一、前言 

差壓式流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱DPF或流量計(jì))是根據(jù)安裝于管道中流量檢測(cè)件產(chǎn)生的差壓、已知的流體條件和檢測(cè)件與管道的幾何尺寸來測(cè)量流量的儀表。DPF由一次裝置(檢測(cè)件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測(cè)件的型式對(duì)DPF分類，如孔扳流量計(jì)、文丘里管流量計(jì)及均速管流量計(jì)等。二次裝置為各種機(jī)械、電子、機(jī)電一體式差壓計(jì)，差壓變送器和流量顯示及計(jì)算儀表，它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標(biāo)準(zhǔn)化)程度很高的種類規(guī)格龐雜的一大類儀表。差壓計(jì)既可用于測(cè)量流量參數(shù)，也可測(cè)量其他參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。

 

二、選用要點(diǎn)

DPF應(yīng)用領(lǐng)域*其廣泛，封閉管道各種測(cè)量對(duì)象都有應(yīng)用：流體方面，單相、混相、潔凈、臟污；工作狀態(tài)方面，常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫；管徑方面，從幾毫米到幾米；流動(dòng)條件方面：亞音速流、臨界流、脈動(dòng)流。并且在上述各方面都有大量的理論和實(shí)踐的資料可供參考。

 

20世紀(jì)50年代以前在過程控制工程中幾乎是惟一的流量計(jì)，后來各種類型流量計(jì)相繼登場(chǎng)，打破了其一統(tǒng)天下的局面，幾十年來它占的份額一直在下降，當(dāng)然絕對(duì)用量仍在增加。應(yīng)該看到，DPF三個(gè)組成部分一直在更新發(fā)展著，尤其80年代以后借助微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、新材料及先進(jìn)加工技術(shù)的發(fā)展，差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示計(jì)算部分有突破性進(jìn)展。DPF無論可靠性，精確度及功能多樣化已今非昔比。近年一些創(chuàng)新思路，如一體式、定值節(jié)流件等的開發(fā)更使它有中興的感覺。

 

DPF的關(guān)鍵部分--檢測(cè)件是*難更新?lián)Q代的部分，現(xiàn)在亦有了新的發(fā)展思路，即把流量測(cè)量工作者、流體力學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)工作者三方面人員的特長(zhǎng)結(jié)合起來可以有效地攻下這個(gè)堡壘。可以預(yù)計(jì)，DPF在流量計(jì)中仍會(huì)占據(jù)重要的位置。

 

選用考慮因素的五個(gè)方面為儀表性能、流體特性、安裝條件、環(huán)境條件和經(jīng)濟(jì)因素，現(xiàn)分述如下。

 

儀表性能方面

(1) 精確度、重復(fù)性、線性度、流量范圍和范圍度

表4.3所示為流量測(cè)量節(jié)流裝置的主要技術(shù)參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置規(guī)定有嚴(yán)格的使用范圍，包括管徑、節(jié)流件孔徑、直徑比、雷諾數(shù)范圍、管壁粗糙度等。在這些使用范圍內(nèi)可以應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)文件（GB/T 2624）中提供的流出系數(shù)和可膨脹性系數(shù)，如表4.4所示。應(yīng)該指出，非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的使用范圍及其計(jì)算式僅作參考，一般來說，它要可靠地應(yīng)用還是實(shí)流校準(zhǔn)為好。如果節(jié)流裝置進(jìn)行個(gè)別實(shí)流校準(zhǔn)，則其使用范圍不受表列參數(shù)限制，例如開封儀表廠曾實(shí)流校準(zhǔn)管徑達(dá)DN1600的文丘里管流量計(jì)用于水流量計(jì)量，又如標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定管徑應(yīng)不小于DN50，現(xiàn)在使用的小管徑節(jié)流裝置則遠(yuǎn)低于此值，但是它們必須逐臺(tái)進(jìn)行個(gè)別校準(zhǔn)才能投用。由表4.4可見，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的流出系數(shù)的不確定度遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)孔板，這是由于廓形節(jié)流件的精確復(fù)制比較困難，如果標(biāo)準(zhǔn)噴嘴進(jìn)行實(shí)流校準(zhǔn)，則亦可得高精確度。DPF的精確度在很大程度上決定于現(xiàn)場(chǎng)的使用條件，如果節(jié)流裝置的制造質(zhì)量符合要求，則影響因素主要為兩方面：流體的物性參數(shù)的確定和流體流動(dòng)特性是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。這兩方面我們?cè)诹黧w特性和安裝條件中再談。

