大管道流量?jī)x表的研發(fā)與評(píng)估

毛新業(yè)

(天津潤(rùn)泰自動(dòng)化儀表有限公司，天津 300402)

0 引言

規(guī)模產(chǎn)生效益。規(guī)模大是當(dāng)前流程工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。與此同時(shí)，現(xiàn)代化流程工業(yè)還應(yīng)具備先進(jìn)的工藝，以及較高的智能化、自動(dòng)化水平。規(guī)模提升必然促使輸送物料的增多。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，直徑大于0.5 m的管道已屢見不鮮，部分火電廠的一次風(fēng)管徑可達(dá)5～6 m。

眾所周知，流量?jī)x表(除科氏、容積外)的準(zhǔn)確度都與安裝直管段長(zhǎng)度有關(guān)，一般要求直管段長(zhǎng)度為(15～30)D(D為管徑)。在工業(yè)用地日益緊縮、價(jià)格昂貴的前提下，不可能為流量?jī)x表提供所需的安裝長(zhǎng)度。針對(duì)這一矛盾，主要有兩個(gè)解決方案：①研發(fā)新型整流器，改善流場(chǎng)；②研發(fā)新型流量?jī)x表，前提是不苛求安裝長(zhǎng)度，仍可達(dá)到必要的準(zhǔn)確度。近20年來(lái)，諸多研究者為之奮斗，但仍未找到科學(xué)、有效的評(píng)估手段。

本文通過(guò)回顧大管道流量?jī)x表的實(shí)際需求、創(chuàng)新歷史，介紹了新型流量?jī)x表的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出科學(xué)評(píng)估新型流量?jī)x表的方案——流量特性試驗(yàn)室。

1 大管道流量測(cè)量?jī)x表的發(fā)展

1.1 回顧研發(fā)、應(yīng)用過(guò)程

隨著工業(yè)管徑的日益增大，大管道流量?jī)x表[1]的需求不斷提升。在此背景下，使用采樣原理的插入式流量?jī)x表因成本低、安裝簡(jiǎn)便、利潤(rùn)高曾得到廣泛的應(yīng)用。但其應(yīng)用往往忽視了一個(gè)基本前提：管道中的流場(chǎng)必須有一定的規(guī)律，且必須測(cè)量管道中一點(diǎn)或幾點(diǎn)流速，才有可能達(dá)到必要的準(zhǔn)確度。但是，現(xiàn)場(chǎng)往往無(wú)法給流量?jī)x表提供所需的安裝直管段長(zhǎng)度。因此，這類儀表的實(shí)際準(zhǔn)確度往往很低，甚至達(dá)不到測(cè)量目的。

近四十年來(lái)，應(yīng)用較為廣泛的大管道流量?jī)x表主要有測(cè)點(diǎn)速流量?jī)x表[2]、測(cè)徑向多速流量?jī)x表[3-6]、測(cè)截面多流速流量?jī)x表[7-9]。

1.1.1 測(cè)點(diǎn)速流量?jī)x表

測(cè)點(diǎn)速流量?jī)x表[2]主要有雙文丘里流量計(jì)、測(cè)管流速計(jì)、背靠背皮托管、單點(diǎn)熱式流速計(jì)、插入式渦街流量計(jì)、插入式渦輪流量計(jì)等。這類儀表具有價(jià)格低廉、安裝簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織1982年曾制定標(biāo)準(zhǔn)ISO 7145，要求安裝前直管段長(zhǎng)度達(dá)到50D(測(cè)點(diǎn)處于平均流速點(diǎn))或25D(測(cè)點(diǎn)處于中心點(diǎn))。但在實(shí)際應(yīng)用中，安裝前直管段長(zhǎng)度往往達(dá)不到要求，導(dǎo)致這類儀表不僅準(zhǔn)確度不高，而且無(wú)法反映流量的規(guī)律，對(duì)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

基于這種狀況，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于2003年3月25日撤銷ISO 7145。但遺憾的是，在此后幾年，我國(guó)在部分領(lǐng)域仍采用這類儀表。這類儀表雖可用于監(jiān)測(cè)直管段長(zhǎng)度較長(zhǎng)的管道(如輸氣管道)工況，但不宜作為準(zhǔn)確的計(jì)量?jī)x表。

