[导读] 本文介绍了一种集经典文丘里管、环形孔板和耐磨孔板计量性能优点于一体的新型差压装置—内文丘里管，对这种差压装置的结构、测量原理、技术性能、适用范围、可膨胀性系数的确定方法以及内文丘里管优异计量性能形成的机理作了简要的论述，同时还展望了该种差压装置有望取代孔板等传统差压装置的广泛应用与良好发展前景。
1 引言
差压式流量计，作为传统的计量手段已有近百年的发展历史，今天它仍然是应用最多的工业在线流量测量仪表。
差压式流量计所使用的节流件，主要是标准孔板、喷嘴和文丘里管[1]。鉴于这些节流件的技术性能存在着种种缺陷，为适应现实工业计量的需要，人们先后发明了几种以孔板、喷嘴为基础的改型节流件，如环形孔板、锥形入口孔板、四分之一圆孔板（喷嘴）、耐磨孔板[2]、楔形流量计以及V-Cone锥形流量计等。这些改型节流件在某一特定测量条件下可以弥补标准节流件在技术性能方面的某些不足，但使用局限性都很大，测量精度也偏低，美国V-Cone流量计是一种性能相对较好的改型节流件，但因“锐缘磨蚀”而导致的流出系数不稳定问题仍未彻底解决。
由大连索尼卡电子有限公司研发的专利技术产品—内文丘里管，是对传统文丘里管作了改型的异型文丘里管，它集环形孔板、耐磨孔板和文丘里管的优点于一体，其技术性能优于孔板、喷嘴和经典文丘里管，也优于现有其它各种改型节流件。内文丘里管流量计，是具有独特性能的新一代差压式流量测量仪表，在工业计量试用中已取得良好的使用效果。
2 结构与测量原理
2.1 内文丘里管由圆形测量管1和置于测量管内的特型芯体2所构成（参见图1和图2）。特型芯体是一个与测量管同轴的旋转体，其母线是一假想管壁为无限薄的经典截尾文丘里管的管壁轴向截面，即旋转体的径向外表面由前段圆锥面6、中段圆柱面7、尾段圆锥面8三部分构成。特型芯体靠其支承轴9、10和与测量管同轴的支承环3、4定位，用制动件压紧固定（小管径产品，无前支承轴，只用后轴由后支承环定位固定）。支承环是由具有同轴的内环、外环和将内外环连成一体的3-4个支承肋构成。在测量管管壁的特定位置上设有取压接头5（或远传法兰取压接口），测量管两端是用于和现场工艺管道相连接的标准法兰。
2.2 就基本测量原理而言，内文丘里管与经典文丘里管等传统差压式流量仪表的测量原理完全相同，都是以能量守恒定律——伯努力方程和流动连续性方程为基础的流量测量方法，其基本的直接测量量仍是节流件前后的差压。如上特型芯体外表面与测量管内表面之间形成一异径环形腔体（环形间隙），环形腔体沿轴向的过流面变化规律和经典文丘里管相似，这就使得流体流经内文丘里管时的流束变化及其节流过程同流体流经经典文丘里管时的流束变化及其节流过程基本相同。
3 计量性能
3.1 内文丘里管的计量性能以及标准孔板、喷嘴、经典文丘里管的比较，见表1节流件性能一览表。
3.2 内文丘里管的技术特点
同孔板等标准节流件及各种改型节流件相比，内文丘里管的技术特点集中体现在以下几方面：
表1 节流件性能一览表
节流件性能
内文丘里管
标准孔板
标准喷嘴
标准经典文丘里管
备 注
流出系数
不确定度
±0.5%
±0.6%～±0.75%
±0.8%～±1.2%
±0.7%～±1.5%
内文丘里管需实流标定
量程比
10：1以上
4：1
4：1
5：1～10：1
当ReD>1×105、β<0.5时，孔板、喷嘴的量程比可大于4：1
可膨胀系数
不确定度
±(4+100β8)
×△P/P1%
±(4△P/P1)%
±(2△P/P1)%
±(4+100β8)
×△P/P1%
内文丘里管的差压△P小，可膨胀性系数不确定度也小，一般可控制在0.1～0.3%之内
流出系数稳定性
最好
差
较差
好
压力损失
小
大
较大
小
最短直管段
长度要求
最短
长
长
短
适用雷诺数范围
4×103≤ReD
≤1×107
5×103≤ReD
≤1 ×107
2×104≤ReD
≤1×107
2×105≤ReD
≤2×106
ReD<1×104时，内文丘里管量程比要相对缩小
