在現場實際應用中，絕大多數流量儀表的準確度遠達不到的原因？
毛新業 本刊特約編輯
流量儀表的生產廠家在儀表出廠前都應在實驗室標定其準確度，一 般宣稱都在1%左右。而在現 場實際應用中，絕大多數流量儀表的準確度都遠遠達不到，本文從技術的角度 分析其原因何在？
影響流量儀表準確度的主要因素
排除流量儀表原理與結構自身的原因，影響其準確度的外在因素主要歸結為以下三個方面：
(1) 流體的物性
在試驗中常用的介質為水、空氣及油品。 而在現場應用中面臨的將是數以萬計的各種流體，其物性(如密度、黏度、電導體、導熱系 數，聲速、成分)均不同于在試驗中常用的介質，將或多或少地影響流量儀表的準確度。 但這些流體的物性可以通過一些工程手冊查到，并給予修正以減輕其影響。這也是流量儀表智能化的一項重要內容。
(2) 流體的性狀
在現場通過流量儀表的流體不可能如實驗 室所用流體那么潔凈，它們可能會有沉淀物， 有腐蝕性。使用一段時間后，還會在管邊檢測 件上產生積垢、磨損、腐蝕。在管壁上的沉淀 物將改變管道的壁厚及粗糙度。對標準孔板而 言會改變值，造成3~10%的誤差；對渦輪、轉子、容積式流量計的運動件造成磨損、 腐蝕，輕則產生誤差，重則無法工作；對電磁 流量計的電極、超聲流量計的換能器、熱式流量計的熱電阻的污染會降低其靈敏度，增大誤差；對差壓式流量計取壓孔的造成阻塞，等等。當然這個過程是緩慢的，但絕不能掉以輕心。而只要重視定期維修并形成制度也可以減輕(或消除)其影響。
(3) 流動的特性
在實驗室中，流量儀表應處于較為理想的流 動狀態中，它應是：
◇ 牛頓流體：在流程工業中，除食品工業多為 牛頓流體。
◇ 定常流：測量管段中流量不隨時間變化的一種流動狀態，但有緩慢的變化是允許的，在工業中所說的脈動流(流量隨時間變化較快的一種流動狀態)即非定常流。在工業現場中由于泵、壓氣機、 鼓風機、某些調節器、閥門的振蕩都將產生脈動流，它將給流量儀表帶來較大的誤差。早在1956年Head 就提出了這個問題，并提出了脈動系數Ip的概念，以界定脈動流對流量測 量的影響，并認為當Ip小于0.03時就可以視為定常流；大于0.03就應給予重視。
1989年，Mottram和Sproston就指出了脈動流會給流量 儀表帶來誤差，這種影響對差壓式流量儀表尤為嚴重。其他如：對渦輪流量計脈動流會引起轉子轉速的變化；對渦街流 量計如脈動的頻率與渦街頻率相近，將產生所謂同步現象，也會產生很大的誤差。對流體而言，氣體的可壓縮性 優于液體，脈動流在流動中將很快被衰減，對流量儀表的影響將小于液體。人們關注脈動流對流量儀表的影響已近60 年，雖然也開展了許多研究力圖進行修正，但至今尚缺乏足夠的數據。當前常用的方法是在管道中采用濾波器來消除(或減輕)它的影響。
◇ 單相流體：流量儀表在單相或者多相流體的測量結果有 很大的差異，本文只討論單相流量儀表的測量，流量儀表也僅是在單相流量實驗室進行校驗，而在現場應用中，將不可避免地會遇到多相流體的問題。
在流程工程中，由于流體流經各種阻力件，將不可避免 地產生摩阻、分離，以及由于截面的變化、壓力的下降，使溶于液相中的氣相分離出來產生空穴，對于節流裝置來說由 于孔板的流動變化較為劇烈產生空穴的機率將為文丘利管的8 倍，道爾管的三倍，空穴的產生如能限制在一定范圍內，所產生測量誤差可高達20%，如果失控發展太大，將可能損壞儀表。
