大管道气体流量检测仪表与校验

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500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，而且还会带来其他问题，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30～40D，现场很难满足，无法考虑再采用这类仪表。量变到质变，面临这些困难，近二、三十年来，普遍采用的是采用取样原理、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，准确度一般不高。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。
　　
工业管流
　　
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需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。R．W．Miller（ 美国流量测量工程手册作者）认为：“流速分布是影响流量测量准确度的主要因素，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（见图1）。

充分发展紊流

　　■ 形成—由于实际流体均有粘性，在流动过程中将会带动、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。
　　■ 描述—近百年来不少科学家对充分发展紊流进行了大量测试与描述，其中以Nikuradse的光滑管充分发展紊流公式最简单，它近似地表达为


其中Vi为任一点流速；Vm中心最大流速；y流速点至管壁的距离；R管道半径；n为指数，与Re有关。
　　■ 平均流速点—通过公式１可推导出光滑管充分发展紊流的平均流速点

由式２可知，圆管内的平均流速点取决于３个因素：

　　1）．直管段长度；2）．雷诺数Re；3）．粗糙度e，因此它的位置并非固定不变，不像有些厂商宣传的那样，仅测管道一点流速就可取得．±0.5～1%的流量准确度，按ISO7145评估，其准确度只能达到±3%；如直管段较短，流量准确度甚至不足±5～10%。
　　
流动调整器（flow conditioner）
　　
要准确地测量流量，必需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，又何必多次一举。
　　
大管道气体流量检测仪表
　　
在我国倡导建设节约型经济的前提下，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，仅限于介绍在工控系统中，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：
　　
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：

　　■ 双文丘利管—早于40年前，美国Taylar公司已推出此产品，国内曾仿制用于火电厂称“小喇叭管”。近十多年国内已有产品进入市场。它是利用外文丘利管喉部加速产生低压，促进内文丘利再次加速可得到更低的压力，从而在相同流速下可得到更大的输出差压，较适用于大管道低流速的气体流量测量。
　　■ 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小于5m/s的流速，传热与流体质量有关，因此所测为质量流量；不足是气体温度一般要低于200℃，响应时间在1秒以上。
　　■ 其他—按理，皮托管、插入式涡街（图2）、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，维修量大等等。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，其实那仅只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%。
　　
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，较典型的为均速管流量计：
　　
差压式均速管流量计
　　
以皮托管测速原理为基础，三十多年来经过了不断改进，目前在国内外市场上有以下几种：

　　■ 菱形-Ⅱ—最早检测杆截面为圆形，因“阻力危机”被菱形-I型取代，菱形-I又因背压孔易堵，而被菱形-Ⅱ型代替。这种类型主要有二种：其一是艾默生公司十多年前推出的由三个型材组合形成的检测杆，由于型材公差较大，当温度变化时，易发生漏气或初始应力过大削弱强度等弊病，现已很少采用；另一种是一体化结构，由德国二、三家公司推出，工作可靠，可承受较高的温度，但价格较贵，我国已可生产并应用于现场。
　　■ 弹夹型—近十年来，在国内市场曾占有较大份额，生产厂商宣称其头部的粗糙面可控制附面层从而提高精确度，经专业人士论证，附面层相对其他因素对准确度的影响微不足道。而其缺点是输出差压较小，测压孔太小，当流体中含有粉尘，特别是有凝析物、油类、藻类等时，厂家也不得不承认易于堵塞。
　　■ T型—迎流向有二排密集不到2毫米的总压孔，低压孔取出T形背部，孔径较小，厂家宣称测压孔多更可“采集”流速分布状况，准确度达到令人难以置信的±0.7%。其实测压孔就是密集到为一条缝，不也只能反映截面上直线上的流速吗？当直管段长度不够时，又如何保证准确度？况且由于测压孔过小，与弹头型一样易于堵塞。

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，所以必需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准确度，将会有较大的发展潜力。
　　
测截面多点流速

