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大管道气体流量检测仪表

毛新业

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Re2000为层流；Re4000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：

V/V

i

=(y/R)1/n??（1） 其中：V

m i

任一点流速；V

m

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（flowconditioner）

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（PitotVenturiTube）

（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