流量仪表的特点、选用与发展（上）

一、 概述
        1、作用与地位   流量仪表是衡量物质量变的工具。广泛用于工业领域，在流程工业中不仅可以改进产品质量，提高经济效益、管理水平，同时还为评估节能降耗、环保排污提供了重要依据。在自动化系统的仪表中，它的数量虽只占约1/5;但价格可达1/3.。
        2、市场评估  据“Flow Research”网2010年底有关全球流量仪表市场研究报告表明：尽管近二年全球受金融危机的影响，经济形势不容乐观，但为了应对资源的日益匮乏，节能减排的紧迫，流量仪表的市场仍逆市小幅上扬，预计自2009~2014年期间，流量仪表年均增长率可达3.7%~4.2%，至2014年销售额估计可达到35亿~50亿美元*1。我国为调整产业结构，GDP增长略有下调定为7%，“十二五”期间，我国流量仪表市场的年增长率应会略高于国际市场，为6%左右，2010年销售额估计为45亿人民币*2。
        “Flow Research”评估认为，近十余年，由于技术的进步，对流量仪表的准确度、可靠性提出了更高的要求，新型流量仪表的市场及研发均有较快的发展，年增长率可达7%，依次为超声、科氏、电磁、热式；传统流量仪表如:节流装置、容积式、转子----等市场为负增长，约为-2%。但节流装置由于可耐恶劣工况，成本低，数十年来装机容量很大，我国近七、八年以来对新型流量仪表的研发异常活跃，正逐步取代传统流量仪表，仍有较大的市场潜力。
        3、会议热点*3、4  2010年10月在台北召开了第15届流量测量国际会议（FLOMEKO  2010）,发表论文108篇，其中：差压式34篇（31.5%）、标准装置28篇（26%）、超声15篇（13.8%）、热式8篇（7.4%）、电磁、科式各7篇（6.5%）、涡街、涡轮各6篇（5.5%）。
我国2010年在上海由中国计量测试学会主持召开了“全国流量学术交流会”，发表论文67篇，其中：标准装置19篇（26.8%）、节流13篇（19.4%）、超声7篇（10.4%）、非标准校验6篇（9%）、电磁3篇（4.4%），
        其他如：涡街、科氏、热式----等均仅有1~2篇。
        从以上学术会议发表的论文比重，可以看到国内外流量行业所关注的热点，要说明的是这两个会议都是由计量部门主持召开的，理所当然会给校验装置特别的关注。
二、流量仪表的原理、特点与发展*5、6
        由于影响流量仪表的因素很多，其原理、类型多达200余种，本文仅重点介绍以下几种：
        1、 电磁流量仪表
        ○1、原理  基于法拉第电磁感应定律，即导电液体在电磁场中将感应电动势，其大小与管道中液体的流速成正比，测得感应电动势大小，即可知液体流量。
        ○2、特点                             
        (1)测量准确度不受液体密度、粘度、温度、压力的影响；
        (2)表内无阻力件，可靠性高，几乎无永久压损；
        (3)流速范围(0.3～1.5m/s），口径3～3000mm；
        (4)可测液、固二相流；
        ⑸准确度一般为±0.5%；
        ⑹仪表内衬根据用户需要可选择橡胶、氟塑料、工业陶瓷等，可测腐蚀性、高温等各种液体；
        ⑺无法测气体及油品及有机溶剂等不导电液体，为其较大的弱点。
        ○3、应用领域  由于其准确度高，可靠性良好，广泛应用于钢铁、冶金、石化、煤化、造纸、食品、市政工程、能源及水资源管理、污水排放……等领域，销售台数虽不及节流、差压式流量仪表，但销售额远远高于其他流量仪表。
        ○4、发展方向
        ⑴优化权重函数，提高磁场效应。通过改善线圈形状、磁轭及磁靴的设计，流速分布不理想时，如采取必要的措施，仍能得到较好测量精确度。
        ⑵采用新型磁性材料，提高仪表测量灵敏度，降低电功耗，节约电能。
        ⑶采用新型材料衬里，如：新型氟塑料ETFE、橡胶EPDM，高纯氧化铝陶瓷，以应用于各种腐蚀、高温、冲刷、脏污流体的恶劣工况。
        ⑷扩大应用领域，如果电容检测可检测电导率低至5x10 -8 s/m的液体，（一般为10 -5 s/m）。
        •二线制：二线制可以减小电缆，统一电源、节约成本、便于维护。
        •非满管：加一个液位检测器，可以有效解决污水排放的非满管流量测量。
        •插入型：解决大口径管道流量测量，成本低，安装维修简便，但准确度将降低。

