用數據評估流場(chǎng)對流量?jì)x表準確度的影響

0 前言

流量是一個(gè)由長(cháng)度、質(zhì)量、時(shí)間的推導量，同時(shí)，又是一個(gè)動(dòng)態(tài)量，只有當流體流動(dòng)時(shí)，才會(huì )產(chǎn)生流量。因此，它又和流動(dòng)的狀態(tài)密切有關(guān)。影響流量的因素很多，有些因素如流速、管徑的影響，可以通過(guò)相應的流量公式確定，還有不少影響因素難以準確量化，僅按計算公式來(lái)確定流量，將會(huì )對測量值帶來(lái)很大的誤差。所以，流量?jì)x表都必須在流量標準試驗裝置進(jìn)行校驗，以確定其準確度，如現場(chǎng)達不到標準試驗室的應用條件，準確度將會(huì )有所下降。

1 流場(chǎng)對流量?jì)x表準確度的影響長(cháng)期被忽視

流量?jì)x表除容積式、科式外都屬速度型，即要求安裝需較長(cháng)的直管段長(cháng)度，在現場(chǎng)難以滿(mǎn)足時(shí)，準確度將會(huì )下降，下降多少應在特性流量試驗室用測試數據進(jìn)行量化。這個(gè)課題國外早在上世紀七十年代末就已開(kāi)展了這方面的測試研究。

R.W.Miller在其名著(zhù)“流量工程手冊”第三版中公布了大量前置阻力件對節流裝置、電磁、渦輪、渦街、超聲等流量計的影響，說(shuō)明了國外對此早已充分認識，而且進(jìn)行了大量細致的測試。反觀(guān)我國對此認識不足，存在較大的差距，如：

（1）用風(fēng)洞標定流量計我國某一地區流量廠(chǎng)家，長(cháng)期用風(fēng)洞標定流量?jì)x表，并宣稱(chēng)可達到0.5級準確度，而忽視了風(fēng)洞的直勻流，不可能出現在工業(yè)管道中，這種標定僅是流速標定。

（2）我國國家質(zhì)量監督管理部門(mén)所發(fā)布的以下三種流量計檢定規程，都未提出如何評估直管段長(cháng)度不足對準確度的影響：①JJG1033-2007電磁流量計檢定規程；②JJG1037-2008渦輪流量計檢定規程；③JJG1030-2007超聲流量計檢定規程，而實(shí)際上均有很大的影響。

（3）內錐流量計2003~2004年在我國大力推廣時(shí)，毫無(wú)根據地宣稱(chēng)僅需前0~3D直管段就可取得0.5級準確度，后經(jīng)測試表明，要取得0.5級準確度，前直管段不得少于10D。

（4）我國僅重視建立標準流量試驗室，而忽視建立流量特性試驗室。

在此，我們呼吁我國應重視、加強建立流量特性試驗室，因為：

首先，對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，流量?jì)x表廠(chǎng)家雖明確了所需安裝直管段長(cháng)度，但很多現場(chǎng)都無(wú)法滿(mǎn)足，還必須得用�，F場(chǎng)條件與規程條款有多大差異，會(huì )給流量?jì)x表的技術(shù)指標（特別是準確度）帶來(lái)多大影響，要做到心中有數，就必須依據嚴謹的試驗數據進(jìn)行量化、評估。

其次，儀表生產(chǎn)廠(chǎng)家在研發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，可通過(guò)流量特性試驗室的測試，不斷改進(jìn)產(chǎn)品，推出新型的流量?jì)x表，可提供可靠的數據，能在較惡劣的安裝條件下，仍可維持較高的準確度。

2 多流場(chǎng)、積木式氣體流量試驗裝置簡(jiǎn)介

我國在上世紀八十年代初，已開(kāi)始關(guān)注這個(gè)課題，建立了相應的試驗室（圖1），但并未得到應有的重視，開(kāi)展研究這方面的測試研究。近年來(lái)不少專(zhuān)家都在呼吁重視這個(gè)課題，積極開(kāi)展測試研究。

