流量計(jì)直管段適用長度與安裝施工方法
| 表 | １ | 流量計(jì)前直管段長度的一般要求 | |||||
| （ | 彎，無流動調(diào)整器） | ||||||
| ９０° | |||||||
| 種 | 類 | １） | １） | ||||
| 前直管段長度 | 后直管段長度 | ||||||
| 容積式流量計(jì) | ０ | ０ | |||||
| 科里奧利質(zhì)量流量計(jì) | ０ | ０ | |||||
| 電磁流量計(jì) | ５ | ３ | |||||
| 線性孔板流量計(jì) | ６ | ３ | |||||
| 渦輪流量計(jì) | ２０ | ５ | |||||
| 渦街流量計(jì) | ２０ | ５ | |||||
| 超聲流量計(jì) | ２０ | ５ | |||||
| 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì) | ２） | ２） | |||||
| ６～４４ | ２～４ | ||||||
| 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì) | ２） | ２） | |||||
| １０～４６ | ４～８ | ||||||
| 注：）管道內(nèi)徑的倍數(shù)； | |||||||
| １ | 有關(guān)。 | ||||||
| ）與直徑比 | |||||||
| ２ | β | ||||||
２）流量計(jì)上游引發(fā)流場畸變的管件（或阻流件）不同，對直管段長度的要求也不同。表２列出標(biāo)準(zhǔn)孔板完整的直管段要求。表２中的數(shù)據(jù)是研究者根據(jù)一百多年對孔板流量計(jì)試驗(yàn)研究歸納總結(jié)得到的，因此既全面又可靠。
３、直管段長度不夠?qū)y量結(jié)果的影響：
總的來說，直管段長度不夠時流量測量不確定度相應(yīng)增大，但是增大多少以及由此引起的附加誤差是正向還是負(fù)向，需要具體分析。到目前為止，只有個別類型的流量計(jì)有人做過為數(shù)不多的試驗(yàn)，得到了一些零星的數(shù)據(jù)。
圖１所示是日本富士公司提供的單聲道外夾式超聲流量計(jì)上游直管段長度不夠引起的附加誤差曲線［８］。從曲線形狀分析，上游彎頭應(yīng)是在***不利的方位，如果上游彎頭在有利的方位（彎頭與聲道在同一個平面），附加誤差應(yīng)當(dāng)小得多。
圖１ 單聲道外夾式超聲流量計(jì)上游直管段長度不夠引起的附加誤差曲線
圖２所示是美國丹尼爾公司（Ｄａｎｉｅｌ）和諾娃公司（ＮＯＶＡ）所做的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)上游直管段長度不夠引起的附加誤差曲線［９］，從圖中的數(shù)據(jù)分析，被試差壓裝置應(yīng)是環(huán)室取壓，如果是２．５４ｃｍ（１ｉｎ）法蘭取壓或徑距取壓，附加誤差要大得多。
圖２前直管段長度對孔板流出系數(shù)的影響
注：上游不同阻流件（無流動調(diào)整器）對β＝０．５的孔板流量計(jì)的影響如果是徑距取壓，由于上游彎頭與取壓口之間相互位置的不同，會有三種不同的結(jié)果：
１）當(dāng)取壓口處于彎管的外圈時，流出系數(shù)趨小，引起正向附加誤差，如圖３所示。
圖３ 取壓口處于外圈
２）當(dāng)取壓口處于彎管內(nèi)圈時，流出系數(shù)趨大，引起負(fù)向附加誤差，如圖４所示。
圖４ 取壓口處于內(nèi)圈
３）當(dāng)取壓口處于與彎管所在的平面垂直時，流出系數(shù)的偏移應(yīng)比前兩種情況小得多，如圖５所示。
圖５ 取壓口與９０°彎垂直
因此，在確定取壓口方位時，應(yīng)考慮***有利的方案。在上面的分析中，直管段長度不夠引起的附加誤差幅值還與節(jié)流件的直徑比β有關(guān)，其中β較小時，相同的直管段倍數(shù)引起的附加誤差要小一些。
 |
表２ | 無流動調(diào)整器情況下孔板與管件之間所需的直管段 | ［７］ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （ | ） | 孔板下游 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 孔板的上游 入口 側(cè) | （ | ） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 出口 側(cè) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 單 個 | ９０° | 同 一 個 平 | 同 一 平 面 | 單 個 | ４５° | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 直徑 | 互 成 垂 直 | 互 成 