        2、超声波流量仪表
        超声波流量仪表是近十年来发展最快的一种流量仪表，市场销售额年增长率达到10%以上，在全球能源匮乏的今天，它既可准确测天然气，又可测石油等贵重油品的流量，因而倍受青睐。在我国市场上，国外产品占据了主导地位。
        ○1、原理：早于1931年，美国Ruttgen就提出利用声学原理测流量，到1957年才真正进入实用阶段。原理有时差法、相位法、频差法、多普勒法等六、七种，应用较多的为以下二种：
        （1）时差法  声波在流体中传播，顺流向时传播速度会增加，逆流向则会减少。利用传播速度之差可求得流速 （管径D确定,则知流量），主要用于单相、较洁净流体。
        （2）多普勒法  多用于流体含有少量杂质的流体，将杂质的移动速度视为流体的速度 ，检测器发射的频率 ，作用在运动的杂质上将发生偏移，称多普勒频率 (正比流速V ), 测出 即可知 ，乘以截面即为流量 。

图1、超声波仪表原理图

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图2、D系列科氏流量计原理图
1、支撑管  2、测量管  3、6位置检测器
4、电磁驱动器   5、外壳

        ○2、特点：
        ⑴无任何阻力件、压损小、可靠性高；
        ⑵可以测气、液多种流体；
        ⑶准确度可高达±0.5%，重复性为0.1%；
        ⑷量程比可达100:1；
        ⑸可采用多声道以保证测量准确度(图1)，目前有：单声道（15D），双声道（10D），四声道（6D）。括号内的数值为保证准确度所必要的直管段长度；
        ⑹管径大小对价格影响不大，所以特别适用于大口径，最大可至3米（液）；2米（气）；
        ⑺可测双向流；
        ⑻外夹式可不断流进行拆装，便于现场校验；
        ⑼已有标准，可进行干标；
        ⑽流体温度上限应小于200℃；压力上限为10Mpa；
        ⑾工业现场的噪声、流体组分的变化，对测量准确度均有较大影响；
        ⑿测液体较成熟，测气体难度较大，价格较贵。
        ○3、应用领域：
        ⑴ 因准确度高,广泛应用于能源(石油、天然气)，贵重气体（O2，H2，N2……）,为化工产品贸易核算计量的首选仪表；
        ⑵ 以进行非接触计量,常广泛用于高腐蚀、有毒的流体流量计量；
        ⑶ 泛用于食品、医药及要求十分洁净的流体流量计量；
        ⑷多普勒法可以用于含有少量杂质的二相流，但杂质（气泡、固体悬浮物……）不得大于20%。
        ○4、发展方向
        ⑴插入式：可以应用于特大的管道，在不断流的情况下进行拆装，便于维护，但准确度受管道内流速分布影响较大，在试验室标定后，直接用于现场会有较大误差。此外，仪表易受流体中微粒或高粘度介质的污染,降低其灵敏度。
        ⑵外夹式：采用夹具固定在管道外壁，可用于安装在任何材质、口径的管道上。有人设想将之作为标准表进行现场校验，但因受安装位置、管壁材质、厚度诸多因素的影响，准确度目前还较低(低于±2%)，所以作为标准表尚有待时日。
        (3)可靠性：增加仪表在恶劣工况下(煤气中的焦油,粉尘的粘污)的可靠性；抗噪声能力，适用于更高
        温度的介质，提高换能器的耐温能力，加强自报警，自诊断等智能功能。
        ⑷降低成本：以便于大量推广应用。
        3、科氏流量仪表 
        为近十年来发展速度仅次于超声的一种流量仪表，年增长率约为6%。美国艾默生集团(Emerson)旗下的高准(Micro Motion)公司于上世纪七十年代首先推出产品，市场在世界处于领先地位，声称至今在全球已销售了60万台科氏流量计，应用于各领域。并已在我国上海浦东建立了研发基地。
        ○1、原理  如流体质量m在直线运动时又处于旋转体系中，将产生与流速V及质量m成正比的科氏力，测得力的大小即可知流量大小。然而在旋转运动中测科氏力十分困难，目前的产品都是在一个U形管中部激振管道（图2），其中的流体产生的科氏力使U形管二侧产生方向相反的扭曲，扭曲的幅度与流量成正比。用光学或电磁方法测出扭曲的幅度即可知质量流量 的大小。
        ○2、特点 
        ⑴ 以直接准确测质量流量，准确度可高达±0.2%，密度准确度可达±0.0002g/CC；
        ⑵ 仪表内无任何阻力件，可测二相流体，但不宜用于测液、气二相流；
        ⑶对流速分布不敏感，无需前直管长度安装要求，仍具有很高准确度；
        ⑷温度范围-240℃~200℃，压力（4~40MPa），不适用于高温、低压流体；
        ⑸量程比可达100:1；
        ⑹易产生另点漂移；
        ⑺压损受粘度影响较大，属于压损较大的流量仪表；
        ⑻因其工作原理，口径一般仅200毫米，高度已达2米；但德国E+H的巧妙设计当口径为250毫米，高度仅为0.7米； 
        ⑼价格较贵，均为相同口径电磁流量计的5~8倍；
        ⑽由于基于振动原理工作，外界的振动对其影响较大。
        ○3、应用领域
        因管道中无任何阻力件，又不受流体导电率的限制，且无安装直管段长度要求，所以应用领域较广泛，可以测多种流体，如牛顿流体、各种浆液、悬浮液、液化气。在当前现场直管段不足，又要求较高准确度的情况下，科氏流量仪表显示了独特的优越性。已广泛用于石油、石油化工、精密化工、食品、造纸、制药、橡胶等工业。
        ○4、发展方向
        ⑴提高智能功能：美国高准公司（Micro Motion）宣布采用MVD（多变量数字）技术推出了3711型气体流量计算机，系统涵盖了APIMPS、AGA8的有关标准的气体数据；
        ⑵温度压力补偿：当温度、压力改变较大时，科氏流量仪表的刚度会受到影响，应进行补偿，以确保较高的准确度；
        ⑶减弱振动影响：外界的振动（如泵、管路系统、机械振动、水力噪声等）都会影响科氏流量仪表的工作，在设计时应采取抑制措施，如MFS-1000设计安装时采取了隔振措施。
        ⑷减小零点漂移：要尽力减小两根测量管的不对称性，出厂时应进行动平衡测试，然后进行补偿，安装时需减小附加在测量管上的应力，加强维护，清除测量管内的沉淀物。

