0 引言

 

      在流量測量儀表的工業(yè)應(yīng)用中，差壓流量計是歷史最悠久、應(yīng)用最廣泛的儀表之一。其結(jié)構(gòu)簡單、牢固，易于復(fù)制，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長，價格也便宜。尤其是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計無需實流校準(zhǔn)，只要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、制造、安裝和使用就能得到足夠的測量精確度，這在流量計中是少有的。

 

      渦街流量計推廣應(yīng)用之后，差壓流量計的部分領(lǐng)地被渦街流量計占領(lǐng)，但在高溫、高壓流體，管徑較大的測量對象和環(huán)境有振動等不適合渦街流量計的場合，差壓流量計仍是不可替代的，尤其是熱電等行業(yè)仍然普遍使用差壓流量計。

 

      但是差壓流量計也有不盡人意之處，例如范圍度不夠大，早期的文獻(xiàn)資料一直認(rèn)為只能達(dá)到3：1，近十多年以來。有不少文獻(xiàn)論述能達(dá)到10：1。下面就這個問題發(fā)表幾點看法，并介紹差壓式流最計的一些新進(jìn)展。

 

      1 節(jié)流式差壓流量計范圍度不夠大的原因

 

      1.1 差壓測量精確度的制約

 

      節(jié)流式差壓流量計范圍度不夠大主要受幾個因素的制約，其一是差壓計精確度的制約，節(jié)流式差壓流量計輸出信號與流量之間為平方關(guān)系，在百分率流量（相對于滿量程用百分比表示的流量）較小時，差壓信號相對值非常小，這就導(dǎo)致測量誤差相應(yīng)增大。例如在流量為滿量程的20%時，差壓信號理論值只有滿量程的4%。如果選用的差壓變送器是0.1級精確度，則差壓測量的不確定度就高達(dá)±2.5%，引入的流量測量不確定度為±1.25%。如果是老式的1.5級差壓計，則測量不確定度就將大得驚人。

 

      因此在差壓測量精確度得到充分提高之前，要拓寬流量測量范圍度是不可能的。

 

      1.2 流出系數(shù)非線性的制約

 

      傳統(tǒng)的節(jié)流式差壓流量計將流出系數(shù)C當(dāng)常數(shù)來處理，這在當(dāng)時的技術(shù)發(fā)展階段是不得已而為之。其實C并非常數(shù)，對于一副具體的節(jié)流裝置，其流出系數(shù)是隨雷諾數(shù)的變化而變化的。

 

      GB/T 2624-93給出了標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)隨雷諾數(shù)變化的關(guān)系式（以角接取壓為例） [1]

 

      C=0.5959+0.0313β2.1- 0.184β8+0.0029β2.5（106/ReD）0.75                （1）

 

      式中：β為標(biāo)準(zhǔn)孔板開孔直徑與管道內(nèi)徑之比；ReD為雷諾數(shù)。為了更清楚地說明雷諾數(shù)對流量計范圍度的制約，圖1給出了一臺DN50、β=0.6 的典型標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)隨雷諾數(shù)變化的關(guān)系曲線。從圖中可清楚看出，雷諾數(shù)<10×l04后所對應(yīng)的C值與雷諾數(shù)為1×106時的C值之差已大于0.6%，大于國標(biāo)所規(guī)定的不確定度，因此，只能規(guī)定此節(jié)流裝置不能在ReD>10×104的條件下使用。而如果滿量程所對應(yīng)的雷諾數(shù)為4×105，則儀表的范圍度最大只可能為4：1。

 

 

 

      1.3 可膨脹性系數(shù)的制約

 

      測量蒸汽或氣體流量時還要受到膨脹性系數(shù)的制約。

 

      蒸汽和氣體流過節(jié)流件時總有一定的壓降，導(dǎo)致蒸汽和氣體密度減小?？膳蛎浶韵禂?shù)ε是對流體流過節(jié)流件時密度發(fā)生變化而引起的流量系數(shù)變化的修正。

 

      常用流量條件下的ε已在設(shè)計節(jié)流裝置時予以解決。也就是說，如果儀表在常用流量條件下使用，ε不引起附加誤差。但是偏離常用流量之后，必定引起附加誤差。

 

      GB/T 2624-93給出了標(biāo)準(zhǔn)孔板ε關(guān)系式，即角接取壓、法蘭取壓和徑距取壓時ε都可用式（2）表示[1]

 

      

 

      式中：ε1為使用狀態(tài)下的可膨脹性系數(shù)；β為直徑比；△P為差壓，Pa；P1為使用狀態(tài)下節(jié)流件前流體絕對壓力，Pa；k為等熵指數(shù)。

