節(jié)流式差壓流量計的新進展

【資料簡介】

江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明 15189523988 

一、前言

　　節(jié)流式差壓流量計是流量計的*大類儀表，發(fā)展歷史悠久，使用面廣量大。在20世紀70年代以前，它幾乎是*的流量計，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，有包打天下之嫌，當(dāng)時僅少量應(yīng)用浮子、容積式流量計，渦輪、電磁流量計尚處于發(fā)展初期，至于渦街、科氏質(zhì)量等則尚未出現(xiàn)。20世紀80年代電子、微機技術(shù)、新材料、新工藝的興起使新型流量計如雨后春筍迅速發(fā)展，在激烈的市場競爭中節(jié)流式差壓流量計的許多弱點成為人們評價的重點，如測量準確度不高、范圍度窄、壓損大、安裝條件苛刻、使用故障多、維護繁雜等等。在流量計用量上，雖　　然總用量仍占優(yōu)勢，但占比份額不斷下降，近年來對其使用價值質(zhì)疑之聲不斷，似有被邊緣之虞。

　　在市場激烈競爭的推動下，針對自身缺點，不斷改進創(chuàng)新，發(fā)揮固有優(yōu)勢，許多新進展使其擺脫困境，進而在眾多類型流量計中似有重拾昔日輝煌之勢，近年業(yè)內(nèi)人士甚至提出應(yīng)對其重新審視，認為該類型流量計已在實現(xiàn)中興。

　　本文擬對此作一概要介紹，說明該類型流量計確已“山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村”，恢復(fù)*大類流量計的說法似有可能，并非無的放矢。

　　二、流量計新進展概述

　　1.提高測量準確度，拓寬范圍度的舉措

　　長期以來，人們認為節(jié)流式差壓流量計影響因素復(fù)雜多變，提高測量準確度困難很大，一般把儀表定位為中等準確度的流量計。20世紀80~90年代，智能差壓變送器和智能流量顯示儀的出現(xiàn)為解決此難題提供了契機，所謂智能流量顯示儀是計算機科學(xué)、通訊技術(shù)、微電子學(xué)、數(shù)字信號處理、人工智能、新興技術(shù)與傳統(tǒng)電子儀表相結(jié)合的產(chǎn)物。智能流量顯示儀內(nèi)裝微處理器（或單片機），它具有數(shù)據(jù)存儲、運算和邏輯判的能力，具有自尋故障，遠距離傳輸數(shù)據(jù)，遙測遙控的功能。智能流量顯示儀不僅能反映現(xiàn)場溫度、壓力的變化，而且可以進行相關(guān)的復(fù)雜的流量補償運算，例如對節(jié)流裝置的流出系數(shù)C，可膨脹系數(shù)ε，氣體壓縮系數(shù)Z等全參數(shù)實時逐點運算，在此情況下，流量測量準確度可提升到與其它高精度流量計（如渦輪、電磁等）相接近的水平，在天然氣流量測量系統(tǒng)中達到*（1.0）的標(biāo)準（見GB/T18603-2001《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》），在蒸汽流量測量中可達0.5級之高精度。

　　節(jié)流式差壓流量計的范圍度受三個因素的影響：①差壓變送器下限誤差急劇增大（因為儀表采用引用誤差）；②流出系數(shù)受雷諾數(shù)變化的影響；③測量氣體流量時可膨脹系數(shù)ε由于差壓變化引起的誤差。在三個因素中以差壓變送器的影響為主要，寬量程智能差壓變送器的出現(xiàn)是解決此問題的關(guān)鍵，目前在智能差壓變送器和智能流量顯示儀的組合下保持高精度寬范圍（10：1或更寬）已是市場的通用產(chǎn)品。

