用数据评估流场对流量仪表准确度的影响

0 前言

流量是一个由长度、质量、时间的推导量，同时，又是一个动态量，只有当流体流动时，才会产生流量。因此，它又和流动的状态密切有关。影响流量的因素很多，有些因素如流速、管径的影响，可以通过相应的流量公式确定，还有不少影响因素难以准确量化，仅按计算公式来确定流量，将会对测量值带来很大的误差。所以，流量仪表都必须在流量标准试验装置进行校验，以确定其准确度，如现场达不到标准试验室的应用条件，准确度将会有所下降。

1 流场对流量仪表准确度的影响长期被忽视

流量仪表除容积式、科式外都属速度型，即要求安装需较长的直管段长度，在现场难以满足时，准确度将会下降，下降多少应在特性流量试验室用测试数据进行量化。这个课题国外早在上世纪七十年代末就已开展了这方面的测试研究。

R.W.Miller在其名著“流量工程手册”第三版中公布了大量前置阻力件对节流装置、电磁、涡轮、涡街、超声等流量计的影响，说明了国外对此早已充分认识，而且进行了大量细致的测试。反观我国对此认识不足，存在较大的差距，如：

（1）用风洞标定流量计我国某一地区流量厂家，长期用风洞标定流量仪表，并宣称可达到0.5级准确度，而忽视了风洞的直匀流，不可能出现在工业管道中，这种标定仅是流速标定。

（2）我国国家质量监督管理部门所发布的以下三种流量计检定规程，都未提出如何评估直管段长度不足对准确度的影响：①JJG1033-2007电磁流量计检定规程；②JJG1037-2008涡轮流量计检定规程；③JJG1030-2007超声流量计检定规程，而实际上均有很大的影响。

（3）内锥流量计2003~2004年在我国大力推广时，毫无根据地宣称仅需前0~3D直管段就可取得0.5级准确度，后经测试表明，要取得0.5级准确度，前直管段不得少于10D。

（4）我国仅重视建立标准流量试验室，而忽视建立流量特性试验室。

在此，我们呼吁我国应重视、加强建立流量特性试验室，因为：

首先，对用户来说，流量仪表厂家虽明确了所需安装直管段长度，但很多现场都无法满足，还必须得用。现场条件与规程条款有多大差异，会给流量仪表的技术指标（特别是准确度）带来多大影响，要做到心中有数，就必须依据严谨的试验数据进行量化、评估。

其次，仪表生产厂家在研发新产品时，可通过流量特性试验室的测试，不断改进产品，推出新型的流量仪表，可提供可靠的数据，能在较恶劣的安装条件下，仍可维持较高的准确度。

2 多流场、积木式气体流量试验装置简介

我国在上世纪八十年代初，已开始关注这个课题，建立了相应的试验室（图1），但并未得到应有的重视，开展研究这方面的测试研究。近年来不少专家都在呼吁重视这个课题，积极开展测试研究。

本文提出建立的“多流场、积木式气体流量试验装置”（图2），希望有助于推动这项课题。

图1 大管径气体流量试验室（1981.重庆）

图2 多流场、积木式气体流量试验装置（2012.广州）

（1）特点：

多流场：本装置在同一流量下，可具有如下五种流场：风洞直匀流；圆管充分发展紊流；圆管非充分发展紊流；方管充分发展紊流；方管非充分发展紊流。可提供有力条件，研究不同流场对流量仪表技术特性的影响。

积木式：本装置如将五种流场同时安装在同一管线，其长度将达到约120D，由于很少需要同时具有五种流场的测试，为节约场地，减少压损，装置将不同流场组成部件，根据试验需要，可通过变径管安装到装置上。

（2）结构简介

①直匀流：提供直匀流主要由以下三个部件完成

a整流段

为保证收缩段能取得直匀流，在它之前由格栅、网格对流体的流动进行处理，消除漩涡并减少紊流度。

b收缩段

将整流段处理后的气流通过特殊型面的收缩加速，再令其出口为直匀流，即在整个截面上流速大小相等，方向一致的流速分布，其型面按波兰学者维托辛斯基（Bитoщинckий）提出的公式进行计算^*6。

