紀(jì)波峰，紀(jì) 綱

(上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司，上海 200070)

0 引言

在流量測(cè)量中，由于被測(cè)流體的復(fù)雜性、要求的多樣性、使用條件的特殊性，盡管現(xiàn)在流量計(jì)的種類已有上百種，但在使用現(xiàn)場(chǎng)仍有許多測(cè)量任務(wù)找不到滿意的流量計(jì)。因此，工程師們還在不斷研究和改進(jìn)，推出新型流量計(jì)。

差壓式流量計(jì)是歷史悠久、使用廣泛、積累資料豐富的一類流量計(jì)。其中，標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴和文丘里管差壓裝置，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，無(wú)需實(shí)流標(biāo)定就能獲得規(guī)定的準(zhǔn)確度[1-2]。

在標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)之外，又陸續(xù)出現(xiàn)了幾十種非標(biāo)差壓流量計(jì)。它們都是為了彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)的不足而開發(fā)的。這些差壓流量計(jì)中：有的能解決低雷諾數(shù)問(wèn)題；有的能解決介質(zhì)臟污問(wèn)題；有的能解決微小流量問(wèn)題；有的能解決低壓損問(wèn)題[3]。對(duì)于差壓流量計(jì)的改進(jìn)還在繼續(xù)。以下所介紹的四種成果，就是近十年以來(lái)，差壓式流量計(jì)改進(jìn)的新成果中的一部分。其中，差壓裝置是在以前系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上作了某些改進(jìn)，但其取得的實(shí)際效果是顯著的。

1 雙量程差壓流量計(jì)

1.1 雙量程差壓流量計(jì)工作原理

差壓式流量計(jì)(除線性孔板之外)有它固有的缺陷，即范圍度不夠理想。這主要是由其測(cè)量原理決定的。

差壓流量計(jì)的一般表達(dá)式為：

(1)

由式(1)可知[1]，流量qm與差壓ΔP的平方根成正比。因此，當(dāng)qm=10%qmmax時(shí)，差壓ΔP僅為差壓上限ΔPmax的1%。

現(xiàn)在差壓式流量計(jì)中所配用的差壓變送器，大多已達(dá)0.04級(jí)。不少人認(rèn)為0.04級(jí)差壓變送器就能獲得0.04%的差壓測(cè)量不確定度，已達(dá)到足夠的測(cè)量精確度。其實(shí)不然。因?yàn)椴顗鹤兯推鞯木_度等級(jí)是用引用誤差表示的，只有在滿量程附近才能得到最小的不確定度，而且測(cè)量值(MV)越低，不確定度越大。例如在ΔP=1%ΔPmax時(shí)，不確定度增大到滿量程時(shí)不確定度的100倍。所以，在相對(duì)流量很小時(shí)，差壓測(cè)量不確定度就

成為流量測(cè)量系統(tǒng)不確定度的決定因素[4]。

為了提高流量量程低端的測(cè)量精確度，必須大大提高低差壓段的差壓測(cè)量精確度。其中，較為省力、有效的方法是增設(shè)一臺(tái)低量程差壓變送器，組成雙量程差壓流量計(jì)[5-6]。

例如某氣體流量測(cè)量對(duì)象，最大流量100 t/h，最小流量3 t/h。對(duì)此，高量程差壓變送器選用0.04級(jí)中差壓變送器，測(cè)量范圍為0～100 kPa，低量程差壓變送器選用0.04級(jí)低差壓變送器，測(cè)量范圍設(shè)為0～3 kPa。這樣，兩臺(tái)變送器在智能二次表的指揮下自動(dòng)切換、相互配合，在流量量程3～100%范圍內(nèi)，能達(dá)到1%的流量不確定度。

1.2 雙量程差壓流量計(jì)不確定度分析

文獻(xiàn)[4]詳細(xì)分析了雙量程差壓流量測(cè)量系統(tǒng)不確定度的估算方法和估算實(shí)例。在差壓變送器準(zhǔn)確度等級(jí)為0.04，即ξΔp= 0.04%時(shí)。將ξΔp值代入差壓測(cè)量不確定度計(jì)算公式[7]：

