1 引言

      差壓式流量計(jì)，作為傳統(tǒng)的計(jì)量手段已有近百年的發(fā)展歷史，今天它仍然是應(yīng)用最多的工業(yè)在線流量測量儀表。

      差壓式流量計(jì)所使用的節(jié)流件，主要是標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴和文丘里管^[1]。鑒于這些節(jié)流件的技術(shù)性能存在著種種缺陷，為適應(yīng)現(xiàn)實(shí)工業(yè)計(jì)量的需要，人們先后發(fā)明了幾種以孔板、噴嘴為基礎(chǔ)的改型節(jié)流件，如環(huán)形孔板、錐形入口孔板、四分之一圓孔板（噴嘴）、耐磨孔板^[2]、楔形流量計(jì)以及V-Cone錐形流量計(jì)等。這些改型節(jié)流件在某一特定測量條件下可以彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件在技術(shù)性能方面的某些不足，但使用局限性都很大，測量精度也偏低，美國V-Cone流量計(jì)是一種性能相對較好的改型節(jié)流件，但因“銳緣磨蝕”而導(dǎo)致的流出系數(shù)不穩(wěn)定問題仍未徹底解決。

      由大連索尼卡電子有限公司研發(fā)的專利技術(shù)產(chǎn)品―內(nèi)文丘里管，是對傳統(tǒng)文丘里管作了改型的異型文丘里管，它集環(huán)形孔板、耐磨孔板和文丘里管的優(yōu)點(diǎn)于一體，其技術(shù)性能優(yōu)于孔板、噴嘴和經(jīng)典文丘里管，也優(yōu)于現(xiàn)有其它各種改型節(jié)流件。內(nèi)文丘里管流量計(jì)，是具有獨(dú)特性能的新一代差壓式流量測量儀表，在工業(yè)計(jì)量試用中已取得良好的使用效果。

      2 結(jié)構(gòu)與測量原理

      2.1 內(nèi)文丘里管由圓形測量管1和置于測量管內(nèi)的特型芯體2所構(gòu)成（參見圖1和圖2）。特型芯體是一個(gè)與測量管同軸的旋轉(zhuǎn)體，其母線是一假想管壁為無限薄的經(jīng)典截尾文丘里管的管壁軸向截面，即旋轉(zhuǎn)體的徑向外表面由前段圓錐面6、中段圓柱面7、尾段圓錐面8三部分構(gòu)成。特型芯體靠其支承軸9、10和與測量管同軸的支承環(huán)3、4定位，用制動(dòng)件壓緊固定（小管徑產(chǎn)品，無前支承軸，只用后軸由后支承環(huán)定位固定）。支承環(huán)是由具有同軸的內(nèi)環(huán)、外環(huán)和將內(nèi)外環(huán)連成一體的3-4個(gè)支承肋構(gòu)成。在測量管管壁的特定位置上設(shè)有取壓接頭5（或遠(yuǎn)傳法蘭取壓接口），測量管兩端是用于和現(xiàn)場工藝管道相連接的標(biāo)準(zhǔn)法蘭。

      2.2 就基本測量原理而言，內(nèi)文丘里管與經(jīng)典文丘里管等傳統(tǒng)差壓式流量儀表的測量原理完全相同，都是以能量守恒定律――伯努力方程和流動(dòng)連續(xù)性方程為基礎(chǔ)的流量測量方法，其基本的直接測量量仍是節(jié)流件前后的差壓。如上特型芯體外表面與測量管內(nèi)表面之間形成一異徑環(huán)形腔體（環(huán)形間隙），環(huán)形腔體沿軸向的過流面變化規(guī)律和經(jīng)典文丘里管相似，這就使得流體流經(jīng)內(nèi)文丘里管時(shí)的流束變化及其節(jié)流過程同流體流經(jīng)經(jīng)典文丘里管時(shí)的流束變化及其節(jié)流過程基本相同。

      3 計(jì)量性能

      3.1 內(nèi)文丘里管的計(jì)量性能以及標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴、經(jīng)典文丘里管的比較，見表1節(jié)流件性能一覽表。

