前言
　　
眾所周知,，規(guī)模產(chǎn)生效益。近二,、三十年來,，工程的大型化已成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。工程中口徑大于500毫米的管道已十分普遍,，其流量檢測(cè)（特別對(duì)氣體）已日益迫切,，有待解決?？蓽y(cè)氣體流量的儀表不少,，從原理及制造角度來說，將尺寸放大應(yīng)無問題,，但儀表的體積及重量將隨口徑按幾何級(jí)數(shù)增長,，而且還會(huì)帶來其他問題，例如孔板,，這種人們熟知的節(jié)流裝置,，當(dāng)口徑較大時(shí)不僅笨重,，還有較大的壓損，運(yùn)行費(fèi)用過高,，再加上ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)要求前直管段達(dá)30～40D,，現(xiàn)場(chǎng)很難滿足，無法考慮再采用這類儀表,。量變到質(zhì)變,，面臨這些困難，近二,、三十年來,，普遍采用的是采用取樣原理、插入安裝方式,，僅測(cè)取管道中一點(diǎn)或多點(diǎn)的流速來推算流量的插入式流量計(jì),，這類儀表的共同特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便,，價(jià)格低廉,，重復(fù)性好，準(zhǔn)確度一般不高,。因其原理均為取樣性質(zhì),，所以首先要了解管道內(nèi)的流速分布，這樣才能正確選定檢測(cè)點(diǎn)的位置及數(shù)量,。
　　
工業(yè)管流
　　
千變?nèi)f化的管內(nèi)流速分布
　　
各行各業(yè)的工程,，從其本身的工藝要求出發(fā)在管道中都必需安裝形形色色的管配件（如閥門、彎頭,、歧管,、變徑管、過濾器等）,，由于它們的形式及組合方式極多所引起的管內(nèi)流速分布也千變?nèi)f化,，難以估計(jì)。R．W．Miller（ 美國流量測(cè)量工程手冊(cè)作者）認(rèn)為：“流速分布是影響流量測(cè)量準(zhǔn)確度的主要因素,，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的配件種類繁多,，其流動(dòng)情況十分復(fù)雜，不僅難以描述,，也不易在實(shí)驗(yàn)室模擬它們”,。由于絕大多數(shù)流量儀表都與流速分布有關(guān)，它的校驗(yàn)所處的流場(chǎng)應(yīng)與實(shí)用條件的流場(chǎng)一致,，校驗(yàn)的系數(shù)才有意義,。這個(gè)流場(chǎng)被公認(rèn)為充分發(fā)展紊流，只要管道具有較長的直管段就可以得到（見圖1）。

充分發(fā)展紊流

　　■ 形成—由于實(shí)際流體均有粘性,，在流動(dòng)過程中將會(huì)帶動(dòng),、制約相鄰層面的流體，這種作用經(jīng)過約30D（D為管內(nèi)徑）直管段長度,，其流速分布將不再變化,，如雷諾數(shù)Re＜2000為層流；Re＞4000則為紊流,，工業(yè)中多為紊流，即充分發(fā)展紊流,。
　　■ 描述—近百年來不少科學(xué)家對(duì)充分發(fā)展紊流進(jìn)行了大量測(cè)試與描述,，其中以Nikuradse的光滑管充分發(fā)展紊流公式最簡單，它近似地表達(dá)為


其中Vi為任一點(diǎn)流速,；Vm中心最大流速,；y流速點(diǎn)至管壁的距離；R管道半徑,；n為指數(shù),，與Re有關(guān)。
　　■ 平均流速點(diǎn)—通過公式１可推導(dǎo)出光滑管充分發(fā)展紊流的平均流速點(diǎn)

由式２可知,，圓管內(nèi)的平均流速點(diǎn)取決于３個(gè)因素：

　　1）．直管段長度,；2）．雷諾數(shù)Re；3）．粗糙度e,，因此它的位置并非固定不變,，不像有些廠商宣傳的那樣，僅測(cè)管道一點(diǎn)流速就可取得．±0.5～1%的流量準(zhǔn)確度,，按ISO7145評(píng)估,，其準(zhǔn)確度只能達(dá)到±3%；如直管段較短,，流量準(zhǔn)確度甚至不足±5～10%,。
　　
流動(dòng)調(diào)整器（flow conditioner）
　　
要準(zhǔn)確地測(cè)量流量，必需具有較長的直管段長度,，而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)往往無法滿足,，為此，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織曾多次推薦采用十余種類型的流動(dòng)調(diào)整器,，但筆者認(rèn)為這并非上策,，因?yàn)椋?）增加成本，一臺(tái)流動(dòng)調(diào)整器的價(jià)格不亞于一臺(tái)流量計(jì),；2）需經(jīng)常清洗加大了維修量,；3）效果好的流動(dòng)調(diào)整器永久壓損大，增加了運(yùn)行成本,；4）易于堵塞,，即使部分堵塞也改變了流速分布,，無法提高準(zhǔn)確度。
　　
既然事與愿違,，又何必多次一舉,。
　　
大管道氣體流量檢測(cè)儀表
　　
在我國倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型經(jīng)濟(jì)的前提下，本文所介紹的大管道氣體流量檢測(cè)儀表排除了壓損大,、運(yùn)行費(fèi)過高的節(jié)流裝置,；也不推薦價(jià)格過高的氣體超聲波流量計(jì)，僅限于介紹在工控系統(tǒng)中,，性價(jià)比較高,，以取樣原理的插入式流量儀表，按其取點(diǎn)方式可分為以下三大類：
　　
測(cè)點(diǎn)速
　　
凡可測(cè)流速的儀表插入管道均可成為流量計(jì),，較為通用的有以下幾種：