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    4、热式流量仪表
        ○1、原理：利用流体流动时与热源进行热交换测流量。根据交换方式可分为分布型与浸入型二种型式：
        ⑴分布型：绕在管道外的两组电热丝，有加热及检测二个作用，并组成惠斯登电桥。由恒流电源供给恒定热量。当流量为零时，管道内流体温度平衡，电桥无输出；当流体流动时，流体将上游部分热量带给下游，电热丝上的温度失去平衡，上下游电热丝电阻有差异，电桥产生输出电压，其大小正比于流量，流量越大，输出电压也越大，测电压可知流量。
        (2)浸入型：二个热电阻置于管道中，用功率恒定的电加热器，使热电阻温度高于流体的温度。其中一个裸露在气流中，流速的大小与热电阻的散热成正比，同时改变其电阻值。其中第二个被细管罩着的电阻不受流速影响，热阻值不变。因此，二个热电阻的温度差（即电阻差），将反应流速（即流量）大小，同上理可通过电桥输出电压测流量。
        ○2、特点：
        ⑴可测极低流速，气体可低至0.05m/s；
        ⑵无可动部件，也不存在阻塞问题，工作可靠；
        ⑶由于传热与流体的质量密切相关，所以无需温度、压力补偿，直接测得质量流量；
        ⑷浸入式主要用在大口径，口径范围（40~4000mm），流体限于干燥常温气体（＜200℃）
        ⑹ 布式主要用于小口径（2~25mm）；小流量(0.15L/M)；
        ⑹对流体的洁净度仍有一定要求，流体如有粘附物，会污染浸入式热敏元件；分布式如有沉淀物，将积于内壁，也会影响测量准确度；
        ⑺要保证必要的准确度必需要较长的前直管段长度，特别是浸入式，前需20～30D，后需5D；
        ⑻响应时间需1～2秒，用于工控系统会恶化调节品质；
        ⑼准确度较低，热分布型±1～2%，浸入式±3%。
        ○3、应用领域：
        ⑴热分布式用于精细制造工艺中微小气体流量测量，如：半导体工业加工工艺、分析仪器、气体色谱仪和环境保护分析仪器中气体的采样流量测量；流程工业、光纤制造、医药保健中的微小气体流量测量；
        ⑵浸入式（或称插入式），多用于较大口径，可测量干燥、常温气体极低流速的流量测量；
        ⑶微小液体流量测量，多用于精细化工、石油化工、医药、食品工业中的试验性设备，如药液系统中的定流量配比控制，液化气注入的流量控制……
        ○4.发展方向
        ⑴薄膜型：薄膜型微流量仪表，是在显微机械加工的电子器件，及微机电系统（micro electro mechanical system,简称MEMS），以取代热丝在流量测量上的应用。
        ⑵多点插入式：由于大管径内的流速分布极为复杂，测单点的热式流量仪表已无法满足准确度要求，必需采用多点（直线上多点，或截面上多点），这类管道中的流速普遍较低（10～15M/S），从节能减排的需求，市场应有较大的潜力。