本文提出建立的“多流場(chǎng)、積木式氣體流量試驗裝置”（圖2），希望有助于推動(dòng)這項課題。

圖1 大管徑氣體流量試驗室（1981.重慶）

圖2 多流場(chǎng)、積木式氣體流量試驗裝置（2012.廣州）

（1）特點(diǎn)：

多流場(chǎng)：本裝置在同一流量下，可具有如下五種流場(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�？商峁┯辛�條件，研究不同流場(chǎng)對流量?jì)x表技術(shù)特性的影響。

積木式：本裝置如將五種流場(chǎng)同時(shí)安裝在同一管線(xiàn)，其長(cháng)度將達到約120D，由于很少需要同時(shí)具有五種流場(chǎng)的測試，為節約場(chǎng)地，減少壓損，裝置將不同流場(chǎng)組成部件，根據試驗需要，可通過(guò)變徑管安裝到裝置上。

（2）結構簡(jiǎn)介

①直勻流：提供直勻流主要由以下三個(gè)部件完成

a整流段

為保證收縮段能取得直勻流，在它之前由格柵、網(wǎng)格對流體的流動(dòng)進(jìn)行處理，消除漩渦并減少紊流度。

b收縮段

將整流段處理后的氣流通過(guò)特殊型面的收縮加速，再令其出口為直勻流，即在整個(gè)截面上流速大小相等，方向一致的流速分布，其型面按波蘭學(xué)者維托辛斯基（Bитoщинckий）提出的公式進(jìn)行計算^*6。

收縮段的結構：收縮段的截面形狀主要有圓形、方形及八角形三種。

圓形流動(dòng)沒(méi)有死角，情況最好，但加工型面較困難；

方形收縮段的型面加工簡(jiǎn)易，但四角流動(dòng)有死角；

八角形將上述二種取長(cháng)補短，在方形四角切去一小塊，形成八角，消除了流動(dòng)死角，易于加工，也方便與后面的測量段相聯(lián)結，是目前較流行的一種形式。

c試驗段

處于收縮段之后，應與其平滑聯(lián)結，保證不破壞收縮段出口直勻流的質(zhì)量。在風(fēng)洞試驗中，被測試件應置于試驗段中，進(jìn)行各項試驗、測試，是裝置中的重要部件；而在流量試驗室中，它有二項作用：其一，可用于校驗流速計；其二，可做為流量基準，在代表點(diǎn)上測流速乘以截面面積即為流量。但需考慮附面層所占面積的影響，以提高測量準確度。

②充分發(fā)展紊流

a圓管

圓管是工業(yè)中最常見(jiàn)的管道，提供圓管充分發(fā)展紊流為流量試驗室最基本的條件，總長(cháng)不應小于30D。如尚未達到充分發(fā)展紊流可考慮安裝流動(dòng)調整器。

b矩形管

在電廠(chǎng)、暖通等行業(yè)測風(fēng)量多為矩形管道，流量計則多采用速度-面積法原理，安裝為插入式。矩形管道及其流量計都有其特殊性。遺憾的是國內外都罕見(jiàn)矩形管道流量試驗室，因此開(kāi)展這方面的研究很有必要。欲取得矩形管的充分發(fā)展紊流，總長(cháng)也應不少于30D。如仍未達到充分發(fā)展紊流可考慮安裝流動(dòng)調整器。

③非充分發(fā)展紊流（圓管、矩形管相同）

由于當前流程工業(yè)中，無(wú)論圓管還是矩形管，十之八、九為非充分發(fā)展紊流，因此，有不少廠(chǎng)家推出了新型流量計，聲稱(chēng)僅需很短的直管段長(cháng)度，可取得較高的準確度。究竟需多長(cháng)直管段，能達到什么效果。應建立相關(guān)試驗室，由測試數據來(lái)說(shuō)明。為此目的，這個(gè)部件應具備二個(gè)內容：

a擾流器

美國石油學(xué)會(huì )的MPMS測試備忘錄*10及英國學(xué)者L.A.Sala⁃mi都提出了在試驗室中被校流量?jì)x表的上游安裝“流場(chǎng)干擾器”。人為地制造各種復雜的流場(chǎng)，以測試流量?jì)x表的抗干擾能力，基本上有以下三種形式：