對于氣固，及液固兩相流來說，對于流量儀表的測量也將帶來較大的誤差及危害，這些已在上節流體的性狀中有所表述，不再贅述。避免的方法，是盡可能地將流量儀表安裝在垂直的管道上方，以避開固相的沉積。
◇ 充分發展紊流：眾所周知，管道中的流速分布影響了絕大部分原理(科氏、容積除外)流量儀表的準確度，所以ISOTC30 規定流量儀表要保持較高的準確度必需安裝在充分發展紊流中，當然流量實驗室也應具有充分發展紊流，這樣校驗 的流量系數才有意義。一般來說，只要具備了30D(D為管內 徑)的直管段長度就可獲得充分發展紊流。
但是在工程日益現代化、大型化的趨勢下，工程中管徑日益增大，工藝設計從節約場地出發從未考慮流量儀表維持較高準確度所必需的直管段長度，且現場的阻力件品種成千上萬，組合形形色色，管道中的流速分布十分復雜，在試驗室理想條件下所校驗的流量系數，由于流場差異，不可能無誤地傳遞給現場的流量儀表，因此難以得到較高的準確度。
上述討論了影響流量儀表準確度的因素如流體的物性、 性狀和流動特性，都可修正或采取一定措施減輕或消除其影響，唯獨流速分布很難解決，因為工藝設計不可能照顧到流量儀表所需的直管段長度，以下討論幾種典型阻力件對流量儀表的影響。
阻力件對流量測量準確度的影響
(1) 彎頭 ◇ 在工藝流程中，為改變方向或高度常采用彎頭，是最常見的一種管道阻力件，無論是充分發展紊流或自由流動 (從大氣汲入)通過彎頭后，流動都將變得較為復雜，流速分布不再對稱于軸心，且伴有漩渦(如方管還有二次流)，對流量測量準確度的影響主要取決于彎頭的曲率半徑及流速的大小。
◇ 當流體流經彎管時，將發生離心力，外壁壓力增大流速下降；內壁壓力減小流速上升，而自彎頭流向直管時，流動的效應相反，外側流速加大，內側流速減小，同時由于流體 流動的慣性，在內側將產生較大的漩渦區，外側形成較小的漩渦區(如圖1)。
◇ 當彎頭曲率半徑減小，或管徑增大時，分離的效應
將增 強，在彎頭1/3處，流動加劇惡化，但在流體粘性的作用下， 漩渦將逐漸弱化，流速分布將趨于均衡，約10D后基本改善流動情況。因而，在單彎頭后10D之內，不宜安裝流量儀表。
◇ 多彎頭組合：上述情況是單彎頭前為充分發展紊流，在 工業現場是很少見的。常見的是多個彎頭或彎頭與其他阻 力件的組合，所以僅做幾個單頭試驗遠遠不能解決非充分 發展紊流的問題。這種復雜的組合，加大了二次流、漩渦 及離心力的強度，流動會更加惡化，管道越大(D>400mm)改善越困難。據專業人士估計，直管段長度至少應大于20D， 否則準確度很難達到5%。加大彎頭之間的間距有可能弱化相互的影響，專業人士建議，二個彎頭之間的距離不應小于5D。
(2) 變徑管
為了改變工藝管道的口徑通常采用變徑管，主要有擴管及縮管兩種形式。長期以來它對流場的影響一視同仁，未加區別(如美國API ANSI 1991-1999)。但筆者認為，縮管如果處理適當不僅不至于破壞流場，而且可以消除漩渦、改善流場，現對以下兩種情況進行討論:
◇ 突變管：即管徑的改變沒有過渡，突然地擴大(如圖2)或 突然縮小，都將產生漩渦，破壞流場，管徑變化越大，破壞性越強。
◇ 漸變管：一是漸擴管，流體通過漸擴管是一個動能
轉化 為位能的過程，如擴張角不超過10，這個轉變是漸變穩定的，流體不會分離，也不會產生較大壓損，如文丘利的擴張段。但工藝上往往不允許有如此長的擴張段，特別是當管徑較大時，尤為突出；二是漸縮管，流體通過漸縮管是一個位能轉變為動能的過程，較易實現。以致收縮角大至60都不會產生分離(如文丘利管的進口)，而且還會消除漩渦改善流 場，不少廠家已認識到這點，并利用它作為一種成本低、效率高的整流器，如文丘利渦街流量計、艾伯特流量計，美國 康樂創的氣體超聲波流量計，等等。據資料，上述后者對流量儀表準確度的影響將較前者可大到約20倍。