整套流量計(jì)的精確度還決定于差壓變送器和流量顯示儀的精確度。目前有一種傾向盡量采用高精度的差壓變送器，在流量測(cè)量不確定度計(jì)算式可以看到，當(dāng)其他參數(shù)的精確度不高時(shí)采用高精度差壓變送器并不能起多大作用。流量顯示儀的作用主要在監(jiān)視運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定性等方面，它的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度一般是無問題的。因此，要提高測(cè)量的精確度應(yīng)有一個(gè)全面估計(jì)，這樣才能作出技術(shù)經(jīng)濟(jì)性*佳方案的選擇。

 

我們?cè)俅螐?qiáng)調(diào)，DPF是一種從設(shè)計(jì)、制造到安裝使用要求很嚴(yán)格的儀表，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失誤都會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，反過來說，如果你嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，它的精確測(cè)量是可保證的。DPF的重復(fù)性與其他流量計(jì)（電磁式，容積式，渦輪，渦街等）相比要低，其原因?yàn)檩敵鲂盘?hào)為模擬值易受干擾，尤其差壓引壓管線這一環(huán)節(jié)易使信號(hào)產(chǎn)生干擾波動(dòng)，正是由于重復(fù)性不高，影響到其精確度的提高。

 

DPF的輸出信號(hào)與流量為平方關(guān)系，是非線性儀表，這是造成范圍度窄的原因，實(shí)際上節(jié)流裝置在廣闊的雷諾數(shù)范圍內(nèi)其流出系數(shù)是穩(wěn)定的，因此目前采用兩種(或多種)量程的差壓變送器可以拓寬其范圍度(大于10:1以上)。近年已投用的彈性加載變面積變壓頭節(jié)流裝置則應(yīng)用其他工作原理增加其范圍度(可達(dá)100:1)。

 

⑵壓力損失

DPF壓力損失大是它的一個(gè)弱點(diǎn)，但是若仔細(xì)分析一下這里還有一些選用時(shí)可以選擇的余地。在DPF各類節(jié)流裝置中孔板和噴嘴是壓損較大的節(jié)流件，不過這里亦有差別。在同樣的流量及β值時(shí)噴嘴的壓損只為孔板壓損的30%-50%，也就是說噴嘴是較低壓損的。各種流量管（文丘里管、道爾管、羅洛斯管、通用文丘里管等）則是低壓損的節(jié)流裝置，它們壓損僅為孔板的20%，甚至低達(dá)5%-10%。這些節(jié)流裝置的開發(fā)應(yīng)用是今后一個(gè)努力方向。當(dāng)然，另一類動(dòng)壓頭式DPF（均速管流量計(jì)）則以低壓損著稱。

流體特性方面

 

流體特性分兩方面考慮。

⑴流體物性參數(shù)的確定

流體物性參數(shù)包括密度、粘度、等熵指數(shù)、濕度等，這些參數(shù)有的直接進(jìn)入流量方程，有的對(duì)流出系數(shù)、可膨脹性系數(shù)等產(chǎn)生影響。在這些參數(shù)中密度是*重要的。對(duì)密度的精確度與對(duì)差壓的精確度有同等數(shù)量級(jí)的要求，但是密度的精確確定卻遇到了困難，它是影響DPF精確度提高的一個(gè)重要原因。密度精確度不高的原因是，一般借助密度與組分、壓力和溫度的函數(shù)關(guān)系確定它，但是這個(gè)關(guān)系式的精確度數(shù)量往往并不明確，尤其對(duì)于混合物普遍缺乏精確的函數(shù)式。在這種情況下采用密度計(jì)測(cè)量是較好的，但是遺憾的是目前密度計(jì)品種規(guī)格不能滿足實(shí)際需要，并且價(jià)格貴，可靠性不高亦阻礙其廣泛使用。

 

粘度的精確度要求可以低些，它是用來計(jì)算雷諾數(shù)的，而雷諾數(shù)對(duì)流出系數(shù)的影響并不敏感；粘度的另一作用是確定被測(cè)介質(zhì)是否為牛頓流體，目前流量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)都限定被測(cè)介質(zhì)應(yīng)為牛頓流體。而由于石油化工等工業(yè)的發(fā)展，愈來愈多非牛頓流體需要測(cè)量，因此粘度這個(gè)參數(shù)今后會(huì)引起更大的重視的。

 

流體物性參數(shù)的確定除混合流體外，在高參數(shù)(高壓、高溫、低溫等)領(lǐng)域遇到了困難。許多物性參數(shù)缺乏高參數(shù)下的數(shù)據(jù)。

