[導(dǎo)讀] 本文介紹了一種集經(jīng)典文丘里管、環(huán)形孔板和耐磨孔板計(jì)量性能優(yōu)點(diǎn)于一體的新型差壓裝置—內(nèi)文丘里管，對這種差壓裝置的結(jié)構(gòu)、測量原理、技術(shù)性能、適用范圍、可膨脹性系數(shù)的確定方法以及內(nèi)文丘里管優(yōu)異計(jì)量性能形成的機(jī)理作了簡要的論述，同時(shí)還展望了該種差壓裝置有望取代孔板等傳統(tǒng)差壓裝置的廣泛應(yīng)用與良好發(fā)展前景。
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
節(jié)流件性能
內(nèi)文丘里管
標(biāo)準(zhǔn)孔板
標(biāo)準(zhǔn)噴嘴
標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)典文丘里管
備 注
流出系數(shù)
不確定度
±0.5%
±0.6%～±0.75%
±0.8%～±1.2%
±0.7%～±1.5%
內(nèi)文丘里管需實(shí)流標(biāo)定
量程比
10：1以上
4：1
4：1
5：1～10：1
當(dāng)ReD>1×105、β<0.5時(shí)，孔板、噴嘴的量程比可大于4：1
可膨脹系數(shù)
不確定度
±(4+100β8)
×△P/P1%
±(4△P/P1)%
±(2△P/P1)%
±(4+100β8)
×△P/P1%
內(nèi)文丘里管的差壓△P小，可膨脹性系數(shù)不確定度也小，一般可控制在0.1～0.3%之內(nèi)
流出系數(shù)穩(wěn)定性
最好
差
較差
好
壓力損失
小
大
較大
小
最短直管段
長度要求
最短
長
長
短
適用雷諾數(shù)范圍
4×103≤ReD
≤1×107
5×103≤ReD
≤1 ×107
2×104≤ReD
≤1×107
2×105≤ReD
≤2×106
ReD<1×104時(shí)，內(nèi)文丘里管量程比要相對縮小
適用管道
通徑DN
25mm≤DN
≤1500mm
50mm≤DN
≤1000mm
50mm≤DN
≤500mm
50mm≤DN
≤1200mm
內(nèi)文丘里管DN也可大于1500mm
適測介質(zhì)
各類液體、氣體和蒸汽，包括高溫、高壓流體，低壓、高含濕氣體及臟污流體
液體、氣體和蒸汽，不宜測低壓高含濕氣體及臟污流體
同標(biāo)準(zhǔn)孔板
同內(nèi)文丘里管，但壓力、溫度及耐腐蝕適用范圍要小
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調(diào)整（或稱整流、混流）作用。圓錐收縮段流動調(diào)整作用的機(jī)理是：流體在文丘里管腔內(nèi)向前流動的過程中，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具有速度較低的流體同接近管軸流動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)椋黧w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調(diào)整功能，才使得內(nèi)文丘里管的流出系數(shù)對流動雷諾數(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]。可以說，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ε計(jì)算公式。一個是用于標(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)崦接偷龋瑢?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