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0018-差压式流量计原理及选型
更新时间:2020/8/10 9:52:32 浏览次数:583

1. 概述

  
差压式流量计(以下简称DPF)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以测量流量仪表DPF由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换流量显示仪表)组成。通常以检测件的型式对DPF分类,如孔板流量计文丘里管流量计均速管流量计等。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)程度很高的类型规格庞杂的一大类仪表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、动压增益式及射流式等几大类,其中以节流式和动压头式应用最为广泛。

  由于篇幅所限,本讲内容只涉及节流式
差压流量计,它是DPF中用量最大的一类仪表

  节流式
DPF由三部分组成:节流装置差压变送器流量显示仪

  
节流装置按其标准化程度分为标准型和非标准型二大类。所谓标准节流装置是指只要按照标准文件(ISO5167或GB2624)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其测量误差。非标准节流装置是成熟程度较差,尚未列入标准文件的检测件。

  
差压变送器经历长期的发展,80年代后技术上有新的突破,新产品称为智能式变送器(或称灵巧式变送器),产品为内置微处理器的固态变送器,其可靠性,测量准确度和功能多样化都是较完善的,近今年又发展起来了多参量变送器,使得节流装置的测量更加方便。

  
流量显示仪大致经历四个发展阶段,即机械运算记录图表式、模拟运算机械计数式、简单逻辑运算数显式和程控微处理器运算及多功能数字显示式。目前内置微处理器的显示仪对流量测量工程问题考虑周到,功能齐全,又称流量计算机

  
节流式DPF自20世纪初开始工业应用以来,经历漫长的发展过程,其中20年代美国和欧洲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--孔板喷嘴开始标准化,现在标准喷嘴的一种形式--ISA 1932喷嘴其几何形状就是30年代标准化的。只有节流装置结构型式标准化了,才有可能把国际上众多的研究成果汇集到一起,其意义是很深远的。在ISO(国际标准化组织)的组织下,经过30余年的努力,第一个节流装置国际标准ISO 5167在1980年诞生了,它是节流式DPF发展史上的一个里程碑。但是ISO 5167亦暴露出许多缺陷,如标准中试验数据的陈旧性,直管段长度规定的争议,标准中各项规定的科学性以及节流式DPF准确度如何更提高的问题。整个80年代欧洲和美国进行了大规模的孔板流量计试验研究,它为ISO 5167的修订打下坚实的基础。1999年ISO发出ISO 5167修订稿(ISO/CD5167-1~4),该标准修订稿与现有标准有实质性改变,是一个全新的标准,在技术内容和编辑上都有较大改动。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(国际标准草案),但是会议认为尚有细节应再商榷而未能通过。新ISO 5167正式通过估计为期不远。新ISO 5167在标准的两个核心内容有实质性变化,一是孔板的流出系数公式,它用Reader-Harris/Gallagher计算式(R-G式)代替Stolz 式,另一为节流装置上游侧直管段长度的规定及流动调整器的使用。

  我们通常称ISO5167(或GB2624)中所列
节流装置标准节流装置,其它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准节流装置相异的,如果标准节流装置偏离标准条件下工作亦应称为非标准节流装置,如标准孔板在混相流或标准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头节流件等;
  (3)低压损用:
罗洛斯管道尔管、矩形文丘里管、通用文丘里管、双重文丘里喷嘴、Vasy管等;
  (4)小管径用: 小于50mm
节流件、整体(内藏)孔板等;
  (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:变压头变面积孔板线性孔板);
  (7)脉动流
节流装置
  (8)临界流
节流装置
  (9)混相流
节流装置

  在现场使用的各种需求及工况的复杂
标准节流装置往往难以完全满足要求,非标准节流装置的发展是客观的需要,它代表了节流装置的发展趋向。

  应该指出,
节流式DPF的关键部分--节流装置目前已发展到几十种,但是只有极少品种成为标准节流装置,阻碍非标准型晋升为标准型的原因是试验研究的人力物力的限制,按照传统试验研究方法要使一种类型节流装置成为标准节流装置一般要经过极漫长的过程。近年科学技术的进步,这种局面正在发生变化,先进的试验研究方法,如计算机仿真技术、计算可视化技术等的应用可以加速试验研究的进程,相信今后会有更多类型节流装置晋升为标准型,它将使节流式DPF更大扩展其使用范围。

  20世纪90年代中后期世界范围内各式
差压流量计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、家用水表及玻璃管浮子流量计等)的35%左右(每年约6万~7万台)。 (延伸阅读:多参数变送器

2. 工作原理

2.1 基本工作原理

  充满管道的
流体,当它流经管道内节流件时,如图1所示,流束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,因而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,压差大小不仅与流量还与其它许多因素有关,如节流装置型式、流体的物理性质(密度、粘度等)以及雷诺数等。

 


 


图1 节流式差压流量计

2.2 流量方程

 

 


 


  式中 qm, qυ--分别为质量流量(kg/s),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;
     ΔP--
差压,Pa;
     ρ1--上游流体密度,kg/m3。
  由上式可见,
流量为C、ε、d、ρ、ΔP、β(D)6个参数的函数,此6个参数可分为实测量[d,ρ,ΔP, β(D)]和统计量(C,ε)两类。

  A 实测量
  (1)d、D 式(1)中d与
流量为平方关系,其精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,在现场临时配管应充分注意这个问题。

  (2)ρ ρ在流量方程中与ΔP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ΔP的提高将会被ρ的降低所抵销。