1.1.2 測(cè)徑向多速流量?jī)x表

測(cè)徑向多速流量?jī)x表[3-6]的原理是在圓管直徑(矩形管單邊)測(cè)多點(diǎn)流速，取其平均值推算流量，比較典型的是均速管(20世紀(jì)70年代引入我國(guó)，原名Annubar,直譯阿牛巴)。其優(yōu)點(diǎn)不僅是多了一些測(cè)點(diǎn)，而且安裝牢固，不會(huì)產(chǎn)生插入式渦街流量計(jì)因懸臂振動(dòng)而無(wú)法測(cè)量的故障。

均速管最早的截面形狀為圓形，因發(fā)現(xiàn)流體流經(jīng)圓管在雷諾數(shù)(Re)105～1.1×106時(shí)，分離點(diǎn)從78°到130°，即出現(xiàn)所謂的“阻力危機(jī)”。這會(huì)造成流量系數(shù)發(fā)生變化，影響準(zhǔn)確度。為此，矩形截面形狀應(yīng)運(yùn)而生。而后廠商們?cè)诮孛嬖O(shè)計(jì)上花了不少精力，出現(xiàn)了如圖1所示的各種均速管橫截面形狀，實(shí)際上對(duì)提高準(zhǔn)確度并沒(méi)有顯著作用。

圖1 各種均速管橫截面形狀

其原因是影響均速管流量計(jì)準(zhǔn)確度的主要因素眾多：首先是測(cè)量截面的流場(chǎng)應(yīng)為充分發(fā)展紊流，需要約20D的安裝直管段長(zhǎng)度，而應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)很難滿足；其次是管道內(nèi)徑，在計(jì)算時(shí)往往僅估算為外徑減去壁厚，但是現(xiàn)場(chǎng)使用中管道的內(nèi)壁會(huì)有很多積垢，導(dǎo)致估算值往往大于實(shí)際值。因此，均速管的截面形狀在應(yīng)用中并非主要影響因素。

在測(cè)量截面不存在漩渦的前提下，均速管測(cè)量準(zhǔn)確度雖然不太理想，但重復(fù)性尚好，能反映流量的變化規(guī)律，因此可用于監(jiān)控，或監(jiān)測(cè)流程是否正常。

1.1.3 測(cè)截面多流速流量?jī)x表[7-9]

不少人認(rèn)為均速管準(zhǔn)確度較低的原因在于測(cè)點(diǎn)太少，如在整個(gè)截面上多插幾只均速管，就可以反映整個(gè)截面的流速分布了。

以下通過(guò)河北某電廠二次風(fēng)管流量的測(cè)量實(shí)例說(shuō)明該方案是否可行。二次風(fēng)管流量測(cè)量的布局如圖2所示。

圖2 二次風(fēng)管流量測(cè)量的布局圖

由圖2可知：二次風(fēng)管截面為1.1 m×1 m；測(cè)量截面插入3只均速管，每只有10個(gè)測(cè)點(diǎn)，總計(jì)30個(gè)測(cè)點(diǎn)；距上方彎頭3.475 m,進(jìn)氣量由單向百葉窗式風(fēng)門控制；水平管道上還有1只岐管輸入熱風(fēng)。該結(jié)構(gòu)中，風(fēng)門、彎頭、岐管都增加了測(cè)量截面流場(chǎng)的復(fù)雜性。

基于圖2的布局，流量應(yīng)隨風(fēng)門的開度逐漸增大。但實(shí)際上，當(dāng)風(fēng)門開度在40%～80%時(shí)，均速管的輸出差壓(即二次風(fēng)管流量)反而下降。

經(jīng)過(guò)研究可知，安裝直管段長(zhǎng)度不足對(duì)流場(chǎng)造成的影響不僅有流速分布不均勻，還有漩渦。由于風(fēng)門單向打開，在管道的另一側(cè)會(huì)產(chǎn)生回流，形成漩渦。當(dāng)風(fēng)管流量較小(風(fēng)門開度小于40%)時(shí)，漩渦在到達(dá)測(cè)量截面前就已經(jīng)消失了。當(dāng)風(fēng)門開度在40%～80%時(shí)，漩渦正好通過(guò)測(cè)量截面。此時(shí)，均速管的總壓、靜壓孔作用互換(總壓孔測(cè)的是靜壓；靜壓孔測(cè)的是總壓)，導(dǎo)致流量增大，造成差壓變送器的輸出差壓下降。