(2)

式中：ζΔp為差壓變送器精確度等級(jí)；Δpmax為差壓上限，Pa；Δp為常用流量對(duì)應(yīng)的差壓，kPa。

在GB/T 2624-2006中，給出了差壓式流量計(jì)的系統(tǒng)不確定度估算公式：

(3)

(4)

式中：P1為節(jié)流件正端取壓口處常用壓力，kPa；k為等熵指數(shù)。

①在qm= 70%qmmax特征點(diǎn)：

依此方法，可得其余各特征點(diǎn)的流量不確定度。

1.3 雙量程孔板流量計(jì)不確定度曲線

將上述各特征點(diǎn)不確定度計(jì)算結(jié)果在平面坐標(biāo)系中標(biāo)出，然后連線，即可得不確定度曲線。雙量程孔板流量計(jì)不確定度曲線如圖1所示[8]。

圖1 雙量程孔板流量計(jì)不確定度曲線

2 雙向孔板流量計(jì)

2.1 雙向流測(cè)量的特殊性

能夠用于雙向流測(cè)量的流量計(jì)，有容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、熱式流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)等多種。但若被測(cè)流體為蒸汽，因流體溫度高等原因，上述這幾種流量計(jì)均無(wú)法適應(yīng)。這時(shí)，采用雙向孔板流量計(jì)具有顯著的優(yōu)越性。

而在另一些流程中，有時(shí)會(huì)遇到一些空氣、氮?dú)獾纫话銡怏w的雙向流測(cè)量需求。對(duì)此，雙向孔板流量計(jì)也具有優(yōu)勢(shì)。

2.2 雙向孔板流量計(jì)工作原理

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2624-2006中，對(duì)雙向孔板流量計(jì)有詳細(xì)的規(guī)定。與普通孔板流量計(jì)相比，雙向孔板流量計(jì)具有以下特殊之處[1]。

(1)雙向孔板。

①孔板不切斜角。

②A、B兩個(gè)端面均應(yīng)符合國(guó)標(biāo)中關(guān)于上游端面的規(guī)定。

③節(jié)流孔的兩個(gè)邊緣均應(yīng)符合上游邊緣的規(guī)定。

單向孔板、雙向孔板對(duì)比如圖2所示。

圖2 孔板對(duì)比示意圖

(2)對(duì)直管段的要求。

儀表的兩個(gè)直管段，都應(yīng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中前直管段的要求。

(3)正端取壓口壓力P1的計(jì)算。

儀表的節(jié)流件正端取壓口壓力P1，用壓力變送器測(cè)量[9]。該變送器安裝在正向流的正端取壓口。在流體反向流動(dòng)時(shí)，該點(diǎn)壓力變成了反向流的負(fù)端取壓口。根據(jù)正端取壓口壓力、負(fù)端取壓口壓力和差壓的定義，可知：

(4)正負(fù)差壓的測(cè)量。

雙向孔板輸出的正反向差壓信號(hào)，通常采用一臺(tái)具有正負(fù)差壓測(cè)量能力的差壓變送器測(cè)量。

其中，正差壓對(duì)應(yīng)正向流量，負(fù)差壓對(duì)應(yīng)負(fù)向流量。正負(fù)差壓測(cè)量結(jié)果可用HART通信的方法傳送到流量二次表[10]。雙向孔板流量計(jì)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 雙向孔板流量計(jì)系統(tǒng)示意圖

(5)流量顯示裝置的功能。

用于雙向蒸汽流量測(cè)量的流量顯示裝置，應(yīng)能對(duì)流動(dòng)方向作出判斷，而且需對(duì)正向瞬時(shí)流量、正向累積流量、反向瞬時(shí)流量、反向累積流量分別進(jìn)行計(jì)算和顯示。

