流量计直管段适用长度的探讨

谢林，殷家云，纪波峰，纪纲

(1. 上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437；2. 中石化上海工程有限公司，上海 200120；3. 上海同欣自动化仪表有限公司，上海 200070)

1 概 述

流量计如果安装不合理，往往会引起较大误差。在流量仪表的安装中，困扰设计师和现场施工人员的棘手问题通常是直管段长度不够，下面就该问题展开讨论。

目前常用的流量计约有一百种，除了容积式流量计、科里奥利质量流量计之外[1-2]，其他流量计均对前后直管段有特定的要求。这是因为大部分流量计的流量系数是在充分发展的管流条件下标定得到的，在现场应用这些流量计时，也只有在充分发展的管流条件下，才能保证测量精确度。

所谓充分发展的管流，就是具有充分发展的速度分布的管流。在流动过程中，沿流向从1个横截面到另1个横截面速度分布不发生变化，称为充分发展的速度分布，它通常是在足够长的直管段末端才能形成。

管道设计不当会造成流体的扰动，引发速度分布变形或产生漩涡，前者来自阀门或弯头，漩涡多来自2个以上不同平面的弯头，只有在流量计前后留有足够长的直管段或安装特制的整流器才能克服这些影响。

2 直管段长度要求

1) 由于流量计的原理和结构各不相同，因而不同类型的流量计对直管段长度的要求也不同，表1列出几种常用流量计对上游直管段的要求[3-6]。

表1 流量计前直管段长度的一般要求(90°弯，无流动调整器)

2) 流量计上游引发流场畸变的管件(或阻流件)不同，对直管段长度的要求也不同。表2列出标准孔板完整的直管段要求。表2中的数据是研究者根据一百多年对孔板流量计试验研究归纳总结得到的，因此既全面又可靠。

3 直管段长度不够对测量结果的影响

总的来说，直管段长度不够时流量测量不确定度相应增大，但是增大多少以及由此引起的附加误差是正向还是负向，需要具体分析。到目前为止，只有个别类型的流量计有人做过为数不多的试验，得到了一些零星的数据。

图1所示是日本富士公司提供的单声道外夹式超声流量计上游直管段长度不够引起的附加误差曲线[8]。从曲线形状分析，上游弯头应是在最不利的方位，如果上游弯头在有利的方位(弯头与声道在同一个平面)，附加误差应当小得多。

图1 单声道外夹式超声流量计上游直管段长度不够引起的附加误差曲线

图2所示是美国丹尼尔公司(Daniel)和诺娃公司(NOVA)所做的标准孔板流量计上游直管段长度不够引起的附加误差曲线[9]，从图中的数据分析，被试差压装置应是环室取压，如果是2.54cm(1 in)法兰取压或径距取压，附加误差要大得多。

图2 前直管段长度对孔板流出系数的影响

如果是径距取压，由于上游弯头与取压口之间相互位置的不同，会有三种不同的结果：

1) 当取压口处于弯管的外圈时，流出系数趋小，引起正向附加误差，如图3所示。

图3 取压口处于外圈

2) 当取压口处于弯管内圈时，流出系数趋大，引起负向附加误差，如图4所示。

图4 取压口处于内圈

3) 当取压口处于与弯管所在的平面垂直时，流出系数的偏移应比前两种情况小得多，如图5所示。

图5 取压口与90°弯垂直

因此，在确定取压口方位时，应考虑最有利的方案。在上面的分析中，直管段长度不够引起的附加误差幅值还与节流件的直径比β有关，其中β较小时，相同的直管段倍数引起的附加误差要小一些。

表2 无流动调整器情况下孔板与管件之间所需的直管段

4 直管段长度不够时的处理

作为自控工程设计人员，在施工图设计时，总是要为流量计寻找一个理想的安装地点，其中就包括解决直管段长度问题，但有时由于场地限制，无法保证直管段长度。在既有的管道上增设流量计更是如此，因为在管道铺设时，基本不会预留安装流量计的位置，所以保证直管段长度会成为面临的棘手问题。根据各种具体情况，有下面几个方法可供选择。

1) 管线绕道法。图6所示为工业锅炉产汽流量涡街流量计安装俯视图。

图6 涡街流量计及前后直管段

锅炉上汽包主蒸汽管垂直升高后，经1个90°弯头就在炉顶以水平方向铺设，由于既有的管道安装了1台DN150的涡街流量计直管段长度不能满足要求，因而最简单有效的方法是与设备专业人员协商，将既有管道进行改装，例如将图6中的管段a改为b，c，d，如图7所示。由于直管段加长了一段d，从而满足了直管段要求。

2) 让步法。所谓让步法就是对某项指标作出让步，该方法在产品质量管理中是普遍使用的。例如在化工生产中，从流程末端流出的产品达不到一级品指标，但能达到二级品指标，于是就作二级品入库销售，而不是将其报废，这样在经济上比较划算。

