新型差压流量仪表的理念、应用与建议

        面对工业现代化的飞速发展，提出了不少新的难题，经典节流装置已无能为力。鉴于此，本文介绍了一些新型节流流量仪表，如：多孔孔板、V锥、环楔等流量仪表，它们都具有一些特点，有别于经典节流装置。本文将介绍它们的运行原理，准确度及所必须的上游直管段长度，智能化------等内容，以帮助于用户正确选用。当前制约这类仪表选用的最大障碍是尚未制定标准，本文对制定标准提出了一些建议，并强调制定标准必须建立在大量可靠的测试数据上，并应认真、科学、严谨地处理这些数据。
一、 绪论
        节流型流量仪表问世已有100多年历史，长期以来，以孔板为代表的经典节流装置（孔板、喷嘴、文丘利），因其结构简单，使用率高，已积累大量的测试数据，且制定了标准，曾在流量仪表中占有70%左右的市场。随着工业的发展，对流量仪表不断提出了许多新的要求，如：直管段长度不足又要求较高准确度，经典节流装置已无法满足。近一、二十年以来涌现出不少新型节流流量仪表，在现场应用条件下，其价格、安装、准确度、永久压损、可靠性、维修等方面均优于经典节流仪表，日益为用户所接受。
        用户在选用这些仪表要了解它已不仅是一个节流元件，而是组成了一个系统，所以，不仅要了解节流元件的基本原理，还需了解系统每一部分的作用以及它们对整个测量结果的影响。仪表准确度是选用的重要因素，在试验室的标定仅仅只是决定仪表性能的必要条件，而非充分条件；也就是说，仪表在使用中性能是否好还要取决选型、安装、以及仪表适应现场的能力。

