差压式流量计

 1、被测量的介质

 2、被测量介质的温度

 3、被测量介质的压力

 4、被测量介质的流量

 5、要求的测量精度

 6、现场工矿情

 

 差压式流量计(以下简称DPF或流量计)是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。DPF由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件的型式对DPF分类，如孔扳流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流量显示及计算仪表，它已发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。差压计既可用于测量流量参数，也可测量其他参数(如压力、物位、密度等)。

 

 DPF按其检测件的作用原理可分为节流式、动压头式、水力阻力式、离心式、动压增益式和射流式等几大类，其中以节流式和动压头式应用最为广泛。

 

 节流式DPF的检测件按其标准化程度分为标准型和非标准型两大类。所谓标准节流装置是指按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流校准即可确定其流量值并估算流量测量误差，非标准节流装置是成熟程度较差，尚未列入标准文件中的检测件。

 

 标准型节流式DPF的发展经过漫长的过程，早在20世纪20年代，美国和欧洲即开始进行大规模的节流装置试验研究。用得最普遍的节流装置--孔板和喷嘴开始标准化。现在标准喷嘴的一种型式ISA l932喷嘴，其几何形状就是30年代标准化的，而标准孔板亦曾称为ISA l932孔板。节流装置结构形式的标准化有很深远的意义，因为只有节流装置结构形式标准化了，才有可能把国际上众多研究成果汇集到一起，它促进检测件的理论和实践向深度和广度拓展，这是其他流量计所不及的。1980年ISO(国际标准化组织)正式通过国际标准ISO 5167，至此流量测量节流装置第一个国际标准诞生了。ISO 5167总结了几十年来国际上对为数有限的几种节流装置(孔板、喷嘴和文丘里管)的理论与试验的研究成果，反映了此类检测件的当代科学与生产的技术水平。但是从ISO 5167正式颁布之日起，它就暴露出许多亟待解决的问题，这些问题主要有以下几个方面。 

 

 1)ISO 5167试验数据的陈旧性 ISO 5167中采用的数据大多是30年代的试验结果，今天无论节流装置制造技术，流量试验设备及实验技术都有巨大的进步，重新进行系统地试验以获得更高精确度及更可靠的数据是必要的。进入80年代美国和欧洲都进行大规模的试验，为修订ISO 5167打下基础。 

 

 2) ISO 5167中关于直管段长度规定的问题 在ISO投票通过ISO 5167时，美国投了反对票，其主要原因是对直管段长度的规定有不同意见，这个问题应是ISO 5167修订的主要问题之一。

 

 3) ISO 5167中各项规定的科学性问题 影响节流装置流出系数的因素特别多，主要有孔径与管径的比值β、取压装置、雷诺数、节流件安装偏心度、前后阻流件类型及直管段长度、孔板入口边缘尖锐度、管壁粗糙度、流体流动湍流度等，众多因素影响错综复杂，有的参数难以直接测量，因此标准中有些规定并非科学地确定，而是为了取得一致，不得不人为地确定。著名流量专家斯宾塞(E．A．Spencer)提出一系列应重新检讨的问题，如孔板平直度、同心度、直角边缘尖锐度、管道粗糙度、上游流速分布及流动调整器的作用等。

 

 4)关于节流式DPF测量精确度提高的问题 鉴于节流式DPF在流量计中占有重要地位，提高其测量精确度意义重大。历次国际学术会议认为必须使流量测量工作者、流体力学与计算机技术工作者紧密合作共同攻关才能解决此问题。

 

 20世纪80年代美国和欧洲开始进行大规模的孔板流量计试验研究，欧洲为欧共体实验计划(EEC Experimental Program)，美国为API实验计划(API Experimental Program)。试验的目的是用现代最新测试设备及试验数据的统计处理技术进行新一轮的范围广泛的试验研究，为修订ISO 5167打下技术基础。1999年ISO发出ISO 5167的修订稿(ISO／CD 5167-1-4)，该文件为委员会草案，它在技术内容与编辑上都有很大改动，是一份全新的标准。本来预定于1999年7月在美国丹佛举行的ISO／TC30／SC2会议上审查通过为DIS(标准草案)，但是会议认为尚有细节问题应再商榷而未能通过。新的ISO 5167标准何时正式颁布尚不得而知。ISO 5167新标准在标准的两个核心内容皆有实质性变化，一是孔板的流出系数公式，用Reader-Harris/Gallagher计算式(R-G式)代替Stolz计算式，另一为节流装置上游侧直管段长度的规定以及流动调整器的使用等。

 