收缩段的结构：收缩段的截面形状主要有圆形、方形及八角形三种。

圆形流动没有死角，情况最好，但加工型面较困难；

方形收缩段的型面加工简易，但四角流动有死角；

八角形将上述二种取长补短，在方形四角切去一小块，形成八角，消除了流动死角，易于加工，也方便与后面的测量段相联结，是目前较流行的一种形式。

c试验段

处于收缩段之后，应与其平滑联结，保证不破坏收缩段出口直匀流的质量。在风洞试验中，被测试件应置于试验段中，进行各项试验、测试，是装置中的重要部件；而在流量试验室中，它有二项作用：其一，可用于校验流速计；其二，可做为流量基准，在代表点上测流速乘以截面面积即为流量。但需考虑附面层所占面积的影响，以提高测量准确度。

②充分发展紊流

a圆管

圆管是工业中最常见的管道，提供圆管充分发展紊流为流量试验室最基本的条件，总长不应小于30D。如尚未达到充分发展紊流可考虑安装流动调整器。

b矩形管

在电厂、暖通等行业测风量多为矩形管道，流量计则多采用速度-面积法原理，安装为插入式。矩形管道及其流量计都有其特殊性。遗憾的是国内外都罕见矩形管道流量试验室，因此开展这方面的研究很有必要。欲取得矩形管的充分发展紊流，总长也应不少于30D。如仍未达到充分发展紊流可考虑安装流动调整器。

③非充分发展紊流（圆管、矩形管相同）

由于当前流程工业中，无论圆管还是矩形管，十之八、九为非充分发展紊流，因此，有不少厂家推出了新型流量计，声称仅需很短的直管段长度，可取得较高的准确度。究竟需多长直管段，能达到什么效果。应建立相关试验室，由测试数据来说明。为此目的，这个部件应具备二个内容：

a扰流器

美国石油学会的MPMS测试备忘录*10及英国学者L.A.Sala⁃mi都提出了在试验室中被校流量仪表的上游安装“流场干扰器”。人为地制造各种复杂的流场，以测试流量仪表的抗干扰能力，基本上有以下三种形式：

◆圆缺孔板（图3），通过旋转圆缺孔板的安装位置可以制造多种不对称流。

图3 圆缺孔板扰流器

图4 双弯头扰流器

◆不同平面多二个弯头（图4），不仅产生不对称流动，而且还会产生漩涡，更换安装角度，可产生多种复杂流场。

◆漩涡发生器，产生的主要是较大的漩涡，将这三种流场干扰器安装在上游，并可调整被校流量仪表不同的前直管段安装长度，以测试仪表的抗流场干扰能力。

◆挡风板，火电厂多用百叶窗式的风门调节流量，开度较小时对流场干扰较大，为使试验条件更接近现场条件，作者根据实际情况，建议用它做流场干扰器，取代漩涡发生器。

b多种长度直管

不同长度的管段，如：1D、2D、3D、4D、5D、10D（D为当量直径）等长度，可组合成各种长度，以测试需要多少长度才能达到必要的准确度。

（3）附件

①进气口，处于风机前，进气端为一个喇叭口，使来自大气中的空气顺利进入。进气口还可以采用端头节流装置，Sala⁃miL.A三十多年前就采用端头节流装置作为试验装置的参比流量基准。

②风机，主要有轴流及离心二种型式，轴流式风量大，出口压头较离心低，风洞试验压损不大，多采用轴流式；而流量试验由于有些被校流量计（如节流装置压损较大），多采用离心式。

③隔振段，将风机的机械振动，通过装一个软联接的隔振段，以隔断来自风机的机械振动。

④消声器，消声器的作用主要是消除风机的噪音，如可能风机应安装在靠近试验室的单独机房中，机房采取厚壁，隔音效果很好；轴流式噪音相对较小，可视情况是否安装。

⑤扩张段，风机出口管径一般小于整流器，必需通过扩张段联接，如果相差较大，扩张角又必需小于12°，将占据较长的场地，可采用较大角度的扩张段，而中间采用几个同心渐扩管，既缩短长度，节约了场地，又可避免分离，产生漩涡。