除此之外，流量顯示裝置還需完成流體溫度壓力補(bǔ)償、流出系數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償和可膨脹性系數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)热蝿?wù)。

3 濕氣體差壓流量計(jì)

常見的濕氣體有濕空氣、濕煤氣、煤層氣、井口氣、吸收尾氣等。人們?cè)跍y(cè)量低靜壓、低流速、大口徑的濕氣體流量以及氣態(tài)氨之類的流體流量時(shí)，普遍選用標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)。但使用一段時(shí)間后，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)冷凝液在節(jié)流件前聚積、在三閥組通道內(nèi)聚積、在差壓變送器高低壓室內(nèi)聚積，引起流量計(jì)嚴(yán)重失準(zhǔn)。針對(duì)這一問(wèn)題，人們開發(fā)了濕氣體差壓流量計(jì)，主要作了以下三點(diǎn)改進(jìn)。

①用偏心孔板代替標(biāo)準(zhǔn)孔板，從而杜絕節(jié)流件前積液。

②用不銹鋼球閥代替針形三閥組，從而杜絕三閥組內(nèi)積液。

③將差壓變送器布置在差壓裝置上方，遇有高低壓室內(nèi)生成冷凝液時(shí)，依靠冷凝液與氣體的密度差，讓冷凝液自行流回母管。

經(jīng)改進(jìn)的流量計(jì)，在含冷凝液的氣體流量測(cè)量對(duì)象中使用效果極好，從未發(fā)生因冷凝液聚積引起的失準(zhǔn)。

FDIh型濕氣體差壓流量計(jì)外形(偏心孔板)如圖4所示。

圖4 FDIh型濕氣體流量計(jì)外形(偏心孔板)

4 耐腐蝕型彎管流量計(jì)

4.1 腐蝕性介質(zhì)測(cè)量任務(wù)的特點(diǎn)

彎管流量計(jì)投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用已有幾十年的歷史。它的顯著優(yōu)點(diǎn)是無(wú)壓力損失，運(yùn)行能耗低[11]。但對(duì)于強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，普通彎管流量計(jì)仍不適用。因?yàn)閷?duì)于強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，采用316L材質(zhì)制成的彎管流量傳感器也會(huì)很快被腐蝕掉。

在流量測(cè)量中，被測(cè)介質(zhì)多種多樣，介質(zhì)特性異常復(fù)雜。一臺(tái)品質(zhì)一流的流量計(jì)，有時(shí)因?yàn)閷?duì)介質(zhì)的某一個(gè)特性認(rèn)識(shí)不夠準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常測(cè)量或很快損壞。

例如：介質(zhì)臟污容易將堵塞差壓信號(hào)取壓口；介質(zhì)結(jié)晶容易在法蘭膜片隔離式差壓變送器中的敏感膜片上生成一層結(jié)晶物，以致無(wú)法測(cè)量。

介質(zhì)的低靜壓，由于達(dá)不到足夠的流速，以致耐腐蝕性很好的科氏力質(zhì)量流量計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常測(cè)量。

為了解決此類特殊介質(zhì)流量測(cè)量問(wèn)題，耐腐蝕型彎管流量計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。

4.2 耐腐蝕型彎管流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

耐腐蝕型彎管流量計(jì)由耐腐蝕彎管流量傳感器和帶吹氣差壓變送器組成。帶溫度壓力補(bǔ)償時(shí)，還配有溫度傳感器(管外安裝)和壓力變送器、流量演算器等。其中，壓力變送器接在差壓變送器正壓端。

耐腐蝕型彎管流量傳感器外形如圖5所示。

圖5 耐腐蝕型彎管流量傳感器

①?gòu)澒芰髁坑?jì)中，與介質(zhì)接觸的是彎管流量傳感器。因此，防堵、防結(jié)晶、防介質(zhì)自聚、耐腐蝕等問(wèn)題，都必須在此傳感器中解決。

