 (待续)中国计量协会冶金分会冶炼传感器专业委员会2013年会员代表大会及技术交流会通知各会员单位及相关企业：2013年冶炼传感器专业委员会会员代表大会及技术交流会定于2013年 1O月28～31日在湖北宜昌市召开，请会员单位派代表参加，并诚邀科研院所、大专院校、冶金企业计控部门、炼钢、铸造行业从事测温、定氧、定碳检测的科技工作者参加。

一
、 会议内容1．召开会员大会 ，表彰优秀会员单位。

2．召开理事会，听取理事单位意见与建议 ，讨论明年的工作计划。

3．特邀从事钢铁工业发展研究的专家薛和平作行业分析报告 。

4．大会技术交流(1)冶金检测技术的发展；(2)熔盐中氧含量测定研究；(3)钨铼快速热电偶技术创新与发展； (4)钢液定氧探头技术参数及工艺应用； (5)WR25／20一种性能优良的难熔金属附件热电偶材料；(6)钨铼合金丝抗拉强度性能测试与分析；(7)应用于转炉直接分析技术； (8)快速热电偶用接插件的技术要求；(9)快偶的焊接设备的发展 ；(1O)便携式金属溶液无线测温仪研制。

二、报到时间及地点1．报到时间：2013年 10月 28日 (理事单位代表 28日15：00前报到)2．地点：湖北省交通职工教育培训中心 (湖北宜 昌龙泉山庄大酒店)湖北宜昌市西陵区南津关路 1号三、提示本次会议安排接送 ，参会代表务必将车次 、航班号及时间准确填写，回执于 1O月 15日之前传真至秘书处 ，报上准确参会人数和所需房间数 ，没有回执的代表不能保证住房。

由于机票 、车 票要求 实名购票 ，请 参会代表 自行预 订返程票。

回 执 (请务必在 1O月 15日前回执)订房 是否需接 单位间数 送站姓名 性别 职务 手 电话 备注到达时间 车次、航班返程时间 车次、航班是否做产品展示或发放宣传单 是 否 是否在大会上发言 是 否秘书处传真／电话 ：01043810195 010-83802440 联系人：曹微言 张艳琴 信箱：gj###gyj1．corn．Cil· 36· Industrial Measurement 2013 Vo1．23 No．5