新型差壓流量計的結構與性能研究

紀波峰，紀 綱

(上海同欣自動化儀表有限公司，上海 200070)

0 引言

在流量測量中，由于被測流體的復雜性、要求的多樣性、使用條件的特殊性，盡管現在流量計的種類已有上百種，但在使用現場仍有許多測量任務找不到滿意的流量計。因此，工程師們還在不斷研究和改進，推出新型流量計。

差壓式流量計是歷史悠久、使用廣泛、積累資料豐富的一類流量計。其中，標準孔板、噴嘴和文丘里管差壓裝置，已經實現標準化，無需實流標定就能獲得規定的準確度[1-2]。

在標準差壓流量計之外，又陸續出現了幾十種非標差壓流量計。它們都是為了彌補標準差壓流量計的不足而開發的。這些差壓流量計中：有的能解決低雷諾數問題；有的能解決介質臟污問題；有的能解決微小流量問題；有的能解決低壓損問題[3]。對于差壓流量計的改進還在繼續。以下所介紹的四種成果，就是近十年以來，差壓式流量計改進的新成果中的一部分。其中，差壓裝置是在以前系統的結構上作了某些改進，但其取得的實際效果是顯著的。

1 雙量程差壓流量計

1.1 雙量程差壓流量計工作原理

差壓式流量計(除線性孔板之外)有它固有的缺陷，即范圍度不夠理想。這主要是由其測量原理決定的。

差壓流量計的一般表達式為：

(1)

由式(1)可知[1]，流量qm與差壓ΔP的平方根成正比。因此，當qm=10%qmmax時，差壓ΔP僅為差壓上限ΔPmax的1%。

現在差壓式流量計中所配用的差壓變送器，大多已達0.04級。不少人認為0.04級差壓變送器就能獲得0.04%的差壓測量不確定度，已達到足夠的測量精確度。其實不然。因為差壓變送器的精確度等級是用引用誤差表示的，只有在滿量程附近才能得到最小的不確定度，而且測量值(MV)越低，不確定度越大。例如在ΔP=1%ΔPmax時，不確定度增大到滿量程時不確定度的100倍。所以，在相對流量很小時，差壓測量不確定度就

成為流量測量系統不確定度的決定因素[4]。

為了提高流量量程低端的測量精確度，必須大大提高低差壓段的差壓測量精確度。其中，較為省力、有效的方法是增設一臺低量程差壓變送器，組成雙量程差壓流量計[5-6]。

例如某氣體流量測量對象，最大流量100 t/h，最小流量3 t/h。對此，高量程差壓變送器選用0.04級中差壓變送器，測量范圍為0～100 kPa，低量程差壓變送器選用0.04級低差壓變送器，測量范圍設為0～3 kPa。這樣，兩臺變送器在智能二次表的指揮下自動切換、相互配合，在流量量程3～100%范圍內，能達到1%的流量不確定度。

1.2 雙量程差壓流量計不確定度分析

文獻[4]詳細分析了雙量程差壓流量測量系統不確定度的估算方法和估算實例。在差壓變送器準確度等級為0.04，即ξΔp= 0.04%時。將ξΔp值代入差壓測量不確定度計算公式[7]：

(2)

式中：ζΔp為差壓變送器精確度等級；Δpmax為差壓上限，Pa；Δp為常用流量對應的差壓，kPa。

在GB/T 2624-2006中，給出了差壓式流量計的系統不確定度估算公式：

(3)

(4)

式中：P1為節流件正端取壓口處常用壓力，kPa；k為等熵指數。

①在qm= 70%qmmax特征點：

依此方法，可得其余各特征點的流量不確定度。

1.3 雙量程孔板流量計不確定度曲線

將上述各特征點不確定度計算結果在平面坐標系中標出，然后連線，即可得不確定度曲線。雙量程孔板流量計不確定度曲線如圖1所示[8]。

圖1 雙量程孔板流量計不確定度曲線

2 雙向孔板流量計

2.1 雙向流測量的特殊性

能夠用于雙向流測量的流量計，有容積式流量計、渦輪流量計、電磁流量計、熱式流量計、科里奧利質量流量計等多種。但若被測流體為蒸汽，因流體溫度高等原因，上述這幾種流量計均無法適應。這時，采用雙向孔板流量計具有顯著的優越性。