◆圓缺孔板（圖3），通過(guò)旋轉圓缺孔板的安裝位置可以制造多種不對稱(chēng)流。

圖3 圓缺孔板擾流器

圖4 雙彎頭擾流器

◆不同平面多二個(gè)彎頭（圖4），不僅產(chǎn)生不對稱(chēng)流動(dòng)，而且還會(huì )產(chǎn)生漩渦，更換安裝角度，可產(chǎn)生多種復雜流場(chǎng)。

◆漩渦發(fā)生器，產(chǎn)生的主要是較大的漩渦，將這三種流場(chǎng)干擾器安裝在上游，并可調整被校流量?jì)x表不同的前直管段安裝長(cháng)度，以測試儀表的抗流場(chǎng)干擾能力。

◆擋風(fēng)板，火電廠(chǎng)多用百葉窗式的風(fēng)門(mén)調節流量，開(kāi)度較小時(shí)對流場(chǎng)干擾較大，為使試驗條件更接近現場(chǎng)條件，作者根據實(shí)際情況，建議用它做流場(chǎng)干擾器，取代漩渦發(fā)生器。

b多種長(cháng)度直管

不同長(cháng)度的管段，如：1D、2D、3D、4D、5D、10D（D為當量直徑）等長(cháng)度，可組合成各種長(cháng)度，以測試需要多少長(cháng)度才能達到必要的準確度。

（3）附件

①進(jìn)氣口，處于風(fēng)機前，進(jìn)氣端為一個(gè)喇叭口，使來(lái)自大氣中的空氣順利進(jìn)入。進(jìn)氣口還可以采用端頭節流裝置，Sala⁃miL.A三十多年前就采用端頭節流裝置作為試驗裝置的參比流量基準。

②風(fēng)機，主要有軸流及離心二種型式，軸流式風(fēng)量大，出口壓頭較離心低，風(fēng)洞試驗壓損不大，多采用軸流式；而流量試驗由于有些被校流量計（如節流裝置壓損較大），多采用離心式。

③隔振段，將風(fēng)機的機械振動(dòng)，通過(guò)裝一個(gè)軟聯(lián)接的隔振段，以隔斷來(lái)自風(fēng)機的機械振動(dòng)。

④消聲器，消聲器的作用主要是消除風(fēng)機的噪音，如可能風(fēng)機應安裝在靠近試驗室的單獨機房中，機房采取厚壁，隔音效果很好；軸流式噪音相對較小，可視情況是否安裝。

⑤擴張段，風(fēng)機出口管徑一般小于整流器，必需通過(guò)擴張段聯(lián)接，如果相差較大，擴張角又必需小于12°，將占據較長(cháng)的場(chǎng)地，可采用較大角度的擴張段，而中間采用幾個(gè)同心漸擴管，既縮短長(cháng)度，節約了場(chǎng)地，又可避免分離，產(chǎn)生漩渦。

⑥流量基準

a、速度-面積（V-A）法，在試驗段進(jìn)口靠近收縮段出口截面測點(diǎn)（或多點(diǎn)）流速，以確定流量；

b、采用標準流量計，如：經(jīng)典文丘里管、端頭節流裝置、氣體渦輪流量計，超聲流量計…等。

⑦標準皮托管，可選用IS03966所推薦的三種皮托管中的一種（NPL，AMCA，CETIAT）；

⑧變頻器，通過(guò)變頻器改變風(fēng)機的轉速，以達到調節設備流量大小的目的。

⑨數據采集系統，根據需要，通過(guò)變送器采集各部件輸出的差壓頻率信號及該處的溫度，壓力信號經(jīng)I/V轉換，A/D轉換至計算機，由計算機對輸入數據進(jìn)行診斷分析計算貯存、制表、打印，得到校驗結果。