 

      實際可膨脹性系數(shù)偏離設(shè)計狀態(tài)可膨脹性系數(shù)時引起的附加誤差可用式（3）表示

 

      

 

      式中：δε1/ε1d為偏離常用流量時ε1引入的附加誤差；ε1f為使用狀態(tài)ε1值；ε1d為設(shè)計狀態(tài)（常用流量條件下）ε1值。

 

 

 

      表1所示為一臺DN150、0～6000 kg/h、△P=40 kPa、P1=0.8 MPa（絕壓）的蒸汽流量計的各特征點ε值[3]。

 

      從表中可清楚地看出，如果常用流量為70%qmmax，則實際流量為40%qmmax時ε引起的誤差已大于0.6%。

 

      在流量小于常用流量時ε1偏大，所以引入的流量示值誤差為負(fù)值。

 

      1.4 節(jié)流式差壓流量計的不確定度

 

      節(jié)流式差壓流量計的不確定度由好幾個部分組成。GB/T 2624-93給出了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計不確定度公式[1]

 

      

 

      式中：δC/C為流出系數(shù)不確定度；δε1/ε1。為可膨脹性系數(shù)不確定度；β為直徑比；δD/D為管道內(nèi)徑的不確定度；δd/d為節(jié)流件開孔直徑的不確定度；δ△P/△P為差壓計的不確定度；δρ1/ρ1。為流體密度測量的不確定度。

 

      上面的討論僅僅涉及到式（4）中的C、ε1和△P，從數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可清楚地看出，被測流量偏離常用流量后，從測量原理來說就將引起附加誤差，而且，百分率流量越小附加誤差越大，因而儀表范圍度受到制約。

 

      2 均速管流量計

 

      有些均速管流量計資料介紹，范圍度可達(dá)10：1。這是由其結(jié)構(gòu)決定的。均速管測量的是管道流通截面上的平均流速，因而受雷諾數(shù)影響不明顯。

 

      圖2所示為管道內(nèi)流速分布同管道雷諾數(shù)的關(guān)系圖[2] 。在雷諾數(shù)大到一定數(shù)值時，為充分發(fā)展紊流，管道中心與其他部位的流速差異較小。而在雷諾數(shù)較小（層流）時，管道中心流速比其他部位高得多，而有些均速管的靜壓和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的差壓信號是從管壁上取出的，因而隨著雷諾數(shù)的減小負(fù)誤差相應(yīng)增大。

 

 

 

      均速管流量計的可膨脹性系數(shù)影響也較小，這是因為插入測量管內(nèi)的檢測桿對流體的阻力小，因而輸出的差壓信號很小，這就使得ε總是接近1，這從式（2）中可清楚看出。

 

      均速管流量計在這兩點上比節(jié)流式差壓流量計有優(yōu)越性，應(yīng)具有比標(biāo)準(zhǔn)孔板高得多的測量精確度和大得多的范圍度。但就整個測量系統(tǒng)來說，這一結(jié)論不一定是正確的。因為同樣是差壓信號小這一點，對于減小ε影響來說是積極的作用，但對差壓測量來說卻是負(fù)面影響。

 

      均速管流量計常用來測量低靜壓、低流速、大口徑氣體流量。在此類應(yīng)用場合，差壓信號往往只有幾十帕，因為均速管流量計的滿量程差壓不象節(jié)流式差壓流量計那樣可由設(shè)計者選取。而微差壓變送器精確度等級一般只能做到0.5級，因此，要得到大的范圍度可能性也不大。即使是密度較大、流速也較高的流體，常用流量條件下差壓也只有幾千帕。如果被測流體為干燥氣體，條件尚好；如果是濕氣體或蒸汽，由于差壓信號在從均速管傳送到差壓變送器過程中很容易產(chǎn)生傳送失真，從而使系統(tǒng)誤差增大。曾經(jīng)有一個用戶反映，采用一種新型差壓式流量計測量蒸汽流量，滿量程差壓8kPa，流量計投入運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)示值顯著偏低，在流量為零時，差壓變送器輸出大大低于4mA（差壓計零位是準(zhǔn)的）。經(jīng)分析，此反向差壓是由于引壓管線安裝欠合理引起的。而滿量程差壓太小，使得差壓信號傳送失真對系統(tǒng)的影響變得嚴(yán)重。

 

