隨著工業(yè)的日益現(xiàn)代化，市政建設(shè)的社會(huì)化等因素，工業(yè)，市政，能源等所用的管道口徑逐漸增大。采用節(jié)流裝置(如孔板，文丘里管)不僅壓損過大，且結(jié)構(gòu)過于龐大笨重;而采取近期嶄露頭角的超聲流量計(jì)，價(jià)格又過于昂貴。近二三十年來，插入式流量計(jì)以其結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，安裝維護(hù)簡便，壓損小，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，普遍受到人們的關(guān)注與選用。其特點(diǎn)是基于只測管道中一點(diǎn)(或幾點(diǎn))的流速來推算流量，雖簡單卻隱含了精確度難以提高的缺點(diǎn)。在當(dāng)前市場經(jīng)濟(jì)的條件下，物流一般要求進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算。為此，有必要探詢在實(shí)際應(yīng)用條件下，其精確度能否達(dá)到不少廠家所宣稱的±1%。

一、插入式流量計(jì)的種類與特點(diǎn)

1、種類

對流量儀表的劃分一般是按原理進(jìn)行的，如節(jié)流，渦街，電磁，超聲等，這些儀表大多通過法蘭安裝在管道上。而插入式流量計(jì)顧名思義是以插入形式安裝的流量儀表，通過測量管道中的一點(diǎn)(或幾點(diǎn))的流速來推算流量的。可以說，凡是可以測量流速大小的儀表，均可以測量流速大小的儀表，均可成為插入式流量計(jì)(本文只討論測一點(diǎn)流速的插入式流量計(jì))，這類流量計(jì)目前常用的有：

(1)皮托管，是一種經(jīng)典，較為準(zhǔn)確的流速計(jì)，幾十年前常用于現(xiàn)場測量，由于易于堵塞，輸出差壓小，現(xiàn)很少用于工業(yè)現(xiàn)場，但仍常用于校驗(yàn)。

(2)皮托—文丘里管，也稱為雙喇叭管或雙文丘里管，也是基于皮托管測速原理，只是結(jié)構(gòu)上采取了加速，降壓措施，在相同流速條件下，可較皮托管獲得更大的差壓，且不易堵塞，可耐高溫，但精確度不高。

(3)其他如渦街，渦輪，電磁等流量儀表均可反映流速的大小。可將其做成精小的測量頭，通過測量管道中某點(diǎn)的流速來推算流量

2.優(yōu)、缺點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)簡單，輕便，制造成本較低。
(2)壓損小，運(yùn)行費(fèi)用低，是一種節(jié)能儀表。
(3)一種結(jié)構(gòu)可用于多種口徑(限于點(diǎn)速式)，可減少用戶備用數(shù)量。
(4)便于包裝，運(yùn)輸，安裝，維護(hù)。
(5)可不斷流進(jìn)行安裝，拆卸，避免了斷流造成的經(jīng)濟(jì)損失。
(6)管道中的流速分布對測量精確度影響太大，要求直管段長達(dá)30D~50D。
(7)現(xiàn)場情況復(fù)雜，對其應(yīng)用有很大影響，難以標(biāo)準(zhǔn)化。
(8)精確度很難提高，一般只能達(dá)到±(3~5%)。

二 工業(yè)管道中的流速分布

1.充分發(fā)展紊流

按定義，管道中的流量qv等于管道截面積A乘以通過此截面的軸向流速V，即qv=AV。但由于管道上游的各種阻力件(彎頭，變徑管，岐管，閥門等)的影響，流速分布十分復(fù)雜，不僅不是常數(shù)，還有徑向分速，漩渦及二次流(圖2)所幸在實(shí)際流體的黏性作用下，通過30—50倍管徑長度的直管段后，流速分布將趨于一種較為固定的形式，這種流動(dòng)稱為充分發(fā)展紊流。幾十年來，工程界約定將這種流動(dòng)作為流量測量的標(biāo)準(zhǔn)流動(dòng)

早在1932年，Nikuradse就對光滑管中的這種流動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)測試，并用(1)進(jìn)行了描述：

V=Vm(y/R)^1/n(1)

式中，V——在測量點(diǎn)的流速；Vm——管道中心的最大流速；y——測量點(diǎn)至管壁的距離；R——管道半徑；n——指數(shù)，取決于雷諾數(shù)Re，如表1所示。

盡管后來不少人認(rèn)為，在管壁Y=0及中心Y=(0.8—1)R處，式(1)與實(shí)際情況有些出入，但因其簡單，至今仍常用于描述充分發(fā)展紊流。

2.平均流速點(diǎn)yc

由于充分發(fā)展紊流的流速旋轉(zhuǎn)對稱于軸心，則流量qv可用積分表示：

以上推導(dǎo)得出充分紊流條件下的平均流速點(diǎn)為yc

只需將丈量頭置于yc上，就可得到流量qv或?qū)⒄闪款^置于管道中心(y=R處，測得流量，再用式(4修正，也可以得到流量qv

3.平均流速點(diǎn)是變化的

從式(1可見，充分發(fā)展紊流速度分布取決于內(nèi)諾數(shù)Re圖3因此平均流速點(diǎn)yc將隨Re變化。

Re數(shù)為4103~4106時(shí)，yc變化規(guī)范為(0.245~0.254R按ISO7145規(guī)定，取其平均值為yc=0.242±0.013R