彎管內(nèi)壁與腐蝕性介質(zhì)接觸的部分，采用氟塑料噴涂。在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)工藝流程中，工藝管道大多采用襯玻璃或襯氟塑料的方法。依次類推，彎管流量傳感器的材質(zhì)采用316L，并在其內(nèi)壁及與被測(cè)介質(zhì)接觸的其他部分，采用噴涂氟塑料的方法，這是一種簡(jiǎn)單、有效的方法。

研究發(fā)現(xiàn)，以前在防腐蝕領(lǐng)域廣泛使用的F46材料，雖然能耐一般腐蝕，但氯離子之類的物質(zhì)仍能滲透內(nèi)襯腐蝕金屬材料。而新型氟塑料卻只有微小的滲透性。

②耐腐蝕型彎管流量計(jì)采用聚四氟乙烯管傳輸差壓信號(hào)。

③耐腐蝕型彎管流量計(jì)采用氮?dú)獯禋獾姆椒?，將微差壓變送?或低差壓變送器)與腐蝕性介質(zhì)隔離，并可防止臟污介質(zhì)堵塞取壓口。

④彎管傳感器采用電伴熱，從而避免自聚物和結(jié)晶物的生成。

⑤彎管流量傳感器采用法蘭連接，以便拆裝和對(duì)臟污介質(zhì)的清洗。

現(xiàn)場(chǎng)使用實(shí)踐表明，上述措施是有效的。

4.3 超聲流量計(jì)在腐蝕性介質(zhì)中的應(yīng)用

外夾式超聲流量計(jì)在腐蝕性介質(zhì)流量測(cè)量中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。該流量計(jì)不與腐蝕性介質(zhì)直接接觸。但由于聲阻抗的約束條件，被測(cè)氣體的壓力必須高于一定值才能實(shí)現(xiàn)正常測(cè)量。例如GC868型外夾式超聲流量計(jì)，被測(cè)氣體壓力一般需高于0.6 mPa；而弗萊克森公司外夾式超聲流量計(jì)壓力一般應(yīng)高于0.4 mPa。

對(duì)于帶非金屬內(nèi)襯的管道，用超聲流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)介質(zhì)流量，儀表制造廠總是強(qiáng)調(diào)在內(nèi)襯與金屬管之間不能有氣隙。但是在實(shí)際的內(nèi)襯管，在內(nèi)襯與金屬管之間，無(wú)法保證完全沒有氣隙。

5 結(jié)束語(yǔ)

在流量測(cè)量中，被測(cè)流體的復(fù)雜性、要求的多樣性和工況的特殊性為測(cè)量帶來(lái)了困難。但這些特點(diǎn)也推動(dòng)了這門技術(shù)的發(fā)展。于是，流量計(jì)種類雖然已經(jīng)有上百種，但每年仍有新型流量計(jì)問(wèn)世。

標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)量程比不夠?qū)?，主要制約因素是量程低端差壓測(cè)量精確度。在原有差壓流量計(jì)的基礎(chǔ)上，增設(shè)一臺(tái)低量程差壓變送器，以提高量程低端的差壓測(cè)量準(zhǔn)確度，構(gòu)成雙量程差壓流量計(jì)，從而大大拓寬量程比。

標(biāo)準(zhǔn)孔板不切斜角后就可測(cè)量雙向流量。在氣體和蒸汽的雙向流測(cè)量中，標(biāo)準(zhǔn)孔板雙向流量計(jì)具有顯著的優(yōu)越性。

在濕氣體流量測(cè)量中，孔板前積水、三閥組內(nèi)積水和差壓變送器高低壓室內(nèi)積水的現(xiàn)象普遍存在。針對(duì)這三個(gè)問(wèn)題作了改進(jìn)后的濕氣體流量計(jì)，可靠性和準(zhǔn)確度大大提高。

強(qiáng)腐蝕、易結(jié)晶、低靜壓介質(zhì)的流量測(cè)量具有較高難度。采用新型氟塑料噴涂的彎管流量傳感器，配以吹氣和伴熱保溫等措施，能使問(wèn)題得到解決。