        5、涡街流量仪表
        ○1原理  当流体通过钝体（或称漩涡发生体、阻流件）时，将在其后两侧产生交替的漩涡，这种现象称为卡曼涡街，涡街的频率与流经钝体的流速成正比,测得频率，可知流量的大小。

         
        式中Sr是斯特劳哈系数，与Re有关； 为钝体的迎流向宽度；D为管道内径。

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    ○2特点
        （1）可适用于多种流体，气、液、蒸汽及部分混相流体（容积比率小于2%）。
        （2）输出频率信号，与流体的容积流量成正比，不受流体组分、温度、压力、密度的影响。
        （3）无可动部件，可靠性好,
        （4）结构简单、牢固与二次表形成一体，安装、维修简便。
        （5）量程比可达10:1以上，准确度可达±1~2%，重复性0.2%，压损小。
        （6）Re数小于20000时，涡街不稳定，不适用于高粘度、低流速、小口径的工况。
        （7）涡街的产生受流速分布及漩涡的影响，因此上游必需有20D以上的直管段长度。
        （8）不适用于管道机械振动的工况及脉动流。
        （9）仪表系数分辨率低，口径越大分辨率越低，一般最大为300毫米。
        ○3应用领域
        涡街流量计推向市场约在上世纪70年代，它是一种结构紧凑的仪表，可适用于液、气、蒸汽多种流体，据统计，用于液体可选用仪表较多，液、气、蒸汽选用比例大致为3：3、：4。后者多为低于4000C的饱和蒸汽。以下情况建议慎用：流速低、粘度高的流体，因其Re数较低，涡街信号不稳定；其次，插入式涡街的探头容易产生振动，信号也不稳定，选用应慎重。在我国流量仪表市场中，年产量约4万多台。
        ○4发展方向  
        （1） 信号处理技术数字化  采用跟踪滤波、自适应滤波和数字频谱分析，提高涡街流量计的准确度、
抗干扰能力、扩大测量范围。
        （2） 结构一体化、功能智能化、检测多参数---等均是今后的发展方向。
        （3） 优化安装  安装前直管段长度一般需20D以上，如仪表结构采用收缩管，不仅可加大流速，还可改善流场，均利于涡街信号的稳定。
        （4） 干标 干标不仅节约设备、经费，而且缩短生产周期。经国内外二十多年的努力，已取得显著成绩，
开始实施。据美国“Fisher & Porter” 公司评估，‘干标’的误差约为实流标定的一倍。
        6、插入式流量仪表*7
        规模生产效益，近二、三十年以来工程日益扩大，现场管径日益增大，如热电厂的工艺管道已大至5~6米，满管流量计因过于笨重，已难以适应技术的发展，早期应用以取样原理为基础的插入式流量计又受到青睐，近三十年来又被广泛用于流量测量。
        ○1原理  按流量的定义：   ， 只要能准确测量管道中的流速V，管道截面A,就可知流量qv。因此，凡是可以测流速的仪表均可成为插入式流量计。如：皮托管、双文丘利管、测管、涡轮、涡街、热式、电磁均可做为测量头，成为插入式流量计。其中以皮托管为基础的测直线上多点流速的均速管（亦称阿纽巴或巴类，），在近三十年来在大口径测量上曾风光一时，占有较大市场。
        插入式流量计可以用极简单的方法，最低的成本，“解决”大管道流量测量的问题。看似好事，但弊已伏其中了。因为管道极大，十之八九不可能具有较长直管段，管内流速分布必然极其复杂（图4）、不仅没有规律，且有漩涡，怎么可能仅测一点或几点流速来涵盖整个截面的流速，准确地测量流量呢？因此公式中的平均流速 ，是很难用插入式流量计得到的，不少厂商只谈流速准确度而回避流速分布，有意或无意误导了用户。