而在另一些流程中，有時會遇到一些空氣、氮氣等一般氣體的雙向流測量需求。對此，雙向孔板流量計也具有優勢。

2.2 雙向孔板流量計工作原理

在國家標準GB/T 2624-2006中，對雙向孔板流量計有詳細的規定。與普通孔板流量計相比，雙向孔板流量計具有以下特殊之處[1]。

(1)雙向孔板。

①孔板不切斜角。

②A、B兩個端面均應符合國標中關于上游端面的規定。

③節流孔的兩個邊緣均應符合上游邊緣的規定。

單向孔板、雙向孔板對比如圖2所示。

圖2 孔板對比示意圖

(2)對直管段的要求。

儀表的兩個直管段，都應滿足國家標準中前直管段的要求。

(3)正端取壓口壓力P1的計算。

儀表的節流件正端取壓口壓力P1，用壓力變送器測量[9]。該變送器安裝在正向流的正端取壓口。在流體反向流動時，該點壓力變成了反向流的負端取壓口。根據正端取壓口壓力、負端取壓口壓力和差壓的定義，可知：

(4)正負差壓的測量。

雙向孔板輸出的正反向差壓信號，通常采用一臺具有正負差壓測量能力的差壓變送器測量。

其中，正差壓對應正向流量，負差壓對應負向流量。正負差壓測量結果可用HART通信的方法傳送到流量二次表[10]。雙向孔板流量計系統如圖3所示。

圖3 雙向孔板流量計系統示意圖

(5)流量顯示裝置的功能。

用于雙向蒸汽流量測量的流量顯示裝置，應能對流動方向作出判斷，而且需對正向瞬時流量、正向累積流量、反向瞬時流量、反向累積流量分別進行計算和顯示。

除此之外，流量顯示裝置還需完成流體溫度壓力補償、流出系數自動補償和可膨脹性系數自動補償等任務。

3 濕氣體差壓流量計

常見的濕氣體有濕空氣、濕煤氣、煤層氣、井口氣、吸收尾氣等。人們在測量低靜壓、低流速、大口徑的濕氣體流量以及氣態氨之類的流體流量時，普遍選用標準差壓流量計。但使用一段時間后，經常發現冷凝液在節流件前聚積、在三閥組通道內聚積、在差壓變送器高低壓室內聚積，引起流量計嚴重失準。針對這一問題，人們開發了濕氣體差壓流量計，主要作了以下三點改進。

①用偏心孔板代替標準孔板，從而杜絕節流件前積液。

②用不銹鋼球閥代替針形三閥組，從而杜絕三閥組內積液。

③將差壓變送器布置在差壓裝置上方，遇有高低壓室內生成冷凝液時，依靠冷凝液與氣體的密度差，讓冷凝液自行流回母管。

經改進的流量計，在含冷凝液的氣體流量測量對象中使用效果極好，從未發生因冷凝液聚積引起的失準。

FDIh型濕氣體差壓流量計外形(偏心孔板)如圖4所示。

圖4 FDIh型濕氣體流量計外形(偏心孔板)

4 耐腐蝕型彎管流量計

4.1 腐蝕性介質測量任務的特點

彎管流量計投入現場應用已有幾十年的歷史。它的顯著優點是無壓力損失，運行能耗低[11]。但對于強腐蝕介質，普通彎管流量計仍不適用。因為對于強腐蝕介質，采用316L材質制成的彎管流量傳感器也會很快被腐蝕掉。