垂 直 | 帶 或 不 帶 | 彎頭 | 同心漸縮管 | 同 心 漸 擴(kuò) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 彎頭 | 面上 ２ 個 | 上２個９０° | 溫 度 計(jì) 插 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 比β | 平 面 上 ２ | 平 面 上 ２ | 延 伸 部 分 | 同 一 平 面 | （ | （ | 全 孔 球 閥 | （ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 任 一 平 面 | ９０°彎頭 | 彎頭 | 在１．５Ｄ～ | 管 在Ｄ～ | 突 然 對 稱 | ３） | 管件 ２～１１ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 個９０°彎頭 | 個９０°彎頭 | 的單個９０° | 上２個４５° | ３Ｄ 長度內(nèi) | ２Ｄ 長度內(nèi) | 或 閘 閥 | 套或套管 | 欄）和密度 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 上２個９０° | Ｓ形結(jié)構(gòu) | Ｓ形結(jié)構(gòu) | 收縮 | 直 徑 | ＝ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （ | （ | 由２Ｄ變?yōu)?/td> | 由０．５Ｄ 變 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 彎頭 | （ | １） | ３０Ｄ ＝Ｓ | ５Ｄ | ＞ | 三 通 斜 接 | 彎頭 | 全開 | ４） | 計(jì)套管 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ３０Ｄ ＝Ｓ | （１０Ｄ＝Ｓ） | １） | １），２） | （ | １） | ） | ） | ０．０３Ｄ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| １） | １） | ） | ） | ９０°彎頭 | ） | Ｄ | 為Ｄ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （ | ＝５Ｄ | Ｓ | Ｓ＝２Ｄ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ） | ） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ｓ＞３０Ｄ | ＞１０Ｄ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| １ | ２ | ３ | ４ | ５ | ６ | ７ | ８ | ９ | １０ | １１ | １２ | １３ | １４ | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| — | ５） | ６） | ５） | ６） | ５） | ６） | ５） | ６） | ５） | ６） | ５） | ６） | ５） | ６） | ５） | ６） | ５） | ６） | ５） | ６） | ５） | ６） | ５） | ６） | ５） | ６） | |||||||||||||||||||
| Ａ | Ｂ | Ａ | Ｂ | Ａ | Ｂ | Ａ | Ｂ | Ａ | Ｂ | Ａ | Ｂ | Ａ | Ｂ | Ａ | Ｂ | Ａ | Ｂ | Ａ | Ｂ | Ａ | Ｂ | Ａ | Ｂ | Ａ | Ｂ | ||||||||||||||||||||
| ＝０．２０ | ６ | ３ | １０ | ７） | １０ | ７） | １９ | １８ | ３４ | １７ | ３ | ７） | ７ | ７） | ５ | ７） | ６ | ７） | １２ | ６ | ３０ | １５ | ５ | ３ | ４ | ２ | |||||||||||||||||||
| ０．４０ | １６ | ３ | １０ | ７） | １０ | ７） | ４４ | １８ | ５０ | ２５ | ９ | ３ | ３０ | ９ | ５ | ７） | １２ | ８ | １２ | ６ | ３０ | １５ | ５ | ３ | ６ | ３ | |||||||||||||||||||
| ０．５０ | ２２ | ９ | １８ | １０ | ２２ | １０ | ４４ | １８ | ７５ | ３４ | １９ | ９ | ３０ | １８ | ８ | ５ | ２０ | ９ | １２ | ６ | ３０ | １５ | ５ | ３ | ６ | ３ | |||||||||||||||||||