　　2.改進結(jié)構(gòu)型式，消除應(yīng)用隱患

　　各類流量計皆有一體式和分離式兩種結(jié)構(gòu)型式，節(jié)流式差壓流量計長期以來皆以分離式為*形式，它帶來許多人們詬病弊端，節(jié)流裝置和差壓變送器（或差壓計）相連接的導(dǎo)壓管是分離式結(jié)構(gòu)zui薄弱的環(huán)節(jié)，有統(tǒng)計分析，差壓流量計的故障率的大部分在此環(huán)節(jié)發(fā)生。它易產(chǎn)生泄漏、結(jié)垢、堵塞、凍結(jié)以及信號失真等諸多故障。節(jié)流式差壓流量計分離式獨大的歷史與差壓變送器的發(fā)展情況有關(guān)，一體式節(jié)流式差壓流量計是把節(jié)流裝置和差壓變送器做成一體的結(jié)構(gòu)型式，差壓變送器必須能承受現(xiàn)場嚴酷的環(huán)境工作條件的考驗。在80年代以前，單元組合儀表的力平衡式差壓變送器不可能滿足此條件，該型差壓變送器零漂嚴重，穩(wěn)定性差，力平衡機構(gòu)耐振性差等。90年代以來，新型差壓變送器以固態(tài)變送器（電容式、諧振式等）為代表，其可靠性、穩(wěn)定性、耐環(huán)境性能以及測量準確度等特性已今非昔比，*可滿足現(xiàn)場的嚴酷要求，因此，一體式流量計的出現(xiàn)是順理成章的事。目前全部差壓流量計（節(jié)流式以外）皆有一體式結(jié)構(gòu)型式，一體式和分離式的主流角色發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，今后只在差壓變送器不宜現(xiàn)場安裝使用的場合（如人員不宜進行維護管理場所或特殊環(huán)境工作條件等）才選用分離式結(jié)構(gòu)型式。

　　我國北方冬季分離式蒸汽流量計其導(dǎo)壓管防凍必須采取保溫伴熱（蒸汽或電熱絲）措施，為了防止導(dǎo)壓液氣化，還必須小心翼翼地加熱，維護工作量之繁重令人煩惱?，F(xiàn)在一體式結(jié)構(gòu)中加裝產(chǎn)品隔熱防凍器，在隔熱防凍器中注入防凍液，其冰點低于-30℃，防凍液亦為隔熱劑，可防止導(dǎo)壓液氣化，上述惱人問題得到完滿解決。

　　3.轉(zhuǎn)變工作方式，發(fā)揮固有優(yōu)點

　　節(jié)流式差壓流量計在設(shè)計階段，需用戶提供現(xiàn)場使用參數(shù)，由設(shè)計院或生產(chǎn)廠計算并設(shè)計節(jié)流裝置，提供給用戶的節(jié)流裝置是對號入座應(yīng)用，這種量體裁衣小生產(chǎn)方式至今仍然是流量計使用的主流方式。多年前國內(nèi)流量行業(yè)專家已提出另一種使用方式，即定值節(jié)流件應(yīng)用方式，所謂定值節(jié)流件是每種公稱通徑只設(shè)計有限的β值節(jié)流件（例如β=0.2、0.3、0.5、0.6、0.7等），與標(biāo)準機械零件一樣在市面銷售，節(jié)流件亦是標(biāo)準零件，用戶可根據(jù)設(shè)計自行選購使用，這是一種成衣供貨方式，其優(yōu)點有：①*易于質(zhì)量監(jiān)督，目前對號入座式節(jié)流件*無法檢查，這種方式為節(jié)流件粗制濫造大開方便之門，一旦節(jié)流件擺到柜臺上公開銷售，優(yōu)勝劣汰規(guī)律就會起作用，市場競爭是節(jié)流件產(chǎn)品升級的強大推動力；②節(jié)流件成衣供貨方式使生產(chǎn)廠可以進行規(guī)模化生產(chǎn)，質(zhì)量和效益都將得到提高；③用戶擴展量程和淘汰損毀更換節(jié)流件非常方便，無需再請設(shè)計院或生產(chǎn)廠代勞，縮短維護周期，節(jié)省更換費用；④目前標(biāo)準節(jié)流裝置中孔板幾乎是*使用的節(jié)流件，另外二種標(biāo)準節(jié)流件噴嘴和文丘里管在坐冷板凳，究其原因，是此二種節(jié)流件制造工藝復(fù)雜，價格昂貴，如果采用定值噴嘴和定值文丘里管，情況就會大變樣，噴嘴和文丘里管廓形復(fù)雜，批量生產(chǎn)可采取鑄造方法，無須像現(xiàn)在的單件機加工，其制造成本會大幅下降，如果二種的價格與孔板差距不太大，用戶還是會接受的，因為以噴嘴為例，它與孔板比較有諸多優(yōu)點，在同樣β值和流量情況下噴嘴的壓損只為孔板的30%～50%，亦即有低壓損（與孔板比較而言）優(yōu)點，噴嘴孔口無鈍化的缺點，在高速蒸汽流中長期應(yīng)用毫無問題。噴嘴的流出系數(shù)比孔板穩(wěn)定得多，可延長檢定周期，甚至長期應(yīng)用無需更換。至于文丘里管在節(jié)流裝置中是低壓損節(jié)流件（其壓損約為孔板1/4～1/5），現(xiàn)在人們認為孔板因壓損大不宜用于中大口徑（DN200以上），這個空缺由誰來*，文丘里管應(yīng)該是備選的一種。

