雙量程差壓式流量計(jì)實(shí)現(xiàn)全量程高精度測量

于 杰

(中國石化集團(tuán)上海工程有限公司，上海 200120)

1 前言

流量計(jì)的量程比，對(duì)于各種流量計(jì)都是指最大流量和最小流量之比，即量程比為3∶1～3.5∶1左右。當(dāng)量程比擴(kuò)大了，就很難保證該儀表選型樣本所保證的儀表精度。但現(xiàn)場實(shí)際情況卻往往存在量程比為10∶1，特別當(dāng)該流量計(jì)又用于計(jì)量用途時(shí)更需要精確。雙量程差壓式流量計(jì)從理論到實(shí)際解決了這一個(gè)長期困擾的問題。

2 原理

現(xiàn)在，差壓式流量計(jì)在流量測量中使用得仍然很普遍。這是因?yàn)檫@種流量計(jì)具有穩(wěn)定性佳，耐振性好，抗干擾能力強(qiáng)，使用和檢定方便等優(yōu)點(diǎn)，但其相對(duì)流量較小時(shí)，測量精度低，甚至進(jìn)入小流量信號(hào)切除，使供方利益受損。

節(jié)流式差壓流量計(jì)的一般表達(dá)式[1]：

式中：qm—質(zhì)量流量，kg/s；

C——流出系數(shù)；

β—直徑比，β=d/D；

d —工作條件下節(jié)流件的孔徑，m；

D —工作調(diào)節(jié)下上游管道內(nèi)徑，m；

式中：qm—質(zhì)量流量，kg/h；

這一關(guān)系式如果用圖1表示，則更為明了、形象。

從公式和曲線可看出，在流量較大時(shí)，節(jié)流裝置送出的差壓信號(hào)幅值較大，所以可測量得較準(zhǔn)，但流量較小時(shí)，節(jié)流裝置送出的差壓信號(hào)幅值很小，例如：在10%FS流量時(shí)，差壓信號(hào)只有滿量程的1%。差壓式流量計(jì)測量如此小的流量，精度就較低。

圖1 qm = f (ΔP)曲線

解決這一問題的方法是用大小兩桿秤，在流量大的時(shí)候用大秤，在流量小的時(shí)候用小秤。雙量程差壓式流量計(jì)就是根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)的。所謂雙量程差壓流量計(jì)即指一個(gè)節(jié)流裝置采用兩臺(tái)差壓變送器。

使用雙量程差壓式流量計(jì)的檢測裝置可用標(biāo)準(zhǔn)孔板、多孔孔板（A+K平衡流量計(jì)）等一個(gè)雙量程節(jié)流一次元件，采用兩臺(tái)差壓變送器。其中一臺(tái)差壓變送器測量上限較高，另一臺(tái)差壓變送器測量上限很小，一般只有3 kPa或更小，兩路信號(hào)同時(shí)送入智能化二次儀表，進(jìn)行計(jì)算、判斷和自動(dòng)切換，得到流量值，從而將大流量和小流量都計(jì)算得很準(zhǔn)。

3 問題

要實(shí)現(xiàn)雙量程差壓流量測量還需解決以下問題：

3.1 雷諾數(shù)（ReD）補(bǔ)償

由雷諾數(shù)的表達(dá)式可知[2]，管道內(nèi)流動(dòng)流體的雷諾數(shù)與流體的流量成正比。

式中：ReD— 與D有關(guān)的雷諾數(shù)；

qm— 質(zhì)量流量，kg/s；

μ — 流體的動(dòng)力粘度， Pa · s；

D — 管道內(nèi)徑，m。

所以，流體流量在廣闊的范圍內(nèi)變化時(shí)，雷諾數(shù)也在較大的范圍內(nèi)變化。而差壓式流量計(jì)的流出系數(shù)又是雷諾數(shù)的函數(shù)，因此，需對(duì)流出系數(shù)進(jìn)行在線補(bǔ)償，才能保證全量程的測量精確度。