适用管道
通径DN
25mm≤DN
≤1500mm
50mm≤DN
≤1000mm
50mm≤DN
≤500mm
50mm≤DN
≤1200mm
内文丘里管DN也可大于1500mm
适测介质
各类液体、气体和蒸汽，包括高温、高压流体，低压、高含湿气体及脏污流体
液体、气体和蒸汽，不宜测低压高含湿气体及脏污流体
同标准孔板
同内文丘里管，但压力、温度及耐腐蚀适用范围要小
① 测量稳定性好。在测量过程中，流出系数能长期保持恒定，这是所有其它节流件所不具备的独特优点。
② 对被测介质适应能力强。可以测量各种液体、气体和蒸汽，包括洁净流体和含有固体颗粒的流体、低压大流量气体、高含湿气体以及其它各种脏污流体。
③ 测量范围度（量程比)宽。量程比大于10：1，甚至量程比为15：1、25：1时，在工业测量常用的雷诺数范围内，流出系数线性度仍可低于0.4%（无需二次表软件修正），请参见图3NV2118内文丘里管流量计部分产品实测流出系数分布图。
④ 适用雷诺数范围宽。适用雷诺数下限低于标准节流件，特别是大大低于标准经典文丘里管。
⑤ 对安装直管段要求短。直管段长度要求比经典文丘里管的要求还要短，对于同样形式的上游阻流件，最短直管段长度要求只需孔板的1/8左右，因而能有效避免或减小测量系统的附加测量不确定度。
⑥ 压力损失小，约为孔板的1/3～1/5。
4 性能机理分析
4.1 节流件喉部锐缘磨蚀和节流件积污以及量程比太窄，是造成孔板等节流装置在使用过程中流出系数不能保持恒定的基本原因。内文丘里管节流部位无锐缘，也不存在积污条件，量程比又很宽，因而在使用过程中流出系数能长期保持恒定。
4.2 内文丘里管内置芯体与测量管的组合，在入口前锥面与测量管内圆之间形成一圆锥收缩段，该圆锥收缩段具有与经典文丘里管类似但更强于经典文丘里管入口圆锥收缩段所具有的流动调整（或称整流、混流）作用。圆锥收缩段流动调整作用的机理是：流体在文丘里管腔内向前流动的过程中，随着过流截面的逐渐缩小，不但流速逐渐增大、压力逐渐降低，而且使靠近管壁流动具有速度较低的流体同接近管轴流动具有速度较高的流体形成“混流”，这样就使原有的较大速度分布梯度愈来愈小，并使得流体在流入腔内之前因流过上游管道阻流件后而发生的偏流、旋转流等非对称的速度分布在此得以“矫正”，从而在节流件喉部得到差压式仪表所需要的均匀速度分布。上述的流动调整作用，内文丘里管与经典文丘里管相似，但其调整力度（均流效果），内文丘里管来得更大，效果更好。这是因为，流体流经经典文丘里管，收缩时形成流体自管壁向管轴推压，而流体流经内文丘里管，在收缩段形成自管轴向四周管壁推压，强迫分流。因此，无论是对速度分布梯度的拉平作用还是对非轴对称流的“矫正”作用，内文丘里管都要强于经典文丘里管。正是这种有效的流动调整功能，才使得内文丘里管的流出系数对流动雷诺数Re和节流直径比β的变化远不像孔板、喷嘴等传统节流件那么敏感，因而内文丘里管的流出系数能在很宽的雷诺数范围（量程比）内保持良好的线性度。
上述圆锥收缩段的流动调整作用，也是内文丘里管安装直管段长度要求可以大大低于孔板的一个重要原因。
4.3 内文丘里管内置芯体外表面与测量管内表面之间形成一环形过流缝隙，节流部位的这一几何特征，恰与环形孔板相似。英国NEL的研究实验表明，环形孔板在测量过程中，不但流体中的固体颗粒和气体中的液滴不会在节流部位造成积聚，而且环形孔板与管道之间形成的环形过流间隙对来自上游的流动干扰具有极强的抗干扰能力。NEL提供的试验数据表明，在严重的旋转流作用下，标准孔板流出系数变化达25%时，环形孔板流出系数的变化尚小于1%[4]。可以说，内文丘里管之所以对上游安装直管段要求低，主要是因为环形过流缝隙具有很好的流动调整功能。