天津大學(xué)孫立軍采用仿真技術(shù)，在風(fēng)門不同開度下，研究二次風(fēng)管流量測(cè)量截面流速分布，如圖3所示。從圖3可以定性看出，流速分布不僅沒(méi)有規(guī)律，而且隨風(fēng)管流量變化而產(chǎn)生很大的變化。這說(shuō)明單點(diǎn)、徑向流量計(jì)在這種情況下完全失去了儀表的作用，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量流量。

圖3 二次風(fēng)管流量測(cè)量截面流速分布

在大管道流量測(cè)量中，由于制造成本高，先采用計(jì)算流體力學(xué) (computational fluid dynamics，CFD) 仿真技術(shù)，定性地預(yù)先了解測(cè)量截面的流場(chǎng)，再制定測(cè)量?jī)x表方案，以免徒勞無(wú)益。如圖2所示的復(fù)雜流場(chǎng)中，僅多插入幾只均速管，是無(wú)濟(jì)于事的。

CFD是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所作的分析。它是一種集流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)于一體的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。CFD的基本思想是把原來(lái)在時(shí)間域及空間域中連續(xù)分布的物理量場(chǎng)，如速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等，用有限個(gè)具有一定代數(shù)關(guān)系的離散點(diǎn)集合來(lái)表示；然后，通過(guò)一定方式建立關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，進(jìn)而求得流場(chǎng)中場(chǎng)變量的近似值。

1.2 工藝應(yīng)兼顧儀表

1.2.1 儀表的重要性

按照慣例，工藝要服從設(shè)計(jì)，儀表要服從工藝。其分工是很明確的。有些觀點(diǎn)是儀表測(cè)不準(zhǔn)與工藝無(wú)關(guān)，但這些觀點(diǎn)值得商榷。舉例來(lái)說(shuō)：一輛法拉利跑車在路況較好的高速公路上行駛，時(shí)速可達(dá)350 km，而在泥濘、彎道、險(xiǎn)峻的山路上能達(dá)到這樣的時(shí)速嗎？并非車不好，而是路況太差。一個(gè)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)就像一個(gè)人，主機(jī)是心、肺、腸胃，儀表就是感官——眼、耳、鼻、舌等，控制系統(tǒng)是大腦。設(shè)想一個(gè)人眼瞎、耳聾、鼻塞、癡呆，雖然他還能活著，但正常生活必然受到影響。不僅如此，目前不少流程工業(yè)處于超臨界工況運(yùn)行，高溫、高壓必須用儀表準(zhǔn)確測(cè)量，一旦超限必須及時(shí)報(bào)警并采取應(yīng)對(duì)措施，以保證安全。

流量測(cè)量不僅是流程工業(yè)的重要儀表，還是物流核算的依據(jù)。其準(zhǔn)確度就涉及管理是嚴(yán)格還是松懈，是精準(zhǔn)還是粗放。

1.2.2 工藝需兼顧儀表的需要

現(xiàn)代工業(yè)離不開自動(dòng)化、信息化，而信息化的源頭就是儀器儀表。如果源頭信息是虛假的，就不可能得到科學(xué)的結(jié)果。所以，工藝在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，有必要兼顧儀表的要求。例如在上述二次風(fēng)管流量的測(cè)量實(shí)例中，如果采用對(duì)開風(fēng)門，而不是單向風(fēng)門，就可以避免或降低漩渦的影響。提出這個(gè)問(wèn)題，是希望在工藝設(shè)計(jì)中，盡可能照顧到儀表的需要。例如，在彎頭、擴(kuò)張管中加整流片，將風(fēng)門的打開方式由單向改為對(duì)開等措施，可以改善流場(chǎng)，提高流量測(cè)量的準(zhǔn)確度。

1.3 反思應(yīng)用中的問(wèn)題

上述幾種插入式流量?jī)x表，雖然相關(guān)著作[3]、論文都強(qiáng)調(diào)了應(yīng)用時(shí)須有較長(zhǎng)的直管段，而實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往不能滿足準(zhǔn)確度要求。對(duì)于這類儀表暢銷多年的原因，分析如下。

這類儀表多為差壓式，在應(yīng)用時(shí)即使因直管段不足而達(dá)不到必要的準(zhǔn)確度，用戶也可根據(jù)風(fēng)機(jī)的功率大致了解風(fēng)管流量的大小。廠家按此調(diào)節(jié)差壓變送器，可使儀表的風(fēng)管流量與之吻合。但這樣的儀表就失去了測(cè)量的意義。