图4   双弯头后的流速分布

图5  均速管测量原理图

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    ○2插入式流量仪表
        1、测点速 
         通过测一点流速推算流量*8 
         凡是可测流速的仪表，如皮托管；双文丘里管；测管；插入式涡街、涡轮；热式------均可成为这类仪表。 
        特点：结构简单，安装维修方便，压损小，价格便宜，但准确度不可能高。 
        厂商宣传在风洞中标定仅是流速，由于管道内流速分布十分复杂，无助于提高流量准确度*9。
        2、测直线上多点流速 *10  
        主要为均速管（图5）、热式。 
        均速管问世已四十年，在横截面性状上不断推陈出新，不少于十余种，厂商都大肆炒作其优越性。其实均速管的应用必需与管道相结合，否则它就不是流量计。影响测量准确度的因素主要应该是管道*11，它的前直管段长度是否足够长（流速分布），及管道内径是否精确。而厂商往往回避这个问题。均速管的截面形状最初为圆形，因“阻力危机”问题，出现了菱形、弹头形----十多种形状，其实就测量准确度而言，截面形状的影响相对于现场应用条件是很小的，厂家的宣传往往过分夸大其词。 
        当管径大至1~2米；流速大于 10m/s,雷诺数Re一般将大于106,已越过“阻力危机” ，则流速计截面仍可用圆管，如当前火电厂一次风管口径已达4~5米，完全没有必要选用均速管，在国外已有成功的案例*12 。.

