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(guò)大，且結(jié)構(gòu)過(guò)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(guò)于昂貴。近二三十年來(lái)，插入式流量計(jì)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，安裝維護(hù)簡(jiǎn)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(cè)管道中一點(diǎn)（或幾點(diǎn)）的流速來(lái)推算流量，雖簡(jiǎn)單卻隱含了度難以提高的缺點(diǎn)。在當(dāng)前市場(chǎng)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(xún)?cè)趯?shí)際應(yīng)用條件下，其度能否達(dá)到不少?gòu)S家所宣稱(chēng)的±1%。
一、插入式流量計(jì)的種類(lèi)與特點(diǎn)
1、種類(lèi)
對(duì)流量?jī)x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(guò)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?jī)x表，通過(guò)測(cè)量管道中的一點(diǎn)（或幾點(diǎn)）的流速來(lái)推算流量的?？梢哉f(shuō)，凡是可以測(cè)量流速大小的儀表，均可以測(cè)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(cè)一點(diǎn)流速的插入式流量計(jì)），這類(lèi)流量計(jì)目前常用的有：
?。?）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(chǎng)測(cè)量，由于易于堵塞，輸出差壓小，現(xiàn)很少用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，但仍常用于校驗(yàn)。
?。?）皮托—文丘里管，也稱(chēng)為雙喇叭管或雙文丘里管，也是基于皮托管測(cè)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，但度不高。
?。?）其他如渦街，渦輪，電磁等流量?jī)x表均可反映流速的大小?？蓪⑵渥龀删〉臏y(cè)量頭，通過(guò)測(cè)量管道中某點(diǎn)的流速來(lái)推算流量
2.優(yōu)、缺點(diǎn)
（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。
?。?）一種結(jié)構(gòu)可用于多種口徑（限于點(diǎn)速式），可減少用戶(hù)備用數(shù)量。
?。?）便于包裝，運(yùn)輸，安裝，維護(hù)。
?。?）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。
?。?）管道中的流速分布對(duì)測(cè)量度影響太大，要求直管段長(zhǎng)達(dá)30D~50D。
?。?）現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，對(duì)其應(yīng)用有很大影響，難以標(biāo)準(zhǔn)化。
?。?）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(guò)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(mén)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(guò)30—50倍管徑長(zhǎng)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(chēng)為充分發(fā)展？？流。幾十年來(lái)，工程界約定將這種流動(dòng)作為流量測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)流動(dòng)
早在1932年，Nikuradse就對(duì)光滑管中的這種流動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，并用（1）進(jìn)行了描述：
V=Vm（y/R）1/n（1）
式中，V——在測(cè)量點(diǎn)的流速；Vm——管道中心的大流速；y——測(cè)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。
Re4×1032.3×1041.1×1051×106＞2×106
N66.678.810
表一雷諾數(shù)Re與指數(shù)n的關(guān)系
盡管后來(lái)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(jiǎn)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(duì)稱(chēng)于軸心，則流量qv可用積分表示：
三、影響流量度的因素
1.流速分布
以上分析的前提是測(cè)量頭必須處于充分發(fā)展紊流中，要滿(mǎn)足這個(gè)條件，其上游直管段的長(zhǎng)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(lái)較大的誤差。初步測(cè)試表明：這種以測(cè)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(zhǎng)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(shuō)，如采用測(cè)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，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(cè)量頭將減少測(cè)量截面，改變流速大小及分布，由此帶來(lái)流量測(cè)量的偏差用？？？來(lái)表示。
阻塞系統(tǒng)S可表示為四流量度的估算
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(duì)各獨(dú)立參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計(jì)值。
2.度的估算
?。?）測(cè)量頭位于平均流速點(diǎn)處
如上所述，當(dāng)插入式流量計(jì)測(cè)量頭位于截面平均流速點(diǎn)處時(shí)，影響度的因素有速度分布，阻塞度，截面積，速度階梯，流速。
五、幾點(diǎn)說(shuō)明和建議
?。?）評(píng)估的度僅供參考
本文對(duì)插入式流量計(jì)的度進(jìn)行了量的評(píng)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，總的度當(dāng)然可能提高。但要達(dá)到±1%目前還是不可能的。
?。?）流速分布式?jīng)Q定因素
當(dāng)直管段長(zhǎng)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(lái)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，成為影響度的決定性因素。它說(shuō)明了即使生產(chǎn)廠(chǎng)家將測(cè)量頭的度提的再高，由于使用條件達(dá)不到要求，對(duì)提高流量度將無(wú)濟(jì)于事，難以奏效。
（3）流場(chǎng)調(diào)整器（FlowConditioners）的作用
為解決現(xiàn)場(chǎng)直管段短又要獲得理想流場(chǎng)的矛盾，40年來(lái)，不少人為此努力并研制了不少流場(chǎng)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(lái)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(wú)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(chǎng)調(diào)整器呢？
?。?）應(yīng)該重視流場(chǎng)的基礎(chǔ)研究
迄今為止，以上討論都基于無(wú)論管內(nèi)是否為充分發(fā)展紊流，測(cè)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(cè)量度將非常低、設(shè)想如果對(duì)一典型阻力件后的流場(chǎng)進(jìn)行系列的詳細(xì)測(cè)試研究，即或只是粗略的描述，能在不同阻力件后不同長(zhǎng)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)的度，擺脫直管段長(zhǎng)度不足，度過(guò)低的困擾。
（5）檢測(cè)與計(jì)量是不同的概念
在自控系統(tǒng)中，檢測(cè)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，是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性，而并不要求測(cè)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(cè)參數(shù)的確切值。檢測(cè)與計(jì)量可以說(shuō)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(cè)儀表，往往更關(guān)心其重復(fù)性，也確有人把它說(shuō)成度，顯然，這是有區(qū)別的。對(duì)插入式流量?jī)x表來(lái)說(shuō)，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(chǎng)合。