| ０．６０ | ４２ | １３ | ３０ | １８ | ４２ | １８ | ４４ | １８ | ８） | ２５ | ２９ | １８ | ３０ | １８ | ９ | ５ | ２６ | １１ | １４ | ７ | ３０ | １５ | ５ | ３ | ７ | ３．５ | |||||||||||||||||||
| ６５ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ０．６７ | ４４ | ２０ | ４４ | １８ | ４４ | ２０ | ４４ | ２０ | ６０ | １８ | ３６ | １８ | ４４ | １８ | １２ | ６ | ２８ | １４ | １８ | ９ | ３０ | １５ | ５ | ３ | ７ | ３．５ | |||||||||||||||||||
| ０．７５ | ４４ | ２０ | ４４ | １８ | ４４ | ２２ | ４４ | ２０ | ７５ | １８ | ４４ | １８ | ４４ | １８ | １３ | ８ | ３６ | １８ | ２４ | １２ | ３０ | １５ | ５ | ３ | ８ | ４ | |||||||||||||||||||
直管段是孔板上游或下游各種管件與孔板之間的直管段長度，直管段應(yīng)從***近的（或的）彎頭或三通的彎曲部分的下游端測量起，或者從漸縮管或漸擴(kuò)管的彎曲或圓錐部分的下游端測量起；
② 直管段所依據(jù)的大多數(shù)彎頭的曲率半徑等于１．５Ｄ；
③ 數(shù)值以管道內(nèi)徑Ｄ的倍數(shù)表示。
１）Ｓ是上游彎頭彎曲部分的下游端到下游彎頭彎曲部分的上游端測得的２個彎頭之間的間隔；
２）該方式不是一種好的上游安裝方式，如有可能宜使用流動調(diào)整器；
３）安裝溫度計(jì)插套或套管將不改變其他管件所需的***短上游直管段；４）只要Ａ欄和Ｂ欄的值分別增大到２０和１０，就看安裝直徑０．０３Ｄ～０．１３Ｄ的溫度計(jì)插套或套管，但不這種安裝方式；５）每種管件的Ａ欄都給出了對應(yīng)于“零附加不確定度”的直管段；６）每種管件的Ｂ欄都給出了對應(yīng)于“０．５％附加不確定度”的直管段；
７）Ａ欄中的直管段給出零附加不確定度；目前尚無較短直管段的數(shù)據(jù)可用于給出Ｂ欄的所需直管段；
８）如果Ｓ＜２Ｄ，ＲｅＤ ＞２×１０６ 需要９５Ｄ。
４、直管段長度不夠時的處理：
作為自控工程設(shè)計(jì)人員，在施工圖設(shè)計(jì)時，總是要為流量計(jì)尋找一個理想的安裝地點(diǎn)，其中就包括解決直管段長度問題，但有時由于場地限制，無法保證直管段長度。在既有的管道上增設(shè)流量計(jì)更是如此，因?yàn)樵诠艿冷佋O(shè)時，基本不會預(yù)留安裝流量計(jì)的位置，所以保證直管段長度會成為面臨的棘手問題。根據(jù)各種具體情況，有下面幾個方法可供選擇。
１）管線繞道法。圖６所示為工業(yè)鍋爐產(chǎn)汽流量渦街流量計(jì)安裝俯視圖。
圖６ 渦街流量計(jì)及前后直管段
彎頭就在爐頂以水平方向鋪設(shè)，由于既有的管道安裝了１臺ＤＮ１５０的渦街流量計(jì)直管段長度不能滿足要求，因而***簡單有效的方法是與設(shè)備專業(yè)人員協(xié)商，將既有管道進(jìn)行改裝，例如將圖６中的管段ａ改為ｂ，ｃ，ｄ，如圖７所示。由于直管段加長了一段ｄ，從而滿足了直管段要求。
２）讓步法。所謂讓步法就是對某項(xiàng)指標(biāo)作出讓步，該方法在產(chǎn)品質(zhì)量管理中是普遍使用的。例如在化工生產(chǎn)中，從流程末端流出的產(chǎn)品達(dá)不到一級品指標(biāo)，但能達(dá)到二級品指標(biāo)，于是就作二級品入庫銷售，而不是將其報廢，這樣在經(jīng)濟(jì)上比較劃算。
圖７ 管線繞道后的配管示意
在流量計(jì)使用現(xiàn)場，如果直管段長度無論如何也不能滿足要求，流量測量結(jié)果也不是用于貿(mào)易結(jié)算，而是用于一般監(jiān)測或過程控制，可嘗試采用讓步法。例如表２標(biāo)準(zhǔn)所列的直管段長度中，Ａ列的數(shù)據(jù)是達(dá)到０．５％不確定度必須滿足的直管段長度，如果用戶肯將不確定度讓步到１％，則滿足Ｂ列直管段長度即可，這樣就使直管段長度要求大幅降低。其他類型的流量計(jì)，也可參考該表格。
３）在有直管段要求的各種類型流量計(jì)中，流量傳感器在管道上的安裝方位同測量結(jié)果的關(guān)系，有些不受上游彎頭方向的影響，例如渦輪流量計(jì)和環(huán)室取壓差壓流量計(jì)，但大多數(shù)類型的流量計(jì)都對上游彎頭方向很敏感，例如圖１所示的外夾式單聲道超聲流量計(jì)［１０］，圖３～圖５所示的差壓流量計(jì)以及圖６所示的渦街流量計(jì)，因而應(yīng)將流量傳感器在管道上的安裝方位選擇在***有利的位置。
ａ）以差壓式流量計(jì)為例，圖８所示為取壓口位置示意。取壓口的取向應(yīng)考慮被測流體為液體時，應(yīng)防止氣體進(jìn)入導(dǎo)壓管；被測流體為氣體時，應(yīng)防止液滴或污物進(jìn)入導(dǎo)壓管。當(dāng)測量管道為垂直時，取壓口在取壓位置的平面上，方向可任意選擇，即α可大可小，選擇的范圍就大了。