        ○3影响准确度的因素（以差压式为例）
        
        式中    为速度分布系数；   阻塞系数； 干扰系数； 管道截面积
        输出差压； 流体密度； 流速计系数

        (1) 速度分布系数   是在充分发展紊流条件下，由管壁粗糙度与Re所引起的误差的修正系数，基本可以定量分析，带来的误差大约在1~3%之间；
        (2) 阻塞系数   是由于插入式仪表的测量杆（或均速管）及测量头，其迎风截面将改变管内的流速分布而引起的测量误差。研究表明：如果阻塞比S（仪表在管内的迎风截面/管道截面）小于0.02可忽略不计;  0.02<S<0.06可以修正，S>0.06时，尚缺乏修正数据。
        (3)干扰系数   是由于阻力件的影响，流速分布为非充分发展紊流，直管段长度又不足，流速分布没有规律。由于阻力件及其组合成千上万，难以模拟重现，目前还无法定量进行修正，这是插入式流量仪表最不确定的因素，也是主要的误差源。
        ○4主要技术参数
        (1)准确度  在很理想情况下，可达±2~3%；而在直管段较短（如火电厂）流量误差可达±30%以上，甚至完全无法测量。
        (2)重复性  可以达到1%。
        (3)工况上限  压力40mpa，温度500℃~600℃。
        (4)压损很小，仅几十Pa。
        (5)口径可低至25毫米，高至9米。
        (6)结构简单，价格低廉，性价比高。
        (7)安装维护简便，可不断流进行。
        ○5应用概况
        近40年以来，插入式流量仪表以其结构简单、价廉、安装维护简便、压损小等特点深为用户欢迎，得到了很大的发展，在钢铁、冶金、电力、石化、市政工程-----等行业被广泛采用。但由于准确度低，厂商过分炒作，准确度难以达到士1%，使用中问题不少，特别强调的是不宜作为核算计量仪表；但如果现场条件不是过于苛刻，流场不存在漩涡，其重复性可能较好，仍可用于工控、监测系统。
        7、新型节流流量仪表
        1.背景：节流流量仪表由于可耐恶劣工况，成本较低，使用已有一百余年，积累了大量数据，有较成熟的国际、国家标准，且可干标，长期占流量仪表市场的首位。但它最大的缺点是要求较长的直管段，才能获得较高的准确度，特别是2003年ISOTC30公布了新标准ISO5167后，要求更长的直管段，才能获得较高的准确，使其矛盾更为突出，迫切需要研发一种新型节流流量仪表。这种仪表无需较长直管段，仍可保持较高的准确度。
        2.近十年的发展历程
        ○1环形通道流量仪表*13、*14 1986年美国McCrometer公司推出了内锥式流量仪表，主要是为了解决测高炉、焦炉煤气这一类粘污流体，应用中发现其环形通道具有整流作用，在直管段不足条件下仍具有较高准确度的特点。而在我国前几年由于过热地宣传，到处滥用，造成了多起重大事故，市场急剧下降，断送了它的发展前景。但内锥流量仪表的整流优点仍应肯定，不宜封杀。只要改进一些结构，仍不失为一种性能良好的流量仪表，如：后来研发的槽道式、梭式流量仪表、内文丘里管----等。
        ○2调整孔板*15  为解决流量测量要取得较高准确度而减小必需的直管段长度， IS0TC30一直建议采用流动调整器。但流动调整器本身就需要2D长度，安装前后又需3～4D，现场应用仍有困难。2002年美国Rosemount公司首先推出了将流动调整器与节流件合二而一的四孔孔板的调整孔板，在前直管段长度为5D时，准确度可达±0.5%；为2D时，准确度可达±1%。首创了这类流量仪表的理念。
        ○3.平衡式流量仪表*16 继调整孔板之后，2004年美国A+Flowtek公司推出了“平衡式流量仪表”，2007年进入中国。据称前后直管段长度仅需0.5D，准确度可达±0.5%。这种宣传似有些误导用户，因为它的仪表较长，其节流件（图6B）前即有不低于5D长度的管道，是要占直管段长度的，仅说二个法兰之间的距离显然是不合理的，而且缺乏应有的测试数予以验证。
        ○4.整流式流量仪表：我国天津某公司根据上述的理念，于2008年进行了近一年的研发、测试，其结构不同于美国A+Flowtek公司的平衡式（图6A、6C）。测试数据表明：在前直管段为2D时，准确度可达±1%，如为5D，准确度可达±0.3%，β值建议取0.5～0.65之间。
在前直管段长度约30D的条件下，对图3所示的三种结构进行了流出系数的重复性、不确定度、线性度的测试比较。
表1三种结构多孔整流式节流装置试验数据对比（直管段长度30D）

        从表1的测试数据表明：6A的技术性能优于6B，6C与6B相差无几。

图6  平衡式、整流式节流流量仪表

        ○5型式多样，性能难分伯仲。以上的这些节流式流量仪表（调整孔板、平衡式、整流式…..）均具有结构简单、可靠，加工简单易行，使用中都有对前直管段要求不高、又保持较高准确度的优点。目前还很难说哪一种产品具有显著的优势而独傲群雄，更不能说是某家独创。
        2推广应用的关键*17   近七、八年以来，新型节流流量仪表发展很快，加上厂商的炒作，大有取代标准节流仪表之势。但它终究还是个新生事物，在研发、生产及应用中缺乏经验，无序的生产与滥用势必会埋下事故隐患，（2005年大连内锥事故应为前车之鉴）。这种炒作以谋取暴利的做法已引起业内专家的忧虑，在肯定创新的前提下应尽快制定标准，为此建议如下：
        ○1节流件标准化   优化当前推出的各种“多孔孔板”节流件，只有这样才能简化测试项目。
        ○2积累测试数据   标准节流流量仪表的标准制定，花费了几十年时间，积累了成千上万在试验室测试的数据才可能制定标准。切不可随心所欲、闭门造车地制定标准，必需建立在试验的基础上。C. Hodges提出了一些建议以缩短这个过程*18。
        ○3阻力件影响试验  测试首先要在标准试验室中进行，然后还需在不同的阻力件，不同的安装长度下，
用数据来说明保证较高准确度所必要的直管段长度。

（特约编辑：毛新业）

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