      3.2 內(nèi)文丘里管的技術(shù)特點(diǎn)

      同孔板等標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件及各種改型節(jié)流件相比，內(nèi)文丘里管的技術(shù)特點(diǎn)集中體現(xiàn)在以下幾方面：

表1 節(jié)流件性能一覽表

      ① 測量穩(wěn)定性好。在測量過程中，流出系數(shù)能長期保持恒定，這是所有其它節(jié)流件所不具備的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。
      ② 對被測介質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)。可以測量各種液體、氣體和蒸汽，包括潔凈流體和含有固體顆粒的流體、低壓大流量氣體、高含濕氣體以及其它各種臟污流體。
      ③ 測量范圍度（量程比)寬。量程比大于10：1，甚至量程比為15：1、25：1時(shí)，在工業(yè)測量常用的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，流出系數(shù)線性度仍可低于0.4%（無需二次表軟件修正），請參見圖3NV2118內(nèi)文丘里管流量計(jì)部分產(chǎn)品實(shí)測流出系數(shù)分布圖。
      ④ 適用雷諾數(shù)范圍寬。適用雷諾數(shù)下限低于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件，特別是大大低于標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)典文丘里管。
      ⑤ 對安裝直管段要求短。直管段長度要求比經(jīng)典文丘里管的要求還要短，對于同樣形式的上游阻流件，最短直管段長度要求只需孔板的1/8左右，因而能有效避免或減小測量系統(tǒng)的附加測量不確定度。
      ⑥ 壓力損失小，約為孔板的1/3～1/5。

      4 性能機(jī)理分析

      4.1 節(jié)流件喉部銳緣磨蝕和節(jié)流件積污以及量程比太窄，是造成孔板等節(jié)流裝置在使用過程中流出系數(shù)不能保持恒定的基本原因。內(nèi)文丘里管節(jié)流部位無銳緣，也不存在積污條件，量程比又很寬，因而在使用過程中流出系數(shù)能長期保持恒定。

      4.2 內(nèi)文丘里管內(nèi)置芯體與測量管的組合，在入口前錐面與測量管內(nèi)圓之間形成一圓錐收縮段，該圓錐收縮段具有與經(jīng)典文丘里管類似但更強(qiáng)于經(jīng)典文丘里管入口圓錐收縮段所具有的流動(dòng)調(diào)整（或稱整流、混流）作用。圓錐收縮段流動(dòng)調(diào)整作用的機(jī)理是：流體在文丘里管腔內(nèi)向前流動(dòng)的過程中，隨著過流截面的逐漸縮小，不但流速逐漸增大、壓力逐漸降低，而且使靠近管壁流動(dòng)具有速度較低的流體同接近管軸流動(dòng)具有速度較高的流體形成“混流”，這樣就使原有的較大速度分布梯度愈來愈小，并使得流體在流入腔內(nèi)之前因流過上游管道阻流件后而發(fā)生的偏流、旋轉(zhuǎn)流等非對稱的速度分布在此得以“矯正”，從而在節(jié)流件喉部得到差壓式儀表所需要的均勻速度分布。上述的流動(dòng)調(diào)整作用，內(nèi)文丘里管與經(jīng)典文丘里管相似，但其調(diào)整力度（均流效果），內(nèi)文丘里管來得更大，效果更好。這是因?yàn)?，流體流經(jīng)經(jīng)典文丘里管，收縮時(shí)形成流體自管壁向管軸推壓，而流體流經(jīng)內(nèi)文丘里管，在收縮段形成自管軸向四周管壁推壓，強(qiáng)迫分流。因此，無論是對速度分布梯度的拉平作用還是對非軸對稱流的“矯正”作用，內(nèi)文丘里管都要強(qiáng)于經(jīng)典文丘里管。正是這種有效的流動(dòng)調(diào)整功能，才使得內(nèi)文丘里管的流出系數(shù)對流動(dòng)雷諾數(shù)Re和節(jié)流直徑比β的變化遠(yuǎn)不像孔板、噴嘴等傳統(tǒng)節(jié)流件那么敏感，因而內(nèi)文丘里管的流出系數(shù)能在很寬的雷諾數(shù)范圍（量程比）內(nèi)保持良好的線性度。