而插入式流量計(jì)丈量頭固定后，不可能隨Ｒｅ改變，說明即使位置裝置正確，由于Re變化，引入誤差也將達(dá)到±0.7%

不只如此，繼Nikurads后，LoganTownrPao等人對粗糙管進(jìn)行了速度分布測試，認(rèn)為管壁粗糙度對其也有些影響(圖4)

yc=0.216R且基本不變。對此可舉例說明，PA O甚至認(rèn)為在粗糙管條件下。如采用直徑為300mm新鋼管，內(nèi)壁粗糙度ε為0.15則ε/D=0.005可視為光滑管。由于插入式流量計(jì)一般使用的管徑都大于300mm所以很少出現(xiàn)pao所說的管壁粗糙度也有影響的情況。

實(shí)用中往往為便于安裝，將丈量頭置于管道中心，此處速度分布平坦，變化梯度趨于零，避開了因此帶來的丈量誤差。

但此處所測流速不是平均流速Vc而是最大流速Vm

因此還需系數(shù)Vc/Vm修正，才是流量qv系數(shù)Vc/Vm也將隨雷諾數(shù)Ｒｅ及粗糙度ε的變化而變化(圖5）

三、影響流量精確度的因素

1.流速分布

以上分析的前提是測量頭必須處于充分發(fā)展紊流中，要滿足這個(gè)條件，其上游直管段的長度Ｌ就應(yīng)達(dá)到如表2所示的要求。由于插入式流量計(jì)多用于大口徑管道，在實(shí)際應(yīng)用中，很難達(dá)到表2所示的要求，由此將帶來較大的誤差。

初步測試表明：這種以測點(diǎn)速確定流量的插入式流量計(jì)，當(dāng)直管段Ｌ不足8D時(shí)，流速誤差將達(dá)到±(10-15)%；L達(dá)到15D后，可減小大±(5-8)%；而如果直管段長度達(dá)到表2所示的要求時(shí)，僅受雷諾數(shù)Re及粗糙度的影響，可控制在±(0.7-1)%。附帶說，如采用測多點(diǎn)流速插入式流量計(jì)(如均速管，即使直管段只有8D—10D，精確度也將會(huì)提高不少。

2.阻塞度

插入式流量計(jì)的插入桿及測量頭將減少測量截面，改變流速大小及分布，由此帶來流量測量的偏差用σs/s來表示。

阻塞系統(tǒng)S可表示為

3.速度梯度

如測量頭定在平均流速點(diǎn)ye處，此處的速度分布具有較大的速度梯度dv/dy根據(jù)PiandtVon,Karman理論，實(shí)測的流速并不是丈量頭中心的流速，還取決于阻力系數(shù)λ，速度梯度dv/dy為，如采用一般鋼管λ=0.03，則dv/dy=0.64.

4.截面積

插入式流量計(jì)的丈量頭只能反映流速的大小，要進(jìn)行流量丈量還必需知道截面積A

但是實(shí)際應(yīng)用中很少(也不太可能)拆開管道來精確丈量管道的截面積。按ISO7145建議，通過丈量管道外部周長P

根據(jù)用戶提供的壁厚e可確定管道的截面積。由于管壁上往往有突起物(如焊縫)所以需要△P予以修正。

式中a突起物的高度

插入式流量計(jì)不同于法蘭式流量儀表，流量精確度往往取決于這個(gè)易于忽悠而又十分重要的截面積參數(shù)。但其周長VDE丈量往往僅采用精確度很差的卷尺；而用戶提供的壁厚資料又常忽略了管壁的銹蝕，積垢等因素，因此截面積的規(guī)范偏差估計(jì)應(yīng)在±1%以上。

5.流速

這里說的流速是指丈量頭所測得流速精確度。如果丈量頭每支都進(jìn)行流速標(biāo)定，則插入式流量計(jì)的精確度取決于丈量頭本身，顯示儀表及檢驗(yàn)裝置等幾項(xiàng)的精確度。如認(rèn)真對待，有可能達(dá)到±1%,這可能就是不少廠家所宣稱其生產(chǎn)的插入式流量計(jì)的精確度。要強(qiáng)調(diào)指出的這只是流速精確度，而不是流量精確度。

四 流量精確度的估算

1.誤差的傳遞

流量qv是一些獨(dú)立參數(shù)X1，X2……Xn的綜合推導(dǎo)量，如σX1，σX2……σXn是對各獨(dú)立參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計(jì)值。根據(jù)誤差傳送理論，流量的規(guī)范偏差σqv應(yīng)為：