在流量測量中，被測介質多種多樣，介質特性異常復雜。一臺品質一流的流量計，有時因為對介質的某一個特性認識不夠準確，會導致無法實現正常測量或很快損壞。

例如：介質臟污容易將堵塞差壓信號取壓口；介質結晶容易在法蘭膜片隔離式差壓變送器中的敏感膜片上生成一層結晶物，以致無法測量。

介質的低靜壓，由于達不到足夠的流速，以致耐腐蝕性很好的科氏力質量流量計無法實現正常測量。

為了解決此類特殊介質流量測量問題，耐腐蝕型彎管流量計應運而生。

4.2 耐腐蝕型彎管流量計的結構

耐腐蝕型彎管流量計由耐腐蝕彎管流量傳感器和帶吹氣差壓變送器組成。帶溫度壓力補償時，還配有溫度傳感器(管外安裝)和壓力變送器、流量演算器等。其中，壓力變送器接在差壓變送器正壓端。

耐腐蝕型彎管流量傳感器外形如圖5所示。

圖5 耐腐蝕型彎管流量傳感器

①彎管流量計中，與介質接觸的是彎管流量傳感器。因此，防堵、防結晶、防介質自聚、耐腐蝕等問題，都必須在此傳感器中解決。

彎管內壁與腐蝕性介質接觸的部分，采用氟塑料噴涂。在強腐蝕介質工藝流程中，工藝管道大多采用襯玻璃或襯氟塑料的方法。依次類推，彎管流量傳感器的材質采用316L，并在其內壁及與被測介質接觸的其他部分，采用噴涂氟塑料的方法，這是一種簡單、有效的方法。

研究發現，以前在防腐蝕領域廣泛使用的F46材料，雖然能耐一般腐蝕，但氯離子之類的物質仍能滲透內襯腐蝕金屬材料。而新型氟塑料卻只有微小的滲透性。

②耐腐蝕型彎管流量計采用聚四氟乙烯管傳輸差壓信號。

③耐腐蝕型彎管流量計采用氮氣吹氣的方法，將微差壓變送器(或低差壓變送器)與腐蝕性介質隔離，并可防止臟污介質堵塞取壓口。

④彎管傳感器采用電伴熱，從而避免自聚物和結晶物的生成。

⑤彎管流量傳感器采用法蘭連接，以便拆裝和對臟污介質的清洗。

現場使用實踐表明，上述措施是有效的。

4.3 超聲流量計在腐蝕性介質中的應用

外夾式超聲流量計在腐蝕性介質流量測量中具有獨特的優勢。該流量計不與腐蝕性介質直接接觸。但由于聲阻抗的約束條件，被測氣體的壓力必須高于一定值才能實現正常測量。例如GC868型外夾式超聲流量計，被測氣體壓力一般需高于0.6 mPa；而弗萊克森公司外夾式超聲流量計壓力一般應高于0.4 mPa。

對于帶非金屬內襯的管道，用超聲流量計測量管內介質流量，儀表制造廠總是強調在內襯與金屬管之間不能有氣隙。但是在實際的內襯管，在內襯與金屬管之間，無法保證完全沒有氣隙。

5 結束語

在流量測量中，被測流體的復雜性、要求的多樣性和工況的特殊性為測量帶來了困難。但這些特點也推動了這門技術的發展。于是，流量計種類雖然已經有上百種，但每年仍有新型流量計問世。

標準差壓式流量計量程比不夠寬，主要制約因素是量程低端差壓測量精確度。在原有差壓流量計的基礎上，增設一臺低量程差壓變送器，以提高量程低端的差壓測量準確度，構成雙量程差壓流量計，從而大大拓寬量程比。

標準孔板不切斜角后就可測量雙向流量。在氣體和蒸汽的雙向流測量中，標準孔板雙向流量計具有顯著的優越性。

在濕氣體流量測量中，孔板前積水、三閥組內積水和差壓變送器高低壓室內積水的現象普遍存在。針對這三個問題作了改進后的濕氣體流量計，可靠性和準確度大大提高。

強腐蝕、易結晶、低靜壓介質的流量測量具有較高難度。采用新型氟塑料噴涂的彎管流量傳感器，配以吹氣和伴熱保溫等措施，能使問題得到解決。