一、前言
長(zhǎng)期以來(lái)，節(jié)流裝置（孔板、噴咀、文丘利管）因適用于多種流體（氣體、液體、蒸汽），且耐高溫高壓，在許多行業(yè)中，如化工、電力、鋼鐵、冶金、石油天然氣、建材……多采用它用以監(jiān)測(cè)流量參數(shù)。在流量?jī)x表市場(chǎng)中，數(shù)量約占60%以上的份額。對(duì)于這種量大面廣的儀表，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 “封閉管道中流體流量測(cè)量專業(yè)委員會(huì)”（ISOTC30）極為重視，制定了節(jié)流裝置流量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)ISO5167，并根據(jù)使用中的問(wèn)題不斷修改完善。我國(guó)的節(jié)流裝置國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T2624-93），在市場(chǎng)全球化的思想指導(dǎo)下，與其接軌，也等效采用ISO-5167。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISOTC30經(jīng)二年多的討論醞釀，重新修訂了ISO5167，並于2003年3月公布執(zhí)行ISO-5167新的標(biāo)準(zhǔn)，引起了國(guó)內(nèi)流量專業(yè)人士的關(guān)注。
二、ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)修改的主要內(nèi)容：
1、在沒(méi)有流動(dòng)調(diào)整器條件下，對(duì)節(jié)流裝置（孔板、文丘利管）上游所要求的直管段普遍提出了更長(zhǎng)的要求；
2、建議在節(jié)流裝置上游安裝流動(dòng)調(diào)整器，以適當(dāng)縮短所要求的直管段長(zhǎng)度；
3、根據(jù)大量數(shù)據(jù)回歸的R/G公式取代原來(lái)的sto1z公式；
4、采用新公式來(lái)計(jì)算孔板的可膨脹系數(shù)；
5、修訂了關(guān)于孔板不同軸度、不平度及上游管內(nèi)壁粗糙度的限制要求。
以上5條，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)主要關(guān)心的是1、2二條；新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)直管段長(zhǎng)度的補(bǔ)充列于表1：

表1所列的數(shù)據(jù)是近年來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)論，是有根據(jù)的，它將有助于節(jié)流裝置更合理地推廣應(yīng)用。從中可看出ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)孔板前直管段長(zhǎng)度的要求增大了4~17D，達(dá)到了30~70D左右。這個(gè)長(zhǎng)度在工程實(shí)施中存在相當(dāng)大的難度，甚至是不可能的。在工程設(shè)計(jì)中，一般僅按工藝條件來(lái)安排管道的長(zhǎng)度，很少顧及流量?jī)x表前后直管段長(zhǎng)度的要求，面對(duì)ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)，我們?cè)撛趺崔k？
流量?jī)x表在工程中的應(yīng)用，不外乎以下幾種情況：①貿(mào)易計(jì)量，進(jìn)行物流的核算，準(zhǔn)確度是首要的，如直管段達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，直接影響到準(zhǔn)確度的下降；②工藝流程的監(jiān)測(cè)；主要了解工藝流程是否正常，可靠性是主要的；③工控系統(tǒng)中的檢測(cè)環(huán)節(jié)，作為調(diào)節(jié)的依據(jù)，重復(fù)性是主要的。因此，在直管段達(dá)不到要求時(shí)，孔板（或節(jié)流裝置），仍可工作只是準(zhǔn)確度下降了；用于②、③種情況還可考慮，而第①種情況則難以選用。
三、流動(dòng)調(diào)整器（Flow Conditioner）
在直管段達(dá)不到表1的要求長(zhǎng)度時(shí)，管道中的流速分布不是充分發(fā)展紊流，流速分布不對(duì)稱，有畸變還可能有漩渦、回流

（圖1）。

ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)建議采用流動(dòng)調(diào)整器，認(rèn)為選用后可改善流動(dòng)情況，無(wú)需過(guò)長(zhǎng)的直管段即可達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的要求。

流動(dòng)調(diào)整器的結(jié)構(gòu)，主要有以下三種類型：①多孔板 在一個(gè)平板上多個(gè)圓孔，這種結(jié)構(gòu)有助于改善流速分布；但不能清除旋渦；②管束 有助于減小、消除流動(dòng)中的漩渦。③綜合型 將以上二種結(jié)合起來(lái)，由ISO推薦的Zanker及由ASME推薦的Sprenkle等流動(dòng)調(diào)整器即綜合型結(jié)構(gòu)。
圖2所示的三類流動(dòng)調(diào)整器的主要功能，a類可減小漩渦，壓損較小，但效果較差；b類，可減少、消除漩渦。并改善中等程序的流速分布畸變，壓損較大；C類在消除漩渦及改善流速分布的性能均優(yōu)于a、b二種類型，壓損較大。