图7 管线绕道后的配管示意

在流量计使用现场，如果直管段长度无论如何也不能满足要求，流量测量结果也不是用于贸易结算，而是用于一般监测或过程控制，可尝试采用让步法。例如表2标准所列的直管段长度中，A列的数据是达到0.5%不确定度必须满足的直管段长度，如果用户肯将不确定度让步到1%，则满足B列直管段长度即可，这样就使直管段长度要求大幅降低。其他类型的流量计，也可参考该表格。

3) 在有直管段要求的各种类型流量计中，流量传感器在管道上的安装方位同测量结果的关系，有些不受上游弯头方向的影响，例如涡轮流量计和环室取压差压流量计，但大多数类型的流量计都对上游弯头方向很敏感，例如图1所示的外夹式单声道超声流量计[10]，图3～图5所示的差压流量计以及图6所示的涡街流量计，因而应将流量传感器在管道上的安装方位选择在最有利的位置。

a) 以差压式流量计为例，图8所示为取压口位置示意。取压口的取向应考虑被测流体为液体时，应防止气体进入导压管；被测流体为气体时，应防止液滴或污物进入导压管。当测量管道为垂直时，取压口在取压位置的平面上，方向可任意选择，即α可大可小，选择的范围就大了。

图8 取压口位置安装示意(径向)

b) 在图6所示的涡街流量计实例中，业主单位没有选择管线绕道的方法，而是选择了将旋涡发生体旋转90°，即将接线盒安装在水平管道的侧面，收到了很好的效果[9]，经质量平衡验证和能量平衡验证，达到很高的精确度。

c) 在图9中，将旋涡发生体旋转90°后直管段长度不够也不影响测量精确度，这是因为涡街流量计在出厂前都经过实流标定，流量标准装置的直管段都相当长，所以流量计前管道内流体的速度分布是对称的，也不存在旋涡。圆形流通截面中流速最高点与轴心重合，1台涡街流量计的流量系数就是在这样的条件下标定出来的。

图9 取压口位置安装示意(俯视)

d) 在图10中，流体在管道内高速流动，由于流体的离心力作用，流场产生畸变，使最高流速向图的下方偏移，这种偏移使最高流速点不再对准旋涡发生体的中心，从而使流量计的旋涡剥离频率相对减小，引起仪表示值偏低。

图10 管道内的流场分布与发生体位置

而当旋涡发生体的方向被旋转90°后，流场的畸变情况虽然无变化，但最高流速点却对准了发生体的中心线，如图11所示。

图11 旋涡发生体处于水平位置

该方法对安装在垂直管道上的电磁流量计、单声道超声流量计也完全适用，但对安装在水平管道上的电磁流量计和单声道超声流量计就要适当修正才能应用。因为电磁流量计不允许将电极安装在水平管道的上方和下方，如果电极被布置在水平管道的水平直径方向则处于最不利的位置，可将1对电极所组成的连线在圆周方向旋转45°。单声道超声流量计如果1对换能器被布置在水平管道的水平直径方向也处于最不利的位置，则可将1对换能器之间的声道所组成的平面在圆周方向旋转45°，这样处理虽然效果比不上旋转90°，但比最不利的位置要好得多。

4) 加装流动调整器。流动调整器可用于减少上游直管段长度。配合性实验表明，它可以用在任何上游管件的下游。目前在ISO 5167正文中只列入2种流动调整器： 19根管束式流动整直器(1998)和Zanker流动调整板，流动调整器在标准中列有适用的节流件和阻流件类型以及具体的安装位置等。

5) 选用直管段要求低的流量计。由于各种不同类型的流量计对直管段长度的要求差异悬殊，如果原来所选的流量计直管段要求较长，而且无论如何也满足不了要求，应改选直管段长度要求较低的型号。

6) 对影响值进行评估。直管段长度不够时，流量计不确定度增大，是由于管道内的速度分布畸变，使得仪表的实际流量系数与出厂标定时的流量系数不一致。

如果按照现场实际的管件种类和直管段长度组装成1套带前后管段的流量计，放在流量标准装置上，标定出该台仪表的流量系数，然后配套使用，并使用此流量系数计算流量，也就完全排除了直管段长度不够对测量结果的影响。该方法在钻井平台等场地有限的场合，经常采用。

5 结束语

在种类繁多的流量计中，通常对流量计前后直管段有特定的要求。由于工作原理的不同，对直管段长度的要求也不同；阻流件的类型不同，对直管段长度的要求也不同，设计时应区别对待。

在遇到直管段长度不够时，针对不同的现场情况和流量计的不同用途，可分别采用管线绕道法、降低精确度指标法、加装流动调整器法、选择最有利的安装方位法以及改选直管段长度要求较低的流量计等方法，使问题得到解决。

参考文献：

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[10]纪纲.流量测量仪表应用技巧[M].2版.北京： 化学工业出版社，2009.