 我们通常称ISO 5167(GB／T2624)中所列节流装置为标准节流装置，其他的都称为非标准节流装置，应该指出，非标准节流装置不仅是指那些节流装置结构与标难节流装置相异的，如果标准节流装置在偏离标准条件下工作亦应称为非标准节流装置，例如，标准孔板在混相流或标准文丘里喷嘴在临界流下工作的都是。

 

 目前非标准节流装置大致有以下一些种类：

 

 1)低雷诺数用 1／4圆孔板，锥形入口孔板，双重孔板，双斜孔板，半圆孔板等；

 

 2)脏污介质用 圆缺孔板，偏心孔板，环状孔板，楔形孔板，弯管节流件等；

 

 3)低压损用 罗洛斯管，道尔管，道尔孔板，双重文丘里喷嘴，通用文丘里管，Vasy管等；

 

 4)小管径用 整体(内藏)孔板；

 

 5)端头节流装置 端头孔板，端头喷嘴，Borda管等；

 

 6)宽范围度节流装置 弹性加载可变面积可变压头流量计(线性孔板)；

 

7)毛细管节流件 层流流量计；

 

 8)脉动流节流装置；

 

 9)临界流节流装置 音速文丘里喷嘴；

 

 10)混相流节流装置。 

 

 节流式DPF现场应用的不断拓展必然提出发展非标准节流装置的要求，十余年来ISO亦在不断制订有关非标准节流装置的技术文件，在它们不能成为正式标准之前作为技术报告发表。可以预见，今后有可能若干较为成熟的非标准节流装置会晋升为标准型的。

 

 20世纪90年代中后期世界范围内各式DPF销售量在流量仪表总量中台数占50％-60％(每年约百万台)，金额占30％左右。我国销售台数约占流量仪表总量(不包括家用燃气表和家用水表及玻璃管浮子流量计)的35％-42％(每年6万-7万台)。

 

　2 工作原理

 

　2.1 基本原理

 

 充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，如图4.1所示，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础的。压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关，例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质(密度、粘度)不同时，在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。

 

 2.2 流量方程

 

 式中 qm--质量流量，kg/s;

 

 qv--体积流量，m3/s;

 

 C--流出系数；

 

 　ε--可膨胀性系数；

 

 β--直径比，β=d/D;

 

d--工作条件下节流件的孔径，m；

 

 D--工作条件下上游管道内径，m；

 

 △P--差压，Pa； 

 

 ρl--上游流体密度，kg/m3。

 

 由上式可见，流量为C、ε、d、ρ、△P、β(D)6个参数的函数，此6个参数可分为实测量[d，ρ，△P，β(D)]和统计量(C、ε)两类。

 

 (1)实测量 

 

 1)d、D 式(4．1)中d与流量为平方关系，其精确度对流量总精度影响较大，误差值一般应控制在±0．05％左右，还应计及工作温度对材料热膨胀的影响。标准规定管道内径D必须实测，需在上游管段的几个截面上进行多次测量求其平均值，误差不应大于±0．3％。除对数值测量精度要求较高外，还应考虑内径偏差会对节流件上游通道造成不正常节流现象所带来的严重影响。因此，当不是成套供应节流装置时，在现场配管应充分注意这个问题。

 

 2)ρ ρ在流量方程中与△P是处于同等位置，亦就是说，当追求差压变送器高精度等级时，绝不要忘记ρ的测量精度亦应与之相匹配。否则△P的提高将会被ρ的降低所抵消。 

 

 3)△P 差压△P的精确测量不应只限于选用一台高精度差压变送器。实际上差压变送器能否接受到真实的差压值还决定于一系列因素，其中正确的取压孔及引压管线的制造、安装及使用是保证获得真实差压值的关键，这些影响因素很多是难以定量或定性确定的，只有加强制造及安装的规范化工作才能达到目的。

 

 (2)统计量 

 

 1)C 统计量C是无法实测的量(指按标准设计制造安装，不经校准使用)，在现场使用时最复杂的情况出现在实际的C值与标准确定的C值不相符合。它们的偏离是由设计、制造、安装及使用一系列因素造成的。应该明确，上述各环节全部严格遵循标准的规定，其实际值才会与标准确定的值相符合，现场是难以完全满足这种要求的。

 

 应该指出，与标准条件的偏离，有的可定量估算(可进行修正)，有的只能定性估计(不确定度的幅值与方向)。但是在现实中，有时不仅是一个条件偏离，这就带来非常复杂的情况，因为一般资料中只介绍某一条件偏离引起的误差。如果许多条件同时偏离，则缺少相关的资料可查。

 