 

(2)流體的腐蝕、磨蝕、結(jié)垢、臟污等

這些特性對(duì)流量計(jì)使用的可靠性造成很大的威脅。DPF是以幾何尺寸來確定流量與信號(hào)的關(guān)系的，在長(zhǎng)期使用中保持幾何尺寸恒定成為保證測(cè)量精確度不變的關(guān)鍵因素。在使用中幾何尺寸變化不易覺察，也就是說流量特性已變而不知道，這是很危險(xiǎn)的。如何對(duì)付這個(gè)困難問題仍在探索中，例如采用可換孔板節(jié)流裝置就是為了便于檢查而采取的措施，另外采用并聯(lián)測(cè)量管路可以定期檢查清洗等等。流體的上述特性甚至用戶都不一定完全掌握的，需要了解流體這些特性以便采取預(yù)防措施，在不明確的情況下有時(shí)需要進(jìn)行一些試驗(yàn)。

 

安裝條件方面 

要應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)文件(GB/T 2624或ISO 5167)中的流出系數(shù)和可膨脹性系數(shù)，必須令投用的節(jié)流裝置與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置達(dá)到幾何相似和動(dòng)力學(xué)相似，現(xiàn)場(chǎng)的安裝條件是達(dá)到這兩個(gè)相似的重要因素，因此對(duì)節(jié)流裝置的安裝應(yīng)給予足夠的重視。

 

在安裝條件中節(jié)流件前后的必要直管段長(zhǎng)度往往令選用者為難，在推理式流量計(jì)中節(jié)流式DPF需要的直管段是比較長(zhǎng)的。另外現(xiàn)場(chǎng)阻流件類型遠(yuǎn)多于標(biāo)準(zhǔn)文件包括的，尤其是所謂組合式阻流件(兩種阻流件之間間隔很短)更是難以解決，按照GB/T 2624-93(或ISO 5167-1)遇到此類情況可以采用加裝流動(dòng)調(diào)整器解決，但是加裝流動(dòng)調(diào)整器所需的直管段亦是很長(zhǎng)的(約42D)。在此情況下有以下方案可供選擇：采用直管段長(zhǎng)度要求較短的節(jié)流裝置，例如經(jīng)典文丘里管或其他流量管；用實(shí)流校驗(yàn)方法確定現(xiàn)場(chǎng)條件下的流出系數(shù)，實(shí)流校驗(yàn)可以是在線的或離線的。

 

前面我們已談過引壓管線是節(jié)流式DPF的薄弱環(huán)節(jié)，近年來一體式節(jié)流式DPF的出現(xiàn)較好地解決了此問題，例如我國(guó)北方冬天蒸汽流量測(cè)量往往為引壓管線的保溫防凍傷腦筋，一體式DPF徹底解決了它。大多數(shù)流量計(jì)都有一體式和分離式兩種類型，它們的使用各有特點(diǎn)，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況予以選用，節(jié)流式DPF亦不例外。一體式DPF的差壓變送器必須適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的嚴(yán)酷環(huán)境條件，在有些情況，如管道較強(qiáng)振動(dòng)或強(qiáng)電磁干擾等還是采用分離式為好。

 

環(huán)境條件方面

DPF的差壓變送器和流量顯示儀兩部分有微處理器和電子元器件，它們對(duì)環(huán)境條件的要求與一般電子儀表是一樣的，在本書的其他章節(jié)中已有討論，這里就不再重述了。

 

經(jīng)濟(jì)因素方面

經(jīng)濟(jì)因素包括購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)、校驗(yàn)費(fèi)、維護(hù)費(fèi)和備品備件。

(1)購(gòu)置費(fèi)

DPF的檢測(cè)件購(gòu)置費(fèi)相對(duì)來說較便宜，但考慮其余兩部分：差壓變送器和流量顯示儀整套儀表就不一定便宜了。另外，它還可能需購(gòu)置一些輔助設(shè)備，如冷凝器、集氣器、沉降器和隔離器等亦應(yīng)估計(jì)到。

(2)安裝費(fèi)

分離型DPF的安裝比較麻煩，主要是差壓信號(hào)管路及其輔助設(shè)備的安裝，對(duì)于腐蝕臟污介質(zhì)之類采用隔離系統(tǒng)，其費(fèi)用還要高些。

(3)運(yùn)行費(fèi)

