采用取樣法測量流量已有幾百年的歷史，其原理猶如對大面積農(nóng)田收割前的估產(chǎn)，僅取其中一小塊進(jìn)行收割、稱重，然后推算擴(kuò)大至整個大面積農(nóng)田的產(chǎn)量。流量測量則是測管道中一點(diǎn)（或幾點(diǎn)）流速，再乘以整個截面。顯然，取樣法測流量的準(zhǔn)確度取決于以下三個因素： 

管道的流速分布是否均勻，或符合一定的規(guī)律； 
流速測量是否準(zhǔn)確； 
管道截面測量是否準(zhǔn)確。 

流速分布 

直勻流 

按流量的定義：單位時間S通過管道（或通道）的流體容積m3（或質(zhì)量kg）。如下式： 

流量q v = AV = m 2 .×[m／s]= m 3 /s。 （1） 

式(1)中的A為管道的橫截面積(m 2 )，V為通過此截面的流速(m／s)。如果管道中的流速分布為流體力學(xué)中的直勻流，即管道截面中的流速V為常數(shù)，流量測量就十分簡單了。問題在于在工業(yè)管道中欲取得直勻流無異于緣木求魚，完全沒有可能。 

充分發(fā)展紊流* 2 

流程工業(yè)從其本身的工藝要求出發(fā)，在管道中須安裝形形色色的管配件（如閥門、彎頭、歧管、變徑管、過濾器等）。由于它們的形式及組合方式極多，所引起的管內(nèi)流速分布也千變?nèi)f化，難以估計(jì)。 

好在實(shí)際流體均有黏性，在流動過程中將因粘性會帶動（或制約）相鄰層面的流體，經(jīng)過約30D（D為管內(nèi)徑）直管段長度后，其流速分布將不再變化,工業(yè)中稱為充分發(fā)展紊流，可用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述。必須強(qiáng)調(diào)：只有在充分發(fā)展紊流中取樣流量傳感器才可能取得一定的準(zhǔn)確度，并已有相關(guān)一些標(biāo)準(zhǔn)（ISO3354、ISO7145、ISO3966----）予以確認(rèn)。 

現(xiàn)場能提供充分發(fā)展紊流嗎? 

隨著現(xiàn)代工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大管徑日益增大，以及工業(yè)用地的日趨緊缺，現(xiàn)代流程工業(yè)不可能考慮流量傳感器準(zhǔn)確度的需要，提供30D的直管段長度，所以當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場不可能具有充分發(fā)展紊流，流速分布千變?nèi)f化，而且還可能存在漩渦。 

采用測一點(diǎn)流速（如雙文丘里；熱式；插入式渦街、渦輪；測管-----），及直線上多點(diǎn)流速(如各種類型的均速管)來推算流量，將會得到極大的誤差，并出現(xiàn)了流量增大輸出差壓反而減小的現(xiàn)象，完全無法有效測量流量。這說明了流速分布對流量測量準(zhǔn)確度的重要性。 

面對千變?nèi)f化的工業(yè)流場，如要準(zhǔn)確測量流量，從理論上講，可盡量按（2）式增加流速的測點(diǎn)以充分反映管道中的流速分布，顯然難以實(shí)現(xiàn)。工程中是將管道（含通道，如江、河）中某一截面劃分為有限的單元面積Ai，并假設(shè)流經(jīng)其中的流速Vi近似相等（3式）。這種方法也稱為速度—面積法(Velocity—Area Method)。 

q v= ∫ f 
0 V i dA（2） 
q v= ∑ n 
i =1 ViAi （3） 

流速測量 

從以上三個公式可見，式中的vi即流速，廠家所生產(chǎn)的“插入式“流量傳感器實(shí)質(zhì)上只是一個流速傳感器，它必須插入到管道中，才能成為流量傳感器。以測管道中單點(diǎn)流速推算流量的這類傳感器，如：雙文丘里；皮托管；插入式渦街、插入式渦輪、測管---等應(yīng)在風(fēng)洞中標(biāo)定，確定其流速系數(shù)。因?yàn)橹挥酗L(fēng)洞才可能產(chǎn)生一個截面上流速完全相等的直勻流，可在同一截面上安置一個流速基準(zhǔn)，以比對方式確定上述插入式流量傳感器的流速系數(shù)。 