目前，火電為節(jié)能已改為按需發(fā)電，其負(fù)荷是變化的，發(fā)電量要求在20%～100%范圍內(nèi)調(diào)整。從圖3可知，流速分布變化很大，導(dǎo)致調(diào)節(jié)差壓變送器也無(wú)法“吻合”，必須進(jìn)行徹底的改造。

1.4 大管道流量測(cè)量系統(tǒng)

幾十年以來(lái)，研究者們?yōu)楦纳屏鲌?chǎng)、提高流量測(cè)量準(zhǔn)確度提出了不少方案。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在ISO 5167中提供了不少整流器供選擇，大致分為板孔、管束、復(fù)合式3類。但由于成本高、壓損大、維護(hù)繁瑣等原因，幾十年都未得到推廣應(yīng)用。特別是在管徑較大而安裝直管段又十分短的苛刻條件下，例如火電的風(fēng)量測(cè)量。

十多年前，一種火電風(fēng)量測(cè)量技術(shù)改變了傳統(tǒng)的概念：當(dāng)無(wú)法改變工程現(xiàn)場(chǎng)條件時(shí)，應(yīng)采取措施予以改善，以達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)量的目的。基于這一理念，設(shè)計(jì)了大管道氣體流量測(cè)量系統(tǒng)[10-11]。該系統(tǒng)除整流器和多點(diǎn)流速計(jì)這兩個(gè)重要部件以外，還包括流量計(jì)算機(jī)、微差壓壓力變送器、粉塵定期吹掃機(jī)等。該設(shè)計(jì)不僅改善了流量測(cè)量的條件，還為實(shí)際應(yīng)用排除障礙，應(yīng)用后可實(shí)現(xiàn)繁復(fù)的數(shù)據(jù)處理。這一技術(shù)改變了測(cè)量概念——由單機(jī)到系統(tǒng)。

1.4.1 整流器

當(dāng)管中流速分布十分復(fù)雜時(shí)，可以通過(guò)增加流速測(cè)量點(diǎn)準(zhǔn)確地進(jìn)行描述。但如存在漩渦，且其大小及位置隨流量大小而不斷變化，如不清除漩渦就無(wú)法正確測(cè)量流量。當(dāng)前較為有效的辦法是采用如圖4所示的蜂窩狀整流器。

圖4 蜂窩狀整流器

這種整流器不同于ISO TC30所推薦的整流器，選用了用于風(fēng)洞設(shè)備中的蜂窩狀整流器。其特點(diǎn)是：流通面積/管道截面比值較大，可減小壓力損失。整流器的寬度L不宜太長(zhǎng)，也不宜太短，否則難以取得較好的整流效果。單元孔徑d越小，整流效果雖越好，但存在阻力大和加工繁瑣的問(wèn)題。

對(duì)此，設(shè)整流器單元孔徑為d,建議d/L的取值在0.1～0.2為宜。

1.4.2 多點(diǎn)流速計(jì)

當(dāng)所測(cè)空氣溫度小于40 ℃、管徑大于1 m、流速大于5 m/s時(shí)，Re遠(yuǎn)大于1.1×106,就不存在“阻力危機(jī)”問(wèn)題，流速計(jì)的橫截面可以直接采用圓管。圖5所示的多點(diǎn)流速計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、安裝簡(jiǎn)便。

圖5 多點(diǎn)流速計(jì)

但該設(shè)計(jì)仍有值得商榷之處。

每只多點(diǎn)流速計(jì)由二根圓管組成，分別測(cè)量總壓、靜壓。總壓、靜壓測(cè)點(diǎn)相近時(shí)，測(cè)的就是這個(gè)點(diǎn)的流速。所有的總壓、靜壓都是匯總后輸出，分別接入差壓變送器，反映的是整個(gè)截面高壓、低壓的平均值。因此，多點(diǎn)流速計(jì)可反映通過(guò)截面的流量，無(wú)需測(cè)量各點(diǎn)的流速，則總壓、靜壓測(cè)點(diǎn)無(wú)需一一對(duì)應(yīng)。

對(duì)此，筆者有以下設(shè)想。

首先，可以減少靜壓測(cè)點(diǎn)。流體通過(guò)整流器后，流向應(yīng)基本上平行于軸向，沒(méi)有橫向流動(dòng)的位流。因此，整個(gè)截面的靜壓應(yīng)該是相同的或是很接近的。而測(cè)量截面上流速的差異只反映在總壓上，總壓、靜壓測(cè)點(diǎn)沒(méi)有必要一一對(duì)應(yīng)。因此，可以考慮增加總壓測(cè)點(diǎn)，以減少靜壓測(cè)點(diǎn)。這樣的設(shè)計(jì)能夠簡(jiǎn)化流速計(jì)結(jié)構(gòu)，提升準(zhǔn)確度。但該方法的具體效果圖還有待實(shí)踐驗(yàn)證。圓管上的總壓、靜壓分布如圖6所示。