對(duì)于大口徑管道測(cè)量，能耗產(chǎn)生的運(yùn)行費(fèi)可能是筆大數(shù)目，當(dāng)然如選用低壓損節(jié)流裝置(經(jīng)典文丘里管等)亦是降低費(fèi)用的辦法，但是節(jié)流裝置的購(gòu)置費(fèi)又高了，應(yīng)該仔細(xì)核算一下。

(4)校驗(yàn)費(fèi)

DPF的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可節(jié)省檢測(cè)件的校驗(yàn)費(fèi)，不但制造者，使用者亦可免去實(shí)流校驗(yàn)的麻煩，這點(diǎn)意義深遠(yuǎn)。當(dāng)然DPF其余兩部分校驗(yàn)費(fèi)亦應(yīng)考慮，它們相對(duì)比較方便便宜。

(5)維護(hù)費(fèi)

DPF檢測(cè)件維護(hù)費(fèi)較少，其余兩部分有一定的維護(hù)費(fèi)。

(6)備品備件

DPF差壓和顯示儀表通用性強(qiáng)，對(duì)于大中型企業(yè)使用的流量?jī)x表數(shù)量較多時(shí)可集中選用某些型號(hào)規(guī)格，以節(jié)省備品備件數(shù)量。近年推廣定值節(jié)流件使節(jié)流裝置擺脫對(duì)號(hào)入座的局面，檢測(cè)件的購(gòu)置就很方便了，可減少備品備件數(shù)量。

以上各項(xiàng)費(fèi)用的綜合計(jì)算可以比較準(zhǔn)確地確定其經(jīng)濟(jì)性。

 

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的選擇原則

節(jié)流式DPF的*選檢測(cè)件當(dāng)然是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，為了選擇*合適的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，選型時(shí)應(yīng)從以下幾方面考慮：

1)管徑、直徑比和雷諾數(shù)范圍的限制條件；

2)測(cè)量精確度；

3)允許的壓力損失；

4)要求的*短直管段長(zhǎng)度；

5)對(duì)被測(cè)介質(zhì)侵蝕、磨損和臟污的敏感性；

6)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和價(jià)格；

7)安裝的方便性；

8)使用的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

 

根據(jù)上述幾方面，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的選型原則可歸納為以下幾點(diǎn)。

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置各種類型節(jié)流件應(yīng)用的管徑、直徑比和雷諾數(shù)范圍皆有一定的限制，在**標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2624-93(或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5167-1)中有詳細(xì)規(guī)定，例如孔板可應(yīng)用于比噴嘴和文丘里噴嘴更大的管徑范圍，經(jīng)典文丘里管各種類型之間的管徑范圍差別較大等等。

 

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置各種類型節(jié)流件的精確度在同樣差壓、密度測(cè)量精確度下，決定于流出系數(shù)與可膨脹性系數(shù)的不確定度。各種節(jié)流件的流出系數(shù)的不確定度差別較大，相比之下，孔板的流出系數(shù)的不確定度*小，廓形節(jié)流件(噴嘴、文丘里管)較大。廓形節(jié)流件較大的原因，是標(biāo)準(zhǔn)中給出的流出系數(shù)公式所依據(jù)的擬合的數(shù)據(jù)庫質(zhì)量較差。但是對(duì)廓形節(jié)流件進(jìn)行個(gè)別校準(zhǔn)，也可得到高的精確度。

 

在同樣差壓下，經(jīng)典文丘里管和文丘里噴嘴的壓力損失約為孔板與噴嘴的1/4-1/6。而在同樣的流量和相同的β值時(shí)噴嘴的壓力損失只有孔板的30％-50％。

 

在相同阻流件類型和直徑比情況下，經(jīng)典文丘里管的必要直管段長(zhǎng)度比孔板與噴嘴的要小得多。

 

測(cè)量易使節(jié)流件沾污、磨損及變形的被測(cè)介質(zhì)時(shí)，廓形節(jié)流件較孔板要優(yōu)越得多。

 

在加工制造及安裝等方面，孔板*為簡(jiǎn)單，噴嘴次之，文丘里噴嘴和經(jīng)典文丘里管*復(fù)雜，其造價(jià)亦依次遞增。管徑愈大，這種差別愈顯著。

 

孔板易取出檢查節(jié)流件質(zhì)量(采用可換孔板節(jié)流裝置)，噴嘴和文丘里管則需截?cái)嗔黧w，拆下管道才可檢查，比較麻煩。

 

中小口徑(DN50-DN100)節(jié)流裝置，取壓口尺寸和取壓位置的影響顯著，這時(shí)采用環(huán)室取壓有一定優(yōu)勢(shì)。