      在節(jié)流式差壓流量計用來測量蒸汽流量時，人們大多喜歡取滿量程差壓在40～60kPa之間，為的就是在永久性壓損不太大而能被工藝所接受的前提下，盡量使差壓信號大一些，從而降低對差壓信號傳送失真的要求。

 

      由上述分析可知，不能只談均速管本身能夠達(dá)到的精確度和范圍度，而更具實用價值的是流量測量系統(tǒng)的精確度和范圍度。因為均速管輸出的差壓信號，總要有差壓測量儀表和顯示儀表的配合，使用者才能獲得流量讀數(shù)。

 

      3 節(jié)流式差壓流量計范圍度的拓寬

 

      與均速管差壓流量計相比，節(jié)流式差壓流量計的滿量程差壓可根據(jù)測量點條件選擇一個最佳值，這是其優(yōu)點。但是流出系數(shù)的非線性和可膨脹性系數(shù)變化影響大是它固有的不足。如果不顧C(jī)和ε 的影響，只是簡單地?fù)Q上高精確度差壓變送器，百分率流量較小時系統(tǒng)精確度仍舊提不高，所以范圍度仍然得不到拓寬。值得慶幸的是，自從儀表實現(xiàn)智能化以后，人們獲得了有力的工具，因為儀表的計算功能大大增強(qiáng)，可以根據(jù)式（1）在線計算流出系數(shù)，從而修正雷諾數(shù)對流出系數(shù)的影響。

 

      在節(jié)流式差壓流量計用來測量蒸汽或氣體流量時，人們不僅可經(jīng)智能流量二次儀表對溫度壓力工況的變化進(jìn)行恰到好處的補(bǔ)償，而且能根據(jù)式（2）對ε 影響進(jìn)行在線修正，從而將差壓流量計的范圍度拓寬到10：1。

 

      將節(jié)流裝置、差壓變送器、壓力變送器、溫度傳感器及它們的輔助裝置組合起來組成的智能一體化節(jié)流式流量計，不僅安裝簡單，工期縮短，而且因為引壓管線短，配置合理，所以不會產(chǎn)生差壓信號傳送失真，對保證系統(tǒng)精確度有顯著效果。

 

      智能一體化節(jié)流式流量計中的顯示裝置除了可引入流出系數(shù)在線校正、ε1自動補(bǔ)償之外，還可用折線法對差壓變送器各校驗點的誤差進(jìn)行自動修正，因而系統(tǒng)精確度大大提高。在此基礎(chǔ)上，范圍度可提高到10：1以上[5-6] 。

 

      4 在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上的驗證

 

      上面對差壓式流量計范圍度的分析和所提出的拓寬范圍度、提高系統(tǒng)精確度的方法是否真的有效，須由實踐來檢驗。為此作者分別在（容積法）水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和（鐘罩）空氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上作了驗證。

 

      其中差壓測量采用EJA110A型差壓變送器，雷諾數(shù)對流出系數(shù)影響和可膨脹性系數(shù)對計量精確度的影響（介質(zhì)為空氣時）均按GB2624-93中的表達(dá)式，在流量顯示裝置中進(jìn)行補(bǔ)償（測量空氣流量時，還進(jìn)行了溫度壓力補(bǔ)償和壓縮系數(shù)補(bǔ)償），驗證結(jié)果如下：

 

      在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上，驗證了DN50和DN100一體化節(jié)流式流量計，在滿量程的10%～100%范圍內(nèi)，取6個試驗點，最大系統(tǒng)誤差為示值的0.80%（各點誤差數(shù)據(jù)從略）。

 

      在空氣標(biāo)準(zhǔn)裝置上，驗證了DN100和DN150一體化節(jié)流式流量計，在滿量程的10%～50%范圍內(nèi)，取5個試驗點，（由于鐘罩的壓頭不足，流量只能升到50%FS）最大系統(tǒng)誤差為示值的1.40%（各點誤差數(shù)據(jù)從略）

 

      展望未來，前景更加光明。我國現(xiàn)在實施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2624-93流量測量節(jié)流裝置，用孔板、噴嘴、文丘里管測量充滿圓管的流體流量，是等效采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5167-1（1991），國際上經(jīng)過十多年的大量實驗研究與總結(jié)，在2003年3月由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO正式公布了最新的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5167：2003（E）， 流出系數(shù)和可膨脹性系數(shù)采用了精確度更高的公式，可以相信，待我國采用最新的國際標(biāo)準(zhǔn)化后，我們按照新的國家標(biāo)準(zhǔn)制造和使用的節(jié)流式差壓流量計，能獲得的系統(tǒng)精確度將更高。