徐海東

（安徽省長江計量所，安徽 合肥 230088）

在工業(yè)生產(chǎn)中，對流量參數(shù)的測量通?？赏ㄟ^使用差壓式流量計來測量，壓差流量計經(jīng)過幾十年的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)中。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)的生產(chǎn)過程愈加復(fù)雜化，對于生產(chǎn)過程中流量的測量精度要求也越加嚴(yán)格，而傳統(tǒng)中所使用的差壓式流量計的測量范圍以及測量精度已經(jīng)不能滿足當(dāng)下工業(yè)生產(chǎn)過程中對流量參數(shù)的測量要求。因此，對差壓式流量計的工作原理及測量準(zhǔn)確度技術(shù)進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 差壓式流量計概述

差壓式流量計又被稱為節(jié)流式流量計，其工作原理是基于流體流動的節(jié)流原理，通過流體經(jīng)過節(jié)流裝置產(chǎn)生的壓力差對流量參數(shù)進(jìn)行測量，差壓式流量計是目前在工業(yè)中使用范圍最廣、技術(shù)最成熟的方法。差壓式流量計在對流量參數(shù)進(jìn)行測定時，主要是將待測流體的流量參數(shù)通過節(jié)流裝置轉(zhuǎn)變?yōu)閴翰钚盘?，進(jìn)而將產(chǎn)生的差壓在儀表上顯示出來。在實踐中，常用的單元組合儀器主要是利用差壓變送器，將節(jié)流裝置產(chǎn)生的壓差信號，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電傳信號或氣動信號，幫助管理人員進(jìn)行記錄或控制。

2 差壓式流量計的工作原理與特征

差壓流量計在測定流體流量參數(shù)時，是基于節(jié)流件產(chǎn)生的差壓進(jìn)行測定，流體在經(jīng)過節(jié)流件時，因為管道截面變窄，所以管道內(nèi)流體的流速變大，流體的動能也隨之增加，在此流段內(nèi)，流體的能量損失較小，可忽略不計，故可假定流體在該流段內(nèi)具有的總能量為固定值，由能量守恒定律可知，在理想情況下，當(dāng)流體流速增加后部分靜壓會轉(zhuǎn)換成流體動能，而流體所具有的靜壓力值會隨之下降，此時，產(chǎn)生一個壓差，壓差與流體流量間具有一定的函數(shù)關(guān)系，只需通過對該壓差進(jìn)行測量，即可確定流體的流量值。差壓式流量計原理圖如圖1 所示。

圖1 差壓式流量計原理圖

其流量測量的一般表達(dá)式如式（1）：

式中：qm—質(zhì)量流量；C —流出系數(shù)；ε—氣體膨脹性系數(shù)；d—工作條件下流件的孔徑；D—工作條件下上游管道內(nèi)徑；Δ p — 差壓；ρ1—上游流體密度；β—直徑比

3 計量差壓式流量計的影響因素

從式（1）中我們可以看出，影響流量參數(shù)的因素共包含6個：C（流出系數(shù)）、ε（氣體膨脹系數(shù)）、d（節(jié)流孔直徑）、D（管道直徑）、Δp（差壓）、ρl（流體密度）。從式（1）中，還可以看出，不同因素對流量的影響程度是不相同的，且各個影響因素對流量的影響并不是簡單的代數(shù)值疊加，因此，在對這些影響因素進(jìn)行分析時，應(yīng)以權(quán)重函數(shù)進(jìn)行分析。例如，C（流出系數(shù)）與ε（氣體膨脹系數(shù)）與流量的關(guān)系是成正比的，簡單而言，C（流出系數(shù)）與ε（氣體膨脹系數(shù)）變化1%時，其流量變化情況同樣為1%，即權(quán)重函數(shù)為1，而d（節(jié)流孔直徑）與流量之間的關(guān)系與β 有關(guān)，其權(quán)重函數(shù)可表示為，D和流量之間的關(guān)系同樣與β 有關(guān)，其權(quán)重函數(shù)表示為Δp（差壓）和ρl（流體密度）和流量之間的關(guān)系為平方關(guān)系，即當(dāng)Δp（差壓）和ρl（流體密度）變化1%時，其流量變化情況為0.5%，權(quán)重函數(shù)為0.5。

4 提高測量準(zhǔn)確度的技術(shù)措施

4.1 理論補償

提高設(shè)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。提高差壓流量計的設(shè)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是提升差壓式流量計的測量精度的重要前提，由于現(xiàn)場使用情況不同，因此，在使用差壓式流量計時需要根據(jù)現(xiàn)場的實際測量環(huán)境設(shè)計節(jié)流裝置的，雖然目前差壓計節(jié)流裝置趨于標(biāo)準(zhǔn)化，但對于一些節(jié)流件仍然需要結(jié)合實際進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對流體的特性以及其具有的物性特點進(jìn)行深入分析是優(yōu)化設(shè)計的重要前提，要想在設(shè)計中提升差壓流量計的測量精確度，則需要對現(xiàn)場的測量工況以及管道的尺寸、流體狀態(tài)、溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行掌握，在設(shè)計中，需要重點掌握流體的密度以及黏度等參數(shù)。對于氣體流體來說，還需要額外考慮其等熵指數(shù)和壓縮系數(shù)；對于多組分介質(zhì)而言，則需要按照組分的不同進(jìn)行物性分析，確保獲取最優(yōu)的流體物性信息，為提升測量精確度提供數(shù)據(jù)支撐。