而對于測管道直徑上多點(diǎn)總、靜壓以推算流量的流量傳感器，如均速管則不同，它應(yīng)在充分發(fā)展紊流中標(biāo)定以確定其流量系數(shù)。因?yàn)槎帱c(diǎn)的總、靜壓在均速管內(nèi)平均后輸出的只有一對總、靜壓，管內(nèi)的平均過程比較復(fù)雜，由此推算的流速并不等于管道中的平均流速。不少國外名牌均速管廠家，均照此辦理，不過管徑僅0.3~0.4米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于使用管徑。說明即使這些名牌廠家用于1~2米的均速管，其流量系數(shù)也是推算的，不可能準(zhǔn)確。 

管道截面 

上述公式說明，取樣流量傳感器測流量都必須考慮流通面積的大小，而生產(chǎn)廠家往往只精心制作流量傳感器本身，忽略了它的重要伙伴—管道的存在。從此類傳感器的誤差分析來看，截面的誤差對流量準(zhǔn)確度的影響將四倍于流量傳感器輸出差壓的誤差，說明準(zhǔn)確測量流通截面的重要性。此外，還有以下幾個概念需說明： 

公稱內(nèi)徑 

這類傳感器因采用插入安裝形式，難以準(zhǔn)確測量管道內(nèi)徑，用戶計(jì)算時多按公稱外徑減兩倍管壁為內(nèi)徑。但由于壓力等級不同，實(shí)際所用管道內(nèi)徑并非是公稱內(nèi)徑；其次，管道在長期使用后，由于腐蝕、污染、積垢---等原因，也會有較大變化。 

矩形管道 

在其四個邊角實(shí)際流動十分小，或趨于零* 4 。 

阻塞比 

在計(jì)算面積時往往忽視了流量傳感器的存在，它的存在不僅減小了流通面積，而且增大流經(jīng)此截面的流速。這種影響稱為阻塞效應(yīng)。其阻塞比S定義為： 

阻塞比S=（πd 2 /4. +hB）/πD 2 /4. （4） 

4式中：d：測量頭外徑； h：插入桿伸入深度； B：插入桿橫截面寬度； D：管道內(nèi)徑 

研究表明：當(dāng)S<0.02時，阻塞很小可忽略不計(jì)，β≈1； 

當(dāng)0.02<s
 
當(dāng)S>0.06時，β值需實(shí)流標(biāo)定 

類型 

測點(diǎn)流速 

凡可測流速的傳感器插入管道均可成為流量傳感器。較為通用的有以下幾種： 

雙文丘里管 

早于40年前，美國Taylar公司已有產(chǎn)品推向市場，稱皮托一文丘利管（Pitot Venturi Tube）。近年，國內(nèi)廠商按此原理推出產(chǎn)品，稱為雙文丘利管，區(qū)別僅是前者高壓取自支持桿，而后者取自管壁，在同樣流量下，后者輸出差壓將略小于前者。 

測位于直徑上多點(diǎn)流速以均速管為例說明： 

以皮托管測速原理為基礎(chǔ)，當(dāng)直管道足夠長時管內(nèi)流速分布為充分發(fā)展紊流，等速線為同心圓，才有可能僅測直徑上幾點(diǎn)流速即可反映整個截面的流速分布。一般在檢測桿迎流向有數(shù)對總壓檢測孔，所測總壓平均后也傳至變送器，二個壓力差的平方根與流量成正比。近四十年有不少改進(jìn)，但多限于檢測桿的形狀、現(xiàn)簡述如下： 