圖6 圓管上的總壓、靜壓分布

其次，靜壓測(cè)點(diǎn)的位置不對(duì)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整[12]。圖6所示的多點(diǎn)流速計(jì)總壓孔正對(duì)流向的A點(diǎn)，而靜壓孔處于正前方二側(cè)30°的B點(diǎn)。某公司即按菲克亥爾摩(Fechheimer)推論選擇了取壓點(diǎn)。

在此需要強(qiáng)調(diào)的是，這僅是理論上的推論。鑒于流體的粘性，筆者曾在廣州進(jìn)行實(shí)測(cè)，證明此點(diǎn)確實(shí)存在，但并非±30°。從圖6可看出，這個(gè)點(diǎn)的范圍十分狹窄，僅1°～2°。在實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，如無(wú)法保證足夠長(zhǎng)的直管段長(zhǎng)度，就無(wú)法保證氣流的流向。如果氣流偏斜4°～5°，將會(huì)造成很大的誤差，在實(shí)際使用中并不可取。 從圖6還可以看出，在圓管背流向的C點(diǎn)兩側(cè)±60°范圍內(nèi)，靜壓基本上不變。因此，筆者建議靜壓孔應(yīng)設(shè)于這個(gè)區(qū)域。

2 新型節(jié)流式流量?jī)x表

2.1 溯源、發(fā)展、創(chuàng)新

經(jīng)典式節(jié)流裝置問(wèn)世已有一百多年。它可耐惡劣工況，研究、使用的數(shù)據(jù)積累豐富，有可靠的標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)需標(biāo)定就可以使用。為應(yīng)用于各種現(xiàn)場(chǎng)，不少非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置也得到研發(fā)，在近百年的時(shí)間里發(fā)揮了很大的作用，裝機(jī)比例在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)名列前茅。這些節(jié)流裝置的共同特點(diǎn)是要求較長(zhǎng)的安裝直管段，否則達(dá)不到必要的準(zhǔn)確度。特別是2003年3月,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織重新修改了ISO 5167,對(duì)直管段安裝長(zhǎng)度提出了更高的要求。在管徑日益增大的今天，需要研發(fā)一種新型節(jié)流式流量?jī)x表[13-15]，要求在安裝直管段較短的情況下，仍可保持較高的準(zhǔn)確度。

2.2 多孔流量?jī)x表

為改善流場(chǎng)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織所推薦的整流器中，有一類是板孔。R.W.Miller曾推薦其中的Mitsubishi整流器，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，僅需在一個(gè)厚為0.13D的板上鉆35個(gè)0.13D的圓孔，效果較好。研究者受此啟發(fā)，將多孔整流器與節(jié)流件合二為一，研發(fā)了一系列的多孔式整流流量?jī)x表。

近十余年來(lái)，在我國(guó)風(fēng)行的多孔流量?jī)x表的各種節(jié)流件如圖7所示。

圖7 多孔流量?jī)x表的各種節(jié)流件

①圖7(a)所示的調(diào)整孔板流量計(jì)由美國(guó)Rosemount公司于2002年推出。該公司表示，該直管段僅需2D即可保持較高準(zhǔn)確度，是否屬實(shí)有待驗(yàn)證。

②圖7(b)所示的A+K平衡流量計(jì)是美國(guó)馬歇爾航空公司于2003年推出的，2006由中國(guó)上海某公司引進(jìn)，在兩國(guó)都申請(qǐng)了專利，ISO曾經(jīng)推薦過(guò)。產(chǎn)品描述：節(jié)流件所具有的大中小三組孔，其大小、位置都由計(jì)算機(jī)精確計(jì)算的，仿照必究。它還強(qiáng)調(diào)最大的孔應(yīng)處于中心位置。其實(shí)，它就是一個(gè)多孔整流器，只不過(guò)在這里又承擔(dān)了節(jié)流件的作用。