⑩變送器，各種量程的差壓、溫度、壓力變送器，準確度應不低于0.2級。

聯(lián)結管件，根據測試需要，可以將不同的部件組合成一個(gè)整體，如管徑，管道外形不符時(shí)可通過(guò)變徑管，方轉圓，圓轉方…等管段達成一體。

出口擴張段，其作用使動(dòng)能轉換為位能，令出口的流速低于5m/s，不僅節約能量，而且可以降低噪音。

3 裝置性能評估

（1）風(fēng)機風(fēng)量的穩定性，在檢定流量?jì)x表時(shí)需要一定的時(shí)間，在這段時(shí)間內裝置的風(fēng)量應穩定不變，主要是評定變頻器與風(fēng)機的性能。

（2）測量段流場(chǎng)分布的不均勻性（用V-A法做流量基準才考慮，如采用標準流量計做流量基準無(wú)需考慮）。

如流速偏差超過(guò)0.1%，則可以按GB10184，找代表點(diǎn)以減少流場(chǎng)不均勻性帶來(lái)的流量誤差，如測9點(diǎn)流速的不均勻度仍超過(guò)0.1%，則應將測點(diǎn)增加至16或25點(diǎn)，以尋找等于（或接近）平均流速的代表點(diǎn)。

4 流量基準

（1）標準表（經(jīng)典文丘里管、端頭節流裝置、氣體渦輪流量計等）

（2）流量基準為V-A（即第二試驗段的面積及皮托管），確定流量值有二種方法：

①直接法，通過(guò)位移厚度d*修正確定流量，不除去附面層的影響，很難取得較高的準確度*4這種方法需測數以萬(wàn)計的附面層厚度，來(lái)確定位移厚度d*與雷諾數之間的關(guān)系，雖繁瑣但流量裝置可取得±0.5%的不確定度。

②間接法，通過(guò)標準流量計修正V-A的流量值，這樣可省去上述繁瑣的測量附面層程序，流量裝置可取得±1%的不確定度。

誤差分析*4，可參考文獻4，當時(shí)評估的不確定度為±1%，現在的測試水平已遠遠高于三十多年前，經(jīng)實(shí)事求是地進(jìn)行誤差分析，按直接法所建的流量裝置，不確定度可達±0.5%。

5 說(shuō)明、創(chuàng )新、建議

（1）有待完善、深化多流場(chǎng)、積木式氣體流量試驗裝置雖已在廣州初步建成，但尚不夠成熟有待完善，在征求廠(chǎng)家的同意后介紹給讀者，僅希望對關(guān)心這項課題的專(zhuān)業(yè)人士有所啟發(fā)，引起有關(guān)方面的重視，有助于推動(dòng)“流場(chǎng)對流量?jì)x表性能影響”的試驗研究。

（2）創(chuàng )新應實(shí)事求是近年來(lái)我國大力提倡科技興國，專(zhuān)利申報熱火朝天，形勢大好令人鼓舞，但其中也難免有些缺憾。希望申報專(zhuān)利的創(chuàng )新人士們，本著(zhù)實(shí)事求是的原則核實(shí)求證，避免申報了別人的成果的成果。

（3）建立流量試驗裝置應重內涵我國解放以來(lái)，流量試驗裝置都按照一定的規程建立，統稱(chēng)標準流量試驗裝置，為量值的傳遞奠定了堅實(shí)的基礎。但是影響流量?jì)x表的因素很多，現場(chǎng)條件又苛刻，我們很難要求使用者完全按照相關(guān)的標準、規程來(lái)使用流量?jì)x表。如不符合要求會(huì )有多大的影響，應由試驗數據來(lái)評定。因此，有必要重視增加流量試驗裝置的種類(lèi)（內涵），不宜僅擴大標準流量試驗裝置的規模（外延）。國外流量?jì)x表的技術(shù)性能、可靠性均優(yōu)于我國，其原因之一就是：儀表出廠(chǎng)前會(huì )通過(guò)各種性能試驗裝置的測試，我們對此應給予充分的關(guān)注。