圖８ 取壓口位置安裝示意（徑向）
| ）在圖 | ６ | 所示的渦街流量計(jì)實(shí)例中，業(yè)主單 | 長度不夠也不影響測量度，這是因?yàn)闇u街流量 | ||||
| ｂ | |||||||
| 位沒有選擇管線繞道的方法，而是選擇了將旋渦發(fā) | 計(jì)在出廠前都經(jīng)過實(shí)流標(biāo)定，流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的直管 | ||||||
| 生體旋轉(zhuǎn)９０°，即將接線盒安裝在水平管道的側(cè) | 段都相當(dāng)長，所以流量計(jì)前管道內(nèi)流體的速度分布 | ||||||
| 面，收到了很好的效果 | ［９］ | 是對稱的，也不存在旋渦。圓形流通截面中流速*** | |||||
| ，經(jīng)質(zhì)量平衡驗(yàn)證和能量 | |||||||
| 平衡驗(yàn)證，達(dá)到很高的度。 | 高點(diǎn)與軸心重合， 臺渦街流量計(jì)的流量系數(shù)就是 | ||||||
| １ | |||||||
| ）在圖 | ９ | 中，將旋渦發(fā)生體旋轉(zhuǎn) | 后直管段 | 在這樣的條件下標(biāo)定出來的。 | |||
| ｃ | ９０° | ||||||
圖９ 取壓口位置安裝示意（俯視）
ｄ）在圖１０中，流體在管道內(nèi)高速流動，由于流體的離心力作用，流場產(chǎn)生畸變，使***高流速向圖的下方偏移，這種偏移使***高流速點(diǎn)不再對準(zhǔn)旋渦發(fā)生體的中心，從而使流量計(jì)的旋渦剝離頻率相對減小，引起儀表示值偏低。
圖１０ 管道內(nèi)的流場分布與發(fā)生體位置
而當(dāng)旋渦發(fā)生體的方向被旋轉(zhuǎn)９０°后，流場的畸變情況雖然無變化，但***高流速點(diǎn)卻對準(zhǔn)了發(fā)生體的中心線，如圖１１所示。
圖１１ 旋渦發(fā)生體處于水平位置
該方法對安裝在垂直管道上的電磁流量計(jì)、單聲道超聲流量計(jì)也完全適用，但對安裝在水平管道上的電磁流量計(jì)和單聲道超聲流量計(jì)就要適當(dāng)修正才能應(yīng)用。因?yàn)殡姶帕髁坑?jì)不允許將電極安裝在水平管道的上方和下方，如果電極被布置在水平管道的水平直徑方向則處于***不利的位置，可將１對電極所組成的連線在圓周方向旋轉(zhuǎn)４５°。單聲道超聲流量計(jì)如果１對換能器被布置在水平管道的水平直徑方向也處于***不利的位置，則可將１對換能器之間的聲道所組成的平面在圓周方向旋轉(zhuǎn)４５°，這樣處理雖然效果比不上旋轉(zhuǎn) ９０°，但比***不利的位置要好得多。
４）加裝流動調(diào)整器。流動調(diào)整器可用于減少上游直管段長度。配合性實(shí)驗(yàn)表明，它可以用在任何上游管件的下游。目前在ＩＳＯ５１６７正文中只列入２ 種流動調(diào)整器：１９ 根管束式流動整直器（１９９８）和Ｚａｎｋｅｒ流動調(diào)整板，流動調(diào)整器在標(biāo)準(zhǔn)中列有適用的節(jié)流件和阻流件類型以及具體的安裝位置等。
５）選用直管段要求低的流量計(jì)。由于各種不同類型的流量計(jì)對直管段長度的要求差異懸殊，如果原來所選的流量計(jì)直管段要求較長，而且無論如何也滿足不了要求，應(yīng)改選直管段長度要求較低的型號。
６）對影響值進(jìn)行評估。直管段長度不夠時，流量計(jì)不確定度增大，是由于管道內(nèi)的速度分布畸變，使得儀表的實(shí)際流量系數(shù)與出廠標(biāo)定時的流量系數(shù)不一致。
如果按照現(xiàn)場實(shí)際的管件種類和直管段長度組裝成１套帶前后管段的流量計(jì)，放在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上，標(biāo)定出該臺儀表的流量系數(shù)，然后配套使用，并使用此流量系數(shù)計(jì)算流量，也就完全排除了直管段長度不夠?qū)y量結(jié)果的影響。該方法在鉆井平臺等場地有限的場合，經(jīng)常采用。
５、結(jié)束語：
在種類繁多的流量計(jì)中，通常對流量計(jì)前后直管段有特定的要求。由于工作原理的不同，對直管段長度的要求也不同；阻流件的類型不同，對直管段長度的要求也不同，設(shè)計(jì)時應(yīng)區(qū)別對待。
在遇到直管段長度不夠時，針對不同的現(xiàn)場情況和流量計(jì)的不同用途，可分別采用管線繞道法、降低度指標(biāo)法、加裝流動調(diào)整器法、選擇***有利的安裝方位法以及改選直管段長度要求較低的流量計(jì)等方法，使問題得到解決。