提高流出系數(shù)的準(zhǔn)確度。隨著工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展，人們對差壓式流量計的需求在不斷增加，對其測量精度的要求也在增加。差壓式流量計經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)由最初的標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)流裝置發(fā)展到現(xiàn)今的20 余種，且愈加成熟。但就目前而言，差壓式流量計中僅有孔板、噴嘴、文丘里等標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，但應(yīng)用范圍相對較窄，且超出限制條件的設(shè)計并不囊括在ISO 5167 內(nèi)。而非標(biāo)節(jié)流裝置缺乏足夠的實驗數(shù)據(jù)支撐，需要采取實流標(biāo)定方式進(jìn)行核定，因此，未經(jīng)過實流核定的非標(biāo)節(jié)流裝置，不能確保其精確度。差壓式節(jié)流裝置是機(jī)械加工件，其精度受到加工設(shè)備以及加工人員水平的影響，因此，一些標(biāo)準(zhǔn)化的差壓節(jié)流裝置也會由于生產(chǎn)商的制造水平不同而產(chǎn)生誤差，因此，有必要采用實流標(biāo)定方式確定壓差式流量計的準(zhǔn)確度。

引入氣體可膨脹性系數(shù)補償。氣體具有可壓縮性，而ε（氣體膨脹系數(shù)）是對氣體流束膨脹修正的系數(shù)，通常采用式（2）計算差壓式流量，K 的數(shù)值一般通過出廠計算書獲取。

由于氣體膨脹系數(shù)和節(jié)流件前后壓力以及β 相關(guān)，當(dāng)壓強(qiáng)增加至上百千帕?xí)r，氣體膨脹系數(shù)的變化僅為千分之幾；而當(dāng)壓強(qiáng)增加幾十千帕?xí)r，氣體膨脹系數(shù)的變化達(dá)到百分之幾。GB 2624-2006 對于孔板、噴嘴以及文丘里的氣體膨脹系數(shù)給出了詳細(xì)的算法，而對于非標(biāo)節(jié)流裝置而言，生產(chǎn)廠家需要給出相應(yīng)的計算算法。

引入壓縮系數(shù)補償。對于臨界溫度較高且臨界壓力較低的氣體流體，由于其pVT 的關(guān)系不符合理想氣體狀態(tài)方程，因此，在進(jìn)行流量測定時，需要引入壓縮系數(shù)進(jìn)行修正。在實踐中，一般可采用以下方式求解氣體壓縮系數(shù)：1）采用查圖表法，該方法一般不用于流量系統(tǒng)中的實時補償。2）利用R-K 方程求解，如式（3）所示。

引入密度修正。從式（1）中可以得知，流體的體積流量還是質(zhì)量流量都與流體的密度相關(guān)，一旦運行時，溫度與壓力偏離設(shè)計值則流體的密度一定會出現(xiàn)變化，則采用固定密度必然會出現(xiàn)測量誤差。因此，在實踐中可以通過引入密度修正的方法提高流量測量準(zhǔn)確度。一般蒸汽的密度可由溫度以及壓力來確定，IFC 1967 蒸汽密度表和IFC 1967 公式是國際上通用的蒸汽密度標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行流量參數(shù)測定時，可以按照現(xiàn)場測量工況通過查表或公式獲取蒸汽密度。

采用全補償公式。對于測量流量準(zhǔn)確度要求較高的，則需要按照上述所闡述的因素進(jìn)行綜合修正與補償。全補償算法如公式（4）所示。

4.2 安裝應(yīng)用

從安裝上提高實際使用準(zhǔn)確度。首先，在安裝位置上應(yīng)確保流體能夠充分充滿整個管道，在選擇安裝方式上盡量采用垂直管道的安裝方式。在測量水平管道液體時，應(yīng)盡量避免安裝于管線的最高點。當(dāng)管道采用垂直安裝時，應(yīng)注意流體從下到上的流向，避免出現(xiàn)流體不充滿管道的現(xiàn)象。在節(jié)流元件上游的擾流件中，應(yīng)額外注意半開閘閥與調(diào)節(jié)閥的安裝，應(yīng)盡量避免管道直接安裝在擾流件的下方。在進(jìn)行安裝時，應(yīng)盡量確保管路安裝的同心度，否則，其導(dǎo)致的流量測量誤差有可能達(dá)5%。

提高差壓測量準(zhǔn)確度及信號傳遞準(zhǔn)確度。對于差壓變送器的標(biāo)稱準(zhǔn)確度在使用時有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)限定，例如，EJA110A 系列差壓變送器在流量測量中最常使用的量程范圍是100kPa，該產(chǎn)品允差極限MPE 為±0.065%FS，其參考準(zhǔn)確度范圍為（0 ～100）kPa 范圍內(nèi)，MPE:±0.065kPa，此項允許誤差在小流量小壓差的情況下就顯得尤為突出。隨著選型儀表量程的不斷增加，如何確保小流量條件下提升對應(yīng)差壓計的測量準(zhǔn)確度是關(guān)鍵。

5 結(jié)語

流量計在促進(jìn)工業(yè)發(fā)展中具有不可替代的作用，流量計經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)愈發(fā)成熟與趨向標(biāo)準(zhǔn)化，但就目前而言，能達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)的流量計只有差壓式流量計。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，差壓式流量計的測量準(zhǔn)確度將不斷提高。