③圖7(c)、圖7(d)所示的整流式流量計(jì)是天津某公司于2008年研發(fā)的，參考了ISO所推薦的多孔整流器。對(duì)該產(chǎn)品與A+K平衡流量計(jì)同時(shí)進(jìn)行樣機(jī)性能測(cè)試，該產(chǎn)品的流出系數(shù)不確定度為0.126 6，A+K平衡流量計(jì)的則為0.141 2。該結(jié)果表明，整流式流量計(jì)的技術(shù)參數(shù)并不亞于A+K平衡流量計(jì)。

2.3 環(huán)形通道流量?jī)x表

為尋求在安裝直管段較短時(shí)仍有較高的準(zhǔn)確度的新型節(jié)流裝置，除上述板孔式流量?jī)x表外，20世紀(jì)60年代，因解決排污而研發(fā)了環(huán)形孔板流量計(jì)。其環(huán)形通道不易積累污物，且在直管段較短時(shí)仍有較高準(zhǔn)確度，只是壓損較大，并未引起重視。在此基礎(chǔ)上，研究者研發(fā)了一系列環(huán)形通道流量?jī)x表[16-17]。 環(huán)形孔板流量計(jì)如圖8所示。

圖 8 環(huán)形孔板流量計(jì)

20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)Mccrometer公司推出了內(nèi)錐式(V-cone)流量計(jì)[18]，如圖9所示。

圖9 內(nèi)錐式流量計(jì)

內(nèi)錐式流量計(jì)的節(jié)流件是一個(gè)懸掛在管道中央的錐形體，具有改善流場(chǎng)的作用。其前錐角約30°，后錐角為150°。高壓P1取自錐體前流體尚未節(jié)流、加速的管壁；低壓P2則取自后錐體中央，并通過(guò)內(nèi)錐前方的支桿引出管外。

在21世紀(jì)初，國(guó)外的內(nèi)錐式流量計(jì)主要用于比較臟污、有黏性的氣體，如高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣，并沒(méi)有廣泛推行。內(nèi)錐式流量計(jì)存在單臂支撐不安全、錐尾取壓孔易堵塞、壓損較大的問(wèn)題[19]。

為了解決這些缺點(diǎn)，筆者于2003年研制了梭式流量計(jì)并申請(qǐng)了專利[20](專利號(hào)ZL200420061026.9)。梭式流量計(jì)結(jié)構(gòu)及原理如圖10所示。

圖10 梭式流量計(jì)結(jié)構(gòu)及原理

由圖10可知，梭形節(jié)流件用三個(gè)支桿固定在管道中。總壓僅取一點(diǎn)位于前錐體的中央，也可取自節(jié)流件梭體前方的管壁上。而靜壓(低壓)則取自環(huán)形通道最窄處的管壁上，梭式流量計(jì)的尾部椎體可使加速的流體充分地轉(zhuǎn)化為位能，使不可恢復(fù)壓損降至最小。樣機(jī)初測(cè)表明：節(jié)流比β=0.64時(shí)，流出系數(shù)誤差為±0.3%，壓損僅為內(nèi)錐式流量計(jì)的三分之一。

3 科學(xué)地評(píng)估新型流量?jī)x表

3.1 流量?jī)x表評(píng)估

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)流量試驗(yàn)裝置的局限

為保證量值的準(zhǔn)確傳遞，我國(guó)當(dāng)前流量?jī)x表按規(guī)定應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)流量試驗(yàn)裝置上進(jìn)行檢測(cè)，以確定其基本技術(shù)參數(shù)(準(zhǔn)確度、重復(fù)性等)。標(biāo)準(zhǔn)流量試驗(yàn)裝置必須按照計(jì)量部門所擬定的規(guī)程建立，并定期接受各地部門的檢查。只有符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，得到授權(quán)后才有權(quán)檢測(cè)。流量?jī)x表在標(biāo)準(zhǔn)流量試驗(yàn)裝置校驗(yàn)后所取得技術(shù)參數(shù)(如準(zhǔn)確度、重復(fù)性等)在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)往往不能達(dá)到。這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)無(wú)法全部滿足標(biāo)準(zhǔn)流量試驗(yàn)裝置的條件。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的差異會(huì)對(duì)技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用要求產(chǎn)生多大的影響，應(yīng)該進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估[21]。

國(guó)外在四十年多前就開始了這方面的測(cè)試研究[22-23]。R.W.Miller在1996年的“Flow Measurement Engineering Handbook "[24]三版附錄中，附加大量篇幅，以試驗(yàn)圖片的形式說(shuō)明安裝直管段對(duì)流量?jī)x表準(zhǔn)確度的影響。我國(guó)也有這方面的檢驗(yàn)(如寧波水表廠)，但是尚未建立相應(yīng)的檢驗(yàn)規(guī)章，沒(méi)有相應(yīng)的檢驗(yàn)設(shè)備。