(3) 閥門
在流程工業中通常采用閥門來改變流量的大小。閥門的形式多樣，是一個較復雜的阻力件，不僅給流動帶來漩渦，而且惡化流速分布(如圖3)。相當多的閥門在使用中都不是處 于全開的狀況，開度越小，惡化流場越嚴重。而且，在流體的控制中閥門往往作為一個降壓裝置，使流體產生壓損，壓力急劇下降，還容易產生空穴，進一步增加流量儀表的誤差及危害。
鑒于上述原因，在工藝布局上，應盡可能地將閥門安
排在流量儀表的下游；如必需安排在上游，則流量儀表距離閥門至少應有5D以上的直管段長度，如無法保證，則可將閥門安排在管道的旁路上，而在安裝流量儀表的主管道上游安裝 一個干擾較小的球閥或梭式閥。專業人士特別提醒要小心地安排流量儀表與閥門之間的相對位置，否則會引起無法容忍的測量誤差。
(4) 歧管
在流程工業中，如從主管道流出一部分流體或有一部分流體從外流入主管道都要采用歧管。一般來說前者對流場的影響將小于后者，當然這種影響還取決流入或流出流體的流 量與主管道流量的比例，比例越小影響也越小。當流體從歧管流入主管道時往往不可避免地和主管道的流動產生漩渦并惡化流速分布，直到兩種流體完全混合為止。如必需確保 流量準確度，流量儀表應盡量避開歧管，或加長上游直管段長度。
上述介紹僅為幾種典型的阻力件，在現場應用中，形形色色的阻力件會根據工藝要求，以各種方式組合起來，形成各種流動形式，對流量儀表的影響，也很難通過試驗來加以規范修正。當前國際標準化組織(ISOTC30) 還是建議采用整流 器(或稱流動調整器)，以便在不長的直管段長度獲得較為理想的流場，讓流量儀表保持較高準確度。
意猶未盡之語
(1) 流速分布的影響
本文分析了流量儀表在現場應用時受制于工藝條件。不可能處實驗室那樣的理想條件，所帶來的誤差，其中有些影響因素(如流體的物性，性狀)是可以通過修正減弱或消除，而 有些則不可能，如面對萬千種阻力件及其結合所帶來的復雜流場，它們難以通過實驗室模擬重現，無法修正，而它們卻又是影響流量儀表(特別是曾占流量儀表市場中大部分的經典 式節流裝置)提高準確度最大的障礙。
(2) 流動調整器的作用
為了改善流動狀態，國際標準化組織ISOTC30，一直推 薦采用流動調整器，類型多達幾十種，但并未見成效。問題不僅是增加成本及安裝維護量，而它本身就有一定的長度(有的可達2D)，而在安裝上它還要求距阻力件及流量儀表各約 4~5D，總計約10D，對于中小口徑來說可能不成問題，而在 工程規模日益增大的趨勢下，現場就無能為力、難以提供。 因此，采用流動調整器并非上策。一而再地提出也談不上有什么深遠意義。
(3) 勇于創新，另辟新徑 在流量儀表家族中，
經典式節流裝置使用時間最長，裝機量曾幾乎占60%以上，且積累了大量的試驗數據雖然 優點多多，但無法面對直管段不足，準確度下降的矛盾。只能是無可奈何花落去了，這是不以人的意志為轉移的形勢的要求，近十年來國內外，涌現了不少新型的節流裝置(內錐、 整流、平衡、槽道、梭式)。它們的共同特點就是上游直管段長度只要求2~5D。即可保持0.5~1%的準確度。當然它還稚嫩，這是一個新生事物都會遇到的問題，難道孔板的發展初期不也是這樣嗎？