　　■ 雙文丘利管—早于40年前,，美國Taylar公司已推出此產(chǎn)品，國內(nèi)曾仿制用于火電廠稱“小喇叭管”,。近十多年國內(nèi)已有產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng),。它是利用外文丘利管喉部加速產(chǎn)生低壓，促進(jìn)內(nèi)文丘利再次加速可得到更低的壓力,，從而在相同流速下可得到更大的輸出差壓,，較適用于大管道低流速的氣體流量測(cè)量。
　　■ 熱式—利用傳熱原理,，以熱電阻為敏感元件,，當(dāng)流速高時(shí)將帶走更多的熱量，降低了熱電阻溫度,，改變了電阻值,，通過電阻值的變化了解流速大小及流量值，其最大特點(diǎn)是可測(cè)低于小于5m/s的流速,，傳熱與流體質(zhì)量有關(guān),，因此所測(cè)為質(zhì)量流量；不足是氣體溫度一般要低于200℃,，響應(yīng)時(shí)間在1秒以上,。
　　■ 其他—按理，皮托管,、插入式渦街（圖2）,、渦輪均可用于測(cè)流量，皮托管可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn),，很少作為工業(yè)儀表,。插入式渦街在低速及管道有振動(dòng)時(shí)，工作不可靠；插入式渦輪由于有轉(zhuǎn)動(dòng)件,，維修量大等等,。這些儀表近年來市場(chǎng)占有量都呈較大的下降趨勢(shì)。
　　
這類儀表生產(chǎn)廠商常宣傳他們的儀表都在風(fēng)洞中標(biāo)定過,，其實(shí)那僅只是標(biāo)定流速不是流量,，流量準(zhǔn)確度不可能達(dá)到他們宣傳的±1%。
　　
測(cè)線速
　　
以測(cè)管道中分布在一條線上的多點(diǎn)流速來推算流量,，較上述測(cè)單點(diǎn)的準(zhǔn)確,，安裝穩(wěn)定，可靠,，在工控系統(tǒng)中檢測(cè)大管道氣體流量,，常為首選儀表，較典型的為均速管流量計(jì)：
　　
差壓式均速管流量計(jì)
　　
以皮托管測(cè)速原理為基礎(chǔ),，三十多年來經(jīng)過了不斷改進(jìn)，目前在國內(nèi)外市場(chǎng)上有以下幾種：

　　■ 菱形-Ⅱ—最早檢測(cè)桿截面為圓形,，因“阻力危機(jī)”被菱形-I型取代,，菱形-I又因背壓孔易堵，而被菱形-Ⅱ型代替,。這種類型主要有二種：其一是艾默生公司十多年前推出的由三個(gè)型材組合形成的檢測(cè)桿,，由于型材公差較大，當(dāng)溫度變化時(shí),，易發(fā)生漏氣或初始應(yīng)力過大削弱強(qiáng)度等弊病,，現(xiàn)已很少采用；另一種是一體化結(jié)構(gòu),，由德國二,、三家公司推出，工作可靠,，可承受較高的溫度,，但價(jià)格較貴，我國已可生產(chǎn)并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng),。
　　■ 彈夾型—近十年來,，在國內(nèi)市場(chǎng)曾占有較大份額，生產(chǎn)廠商宣稱其頭部的粗糙面可控制附面層從而提高精確度,，經(jīng)專業(yè)人士論證,，附面層相對(duì)其他因素對(duì)準(zhǔn)確度的影響微不足道。而其缺點(diǎn)是輸出差壓較小,，測(cè)壓孔太小,，當(dāng)流體中含有粉塵，特別是有凝析物、油類,、藻類等時(shí),，廠家也不得不承認(rèn)易于堵塞。
　　■ T型—迎流向有二排密集不到2毫米的總壓孔,，低壓孔取出T形背部,，孔徑較小，廠家宣稱測(cè)壓孔多更可“采集”流速分布狀況,，準(zhǔn)確度達(dá)到令人難以置信的±0.7%,。其實(shí)測(cè)壓孔就是密集到為一條縫，不也只能反映截面上直線上的流速嗎,？當(dāng)直管段長度不夠時(shí),，又如何保證準(zhǔn)確度？況且由于測(cè)壓孔過小,，與彈頭型一樣易于堵塞,。