　　■ 机翼型流量计—这是经典文丘利管的改进型式，缩短了长度，仍较笨重。
　　■ 总量测量装置—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，虽较机翼轻巧，但不够准确。
　　■ 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。
　　■ 均速环流量计（图3）—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影响等缺点推出的一项专利产品（专利号ZL200420061027.3），它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。
　　
校验
　　
流量是一个推导量，影响的因素较多，必需通过校验所得的系数进行修正，才可以得到正确的流量值。由于绝大多数流量仪表（容积、哥氏除外，但管径一般小于0.2米）均与管道中流速分布密切相关，因此要正确使用流量仪表都必需具有较长的前直管段，即他们应安装在充分发展紊流之中，所以校验装置也必需提供充分发展紊流，它是校验与应用的流场平台，只有这样，校验的系数才可以用于现场仪表，否则校验毫无意义。
　　
风洞能校验流量仪表吗？
　　
由于人们难以测取飞行器在运动中的受力情况，只有用相对方法，令飞行器（或等比例缩小的模型）静止不动。由风洞产生一股迎面气流，以模拟实际飞行情况，为此要精心设计，采取各种措施，使整个截面的流速都是相等的（即所谓均直流场，见图4），它与充分发展紊流是完全不同的，只能校验流速计，不能校验流量计。

有人认为用风洞标定插入式流量计探头就可以了，有意或无意回避管道的影响。众所周知，流量Q=管道截面积AX流速V，因此可以说插入式流量计不插入管道只是流速计不能成为流量计，说明管道的影响举足轻重，它可表现为二个方面：
　　
1）具有较长的直管段，以保证流速的准确度；2）准确的管道截面积，用风洞可以标定流速，不能标定流量。
　　
气体流量校验装置
　　
装置的基本条件：

　　■ 管径大小与形状与被校表基本相同；
　　■ 可在较大范围内（10：1）调整流量；
　　■ 具有较高精确度的流量基准；
　　■ 具有较长的直管段，以保证提供充分发展紊流（如受场地限制，在实验室建议采用流动调整器）；
　　■ 其他特殊要求：如工况、实流、二相、脉动等。
　　
如何面对现场条件：
　　
在现场应用的大管径气体流量计常采用矩形截面，大小，宽高比例形形色色，实验室难以一一满足；其次往往面临直管段不足的情况，即未安装在充分发展紊流中，即使在具备上述条件的装置中校验过，其流量系数也因为流场的差异，直接引用并不能保证其准确度。在这种情况下，只有采用速度一面积法进行现场校验。
　　
速度一面积法

　　■ 原理—速度面积法是一种测量管道内流量的经典方法，由于较为繁琐，只适用于现场校验，而不宜用于流程工业检测。由于管道内流速分布不等，可将管道分割许多单元面积Ａi，并认为单元面积上的流速Vi近似相等，这样流量不难理解面积分割越多则越准确，但也越繁琐而不现实。
　　■ 准确度— 采用速度面积法的准确度取决于以下四个因素：

　上式中：

由于现场流速分布比较复杂，不对称且可能存在二次流及漩涡，要取得较高精确度必需增加测点数目，据ISO7194估计，圆管采用速度面积法，测点为48个Q＜±5%；测点36个Q＜±7%；测点20个Q可达±14%.
　　■ 标准—有关速度一面积法如何操作，由于篇幅所限，本文略去，读者可参阅以下标准：
　　－ISO3966-1977 封闭管道中流量测量—采用皮托－静压管的速度一面积法。
　　－ISO7145-1982 封闭管道中的流量测量—测量截面一点流速的方法。
　　－ISO7194-1983 封闭管道中的流量测量—在圆管中处于漩涡及非对称流动下采用皮托管的速度面积法。
　　－中国国家标准 jjG835-1993 速度面积法流量校验装置检定规程。
　　
小结
　　
直管长度举足轻重
　　
直管段长度对流量仪表准确度影响很大，插入式仪表尤为突出，而现场难以保证，生产厂商往往回避这个问题，片面强调仪表本身的流速精确度，用户选用时应理性。
　　
计量、检测各有侧重
　　
流量仪表因其使用目的不同，及要求的特性也随之不同，如用于物流核算的贸易计量，准确度应放在首位，插入式流量仪表一般难以满足要求；但它的重复性较好，可以用于工控系统的检测环节。
　　
综合考虑，按需选用
　　
本文按大管道气体流量检测的特点，介绍了不少插入式流量计，测点速的简单，价廉，但不准确；测截面多点的，准确度虽有所提高，但笨重，安装维修不便。笔者认为测线的二种均速管（差压、热式），结构仍较简单，性能有所提高，在工控系统中是属于性价比较高的产品。