差壓式流量測量技術(shù)問答（二）差壓式流量計的測量元件或傳感器

天津石化煉油廠 汪玉忠

8 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置存在的主要問題是什么？

（1）測量準(zhǔn)確度、復(fù)現(xiàn)性在流量儀表中屬于中等，大約為1～2級，由于存在諸多影響因素，難以提高；

（2）測量范圍窄，由于差壓與流量平方關(guān)系成正比，量程比也很小；

（3）現(xiàn)場安裝條件高，尤其節(jié)流裝置前直管段難以滿足要求；

（4）節(jié)流裝置與差壓儀表間需要有引線、閥門連接，容易泄漏、堵塞和凍結(jié)，造成測量失靈；

（5）標(biāo)準(zhǔn)孔板的尖銳度隨運(yùn)行時間延長不斷磨損變鈍，測量準(zhǔn)確度下降；

（6）大管段標(biāo)準(zhǔn)孔板（直徑300mm以上）在高溫下運(yùn)行容易變形，形成凹凸面，影響測量準(zhǔn)確度；

（7）標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴壓損大。

9 采用標(biāo)準(zhǔn)孔板測量流量時，液體應(yīng)滿足什么條件？

（1） 液體必須充滿管道，并連續(xù)流過節(jié)流裝置；

（2）液體必須是單相的、均勻地通過節(jié)流裝置不能發(fā)生相變；

（3） 流體流動狀態(tài)是紊流，即雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)；

（4） 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置不適合測量脈動流和臨界流。

10 孔板取壓的五種方式，各有什么特點(diǎn)？

孔板取壓有五種方式：角接取壓法、法蘭取壓法、徑距取壓法、理論取壓法（縮流取壓法）和管接取壓法（損失取壓法），見圖3。

圖3 五種孔板取壓位置

（1） 管接取壓法（損失取壓法）：是一種古老的取壓方式，是希客斯坦（E.O.Hickstein）在1913年發(fā)布的。上游取壓口位置距孔板上游端面2.5D，下游取壓口位置距孔板下游端面8D。在下游取壓點(diǎn)是在流體經(jīng)過孔板后，流體的流束已經(jīng)完全充滿管道，所以上、下游形成的差壓比較小，另外在下游的8D之內(nèi)管壁粗糙度直接影響差壓值。此種取壓法除了少數(shù)的天然氣測量流量還保留外，基本不再使用。

（2）理論取壓法（縮流取壓法）：為了克服管接取壓法產(chǎn)生差壓小的缺點(diǎn)，將下游取壓點(diǎn)改為流體經(jīng)過孔板后流束收縮最小的位置，此處產(chǎn)生的差壓最大。但是流束收縮最小的位置是與直徑比（與β）有關(guān)的函數(shù)，所以這種取壓法的下游取壓點(diǎn)是不固定的，應(yīng)用起來很不方便，此方法只能作為理論分析用，沒有實際應(yīng)用。

（3）徑距取壓法：此方法是針對管接取壓法產(chǎn)生差壓小的缺點(diǎn)改進(jìn)而來，將下游取壓點(diǎn)的位置固定。在直徑比β小于0.735時，徑距法與理論法的數(shù)據(jù)很接近。在結(jié)構(gòu)上，沒有復(fù)雜的加工件，現(xiàn)場安裝使用很方便，在歐美國家應(yīng)用廣泛。

（4）角接取壓法：采用環(huán)室結(jié)構(gòu)，利用環(huán)室的均壓作用提高測量精度。環(huán)室的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工費(fèi)時、費(fèi)料、成本高，環(huán)室的取壓孔容易堵塞，不易疏通。

（5）法蘭取壓法：一般都在法蘭上取壓，結(jié)構(gòu)上比角接和環(huán)室要簡單，只是需要專用的孔板法蘭，不能用普通法蘭代替。

GB/T2624—93把徑距取壓法、角接取壓法和法蘭取壓法作為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的取壓方法。

11 由標(biāo)準(zhǔn)孔板衍生出來的各種非標(biāo)準(zhǔn)孔板各有什么特點(diǎn)？

為解決特殊情況的測量衍生許多非標(biāo)準(zhǔn)孔板，列出10種，見圖4所示，其特點(diǎn)如下。

圖4 非標(biāo)準(zhǔn)孔板

（1）錐形入口孔板：它相當(dāng)一塊標(biāo)準(zhǔn)孔板倒裝，是為了克服尖銳度的磨損而改進(jìn)的，取壓方式為角接取壓，見圖4（a）。

（2）1/4圓孔板：與標(biāo)準(zhǔn)孔板相似，只是孔口形狀不同，其外形輪廓由一個與軸線垂直的端面，半徑r為1/4圓構(gòu)成的入口截面及噴嘴出口端面組成，特點(diǎn)同上。取壓方式為角接或法蘭取壓，見圖4（b）。

（3）圓缺孔板：如圖4（c）所示，其開孔為圓的一部分，一般在圓的下半缺，該圓的直徑為管道內(nèi)徑的98%，開孔圓弧部分的圓心與管道同心。圓缺孔板可測量臟污流體，取壓方式為法蘭取壓。

（4）偏心孔板：這種孔板的開孔偏離管道的中心線，不與管道同心，但與管道的同心圓相切，其直徑等于管道直徑的98%，參見圖4（d）。它可以測量臟污流體，取壓方式為法蘭取壓。