 2)ε 可膨胀性系数ε是对流体通过节流件时密度发生变化而引起的流出系数变化的修正，它的误差由两部分组成：其一为常用流量下ε的误差，即标准确定值的误差；其二为由于流量变化ε值将随之波动带来的误差。一般在低静压高差压情况，ε值有不可忽略的误差。当△P／P≤0.04时，ε的误差可忽略不计。

 

 3 分 类

 

 分类原则 分 类 类　型 

 

 按产生差压的作用原理分类 1)节流式；2)动压头式；3)水力阻力式；4)离心式；5)动压增益式；6)射流式 

 

 按结构形式分类 1)标准孔板；2)标准喷嘴；3)经典文丘里管；4)文丘里喷嘴；5)锥形入口孔板；6)1/4圆孔板；7)圆缺孔板；8)偏心孔板；9)楔形孔板；10)整体(内藏)孔板；11)线性孔板；12)环形孔板；13)道尔管；14)罗洛斯管；15)弯管；16)可换孔板节流装置；17)临界流节流装置 

 

 按用途分类 1)标准节流装置；2)低雷诺数节流装置；3)脏污流节流装置；4)低压损节流装置；5)小管径节流装置；6)宽范围度节流装置；7)临界流节流装置； 

 

 3.1 按产生差压的作用原理分类

 

1)节流式 依据流体通过节流件使部分压力能转变为动能以产生差压的原理工作，其检测件称之为节流装置，是DPF的主要品种。

 

 2)动压头式 依据动压转变为静压的原理工作，如均速管流量计。

 

 3)水力阻力式 依据流体阻力产生的压差原理工作，检测件为毛细管束，又称层流流量计，一般用于微小流量测量。 

 

 4)离心式 依据弯曲管或环状管产生离心力原理形成的压差工作，如弯管流量计，环形管流量计等。 

 

 5)动压增益式 依据动压放大原理工作，如皮托-文丘里管。

 

 6)射流式 依据流体射流撞击产生原理工作，如射流式差压流量计。

 

 3.2 按结构形式分类

 

 1) 标准孔板 又称同心直角边缘孔板，其轴向截面如图4.2所示。孔板是一块加工成圆形同心的具有锐利直角边缘的薄板。孔板开孔的上游侧边缘应是锐利的直角。标准孔板有三种取压方式：角接、法兰及D-D/2取压；如图4.3所示。为从两个方向的任一个方向测量流量，可采用对称孔板，节流孔的两个边缘均符合直角边缘孔板上游边缘的特性，且孔板全部厚度不超过节流孔的厚度。

 

2) 标准喷嘴 有两种结构形式：ISA 1932喷嘴和长径喷嘴。

 

 a. ISA 1932喷嘴(图4.4) 上游面由垂直于轴的平面、廓形为圆周的两段弧线所确定的收缩段、圆筒形喉部和凹槽组成的喷嘴。ISA 1932喷嘴的取压方式仅角接取压一种。

 

 b. 长径喷嘴(图4.5) 上游面由垂直于轴的平面、廓形为1/4椭圆的收缩段、圆筒形喉部和可能有的凹槽或斜角组成的喷嘴。长径喷嘴的取压方式仅D-D/2取压一种。

 

 

3) 经典文丘里管 由入口圆筒段A、圆锥收缩段B、圆筒形喉部C和圆锥扩散段E组成，如图4.6 所示。根据不同的加工方法，有以下结构形式：①具有粗铸收缩段的；②具有机械加工收缩段的；③具有铁板焊接收缩段的。不同结构形式的L1、L2、R1、R2与D、d的关系如表4.2所示。

 

 

4)文丘里喷嘴 由进口喷嘴、圆筒形喉部及扩散段组成，如图4.7所示。

 

 5)锥形入口孔板 锥形入口孔板与标准孔板相似，相当于一块倒装的标准孔板，其结构如图4 . 8所示，取压方式为角接取压。 

 

　　注 粗 铸 入 口 机械加工的入口 粗焊的铁板入口 

 

 

 1 ±0.25D(100mm＜D＜150mm) L1=0.5D±0.05D L1=0.5D±0.05D 

 

 2 L2=1D或0.25D+250mm两个量中的小者 L2≥D(入口直径) L2≥D(入口直径) 

 

 3 R1=1.375D+20% R1＜0.25D R1=0,焊缝除外 

 

 4 R2=3.625d至3.8d R2＜0.25D R2=0,焊缝除外 1一环隙；2-夹持环；3一上游端面A；4-下游端面B；

 

 5-轴线；6-流向；7-取压口；8-孔板；　X-带环隙的夹持环；Y-单独取压口