      上述圓錐收縮段的流動(dòng)調(diào)整作用，也是內(nèi)文丘里管安裝直管段長度要求可以大大低于孔板的一個(gè)重要原因。

      4.3 內(nèi)文丘里管內(nèi)置芯體外表面與測量管內(nèi)表面之間形成一環(huán)形過流縫隙，節(jié)流部位的這一幾何特征，恰與環(huán)形孔板相似。英國NEL的研究實(shí)驗(yàn)表明，環(huán)形孔板在測量過程中，不但流體中的固體顆粒和氣體中的液滴不會在節(jié)流部位造成積聚，而且環(huán)形孔板與管道之間形成的環(huán)形過流間隙對來自上游的流動(dòng)干擾具有極強(qiáng)的抗干擾能力。NEL提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)流作用下，標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)變化達(dá)25%時(shí)，環(huán)形孔板流出系數(shù)的變化尚小于1%^[4]?？梢哉f，內(nèi)文丘里管之所以對上游安裝直管段要求低，主要是因?yàn)榄h(huán)形過流縫隙具有很好的流動(dòng)調(diào)整功能。

      4.4 內(nèi)文丘里管節(jié)流件喉部無銳緣存在，芯體的圓柱面與其前錐面、后錐面之間的夾角均為大于120º的鈍角。如此結(jié)構(gòu)形式，恰與前蘇聯(lián)學(xué)者提出的對標(biāo)準(zhǔn)孔板入口直角銳緣進(jìn)行倒角的耐磨孔板“銳緣鈍化處理”技術(shù)相似。耐磨孔板流出系數(shù)穩(wěn)定的技術(shù)特點(diǎn)已為流量測量業(yè)內(nèi)人士所公認(rèn)。實(shí)際上在流出系數(shù)穩(wěn)定這一點(diǎn)上，內(nèi)文丘里管比耐磨孔板更好，這是因?yàn)槟湍タ装逯唤鉀Q了“銳緣磨蝕”問題，而造成流出系數(shù)改變的另一重要原因，即孔板“積污”問題仍然存在。只有內(nèi)文丘里管的結(jié)構(gòu)形式才同時(shí)解決了孔板的“銳緣磨蝕”和節(jié)流件“積污”問題。

      4.5 內(nèi)文丘里管的結(jié)構(gòu)形式，使其流體節(jié)流過程與經(jīng)典文丘里管相似，流體在流過節(jié)流部位時(shí)，沒有驟然的收縮與擴(kuò)散，雖然可以形成測量所必須的壓降（差壓）但并不存在孔板節(jié)流所產(chǎn)生的那種容易造成能量損失的渦流，因而永久性壓力損失小。

      4.6 內(nèi)文丘里管抗介質(zhì)污染力強(qiáng)，取壓口不易堵塞，是靠產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上采取了有兩項(xiàng)防堵措施：一是在取壓口設(shè)置阻流件，使取壓口處局部形成相對高壓區(qū)，減少流體中粥樣團(tuán)粒和固體顆粒物質(zhì)在取壓口處的積聚；二是對特別容易造成取壓口堵塞的介質(zhì)，采取遠(yuǎn)傳法蘭取壓的結(jié)構(gòu)形式。

      4.7 內(nèi)文丘里管的制造要比經(jīng)典文丘里管容易，測量管和芯體幾何尺寸及芯體與測量管之間的位置公差，都能嚴(yán)格控制，即使是較大管徑也無多大困難。結(jié)構(gòu)上工藝性好，易于精密制造，是內(nèi)文丘里管實(shí)現(xiàn)高測量精度的重要保障，也是可以采用不同材質(zhì)制造、能適應(yīng)各種測量條件的主要原因。

      5 可膨脹系數(shù)的確定方法

      內(nèi)文丘里管作為差壓式流量計(jì)，同標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴、文丘里管一樣，在用其測量可壓縮性流體時(shí)，在流量計(jì)算公式中，必須引入一個(gè)小于1的可膨脹系數(shù)ε。GB/T2624標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可膨脹性系數(shù)ε采用計(jì)算值，并給出了兩個(gè)ε計(jì)算公式。一個(gè)是用于標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、文丘里噴嘴和經(jīng)典文丘里管的理論計(jì)算公式；一個(gè)是用于孔板的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