流量儀表的精確度即計(jì)量術(shù)語中的不確定e95%置信度范圍內(nèi)，應(yīng)是該參數(shù)規(guī)范偏差σ的2倍。即：

2.精確度的估算

(1)測量頭位于平均流速點(diǎn)處

如上所述，當(dāng)插入式流量計(jì)丈量頭位于截面平均流速點(diǎn)處時(shí)，影響精確度的因素有速度分布，阻塞度，截面積，速度階梯，流速。其流量的精確度為：

式中σV/V由于速度分布的原因，所測的流速不是平均流速點(diǎn)的流速而引起的規(guī)范誤差，

與直管段長度L有關(guān)，當(dāng)L達(dá)到表2所示的要求時(shí)，σV/V取0.007~0.01當(dāng)L=8D時(shí)，σV/V取0.1~0.15當(dāng)L=15D時(shí)，σV/V取0.05~0.08

σV/V截面積測量的規(guī)范偏差，按常規(guī)測量，取0.008~0.015

σS/S因阻塞而引起的規(guī)范偏差，一般為0.0025~0.0075此處取0.005

σy1因速度梯度影響發(fā)生的規(guī)范偏差，根據(jù)有關(guān)資料，dv/dy=0.64σy1=0.067

σy2因丈量頭位置裝置不準(zhǔn)發(fā)生的規(guī)范偏差，σy2=0.01

取0.008~0.01σV0/V0丈量頭的速度規(guī)范偏差。

將以上各項(xiàng)代入式(10當(dāng)L達(dá)到表2所示的要求時(shí)：

2當(dāng)丈量頭位于管道中心處時(shí)

五、幾點(diǎn)說明和建議

(1)評估的精確度僅供參考

本文對插入式流量計(jì)的精確度進(jìn)行了量的評估，估計(jì)了各種影響因素的大小，雖有一定的依據(jù)，且就低不就高，也僅供參考，并非不可變更的。在今后的實(shí)用中，如減少了某些因素的偏差，總的精確度當(dāng)然可能提高。但要達(dá)到±1%目前還是不可能的。

(2)流速分布式?jīng)Q定因素

當(dāng)直管段長度L達(dá)到表2的要求時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)的為充分發(fā)展紊流，流速分布帶來的偏差σV/V僅取決于雷諾數(shù)Re及粗糙度ε大致為0.007~0.01，與其他因素的偏差接近，而其他偏差仍將起作用。而當(dāng)L達(dá)不到表2的要求時(shí)，σV/V將可能達(dá)到0.05~0.15，大于其他偏差近10倍，如平方后則大于百倍，成為影響精確度的決定性因素。它說明了即使生產(chǎn)廠家將測量頭的精確度提的再高，由于使用條件達(dá)不到要求，對提高流量精確度將無濟(jì)于事，難以奏效。

(3)流場調(diào)整器(FlowConditioners)的作用

為解決現(xiàn)場直管段短又要獲得理想流場的矛盾，40年來，不少人為此努力并研制了不少流場調(diào)整器，如Zanker, Sprenkle, AGA, ASME, AMCA等。它們的結(jié)構(gòu)基本有管束及多孔板組成，實(shí)用中將帶來壓損大，安裝煩瑣，增加成本等弊端，使采用插入式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)蕩然無存。因此，在采用插入式流量計(jì)的應(yīng)用中并未被廣泛推廣采用。是否可研制一種擺脫管束，多孔板結(jié)構(gòu)的新型流場調(diào)整器呢？

(4)應(yīng)該重視流場的基礎(chǔ)研究

迄今為止，以上討論都基于無論管內(nèi)是否為充分發(fā)展紊流，測量頭都必須安裝在平均流速點(diǎn)0.242R或管道中心處，到達(dá)不到表2的要求時(shí)，測量精確度將非常低、設(shè)想如果對一典型阻力件后的流場進(jìn)行系列的詳細(xì)測試研究，即或只是粗略的描述，能在不同阻力件后不同長度上找到平均流速點(diǎn)的相應(yīng)位置，或是軸心流速與平均流速的修正函數(shù)，就有可能大大提高插入式流量計(jì)的精確度，擺脫直管段長度不足，精確度過低的困擾。

(5)檢測與計(jì)量是不同的概念

在自控系統(tǒng)中，檢測儀表是系統(tǒng)的信息源頭，它的輸出信息與被檢參數(shù)的函數(shù)關(guān)系應(yīng)單一，穩(wěn)定，最好是簡單的線性，而并不要求測出被檢參數(shù)的確切值。而計(jì)量則不同，它往往用于經(jīng)濟(jì)核算，必須知道所測參數(shù)的確切值。檢測與計(jì)量可以說采用基本相同的手段(儀表)，而要達(dá)到的目的卻有所側(cè)重。作為自控系統(tǒng)中信息源頭的檢測儀表，往往更關(guān)心其重復(fù)性，也確有人把它說成精確度，顯然，這是有區(qū)別的。對插入式流量儀表來說，只要在距離阻力件后一段距離，流動(dòng)不再有旋渦，迥流區(qū)，它的重復(fù)性一般較好，可以用于自控系統(tǒng)中，特別是在較大口徑管道難以采用其他流量計(jì)的場合。