　　人們會提出疑問，為什么標(biāo)準節(jié)流裝置長期采用量體裁衣方式使用？這個問題要追溯到流量顯示儀的發(fā)展歷史。歷*流量顯示儀是一種百分分度的盤裝刻度儀表，因此流量必須采取系列值取值，在節(jié)流式差壓流量計中流量、差壓和β值是三個獨立參數(shù)，當(dāng)流量和差壓取系列值時β值成為需計算確定的值，一般稱節(jié)流裝置設(shè)計計算就是計算β值，即確定節(jié)流件的開孔口徑。目前任何一種節(jié)流顯示儀都可以方便地顯示其流量數(shù)值，無須再采取系列值，因此可以令差壓和β值取系列值（亦即定值節(jié)流件），定值節(jié)流件使用毫無問題。

前面我們歷數(shù)消除儀表缺點的許多新進展，但是要保持此類儀表為*大類流量計，必須發(fā)揮其固有優(yōu)點才行。什么是此類流量計的固有優(yōu)點？其固有優(yōu)點為易于復(fù)制，簡單、牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用范圍寬廣，使用期限長，價格低廉，標(biāo)準化程度高。前面的諸多優(yōu)點無須更多解釋，zui后一點標(biāo)準化程度高為什么亦是重要優(yōu)點？我們認為zui后這點甚至比前面的所有優(yōu)點都更重要，目前在全部流量計用量中標(biāo)準節(jié)流裝置仍占較多份額，其原因即在其標(biāo)準化程度高上。

　　這點需要更詳細地分析才能清楚。目前全部流量檢測件應(yīng)分為標(biāo)準檢測件和非標(biāo)準檢測件。只有ISO5167和ISO9300中的幾種檢測件才稱為標(biāo)準檢測件，其它流量計檢測件皆為非標(biāo)準檢測件。目前已具備標(biāo)準的類型流量計較多，如渦輪、渦街、電磁、科氏質(zhì)量、熱式等。但是這些流量計的檢測件都還處于非標(biāo)準狀態(tài)（這點要在以下介紹標(biāo)準節(jié)流裝置特點時才能說清楚）。