圖2C

所示的綜合型流動(dòng)調(diào)整器；效果均較好，但Zanker及Sprenkle的結(jié)構(gòu)都太復(fù)雜，制造成本較高；而R.W.Miller所推薦的Ｍitsubishi調(diào)整器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，僅在一個(gè)厚為0.13D的板上鉆35個(gè)0.13Ｄ的圓孔，效果較好，不太復(fù)雜，易于制造，壓損中等。
但在直管段長(zhǎng)度達(dá)不到要求時(shí)采用流動(dòng)調(diào)整器，并非萬(wàn)全之計(jì)，它在改善了流動(dòng)情況的同時(shí)，又帶來(lái)了以下弊?。孩僭黾映杀?。制造一臺(tái)流量調(diào)整器的成本不亞于一臺(tái)流量計(jì)。②增加安裝、維修工作量。③易于堵塞。采用流動(dòng)調(diào)整器緣于在直管段達(dá)不到ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)要求的長(zhǎng)度，仍希望維持孔板等節(jié)流裝置較高準(zhǔn)確度的一項(xiàng)技術(shù)措施?？墒屡c愿違，由于效果好的流量調(diào)整器均易于堵塞，并造成了流動(dòng)的畸變，它又反過(guò)來(lái)降低了測(cè)量準(zhǔn)確度。既有違初衷，又何必勞命傷財(cái)，多此一舉呢？
要徹底解決問(wèn)題，只有采用新型節(jié)流裝置。此時(shí)，業(yè)內(nèi)比較關(guān)注的是采用內(nèi)錐式流量計(jì)。
四、內(nèi)錐式流量計(jì)（圖3）


上世紀(jì)80年代中期，由美國(guó)MCCROMETER公司研制、推出了這種新型節(jié)流裝置，由于內(nèi)錐具有整流作用，要求前、后直管段長(zhǎng)度都很小。特別適用于ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)公布后所面臨的困境。我國(guó)天津、上海、寧夏均有產(chǎn)品推向市場(chǎng)。
1、原理：
內(nèi)錐式流量計(jì)仍是一種通過(guò)節(jié)流取差壓以反映流量大小的節(jié)流裝置。節(jié)流件為一個(gè)懸掛在管道中央的錐形體，前錐角約30°,后錐角約150°。高壓P1取自錐體前流體未擾動(dòng)（即未形成節(jié)流，流體未加速）的管壁；低壓P2取自后錐體中央，并通過(guò)內(nèi)錐支承桿引至管外，其差壓△P的平方根與流量成正比。計(jì)算與孔板、噴咀等類似，只是需要將環(huán)形通道面積折合為孔板內(nèi)孔面積，計(jì)算公式如下：
式①中 為容積流量，C為流出系數(shù)， 氣體膨脹系數(shù)， 為等效 值，d為等效內(nèi)孔直徑，△P輸出差壓， 為流體密度。
①式中β值由下式?jīng)Q定

②式中dv為內(nèi)錐最大橫截面處的直徑。

①式的d為等效開孔直徑，其大小等于BD。

2、突出的優(yōu)點(diǎn)
1）錐體整流，縮短直管段。
長(zhǎng)期以來(lái)，人們都認(rèn)為變徑管（或稱異徑管）是破壞流場(chǎng)的，無(wú)論管徑由小變大，或由大變小后都要求基本相同的直管段。其實(shí)，收縮管（即管道截面由大變?。⒋偈沽黧w加速，其效果具有消除漩渦、促進(jìn)流動(dòng)層面的相互作用，在一定條件下可以在較短的長(zhǎng)度內(nèi)達(dá)到較理想的流速分布。內(nèi)錐式流量計(jì)使流通截面由大變小，其效果相當(dāng)于一個(gè)流動(dòng)調(diào)整器，可以縮短節(jié)流裝置所必需的直管段長(zhǎng)度；至于是否短到廠家所說(shuō)僅為0~3D，還有待試驗(yàn)證實(shí)。