⑥流量基准

a、速度-面积（V-A）法，在试验段进口靠近收缩段出口截面测点（或多点）流速，以确定流量；

b、采用标准流量计，如：经典文丘里管、端头节流装置、气体涡轮流量计，超声流量计…等。

⑦标准皮托管，可选用IS03966所推荐的三种皮托管中的一种（NPL，AMCA，CETIAT）；

⑧变频器，通过变频器改变风机的转速，以达到调节设备流量大小的目的。

⑨数据采集系统，根据需要，通过变送器采集各部件输出的差压频率信号及该处的温度，压力信号经I/V转换，A/D转换至计算机，由计算机对输入数据进行诊断分析计算贮存、制表、打印，得到校验结果。

⑩变送器，各种量程的差压、温度、压力变送器，准确度应不低于0.2级。

联结管件，根据测试需要，可以将不同的部件组合成一个整体，如管径，管道外形不符时可通过变径管，方转圆，圆转方…等管段达成一体。

出口扩张段，其作用使动能转换为位能，令出口的流速低于5m/s，不仅节约能量，而且可以降低噪音。

3 装置性能评估

（1）风机风量的稳定性，在检定流量仪表时需要一定的时间，在这段时间内装置的风量应稳定不变，主要是评定变频器与风机的性能。

（2）测量段流场分布的不均匀性（用V-A法做流量基准才考虑，如采用标准流量计做流量基准无需考虑）。

如流速偏差超过0.1%，则可以按GB10184，找代表点以减少流场不均匀性带来的流量误差，如测9点流速的不均匀度仍超过0.1%，则应将测点增加至16或25点，以寻找等于（或接近）平均流速的代表点。

4 流量基准

（1）标准表（经典文丘里管、端头节流装置、气体涡轮流量计等）

（2）流量基准为V-A（即第二试验段的面积及皮托管），确定流量值有二种方法：

①直接法，通过位移厚度d*修正确定流量，不除去附面层的影响，很难取得较高的准确度*4这种方法需测数以万计的附面层厚度，来确定位移厚度d*与雷诺数之间的关系，虽繁琐但流量装置可取得±0.5%的不确定度。

②间接法，通过标准流量计修正V-A的流量值，这样可省去上述繁琐的测量附面层程序，流量装置可取得±1%的不确定度。

误差分析*4，可参考文献4，当时评估的不确定度为±1%，现在的测试水平已远远高于三十多年前，经实事求是地进行误差分析，按直接法所建的流量装置，不确定度可达±0.5%。

5 说明、创新、建议

（1）有待完善、深化多流场、积木式气体流量试验装置虽已在广州初步建成，但尚不够成熟有待完善，在征求厂家的同意后介绍给读者，仅希望对关心这项课题的专业人士有所启发，引起有关方面的重视，有助于推动“流场对流量仪表性能影响”的试验研究。

（2）创新应实事求是近年来我国大力提倡科技兴国，专利申报热火朝天，形势大好令人鼓舞，但其中也难免有些缺憾。希望申报专利的创新人士们，本着实事求是的原则核实求证，避免申报了别人的成果的成果。

（3）建立流量试验装置应重内涵我国解放以来，流量试验装置都按照一定的规程建立，统称标准流量试验装置，为量值的传递奠定了坚实的基础。但是影响流量仪表的因素很多，现场条件又苛刻，我们很难要求使用者完全按照相关的标准、规程来使用流量仪表。如不符合要求会有多大的影响，应由试验数据来评定。因此，有必要重视增加流量试验装置的种类（内涵），不宜仅扩大标准流量试验装置的规模（外延）。国外流量仪表的技术性能、可靠性均优于我国，其原因之一就是：仪表出厂前会通过各种性能试验装置的测试，我们对此应给予充分的关注。