4.4 内文丘里管节流件喉部无锐缘存在，芯体的圆柱面与其前锥面、后锥面之间的夹角均为大于120º的钝角。如此结构形式，恰与前苏联学者提出的对标准孔板入口直角锐缘进行倒角的耐磨孔板“锐缘钝化处理”技术相似。耐磨孔板流出系数稳定的技术特点已为流量测量业内人士所公认。实际上在流出系数稳定这一点上，内文丘里管比耐磨孔板更好，这是因为耐磨孔板只解决了“锐缘磨蚀”问题，而造成流出系数改变的另一重要原因，即孔板“积污”问题仍然存在。只有内文丘里管的结构形式才同时解决了孔板的“锐缘磨蚀”和节流件“积污”问题。
4.5 内文丘里管的结构形式，使其流体节流过程与经典文丘里管相似，流体在流过节流部位时，没有骤然的收缩与扩散，虽然可以形成测量所必须的压降（差压）但并不存在孔板节流所产生的那种容易造成能量损失的涡流，因而永久性压力损失小。
4.6 内文丘里管抗介质污染力强，取压口不易堵塞，是靠产品在结构上采取了有两项防堵措施：一是在取压口设置阻流件，使取压口处局部形成相对高压区，减少流体中粥样团粒和固体颗粒物质在取压口处的积聚；二是对特别容易造成取压口堵塞的介质，采取远传法兰取压的结构形式。
4.7 内文丘里管的制造要比经典文丘里管容易，测量管和芯体几何尺寸及芯体与测量管之间的位置公差，都能严格控制，即使是较大管径也无多大困难。结构上工艺性好，易于精密制造，是内文丘里管实现高测量精度的重要保障，也是可以采用不同材质制造、能适应各种测量条件的主要原因。
5 可膨胀系数的确定方法
内文丘里管作为差压式流量计，同标准孔板、喷嘴、文丘里管一样，在用其测量可压缩性流体时，在流量计算公式中，必须引入一个小于1的可膨胀系数ε。GB/T2624标准规定可膨胀性系数ε采用计算值，并给出了两个ε计算公式。一个是用于标准喷嘴、文丘里喷嘴和经典文丘里管的理论计算公式；一个是用于孔板的经验计算公式。
由可膨胀性系数的物理含义可知，节流件的类型（结构形式）决定其对上述两个计算公式的适用性。根据《流量测量工程手册》[3]，凡节流件廓形呈曲面、流通截面是逐渐缩小（不是突然收缩）的，流体流过这种节流件时的实际最小流束截面与节流件廓形形成的最小流通截面近乎相同，这类节流件的ε值的计算方法都适用于理论计算公式。显然内文丘里管属于逐渐收缩型节流件，因而ε值的计算方法也适用理论计算公式。内文丘里管ε值适用理论计算公式的正确推论，已由中国计量科学研究院、国家原油大流量计量站成都天然气流量分站对同一台NV内文丘里管分别用水实测流出系数C值和用天然气实测流出系数与可膨胀性系数的乘积εC值的实验结果所验证：DN50mm，β=0.55， △P/P1=0.04时，流出系数C=0.8177，εC=0.7967，实验换算ε=0.9743，理论计算ε=0.9746，ε的理论计算值与实验换算值相符。
6 应用与发展前景
内文丘里管的优异技术性能，对解决目前公认的所谓“大流量、低压力、高含湿气体的计量”难题和煤气、非洁净天然气等脏污流体的计量难题，将会发挥重要作用；对于那些目前不得不仍在使用着孔板等传统差压式仪表但又非常需要提高测量精度、改善计量效果的计量场合，内文丘里管将成其理想的换代产品；
内文丘里管配之以精密型差压变送器和智能型二次仪表，能实现长期稳定、准确地在线计量，可以部分地取代振动式质量流量计、气体超声流量计等高价位流量仪表。此外，内文丘里管对于现场不具备长的直管段安装条件，特殊的高温、高压、强腐蚀性和脏污介质以及非单相流的测量等计量场合也都具有独特的计量优势。
内文丘里管产品自开发以来，已成功地试用于计量高含湿天然气，低压脏污沼气，焦炉煤气，瓦斯气，水蒸气、热水，高温热媒油等，实际应用范围正在迅速扩大。
目前内文丘里管的准确流出系数还必须实流标定，这给使用带来一定的不便。内文丘里管完全可以采用干标方法，这在技术上并不存在问题，只是需要建立相应的行业或国家技术标准。相信随着内文丘里管流量计的广泛应用，在不久的将来，采用干标的方法，一定会成为现实。
7 结束语
内文丘里管流量计克服了孔板等传统差压式仪表的计量弊端但仍不失其结构简单、工作可靠之特点 ，内文丘里管作为新一代差压式流量测量仪表给传统差压式流量测量技术带来了全新的发展活力，具有其广泛的实用性，它的良好发展前景是显而易见的