2）邊緣耐磨，改善穩(wěn)定性。
幾十年來(lái)，孔板曾被公認(rèn)為是一種不用實(shí)標(biāo)的準(zhǔn)確流量計(jì)，常用于物流的計(jì)量核算，而它的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是值得質(zhì)疑的。根據(jù)節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，孔板的節(jié)流孔邊緣厚度e僅為0.005~0.02D；光潔度應(yīng)為 ▽ 7以上。而在使用過(guò)程中，在銳角處流速最高，流體的沖刷也最強(qiáng)烈，使用不久銳邊將變大，并產(chǎn)生毛刺不再光滑，流量系數(shù)也將隨之變化。
而內(nèi)錐式流量計(jì)則不然，在錐體的最大截面的邊緣，由于附面層的保護(hù)（見(jiàn)圖3）其表面流速并不高，附面層減緩了沖刷的力度，且邊緣是一個(gè)鈍體而不是銳角，也經(jīng)得起沖刷。因此，內(nèi)錐式流量計(jì)流量系數(shù)可長(zhǎng)期穩(wěn)定不變。
為什么孔板沒(méi)有附面層保護(hù)呢？附面層厚度δ=KLReX，（其中L是特征長(zhǎng)度，Re是雷諾數(shù)，K,X為系數(shù)）孔板的特征長(zhǎng)度等于零，無(wú)法形成附面層保護(hù)。
3）環(huán)形通道，適用于臟污流。
各工程中現(xiàn)場(chǎng)中的流體都難以保證潔凈，多年來(lái)，節(jié)流裝置中采用最多的孔板，由于其下游會(huì)形成一個(gè)回流區(qū)，流體中的臟污物、凝折物等將滯留在這個(gè)區(qū)域，日積月累，將改變節(jié)流比β值，引起流量系數(shù)的變化，其次污物還會(huì)阻塞測(cè)壓孔，使孔板難以正常工作。
而內(nèi)錐式流量的節(jié)流部分的環(huán)形通道，錐體后未形成滯流區(qū)，當(dāng)流體流過(guò)邊緣時(shí)，因流速高，任何臟污物、凝析物，將被沖走難以滯留。因此它適用于臟污流體，特別是氣液、氣固、液固二相流體。十多年的使用證明，它已成功地應(yīng)用于焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、渣油、水煤漿、氣液二相流（濕氣）……等臟污流體。長(zhǎng)期困擾孔板的難題，采用內(nèi)錐式流量計(jì)將迎刃而解。
3、主要技術(shù)參數(shù)（根據(jù)廠家技術(shù)資料）
①內(nèi)錐式流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)β值，可按工況，有以下幾種：0.45、0.55、0.65、0.75、0.85；
②所要求的直管段上游約0~3D，下游0~1D；
③準(zhǔn)確度可達(dá)±0.5%；重復(fù)性為0.1%；
④采用智能差壓變送器；量程比可達(dá)15:1以上；
⑤具有自動(dòng)清除作用，適用流體極為廣泛，如氣固、液固二相臟污流體均可使用；
⑥壓損較孔板??；
⑦壓力上限6Mpa，溫度上限可達(dá)600℃；
⑧未積累足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，尚不能像孔板、噴咀一樣，無(wú)需標(biāo)定，即可得流量系數(shù)；
⑨有待制定標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)推廣應(yīng)用。
4、應(yīng)用范例
在軋鋼廠中焦?fàn)t煤氣是窯爐的主要燃料，由于它將在管道及檢測(cè)元件上產(chǎn)生積垢，一直困擾著儀表工程師，成為流量測(cè)量中的難題。S.S.Oxelosund.(瑞典)推薦SSAB公司將MCCROMETER公司的V-Cone流量計(jì)用于軋鋼廠窯爐的焦?fàn)t煤氣流量測(cè)量，運(yùn)行一個(gè)月后，該公司儀表工程部的Lekberg先生對(duì)于它進(jìn)行了評(píng)估，他說(shuō)：“我們對(duì)它進(jìn)行了檢查，驚奇地發(fā)現(xiàn)流量計(jì)內(nèi)部比較干凈，而錐體上邊沒(méi)有明顯磨損的跡象，對(duì)此我們十分滿意?！盨SAB公司然后將V-cone流量安裝在更嚴(yán)酷的條件下進(jìn)行考核。繼續(xù)運(yùn)行3個(gè)月后再次檢查，Lekberg評(píng)價(jià)說(shuō)“經(jīng)過(guò)三個(gè)月的試驗(yàn)，雖然是用于嚴(yán)重污染的臟污氣體，我認(rèn)為V-come流量計(jì)的性能比我們予計(jì)的要好得多，錐體表面沒(méi)有積垢，也沒(méi)有磨損?！?BR>這是一個(gè)成功的范例，具體應(yīng)用參數(shù)摘要附后：