熱式均速管流量計(jì)　　

原理與上節(jié)測(cè)單點(diǎn)熱式相同，只是在結(jié)構(gòu)上為多點(diǎn),，反映管道內(nèi)多點(diǎn)的流速分布,，以此推算流量。
　　
比較上述二種均速管流量計(jì),，熱式優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高可測(cè)低速低溫流體流量,，而且直接反映的是流速；而差壓式所測(cè)總壓在檢測(cè)桿內(nèi)平均后,，由于流動(dòng)復(fù)雜,，混合后傳出的總壓未必是平均流速的總壓，所以必需通過校驗(yàn)用流量系數(shù)來修正,，可以預(yù)計(jì)熱式均速管流量計(jì)如能改進(jìn)提高準(zhǔn)確度,，將會(huì)有較大的發(fā)展?jié)摿Α?br /> 　　
測(cè)截面多點(diǎn)流速

　　■ 機(jī)翼型流量計(jì)—這是經(jīng)典文丘利管的改進(jìn)型式，縮短了長度,，仍較笨重,。
　　■ 總量測(cè)量裝置—在管道截面中插入了多根檢測(cè)管，檢測(cè)管正對(duì)流向鉆有多個(gè)總壓孔,，側(cè)面多個(gè)靜壓孔,，有較多的測(cè)點(diǎn)反映截面的流速分布，雖較機(jī)翼輕巧,，但不夠準(zhǔn)確,。
　　■ 熱式均速流量計(jì)—在管道中插入多根熱式均速管流量計(jì)，更全面反映管內(nèi)的流速分布,，但每個(gè)熱電阻所反映的流速特性未必相同,，校驗(yàn)修正還有待改進(jìn),。
　　■ 均速環(huán)流量計(jì)（圖3）—針對(duì)均速管流量計(jì)應(yīng)用三十余年存在的輸出差壓小，準(zhǔn)確度低,，忽視管內(nèi)徑對(duì)準(zhǔn)確度影響等缺點(diǎn)推出的一項(xiàng)專利產(chǎn)品（專利號(hào)ZL200420061027.3）,，它由雙文丘利管測(cè)低壓，提高了輸出差壓,，用多根均速管充分反映了管內(nèi)的流速分布等一系列措施,，改善均速管的技術(shù)特性，正引起國內(nèi)外廠商及用戶的關(guān)注,。
　　
校驗(yàn)
　　
流量是一個(gè)推導(dǎo)量,，影響的因素較多，必需通過校驗(yàn)所得的系數(shù)進(jìn)行修正,，才可以得到正確的流量值,。由于絕大多數(shù)流量儀表（容積、哥氏除外,，但管徑一般小于0.2米）均與管道中流速分布密切相關(guān),，因此要正確使用流量儀表都必需具有較長的前直管段，即他們應(yīng)安裝在充分發(fā)展紊流之中,，所以校驗(yàn)裝置也必需提供充分發(fā)展紊流,，它是校驗(yàn)與應(yīng)用的流場(chǎng)平臺(tái)，只有這樣,，校驗(yàn)的系數(shù)才可以用于現(xiàn)場(chǎng)儀表，否則校驗(yàn)毫無意義,。
　　
風(fēng)洞能校驗(yàn)流量儀表嗎,？
　　
由于人們難以測(cè)取飛行器在運(yùn)動(dòng)中的受力情況，只有用相對(duì)方法,，令飛行器（或等比例縮小的模型）靜止不動(dòng),。由風(fēng)洞產(chǎn)生一股迎面氣流，以模擬實(shí)際飛行情況,，為此要精心設(shè)計(jì),，采取各種措施，使整個(gè)截面的流速都是相等的（即所謂均直流場(chǎng),，見圖4）,，它與充分發(fā)展紊流是完全不同的，只能校驗(yàn)流速計(jì),，不能校驗(yàn)流量計(jì),。

有人認(rèn)為用風(fēng)洞標(biāo)定插入式流量計(jì)探頭就可以了，有意或無意回避管道的影響,。眾所周知,，流量Q=管道截面積AX流速V,，因此可以說插入式流量計(jì)不插入管道只是流速計(jì)不能成為流量計(jì)，說明管道的影響舉足輕重,，它可表現(xiàn)為二個(gè)方面：
　　
1）具有較長的直管段,，以保證流速的準(zhǔn)確度；2）準(zhǔn)確的管道截面積,，用風(fēng)洞可以標(biāo)定流速,，不能標(biāo)定流量。
　　
氣體流量校驗(yàn)裝置
　　
裝置的基本條件：