二、 差压流量仪表的原理
        所有差压流量仪表的原理都是基于柏努利的流体能量转换公式，流动的流体其能量主要表现为位能与动能二种形式。当然还应考虑流体流动过程的损失及可压缩性，如果忽略这二个因素，转换公式将变得十分简单，即可通过测差压来推算流量，其方法主要有以下二种：
其一是节流法，通过节流增加流速，降低压力（位能）；
        管道中的流体因节流而加速，因能量守恒促使压力降低，通过测差压可知流速来推算流量大小。当流体通过节流件又回满管时，截面增大流速下降，动能转换为位能，压力将上升。但任何节流件都会造成压力损失，压力不可能恢复到节流前的数值，这个差值就是我们通常所说的永久压损。当然，不同结构的节流件所引起的压力损失是不相同的。
        这类仪表大致有以下三种：
        ① 孔板（同心单孔，偏心、圆缺、多孔---等）
        ② 环形通道（V锥、环形孔板、槽道、内文丘利、梭式----等）
        ③ 文丘利（文丘里管、道尔管、罗洛斯管、环楔----等）
        其二是动压法
        令管道中某点的流动流体完全滞止转换为位能（压力），这个压力包含了流体所有的能量故称为总压（或全压）；另外测量不含流体动能与流速无关的静压，通过总静压差推算流速大小。较为典型的仪器是1732年由法国人皮托发明的皮托管。用这种仪器所测的只是流速，须知流量还需了解管道截面面积及管内流速分布，遗憾的是至今还有不少人忽视这二个重要因素。限于篇幅，本文略去讨论这类仪表。
三、主要技术参数
        1、流出系数C，定义为实际流量与理论计算值的差别。C＝实际流量/理论流量。
        由于流体都具有黏性，在流动过程中会有摩擦造成损失，这种影响十分复杂。当前人们还无法通过理论方法来估计它的大小，只能假设流体流动过程中没有损失，以简化计算公式。所以，理论计算与实际流量会有差别，可用流出系数C修正，流出系数C只能通过实流标定才可以得到。即或是通过经验公式计算，也必须建立在大量的实验基础上。
        ○1标准化节流件  通过大量的实流校验，可以得到流出系数规律，在一定雷诺数Re范围内，无需标定而可得到流出系数。当前只有经典节流装置可以做到（孔板、喷嘴、文丘里管）。
        ○2流出系数C与Re存在一定的函数关系，这对于应用带来了很大的方便。
        ○3流出系数C与节流件的结构密切有关，结构的压损越大，C值趋于减小。
        如：在相同的β值下，孔板的压损最大，文丘利管压损最小。
        其流出系数C大致为：孔板0.60；V锥0.88；文丘利0.99。
        2、膨胀系数Y
        为简化计算，理论计算式假定流体流动时其密度等于常数，对液体可以认同，而气体则会有很大的差别，必须进行修正。最正确的方法还是通过实流标定。在确定的流量下，改变压力来确定Y的大小。它与输出差压DP及压力P有关，当DP/P小于0.04时，Y值约为0.99以上，可以忽略不计。在高压、高速时，因膨胀系数的影响可使流量误差达30%以上，则必须用Y值修正。
        3、直径比β
        对于不同结构的节流件β值有不同的计算方法，但从本质上讲，应是流动截面的当量直径与管径之比，β值大则节流小，流动顺畅，以下将介绍不同节流件的计算方法。
        4、计算公式
        ○1节流原理的差压流量仪表为：Qm=NCYd2[DPρf ]1/2/[1-β4]1/2
        ○2动压原理差压流量仪表为：Qm=NkYFaD2[Dpρf ]1/2
        上式中:   Qm 质量流量（Kg/h）    N 常数（取决于各参数所用单位）
        C  流出系数     Y 膨胀系数    d 通道面积当量直径
        DP  输出差压     β直径比   k 流量系数    Fa  管材热膨胀系数
        ρf  流体密度（Kg/m3）     D  管道内径
        5、差压流量系统由以下三部分组成：
        ①一次元件  是仪表与流体相接触的部分，为系统的信息源头，仪表通过节流件进行动能与位能的能量转换，或将动能全部滞止测其总、静压，主要包含以下几部分：
        •按节流原理包括节流件（孔板、内锥、楔形、喷嘴等）；上下游直管段及安装法兰；取压孔的位置与形状；流动调整器。
        •按动压原理包括皮托管式均速管；安装接头，用于在线拆卸的提升机构及截止阀门改善流体流动调整器。
        ②二次元件（变送器），将一次元件输出的差压信号转换为标准的电信号，传至流量计算机读取流量，它包含：差压变送器，压力变送器，温度变送器。
        ③流量计算机  将从一次元件所接受的电信号，通过相关的公式自动计算为流量值，显示其大小并传至调节系统，以控制工况。
        流量值的确定由以上三部分组成，每一部分的误差将合成为整个系统的误差，一般来说，一次元件受现场条件的影响，误差相对较大。

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二、 差压流量仪表的类型
        1、孔板  使用最为普通的一种经典节流装置，标准孔板并有国际、国家标准为依据，撰写这些标准耗费了巨大的资金与人力，收集了数以万计可信赖的测试数据，确定了流出系数C及膨胀系数Y。原则上无需标定且具有较高的准确度，可用于贸易结算的流量计量中。
        2、多孔孔板 多孔孔板与经典孔板相比较最大的优点是考虑到了当前工业现场的直管段长度不足，无法满足2003年公布实施的ISO5167的要求，达不到必要的准确度。而多孔孔板的节流件除了节流外，还有整流的效果，在直管段长度较短（5~10D）的情况下，仍可达到士1%的准确度。