（5）楔形孔板：結(jié)構(gòu)形式如圖4（e）。開孔位置與圓缺孔板相似，開孔為V形，可以減少壓損，它也可以測量臟污流體，取壓方式還未進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

（6）內(nèi)藏孔板：這種孔板是將孔板與差壓變送器作成一個裝置，如圖4（f）所示，由于取消了引壓管線、二次閥門，就沒有管線泄漏、凝、堵等現(xiàn)象。它主要用于小流量測量，即管徑小于50mm的流量測量，常用在管徑15～40mm、流量范圍1.02×106～48m3/h（液體）、0.00031～1300 m3/h（氣體）的測量中。

（7）線性孔板：孔板管道面積隨流量大小自動變化，形成了測量差壓與流量的線性關(guān)系，也擴(kuò)大了測量范圍。見圖4（g）。

（8）道爾管：結(jié)構(gòu)如圖4（h）所示。

它是由40o入口錐角和15o擴(kuò)散管組成的節(jié)流元件，正負(fù)取壓口分別在錐管前部和喉部。長度是管徑的1.5～2倍，僅為文丘里管的17%，道爾管產(chǎn)生的差壓比文丘里管大，但在高壓下壓損很小。

（9）羅洛斯管（Lo—Loss）：由40o入口段、7o錐管、5o擴(kuò)散管組成的節(jié)流元件。取壓方式為角接取壓，它也是低壓損失的節(jié)流元件。結(jié)構(gòu)形式見圖4（i）。

（10）環(huán)形孔板：環(huán)形孔板結(jié)構(gòu)如圖4（j）所示。主要有一個固定在與管同心的圓板由三角支架固定，利用中心軸管將孔板上、下游的壓力傳送出去。其優(yōu)點(diǎn)是：既能自由排出管道底部的污物，又能使氣體或蒸汽沿著頂部流過。

12 彎管流量計與孔板流量計在結(jié)構(gòu)和原理上有什么不同？

從結(jié)構(gòu)上講，彎管流量計傳感器是以90o彎管為基礎(chǔ)，在彎管中心的內(nèi)外側(cè)取出差壓，從而測得流量；孔板流量計節(jié)流裝置是在管道中心安裝一個孔板作為節(jié)流件，在孔板前后取出差壓，測得流量的大小，如圖5所示。

從原理上，流體流經(jīng)彎管時，受到管內(nèi)的約束作用，迫使流體在彎管內(nèi)做近似圓周運(yùn)動，產(chǎn)生慣性離心力，離心力的大小可以通過彎管內(nèi)外差壓的測量得到，所以彎管流量計是離心式差壓流量計；而孔板流量計是以流體流動連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）為基礎(chǔ)，在流體流經(jīng)孔板時在其前后產(chǎn)生的差壓測得流量的大小。

彎管流量計的流量方程式為：

圖5 彎管流量計傳感器

式中： u — 流體平均流速； α— 流量系數(shù)；

R/D — 彎管的彎徑比； ρ— 密度；

P1-P2— 彎管內(nèi)外差壓（ΔP）； x — 指數(shù)。

13 與孔板流量計相比，彎管流量計的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？

彎管流量計的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）無附加壓力損失

彎管流量計的傳感器是90o機(jī)加工的標(biāo)準(zhǔn)彎管，沒有阻力件，壓損小，有利于節(jié)約能源。

（2）安裝方便、耐磨損、無須維修、壽命長

彎管流量計的傳感器直接焊接在工藝管道中，取消了檢測元件所固有的夾緊裝置，既簡單又可靠。彎管一次焊好后不存在泄漏問題，也不需要維護(hù)。長期運(yùn)行的微小磨損對其傳感器的性能影響甚微，所以長期使用時，測量的準(zhǔn)確度不變。

（3）適應(yīng)性強(qiáng)

彎管流量計可以在惡劣的環(huán)境如高溫、高壓、粉塵、振動和潮濕中使用，如果彎管傳感器與配套差壓儀表接口采用不銹鋼、工程塑料等，還可以測量各種腐蝕性介質(zhì)的流量。

（4）價格低廉

由于彎管流量計的結(jié)構(gòu)簡單，便于成批生產(chǎn)，價格低于其它差壓式流量計或旋渦、超聲波等流量計。

缺點(diǎn)：測量準(zhǔn)確度低，彎管流量計的測量準(zhǔn)確度一般在2%～5%。

14 什么是均速管流量計？與孔板流量計相比有哪些異同點(diǎn)？

均速管是一種通過差壓測量流量的傳感器，均速管流量計是在皮托管測速原理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的流量計。

相同點(diǎn)：均速管流量計與孔板流量計的測量原理都是以伯努利方程和連續(xù)性方程為基礎(chǔ)的，盡管產(chǎn)生差壓的結(jié)構(gòu)不同，但是流量公式是一樣的。

不同點(diǎn)：在結(jié)構(gòu)上兩者截然不同。均速管傳感器由檢測桿、取壓口和導(dǎo)壓管組成，它安裝在管道內(nèi)部與管道垂直。檢測桿上迎著流體部分一般設(shè)有4個取壓孔，特殊的有5～9個孔，測量出總壓（動壓和靜壓）取其平均值；檢測桿背向流體部分的中部有1個取壓孔，測量出靜壓，前后分別有導(dǎo)壓管將壓力引出。通過所測的總壓與靜壓的差值，可以測得流體流量。傳感器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 均速管流量計傳感器