      由可膨脹性系數(shù)的物理含義可知，節(jié)流件的類型（結(jié)構(gòu)形式）決定其對上述兩個(gè)計(jì)算公式的適用性。根據(jù)《流量測量工程手冊^》[3]，凡節(jié)流件廓形呈曲面、流通截面是逐漸縮小（不是突然收縮）的，流體流過這種節(jié)流件時(shí)的實(shí)際最小流束截面與節(jié)流件廓形形成的最小流通截面近乎相同，這類節(jié)流件的ε值的計(jì)算方法都適用于理論計(jì)算公式。顯然內(nèi)文丘里管屬于逐漸收縮型節(jié)流件，因而ε值的計(jì)算方法也適用理論計(jì)算公式。內(nèi)文丘里管ε值適用理論計(jì)算公式的正確推論，已由中國計(jì)量科學(xué)研究院、國家原油大流量計(jì)量站成都天然氣流量分站對同一臺NV內(nèi)文丘里管分別用水實(shí)測流出系數(shù)C值和用天然氣實(shí)測流出系數(shù)與可膨脹性系數(shù)的乘積εC值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所驗(yàn)證：DN50mm，β=0.55， △P/P1=0.04時(shí)，流出系數(shù)C=0.8177，εC=0.7967，實(shí)驗(yàn)換算ε=0.9743，理論計(jì)算ε=0.9746，ε的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)換算值相符。

      6 應(yīng)用與發(fā)展前景

      內(nèi)文丘里管的優(yōu)異技術(shù)性能，對解決目前公認(rèn)的所謂“大流量、低壓力、高含濕氣體的計(jì)量”難題和煤氣、非潔凈天然氣等臟污流體的計(jì)量難題，將會發(fā)揮重要作用；對于那些目前不得不仍在使用著孔板等傳統(tǒng)差壓式儀表但又非常需要提高測量精度、改善計(jì)量效果的計(jì)量場合，內(nèi)文丘里管將成其理想的換代產(chǎn)品；
 
      內(nèi)文丘里管配之以精密型差壓變送器和智能型二次儀表，能實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定、準(zhǔn)確地在線計(jì)量，可以部分地取代振動(dòng)式質(zhì)量流量計(jì)、氣體超聲流量計(jì)等高價(jià)位流量儀表。此外，內(nèi)文丘里管對于現(xiàn)場不具備長的直管段安裝條件，特殊的高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性和臟污介質(zhì)以及非單相流的測量等計(jì)量場合也都具有獨(dú)特的計(jì)量優(yōu)勢。

      內(nèi)文丘里管產(chǎn)品自開發(fā)以來，已成功地試用于計(jì)量高含濕天然氣，低壓臟污沼氣，焦?fàn)t煤氣，瓦斯氣，水蒸氣、熱水，高溫?zé)崦接偷?，?shí)際應(yīng)用范圍正在迅速擴(kuò)大。

      目前內(nèi)文丘里管的準(zhǔn)確流出系數(shù)還必須實(shí)流標(biāo)定，這給使用帶來一定的不便。內(nèi)文丘里管完全可以采用干標(biāo)方法，這在技術(shù)上并不存在問題，只是需要建立相應(yīng)的行業(yè)或國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。相信隨著內(nèi)文丘里管流量計(jì)的廣泛應(yīng)用，在不久的將來，采用干標(biāo)的方法，一定會成為現(xiàn)實(shí)。

      7 結(jié)束語

      內(nèi)文丘里管流量計(jì)克服了孔板等傳統(tǒng)差壓式儀表的計(jì)量弊端但仍不失其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠之特點(diǎn) ，內(nèi)文丘里管作為新一代差壓式流量測量儀表給傳統(tǒng)差壓式流量測量技術(shù)帶來了全新的發(fā)展活力，具有其廣泛的實(shí)用性，它的良好發(fā)展前景是顯而易見的。