图2  内锥（V-cone）流量计原理图

        多孔孔板的计算与孔板类似，区别主要是如何计算β值，首先算出其流通面积Aef ：  
        Aef=∑nidi2/4      式中n为单元孔的数量；  di为单元孔直径
        当量直径def =[4 Aef /π]1/2     多孔孔板βD=def /D
        需要强调的是：○1多孔孔板的βD即或与孔板的β值相等，因其节流过程不同，不可直接引用孔板流出系数C,膨胀系数Y,仍需通过校验确定。○2多孔孔板的各组单元孔的圆心应处在与管道轴线的同心圆上，并确保有较高的同心度，以免引人较大误差。○3厂家应对多孔孔板进行实流标定，并明确告诉用户准确度的大小，适用的Re范围，必需的直管段长度。
        3.内锥流量计（图2）。它与经典节流装置不同在于流体是通过锥体与管壁形成的环形通道，而不是中心孔进行节流的。这种环形通道节流方式可在确保较高准确度的前提下，对前直管段长度的要求较孔板低得多。美国科罗拉多工程实验室（CEES1），对其多种型式进行了测试，公布在APIMPMS22.2中，测试报告宣称不仅直管段要求短，而且压损也较孔板低一些。
        内锥流量计βV的计算与上述多孔孔板有类似之处，仍需通过流通面积A时来计算当量直径dV 。
        流通面积A=π/4(D2- DC2)  式中DC为内锥的最大横截面直径。
        当量直径dV=( D2- DC2)1/2         
        βV=dV /D= (D2- DC2) 1/2 /D
        4.文丘里管。文丘里管与孔板一样，也进行过大量测试，建立了标准，同属经典节流装置。它与孔板不同在于由于它有较长的扩张段，因此是节流装置中压损最小的一类仪表。但体积十分笨重，当口径较大时尤为突出。
        5.皮托管。1932年至今，用皮托管测单点流速仍是一种行之有效的经典方法。
        但测流量则应注意以下问题：
        ○1.如图3所示，即使直管段长度足够，管内流速为充分发展紊流，流速分布也非常数，流速大小与皮托管在管道中的位置有关。

图4   均速管测量原理图

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五、系统准确度。
        1.确定差压流量计的准确度应包括整个系统。即一、二次元件及流量积算仪，而不仅限于一次元件。准确度应由这三个部分的误差组成总误差Δm。在选用每部分时，应令其误差等级处于同一水平才合理。如一次元件误差为1.5~2%，选用0.2%级的二次表就毫无必要。积算仪一般准确度均较高。系统误差的组成如下：
        Δm=[Δ12＋Δ22＋Δ32]1/2
        上式Δm是差压流量计总的误差，Δ1、Δ2、Δ3分别为一次元件、二次元件、积算仪的误差。
        2.流出系数C的确定。
        标准节流装置如孔板，其流出系数C已由标准（ISO5167等）中的公式（或表格）给出。当使用情况不同于校验或制定的条件时，标准API22.2也给出了附加不确定度。由于标准未必能涵盖所用的实际情况，给出的流出系数不确定度将大于逐台实际标定。作者建议为了提高仪表的准确度，即使是有标准可依，最好仍进行逐台标定。如是，必须强调二点：①被标定的一次元件的误差中，应包含校验装置的不确定度。
        ②用户选择校验装置时应考虑它的资质及不确定度大小。
        3.其他影响因素。系统的不确定度除了一次表的流出系数误差外，还要考虑二次表及流体特性的影响。这些影响因素一般均有相关的国际（或国家、企业）标准给出，作者建议尽量引自国际、国家标准，而不用企业或某些文献的相关数据，后者往往不太可靠。
六、选用建议。
        由于差压流量计种类十分多，本文只能提供一些选用建议供用户参考，总的原则是按需选用。
        1. 准确度。首先应根据用户的要求，如果不是用于贸易计量，仅为一般监控，则无需选用准确度过高的仪表。其次，准确度取决于系统中的三个部分，各部分的准确度应处于同一水平，相差太大,选用准确度过高的部件纯属浪费，毫无意义。
        2. 量程。所选流量计的量程应与其应用情况相符合，否则会带来较大误差。差压流量计的量程比只能为3:1。如果选用智能式自适应差压变送器，流量的量程比可扩大至10:1以上。此外，如管内流速过小，可采取缩颈方法提高流速，反之流速过大，也可采用扩径降低流速。
        3. 永久压损。差压流量计因结构不同永久压损会有很大的差异。在历行节能的今天，用户都会尽量选用压损较小的仪表。生产厂家应提供可靠的压损数据供用户选用。
        4. 安装影响。一般来说差压流量计为维持必要的准确度，都要求较长的直管段长度，如果达不到要求，生产厂家应提供安装对准确度的影响数据，最好为应用条件下的数据。
        5. 二次表。根据需要合理选用二次表，如果所选用的一次表在应用条件下准确度较低，就没有必要选用准确度高且昂贵的二次表。
        6. 耐用性。如用于粉尘含量高、腐蚀性强的流体，则应选用耐腐蚀、耐磨损的仪表。
        7. 维护。差压流量计较其它流量计可耐恶劣工况，维护较少。近年来为简化系统，推出了一体化差压流量计，其二次表以及显示部分则应定期拆装，进行检修。
        8. 价格。对任何用户来说，都希望选购性价比高的产品。厂家过热的炒作以获取暴利，是一种缺乏诚信的短期行为，终将失去市场。我国前几年有关内锥的炒作是一个典型的案例。
七、标准的制定
        1.必要性。
        近百年以来，经典节流装置由于制定了标准，在工业化的发展过程中发挥了很大的作用。曾占到流量市场近70%的份额。但随着工业的现代化（含自动化、智能化、数字化、通讯化等），经典节流装置已无法满足许多新的要求。新型流量仪表不断推出（如电磁、超声、锥式、热式----等）,差压式流量计面对新的形势，也涌现出不少的结构。但要顺利、大力推行这些仪表，首先必需要制定标准。电磁、超声均已着手制定，而新型差压仪表由于种类较多，结构五花八门，制定标准尚有一定难度。
        2.制定标准的条件。
        ①结构标准化。要制定标准，结构必须标准化。如孔板，其结构、取压方式、安装要求，都有严格、明确的规定。而新型差压仪表，无论是内锥还是多孔孔板，每一个制造商都有自己“独特”的设计以区别于其它厂家，这样就给制定标准带来了困难。
        ②收集测试数据。经典节流装置为制定标准，收集了数以万计的测试数据，耗费了大量的人力与资金，持续了几十年的时间。这样繁重的工作，一般制造厂家都难以承受。他们首先考虑的是利润，即使技术上有些创新也是为了追求更大的利润。
        因此，寄希望于制造厂家来制定标准的前景就十分暗淡了，只能寄希望于国家工业部门、计量监督部门、及行业协会。美国石油协会已提出了一个协议草案（APIMPMS22.2，差压流量测量装置实验协议），给制造厂家提供了一些试验方法，而无需进行大量繁琐的测试，即可了解仪表的主要特性。