圓形 

上世紀(jì)60年代末期推出，使用后發(fā)現(xiàn)Re在105~106之間，流量系數(shù)K分散度約為±10%，原因是在Re<105時流體在圓柱體分離角為780，而Re>106時，后移至1300，即所謂“阻力危機(jī)”現(xiàn)象，引起了K系數(shù)不穩(wěn)定而影響了流量準(zhǔn)確度，已于30多年前被淘汰。 

菱型-Ⅱ型 

1978年由DSI公司推出，檢測桿橫截面為菱形，流體分離點(diǎn)固定在菱形拐角處，解決了“阻力危機(jī)”帶來的流量系數(shù)不穩(wěn)定的問題，但是背壓通過一個內(nèi)徑約3毫米的細(xì)管引至變送器，使用中發(fā)現(xiàn)背壓孔易于堵塞的缺點(diǎn)。 

機(jī)翼、橢圓型 

設(shè)計(jì)這二種截面形狀的目的都是為了減少迎風(fēng)阻力，其實(shí)無論那種均速管永久壓損都僅只有幾十帕，可以忽略不計(jì)，不必小題大做。但可用于測量流速高、密度大的過熱蒸汽。 

菱形-Ⅱ組合式 

1984年由美國DSI公司推出，它由一個菱形型材，二個三角形型材組合而成，這種結(jié)構(gòu)因型材公差較大，當(dāng)溫度變化時，過盈易泄漏；太緊初始應(yīng)力過大削弱了強(qiáng)度，現(xiàn)也逐漸淘汰。 

菱形-Ⅱ一體式 

上世紀(jì)90年代初相繼由德國IA公司及Systec公司推出分別稱為Itabar及Deltabar。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是用中隔板將高低壓分隔為二個空腔，我國已可生產(chǎn)推出市場，價(jià)格較國外產(chǎn)品低廉不少。 

彈頭型 

1992年由美國Veris公司研制推出稱Verabar（威力巴）。主要特點(diǎn)檢測桿截面形狀為彈頭型，頭部作了粗糙處理（粗糙度x/ks~200），廠家宣傳這樣做可保證在檢測桿表面形成紊流附面層，從而推高了準(zhǔn)確度，相對其他因素（直管長度、管內(nèi)徑……）這些改進(jìn)微不足道。而由于靜壓取自二側(cè)，輸出差壓較其他均速管小30~50%。 

T型 

2001年美國DSI公司推出，稱Annubar-485，檢測桿橫截面為T型，正對流向有二排密集約2毫米的小孔（即使用細(xì)縫代替，也僅是反映截面中直線上的流速）。廠家卻宣稱由于總壓取壓孔幾乎占整個直徑的85%，可獲取“更多的流速分布信息”，準(zhǔn)確度可達(dá)到令人匪夷所思的±0.75%。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，測壓孔過小易于堵塞，銷售并不理想，說明在檢測桿上精雕細(xì)刻是沒有必要的。 

風(fēng)光一時、難以為繼 

上世紀(jì)六十年代，隨著流程工業(yè)的現(xiàn)代化，管徑0.5~2米逐漸增多，采用取樣原理、插入安裝形式的流量傳感器，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，維修簡便，頗受用戶歡迎，卻也風(fēng)光一時，占有較大的市場份額。但由于它過于簡單，現(xiàn)場情況又十分復(fù)雜，難以保證必要的準(zhǔn)確度,上述的取樣流量傳感器已難以滿足要求。問題在于： 

流場 

目前工業(yè)管道日益增大，火電廠一次風(fēng)風(fēng)管可達(dá)5~6米，直管段長度僅1~2D,嚴(yán)重不足，管內(nèi)流速多為非充分發(fā)展紊流，且有漩渦，上述取樣流量傳感器不可能取得必要的準(zhǔn)確度。 

標(biāo)定 

取樣流量傳感器，測量頭只是一個流速傳感器，應(yīng)在風(fēng)洞中標(biāo)定流速系數(shù)，且阻塞比S應(yīng)小于0.02。 

研發(fā) 

四十年來，均速管的研發(fā)著重于檢測桿的形狀，而對其準(zhǔn)確度起決定性作用的是它的應(yīng)用條件，廠家有意或無意忽視（或回避）了這個問題。 

大管道氣體流量測量系統(tǒng) 