·產(chǎn)品序號(hào)90206Y1 ·管道內(nèi)徑 154.38mm
·被測(cè)流體SSAB公司焦?fàn)t煤氣 ·錐體最大直徑 138.33mm
·比重0.44（60℉） ·β值 0.444
·粘度120×10-2CP（厘泊） ·流量系數(shù) 0.865
·溫度t=35~60℃ ·最大差壓 111.12毫米水柱
·壓力p=0.1bar（表壓） ·量程比 9:1
·流量Q=80~743Nm3/h
五、點(diǎn)滴絮語(yǔ)
1、直管段長(zhǎng)度：內(nèi)錐式流量計(jì)問(wèn)世已十多年，鮮為人知。近二年由于提出了ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)，加長(zhǎng)了孔板等節(jié)流裝置所需的直管長(zhǎng)度，使孔板難以使用，在不少會(huì)議、媒體上出現(xiàn)了一股“內(nèi)錐熱”，認(rèn)為其所需直管段前為0~3D；后為0~1D，幾乎可有可無(wú)。內(nèi)錐的整流作用真的能神奇到這個(gè)地步？據(jù)了解不少阻力件（如雙彎頭）后漩渦區(qū)的消失就不止1D。
2、量程比：內(nèi)錐式流量計(jì)是一個(gè)差壓式流量計(jì)，這類儀表其流量與輸出差壓的平方根成正比。而不少技術(shù)資料宣傳它的量程比可達(dá)15:1。一般的差壓變速器量程比應(yīng)為10:1，因此差壓式流量計(jì)的量程比就只能是3:1。當(dāng)然，如采用智能差壓變送器，則流量的量程比是可以達(dá)到15:1，甚至更高的，但這個(gè)優(yōu)點(diǎn)怎能算在內(nèi)錐式流量計(jì)上呢！
3、流動(dòng)調(diào)整器：在制定節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)中，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISOTC3O多次建議采用流動(dòng)調(diào)器，由于現(xiàn)場(chǎng)的惡劣條件，流體欠潔凈，將會(huì)帶來(lái)不少問(wèn)題，難以達(dá)到預(yù)期效果。但在流量試驗(yàn)室倒不妨采用，不少試驗(yàn)室由于場(chǎng)地的限制，直管段長(zhǎng)度（特別是大口徑管道）都未達(dá)到要求，沒(méi)有形成充分發(fā)展紊流，所標(biāo)定的流量系數(shù)欠準(zhǔn)確。而試驗(yàn)室流體潔凈，不易堵塞，便于維護(hù)，采用流動(dòng)調(diào)整器，可以在有限的場(chǎng)地達(dá)到理想的流速分布，使所標(biāo)定的流量系數(shù)更為準(zhǔn)確、可靠。
4、標(biāo)準(zhǔn)化：孔板長(zhǎng)期公認(rèn)為是無(wú)需標(biāo)定而又準(zhǔn)確的流量計(jì)，為此制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（5167）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB-2624），因此常用于物流計(jì)量及貿(mào)易核算中，ISO5167的新標(biāo)準(zhǔn)提出的直管段長(zhǎng)度使孔板的應(yīng)用陷入困境，不少專家建議采用內(nèi)錐式流量計(jì)取代孔板，舉出了不少優(yōu)點(diǎn)，前景誘人。但由于還缺乏足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，無(wú)論國(guó)際還是國(guó)內(nèi)還未制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。用于物流貿(mào)易核算，目前還缺乏計(jì)量法 依據(jù)。
5、需理性、勿過(guò)熱：由于影響因素較多，流量?jī)x表的原理類型之多一向處自動(dòng)化儀表之冠，各自特點(diǎn)在一定領(lǐng)域（或條件下）發(fā)揮作用，某一儀表一統(tǒng)天下的局面，短期還難以形成。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，廠商的過(guò)熱宣傳是可理解的，而工程、學(xué)術(shù)界的宣傳就應(yīng)實(shí)事求是不宜過(guò)熱。況且內(nèi)錐式流量計(jì)在支持結(jié)構(gòu)、取壓點(diǎn)位置、壓損等方面還不是那么盡善盡美，有待人們?cè)趯?shí)用中不斷改進(jìn)與完善。