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    3.举例说明。以下是APIMPMS22.2制定标准所进行的一些测试。
        ①基本测试。测试在实验室标准流场（充分发展紊流，一般到直管段长度不小于30D）中进行，以确定仪表流出系数C与雷诺数Re之间的关系（图6），这是每一种流量仪表需要进行的最基本实验。还需说明的是，这些测试数中的误差应包含标定装置的不确定度。所以，一个性能优良仪表的基本实验应选择不确定度较低、资质较高的实验室，其数据才有说服力。

        ②安装影响测试1。 流量仪表在现场安装时，必将面对一个问题，即不可能提供实验室所具有的直管段长度，这个影响究竟有多大？必须通过试验来确定。图6是在被测仪表的上游约4D处安装了一个圆缺孔板，人为地造成了流场的不均匀，测试结果如图6下曲线所示。由图可见，由于直管段长度仅4D，测试数据较正常值（理想流场所得数据）偏离了约2.5%，即2.5%的误差。如果这个结果用户可以接受，则其他的一些测试可以进行下去。
        ○3装影响测试2.  如果不能接受2.5%的误差，要求更高的准确度，则将仪表安装在圆缺孔板后8D的地方进行，意味着上游应有更长的直管段，流场趋于理想，安装影响将减小。数据说明，当前直管段长度达到8D时，与理想流场的结果已没有太大差别，对安装影响较轻微。这里还需强调，这些测试数据包含了装置的不确定度。