當(dāng)無法改變工程現(xiàn)場條件時，可以采取措施改善現(xiàn)場條件，以達(dá)到準(zhǔn)確測量風(fēng)量的目的 

整流器 

當(dāng)管中流速分布十分復(fù)雜，可以通過增加流速測量點(diǎn)準(zhǔn)確進(jìn)行描述，但如存在漩渦，且其大小及位置隨流量大小不斷變化，不清除漩渦就無法正確測量流量。當(dāng)前最有效的辦法就是采用整流器。 

多點(diǎn)流速傳感器 

AM多點(diǎn)流速傳感器 

根據(jù)皮托管測速原理，通過測流體總靜壓之差推算流速，測點(diǎn)位置及數(shù)量按相關(guān)規(guī)范組成矩陣，充分反映管道中流速分布；流速傳感器如采用圓管截面，當(dāng)管徑大于1米，空氣流速大于2m/s時，雷諾數(shù)已超過106，采用圓截面管道已不存在“阻力危機(jī)”問題，而且還易于制造降低成本。 

總壓孔 

總壓孔加工了一個凹形槽，當(dāng)氣流偏斜±20％時，仍可準(zhǔn)確測量差壓。 

靜壓孔 

根據(jù)菲克亥爾摩方法，圓管在迎向流向±30％處壓力分布，為理想靜壓孔的位置，因而流速系數(shù)等于1，可以避免圓管上壓力分布帶來的誤差，但在相同流速下，輸出差壓將比均速管小50％。 

熱式多點(diǎn)流速傳感器 

當(dāng)前較多用于測單點(diǎn)流速的流量傳感器，優(yōu)點(diǎn)是不易堵塞；靈敏度高可測0.05m/s以上的流速；不足是只能測干燥的氣體流量；溫度低于3000C，且探頭易于污染，導(dǎo)致靈敏度下降。原則上也可研發(fā)為多點(diǎn)流速傳感器，但不似差壓式將所測多點(diǎn)總、靜壓平均后輸出，因此，每一個熱點(diǎn)探頭都需在風(fēng)洞中進(jìn)行流速標(biāo)定，工藝過程比較復(fù)雜，目前似尚未見有成熟的產(chǎn)品推出。 

吹掃機(jī) 

為解決粉塵的堵塞，采用吹掃裝置可取得較好的效果，確保流量傳感器長期可靠的工作。 

流量傳感器算機(jī) 

根據(jù)速度面積法在一個截面上測幾十點(diǎn)流速，才可能充分反映管道中的流速分布，以確保流量測量的準(zhǔn)確度，以下因素應(yīng)當(dāng)考慮：每一個測點(diǎn)不僅因流速不同差壓值會有差異；且溫度、壓力也因不等需進(jìn)行補(bǔ)償；因測點(diǎn)位置不同加權(quán)系數(shù)也不相同，計(jì)算十分復(fù)雜。采用的流量傳感器算機(jī)就輕而易舉了。 

現(xiàn)場校驗(yàn) 

單臺流量傳感器已很難準(zhǔn)確測量大管道氣體流量，必需由以上各部分組成系統(tǒng)，但尚無合適的試驗(yàn)室來校驗(yàn)千變?nèi)f化的現(xiàn)場。校驗(yàn)必需在現(xiàn)場就地解決。 

小結(jié) 

取樣流量傳感器是否取得較好的測量效果的核心是它的應(yīng)用條件—流場，無論是研發(fā)、校驗(yàn)和應(yīng)用都必須面對，無法回避。 

風(fēng)洞是研究航空、航天的高科技試驗(yàn)設(shè)備，只能提供直勻流，可以校驗(yàn)流速傳感器，給出流速系數(shù)，但不能校驗(yàn)流量傳感器，因?yàn)榱髁總鞲衅鲬?yīng)用的現(xiàn)場不可能提供直勻流，流場不同，校驗(yàn)就失去意義。