　　由ISO5167和ISO9300標(biāo)準中我們可以發(fā)現(xiàn)標(biāo)準檢測件有三個主要特點：①結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)要求標(biāo)準化：標(biāo)準中詳細列舉每一種檢測件的結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)和加工技術(shù)要求，這些規(guī)定*一致認可，這樣對標(biāo)準檢測件的實驗研究數(shù)據(jù)可以匯聚在一起，此點非常重要，這是舉全社會之力來干同一研究，非標(biāo)準檢測件則只能依靠個別生產(chǎn)廠家和研究群體進行工作，兩者實驗研究的廣度和深度不可同日而語。另外，由于*實驗室進行同一工作，數(shù)據(jù)中的實驗室不可避免產(chǎn)生的系統(tǒng)偏差可以消除，因此數(shù)據(jù)的可靠性和可信度不是個別實驗室所能達到的。②標(biāo)準列出標(biāo)準檢測件的流出系數(shù)和可膨脹性系數(shù)計算式：流出系數(shù)C和可膨脹系數(shù)ε是流量關(guān)系式中的主要修正系數(shù)，只要知道此二系數(shù)則可得出流量和信號的關(guān)系。對于非標(biāo)準檢測件此二系數(shù)必須在流量標(biāo)準裝置上逐臺校準得到，它們不是通用計算式，不能預(yù)知超過該校準裝置系數(shù)范圍的情況，這個系數(shù)計算式與標(biāo)準中列舉的計算式質(zhì)量不在同一水平上，用戶應(yīng)用時超出標(biāo)準裝置參數(shù)范圍應(yīng)該說是不可靠的。③現(xiàn)場影響量的試驗廣泛而深入：流量儀表在實驗室流量標(biāo)準裝置上校準只能得到實驗室準確度，儀表投用現(xiàn)場后，由于工作條件的變化會產(chǎn)生附加誤差，這時流量計表現(xiàn)出的準確度為現(xiàn)場準確度，實驗室準確度和現(xiàn)場準確度的差別與工作條件差別大小有關(guān)，如果現(xiàn)場工作條件與實驗室工作條件基本一致，則兩者差別較小，否則可能帶來巨大的差別。標(biāo)準檢測件有全社會來共同承擔(dān)此方面的試驗研究，并且隨著時間的延長積累的資料愈來愈豐富，它可以對付現(xiàn)場復(fù)雜的變化情況，這是標(biāo)準檢測件zui重要的一個特點。非標(biāo)準檢測件不可能由個別生產(chǎn)廠或科研群體長期進行此項工作，其人力物力亦不允許承擔(dān)此工作。為什么目前只有ISO5 167列舉檢測件與阻流件之間所要求的直管段長度的詳細表列值，而其它如渦輪、電磁等雖頒布有標(biāo)準，但其規(guī)定皆比較含糊，這要歸結(jié)于這些類型流量計的結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)要求未能標(biāo)準化，它們不可能由全社會來承擔(dān)該項工作，因此，兩者成果在質(zhì)量上是不能比較的。

　　三、結(jié)束語

　　1.節(jié)流式差壓流量計克服缺點，改進和創(chuàng)新工作已經(jīng)取得顯著進展，但是這些成果在全社會的表現(xiàn)是不平衡的，應(yīng)該說全國在此類儀表的生產(chǎn)和應(yīng)用上大部分還停留在以前的水平上，如何推廣已經(jīng)取得的成果使全國水平提高是一個相當(dāng)繁重和長期的任務(wù)，本文的意圖，即是作一呼吁，希望全社會來推廣這些成果，改進我國的流量測量標(biāo)準。

　　2.據(jù)稱目前流量計大致為類：差壓式、浮子式、容積式、渦輪式、電磁式、流體振動式、超聲式、熱式、科氏質(zhì)量式和明渠式等。這些類型都是長期發(fā)展成型的，今后可能還會有其它類型出現(xiàn)，但是可以說此十類應(yīng)該遵循與時俱進，推陳出新不斷向前發(fā)展的原則。目前流量測量任務(wù)十分繁重，各類流量計都有寬廣的發(fā)展空間，不是說哪類發(fā)展要淘汰另一類，而是取長補短，相互借鑒，為流量儀表大家庭盡自己的努力。

　　3.從節(jié)流式差壓流量計近二十年的發(fā)展可見，把現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果應(yīng)用于流量儀表才會使儀表飛躍向上，流量儀表是站在巨人項背上向上飛躍的。