图7   流出系数C的二种确定方法

        ④阻力件的种类。由于当前流量仪表的准确度要求较高，而现场又不能提供保证其准确度所必需的直管段长度，因此迫切需要提供一种对安装不敏感的流量计，要说明这种仪表的优越，有必要进行大量的测试研究，用测试数据科学、公正地说明。圆缺孔板是一种较易于实现的阻力件。但要充分证明这个技术特点，仍需采用其他在现场常用的阻力件，如：弯头、阀门、变径管、歧管-----等等。
        4.选用注意事项。APIMPMS22.2为用户提供了多种差压流量计，并进行了上述安装影响的多种测试，用户可以根据不同需求选用。上述安装影响的测试令用户缓解了安装的困惑，在选用时还要注意：
        ①是否逐台标定。需了解制造商是否逐台进行标定，如果未进行，则应给出所有影响参数带来的误差。
        ②标定范围。差压仪表的流出系数C是雷诺数Re的函数，如果厂家所提供的标定雷诺数范围太小，未覆盖使用范围，仍可能会带来较大的误差。
        ○3定数据的处理   可以采用二种方法来处理标定的测试数据：
        其一，视流出系数为常数，当流出系数与Re的关系变化不大时，可以认定流出系数C为常数。
        其二，当流出系数的变化较大时，可以用曲线来拟合，该曲线可以用一个经验公式来描述（见图7），误差仅为0.5%，而视为常数则误差可达到4%。这种方法在热电偶及孔板中都已得到应用。需强调采用第二种方法时，处理数据应十分谨慎，必需进行大量测试，切勿急功近利，只进行少数量的测试，就宣称取得了“经验公式”。

八、小结
        1、新型差压流量仪表问世是大势所趋  经典差压流量仪表（孔板、喷嘴、文丘里、皮托管……）问世百余年，由于不能解决工业现代化所带来的问题，特别是安装直管段长度不足，又要确保准确度的矛盾，将逐步被新型仪表所取代，当然，这个过程会较长，不太可能“一呼百诺”。这是不以个人主观愿望为转移的客观发展规律。
        2、标准的重要性   经典差压流量仪表之所以长期占据流量仪表市场魁首之位，关键在于人们为它制定了标准，节流装置有：ISO5167，皮托管有：ISO3966、ISO7145、BS1042等，应用时有法可依，有据可查。
        3、制定标准的步骤   
        ○1一次元件结构标准化，只有统一了结构，才有可能简化测试项目，测试的数据才有针对性、有说服力。
        ○2在理想流场中进行测试，在一定资质的实验室的充分发展紊流中进行测试，即上游直管段长度达到30D（D为内径）以上，流场理想，排除了安装带来的影响。
        ○3阻力件的影响。新型节流装置的优点在于对阻力件不敏感，即在上游直管段不足情况下且可以维持较高准确度。这个特点必需通过有资质的第三方实验室数据给予验证，而不是什么“理念”炒作。
        4、阻力件影响测试。测试应在多种阻力件及其组合形式下进行，本文提出了一种简易可行的阻力件-圆缺孔板（Half-moon orifice）作为扰流件，将它按不同的角度安装可以产生多种不同的流场形式，以得到新型节流装置对流场变化的敏感的初步结果，如有必要再进行其它阻力件（弯头、阀门、变径管、歧管……）的影响测试。
        5、采用动压原理的均速管。近40年以来多用于大管径流量测量，因其成本低，安装维护简便也曾风行一时，制造商多在均速管的横截面上大做文章，推出了十余种结构形式，而忽视了它的应用条件，均速管不插入管道就不可能成为流量计，而管道对于流量准确度的影响是主要因素，数倍于截面形状数据。甚至当使用的Re数大于1.1×106后已不存在“阻力危机”，完全可以不用“精雕细琢”加工复杂的特殊型面，而直接可用圆管，这已为国外某些公司成功地用于现场了。
九、致谢
        本文定稿前，曾请蔡武昌先生校阅，提出了一些宝贵意见，特此致谢。

        编者语：美国科罗拉多试验站(CESSI)成员Casey  Hodges先生于2010年10月台北举行的15届FLOMEKO学术会议中发表了“新型差压流量仪表的理念、应用与建议”（New differential Producing  meters---ideas, implementation, and issues。）一文，本人阅后认为不少观点值得推荐，但也不认同全部论述，因而未一字不差地翻译。此外还补充了一些个人的看法（用楷体区别），仅作为读书笔记供读者参考，但愿不是画蛇添足、狗尾续貂。好在如有疑惑可直接阅读原文，并欢迎交流、批评、指正。

（特约编辑 毛新业）

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