3.1.2 性能試驗(yàn)裝置

影響流量?jī)x表準(zhǔn)確度的因素較多，在實(shí)際應(yīng)用中，主要難點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)難以提供安裝流量?jī)x表所需的直管段長(zhǎng)度。這些差異影響有多大，給應(yīng)用目的帶來(lái)多大影響，應(yīng)由性能流量試驗(yàn)裝置的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估。目前，我國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督管理部門所發(fā)布的三種流量計(jì)檢定規(guī)程(JJG 1033—2007《電磁流量計(jì)檢定規(guī)程》、JJG 1037—2008《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程》、JJG 1030—2007《超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》)，都未提出如何評(píng)估直管段長(zhǎng)度不足對(duì)準(zhǔn)確度的影響[25]。對(duì)此，筆者建議從標(biāo)準(zhǔn)層面予以補(bǔ)充完善。

3.2 流量特性試驗(yàn)室

影響流量測(cè)量的因素有很多，例如：振動(dòng)對(duì)渦街流量計(jì)、科氏流量計(jì)的影響；磁場(chǎng)對(duì)電磁流量計(jì)的影響；噪聲對(duì)超聲流量計(jì)的影響等。當(dāng)前絕大多數(shù)流量?jī)x表面臨的問(wèn)題是：對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)安裝直管段不足給準(zhǔn)確度帶來(lái)的影響，應(yīng)客觀地采用科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)予以評(píng)估，而不是主觀臆測(cè)。以下介紹僅限“流量直管段影響特性試驗(yàn)室”(或簡(jiǎn)稱“流量特性試驗(yàn)室”)[26]。

3.2.1 流量特性試驗(yàn)室的特點(diǎn)

①積木式、多流場(chǎng)。根據(jù)各種不同的管件，可組成5種以上的流場(chǎng)：風(fēng)洞直勻流、圓管充分發(fā)展紊流、圓管非充分發(fā)展紊流、方管充分發(fā)展紊流、方管非充分發(fā)展紊流。根據(jù)不同阻力件的組合，圓管、方管還可以產(chǎn)生更多的流場(chǎng)，更接近流量?jī)x表應(yīng)用的實(shí)際流場(chǎng)。

②管道組合多變。不同于標(biāo)準(zhǔn)流量試驗(yàn)室的一切設(shè)施都必須按規(guī)程辦理，流量特性試驗(yàn)室的布局是盡可能接近現(xiàn)場(chǎng)，不僅管道形式多樣，還需經(jīng)常拆裝。其中應(yīng)備有行車、電動(dòng)工具，以提高拆裝效率。

3.2.2 幾點(diǎn)建議

①規(guī)模大小。根據(jù)已查閱的資料，管徑多定為0.2 m。根據(jù)流體力學(xué)相似理論，可以研究流場(chǎng)對(duì)管徑近1 m流量?jī)x表的影響，從而涵蓋工業(yè)80%以上的流量?jī)x表。試驗(yàn)裝置的管徑在0.2～0.3 m就可以了。這樣可減輕拆裝、組合的麻煩，同時(shí)，也減小了投資及用地。

②流量基準(zhǔn)。不言而喻，任何流量檢定裝置都必須有一個(gè)流量基準(zhǔn)。在文獻(xiàn)[26]中，已提出了2個(gè)方案。而國(guó)外采用的方案三更為簡(jiǎn)便。

方案一：風(fēng)洞。這個(gè)方案始于40年前[27]，是為提高檢測(cè)效率而設(shè)計(jì)的。后來(lái)仿造的不少，但都沒(méi)有進(jìn)行附面層修正，如果裝置的管徑僅0.2 m，會(huì)有較大的誤差。

方案二：標(biāo)準(zhǔn)表。采用準(zhǔn)確度較高而壓損又不太大的流量?jī)x表，如經(jīng)典文丘里管，通過(guò)標(biāo)定不確定度可達(dá)0.5%，完全可以成為流量基準(zhǔn)。

方案三：進(jìn)口流量管。國(guó)外試驗(yàn)裝置曾采用該方案，既簡(jiǎn)單又實(shí)用。其進(jìn)口形似一個(gè)喇叭口，但必須采用吸入式，試驗(yàn)管道呈負(fù)壓。其原理、計(jì)算公式介紹見文獻(xiàn)[28]。