以GB 2624-2006中的表達(dá)式為例進(jìn)行分析[2]。

式（4）所示為標(biāo)準(zhǔn)孔板（角接取壓）流出系數(shù)C表達(dá)式。

式中：C — 流出系數(shù)；

β— 直徑比；

ReD— 與D有關(guān)的雷諾數(shù)。

式（6）所示的關(guān)系如果用圖表示，更加直觀和形象[3]（見圖2）。

圖2 典型標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)隨雷諾數(shù)變化曲線（β= 0.6）

在圖2中，隨著雷諾數(shù)ReD的減小，流出系數(shù)C逐漸增大。在雙量程差壓流量計(jì)的低量程段，往往就處于曲線的迅速升高段，如果不進(jìn)行補(bǔ)償，必將導(dǎo)致流量示值明顯偏低。

3.2 可膨脹性系數(shù)（ ε）校正

可膨脹性系數(shù)的表達(dá)式仍以GB2624-2006為例。式（5）所示為標(biāo)準(zhǔn)孔板表達(dá)式。

ΔP — 差壓，Pa；

P1— 節(jié)流件正端取壓口流體靜壓力，Pa(A)；

κ— 等熵指數(shù)。

在雙量程差壓式流量計(jì)中，流體流量在廣闊的范圍內(nèi)變化，相應(yīng)的差壓信號(hào)變化幅度更大。例如：流量變化20倍，相應(yīng)的差壓變化就達(dá)到400倍，這種變化引起 值的變化很可觀，對(duì)其進(jìn)行在線校正，意義比C的補(bǔ)償更大。

4 應(yīng)用

據(jù)上海同欣自動(dòng)化儀表公司（原上海寶科自動(dòng)化儀表研究所）的FDId型儀表針對(duì)以上問題做出兩項(xiàng)改進(jìn)：

其一：引入了雷諾數(shù)（ReD）補(bǔ)償。

其二：進(jìn)行了可膨脹系數(shù)（ε）校正。

從而在實(shí)際流量偏離常用流量時(shí)，能獲得與常用流量時(shí)相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)精度。同時(shí)該儀表采用一體化結(jié)構(gòu)，從而消除差壓信號(hào)在長距離傳遞中所存在的失真。

同欣公司承諾，這種流量計(jì)用來測量蒸汽流量時(shí)，能達(dá)到下列指標(biāo)：

量程比：30：1；

系統(tǒng)精確度：±1.5%；

可測范圍：1～100%；

保證精度范圍：3～100%；

流體溫度：≤560℃；

流體壓力：≤6.4 MPa；

全量程溫度、壓力補(bǔ)償。

根據(jù)同欣公司介紹，這種儀表已在天津石化、上海高橋石化、張家港恒通熱電、張家港永興熱電、寧波熱電、上海焦化、山東渤海實(shí)業(yè)等十多個(gè)單位投入正常運(yùn)行。

圖3 FDId500雙量程流量計(jì)在某石化廠實(shí)際運(yùn)行曲線

圖3所示圖例是一臺(tái)FDId500（DN500）雙量程流量計(jì)在某石化廠的實(shí)際運(yùn)行曲線。數(shù)據(jù)采集歷史曲線圖中的1、2、3、4四根曲線，分別是蒸汽壓力、蒸汽溫度、蒸汽密度和蒸汽質(zhì)量流量。其中，質(zhì)量流量測量上限為100 t/h（對(duì)應(yīng)差壓100 kPa），在讀數(shù)線所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，質(zhì)量流量讀數(shù)為0.93 t/h，這時(shí)，低量程差壓變送器（帶開平方）輸出電流約為4.86 mA。從而將原本已進(jìn)入小信號(hào)切除區(qū)域的流量予以可靠顯示。

5 小結(jié)

雙量程差壓流量計(jì)已應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，并在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生理想的效果。鑒于雙量程差壓流量計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展與改進(jìn)，經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)大量程比的測量已不是難事。

[1] ISO5167-2(2003E) Measurement of fluid by means of pressure differential devices inserted in circular-corss section conduits running full-part2: orifice Plates.

[2] GB 2624-2006 流量測量節(jié)流裝置. 用孔板、噴嘴和文丘里管測量充滿圓管的流體流量.

[3] 王建忠, 紀(jì)綱. 差壓式流量計(jì)范圍度問題的研究[J]. 自動(dòng)化儀表2005(8): 4～6, 9.