　　■ 管徑大小與形狀與被校表基本相同,；
　　■ 可在較大范圍內(nèi)（10：1）調(diào)整流量,；
　　■ 具有較高精確度的流量基準(zhǔn)；
　　■ 具有較長的直管段,，以保證提供充分發(fā)展紊流（如受場(chǎng)地限制,，在實(shí)驗(yàn)室建議采用流動(dòng)調(diào)整器）；
　　■ 其他特殊要求：如工況,、實(shí)流,、二相、脈動(dòng)等,。
　　
如何面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件：
　　
在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的大管徑氣體流量計(jì)常采用矩形截面,，大小，寬高比例形形色色,，實(shí)驗(yàn)室難以一一滿足,；其次往往面臨直管段不足的情況，即未安裝在充分發(fā)展紊流中,，即使在具備上述條件的裝置中校驗(yàn)過,，其流量系數(shù)也因?yàn)榱鲌?chǎng)的差異，直接引用并不能保證其準(zhǔn)確度,。在這種情況下,，只有采用速度一面積法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)。
　　
速度一面積法

　　■ 原理—速度面積法是一種測(cè)量管道內(nèi)流量的經(jīng)典方法,，由于較為繁瑣,，只適用于現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，而不宜用于流程工業(yè)檢測(cè),。由于管道內(nèi)流速分布不等,，可將管道分割許多單元面積Ａi，并認(rèn)為單元面積上的流速Vi近似相等,，這樣流量不難理解面積分割越多則越準(zhǔn)確,，但也越繁瑣而不現(xiàn)實(shí)。
　　■ 準(zhǔn)確度— 采用速度面積法的準(zhǔn)確度取決于以下四個(gè)因素：

　上式中：

由于現(xiàn)場(chǎng)流速分布比較復(fù)雜,，不對(duì)稱且可能存在二次流及漩渦,，要取得較高精確度必需增加測(cè)點(diǎn)數(shù)目,，據(jù)ISO7194估計(jì)，圓管采用速度面積法,，測(cè)點(diǎn)為48個(gè)Q＜±5%,；測(cè)點(diǎn)36個(gè)Q＜±7%；測(cè)點(diǎn)20個(gè)Q可達(dá)±14%.
　　■ 標(biāo)準(zhǔn)—有關(guān)速度一面積法如何操作,，由于篇幅所限,，本文略去，讀者可參閱以下標(biāo)準(zhǔn)：
　?。璉SO3966-1977 封閉管道中流量測(cè)量—采用皮托－靜壓管的速度一面積法,。
　　－ISO7145-1982 封閉管道中的流量測(cè)量—測(cè)量截面一點(diǎn)流速的方法,。
　?。璉SO7194-1983 封閉管道中的流量測(cè)量—在圓管中處于漩渦及非對(duì)稱流動(dòng)下采用皮托管的速度面積法。
　?。袊鴩覙?biāo)準(zhǔn) jjG835-1993 速度面積法流量校驗(yàn)裝置檢定規(guī)程,。
　　
小結(jié)
　　
直管長度舉足輕重
　　
直管段長度對(duì)流量儀表準(zhǔn)確度影響很大，插入式儀表尤為突出,，而現(xiàn)場(chǎng)難以保證,，生產(chǎn)廠商往往回避這個(gè)問題，片面強(qiáng)調(diào)儀表本身的流速精確度,，用戶選用時(shí)應(yīng)理性,。
　　
計(jì)量、檢測(cè)各有側(cè)重
　　
流量儀表因其使用目的不同,，及要求的特性也隨之不同,，如用于物流核算的貿(mào)易計(jì)量，準(zhǔn)確度應(yīng)放在首位,，插入式流量儀表一般難以滿足要求；但它的重復(fù)性較好,，可以用于工控系統(tǒng)的檢測(cè)環(huán)節(jié),。
　　
綜合考慮，按需選用
　　
本文按大管道氣體流量檢測(cè)的特點(diǎn),，介紹了不少插入式流量計(jì),，測(cè)點(diǎn)速的簡單，價(jià)廉,，但不準(zhǔn)確,；測(cè)截面多點(diǎn)的，準(zhǔn)確度雖有所提高,，但笨重,，安裝維修不便,。筆者認(rèn)為測(cè)線的二種均速管（差壓、熱式）,，結(jié)構(gòu)仍較簡單,，性能有所提高，在工控系統(tǒng)中是屬于性價(jià)比較高的產(chǎn)品,。