基于以上分析，筆者建議采用方案二。

③安裝流場(chǎng)干擾器。按需要在儀表的上游分別安裝各種流場(chǎng)干擾器，如單彎頭、雙彎頭、半月形孔板、旋渦發(fā)生器等，盡可能地模仿現(xiàn)場(chǎng)的流場(chǎng)，以測(cè)試儀表對(duì)非充分發(fā)展紊流的適應(yīng)能力。

④質(zhì)檢兼研發(fā)。流量特性試驗(yàn)室應(yīng)取得國(guó)家質(zhì)監(jiān)部門或行業(yè)協(xié)會(huì)的授權(quán)，以確定某一流量?jī)x表在實(shí)用中可以達(dá)到的技術(shù)性能。因此，籌建、管理流量特性試驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)，在業(yè)界應(yīng)有較高的資質(zhì)、業(yè)務(wù)水平。同時(shí)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)還可研發(fā)一些流量?jī)x表和改善流場(chǎng)的整流器，成果評(píng)估應(yīng)由第三方主持。

4 結(jié)論

在現(xiàn)代化工業(yè)規(guī)模日趨宏大的新形勢(shì)下，本文對(duì)大管道流量?jī)x表的研發(fā)進(jìn)行了反思，對(duì)研發(fā)的成果評(píng)估提出以下建議。

充分認(rèn)識(shí)流場(chǎng)對(duì)流量測(cè)量的影響。在工業(yè)管徑日益增大的情況下，近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外研發(fā)了不少插入式流量計(jì)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸簡(jiǎn)便，一度很受用戶歡迎。這類儀表僅測(cè)管道截面上一點(diǎn)或多點(diǎn)流速，具有取樣性質(zhì)。其前提是管道測(cè)量流速分布必須有一定的規(guī)律，才能反映整個(gè)流量。有關(guān)專業(yè)書、期刊都強(qiáng)調(diào)了必須有較長(zhǎng)的安裝直管段，否則儀表無(wú)法正確地測(cè)量流量，失去了測(cè)量的意義。

推廣新型節(jié)流裝置宜循序漸進(jìn)。在市場(chǎng)需求推動(dòng)下，近二十多年來(lái)研發(fā)了多孔、環(huán)形通道兩大類新型節(jié)流裝置。其共同特點(diǎn)是在安裝直管段較短時(shí)，仍可保持較高的準(zhǔn)確度，一度在國(guó)內(nèi)十分暢銷。推廣應(yīng)用一定要循序漸進(jìn)，在生產(chǎn)無(wú)標(biāo)準(zhǔn)、使用無(wú)規(guī)程的情況下，大力推廣，易發(fā)生事故。欲速則不達(dá)。

管徑收縮有利于改善流場(chǎng)。實(shí)際使用證明，管徑的收縮加速流動(dòng)，還有利于消除漩渦。當(dāng)前的不少整流器都過(guò)于復(fù)雜，而收縮管較簡(jiǎn)單、實(shí)用。例如在儀表前加一個(gè)收縮管，收縮角設(shè)為30°～60°，再接流量?jī)x表，然后接擴(kuò)張段，擴(kuò)張角不宜大于12°。這樣處理可增大通過(guò)流量?jī)x表的流速，加大輸出信號(hào)，減少購(gòu)買儀表的費(fèi)用，但是會(huì)增加壓損。

建立流量特性試驗(yàn)室迫在眉睫。自解放以來(lái)，我國(guó)的工業(yè)制造水平有了飛速的發(fā)展，但是，由于重裝備、輕儀表，我國(guó)儀表工業(yè)進(jìn)步較慢。國(guó)內(nèi)重大工程招標(biāo)多采用國(guó)外儀表，以保證工程質(zhì)量。國(guó)產(chǎn)儀表在可靠性、實(shí)用準(zhǔn)確度方面仍有很大的提升空間，其原因就是缺乏現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

儀表不是一個(gè)“擺設(shè)”，它的價(jià)值應(yīng)是其實(shí)用性能，而不僅是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下標(biāo)定的出廠性能。目前，我國(guó)科技的突飛猛進(jìn)引起海外“圍堵”。對(duì)此，應(yīng)有危機(jī)感，刻不容緩地研發(fā)出實(shí)用的國(guó)產(chǎn)儀表， 建立流量特性試驗(yàn)室迫在眉睫。