  (3)ΔP 差压ΔP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。

  B.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,不经校准投用),在现场使用时最复杂的情况出现在实际的C值与由标准确定的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(不确定度的幅度与方向),但是现实中,有时不仅一个条件偏离,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ΔP/ρ≤0.04时,ε的误差可忽略不计。

3. 分类

  
差压式流量计的分类原则有如下三种

3.1 按产生差压的作用原理分类

  (1)节流式: 依据流体通过节流孔使部分压力能转变为动能以产生差压的原理来工作的,其检测件称为
节流装置,是差压式流量计的主要品种。
  (2)动压头式: 依据动压转变为静压原理工作,如
均速管流量计
  (3)离心式: 依据弯曲管或环状管产生离心力原理形成的压差来工作,如
弯管流量计
  (4)水力阻力式: 依据流体阻力产生的压差原理来工作,其检测件为毛细管束,又称
层流流量计
  (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压差原理工作,如射流式
差压流量计

3.2 按结构形式分类

  (1)
标准孔板;(2)标准喷嘴;(3)长径喷嘴;(4)经典文丘里管;(5)文丘里喷嘴;(6)锥形入口孔板;(7)1/4圆孔板;(8)圆缺孔板;(9)偏心孔板;(10)楔形孔板;(11)内藏孔板;(12)线性孔板;(13)环形孔板;(14)道尔管;(15)低压损管;(16)通用文丘里管;(17)矩形文丘里管

3.3 按用途分类

  (1)
标准节流装置;(2)低雷诺数节流装置;(3)脏污流用节流装置;(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;(8)混相流节流装置

4. 主要特点

  (1)应用最普遍的
标准孔板,结构易于复制,简单牢固,性能稳定可靠,使用期长,价格低廉;
  (2)应用范围广泛,至今尚无任何一类
流量计可与之比拟,全部单相流体,包括液、气、蒸汽皆可测量,部分混相流,如气固、气液、液固等亦可应用,一般生产过程的管道直径,工作状态(压力和温度)皆有产品;
  (3)检测件与差压显示仪表可分开不同制造厂生产,便于专业化形成规模经济生产,它们的结合非常灵活方便;
  (4)检测件,特别是标准型的,是全世界通用的,并得到国际标准化组织和国际法制计量组织的认可。对标准型检测件进行的试验研究是国际性的,其它流量计一般仅依靠个别厂家或研究群体进行,因此其研究广度与深度不可同日而语。从时间上看,标准型自20世纪30年代由国际标准化组织确定后再也没有改变,这样研究资料及生产实践的积累极其丰富,它涉及的应用范围还没有哪一类
流量计可比拟;
  (5)正是由于上述原因,标准型
节流式DPF无须实流校准即可投用,在流量计中亦是唯一的;
  (6)目前在各种类型中以节流式和动压头式应用最多,节流式检测件达数十种之多,新品种不断出现,较成熟的向标准型方向发展,ISO设有专门技术委员会负责此工作。动压头式以均速管流量计为代表近年有较快发展,它是插入式
流量计的主要品种;
  (7)测量的重复性,精确度在
流量计中属中等水平,由于众多因素的影响错综复杂,难以精确掌握,精确度提高比较困难;
  (8)范围度窄,一般为3∶1或4∶1;
  (9)现场安装条件要求较高,如需较长直管段长度,一般较难满足;
  (10)检测件与差压显示仪表之间的引压管线为薄弱环节,易产生泄漏、堵塞、冻结及信号失真等故障;
  (11)压损大(指
孔板喷嘴等)。

为弥补上述缺点,近年进行一些改进措施:

  (1)关于范围度的拓宽
  
节流式DPF范围度拓宽从两方面着手:a)开发线性孔板或称弹性加载可变压头流量计;b)采用宽量程 差压变送器或多台差压变送器并用。
  (2)开发定值节流件
  定值
节流件是指每种通径的测量管道配以有限数量的节流件节流件的直径比(β值)按优先数系选用,每种通径配3-5种β值节流件。定值节流件有许多特点,如改变节流件对号入座的缺陷,节流件可大批量生产,对于廓形节流件喷嘴文丘里管)可采用专用加工设备,降低生产成本,为扩大使用创造条件。
  (3)压损的问题
  通常
节流件DPF压损大是指检测件为孔板喷嘴,其实早已开发多种低压损节流件,如各种流量管(道尔管、罗洛斯管、通用文丘里管等),它们未能大量采用,主要原因为检测件结构笨重,价格高,若采用定值方式,可望批量生产,降低造价。
  (4)一体化
节流式DPF
  把节流装置差压变送器做成一体,省却引压管线,减少故障率,动态特性好,方便安装使用,受到用户欢迎,国外应用普遍,国内亦开始应用。
  (5)安装条件的问题
  
节流件经典文丘里管要求的直管段长度是比较短的(一般5D~10D),在直管段长度不能满足的场所可以推广采用。近年缩减直管段长度的流动调整器(整流器)的开发成为国际上的一个热点,并取得长足进展,今后为提高DPF的测量精确度配备流动调整器将成为必备的辅助设备。

5. 选用考虑要点

  选用考虑因素可分为5个方面:仪表性能、流体特性、安装条件、环境条件和经济因素,现分述如下:

  (1)仪表性能
  在国际标准ISO5167或国家标准GB/T2624中我们可以见到
标准节流装置的主要技术参数,这些参数包括管径,直径比,雷诺数,管壁粗糙度,流出系数与可膨胀性系数的计算式及其不确定度等,超出这些参数以外并非不能使用,例如管径50mm以下或1000mm(对于孔板)以上的节流装置,采取实流校准仍可应用,有时为提高测量精确度亦采取实流校准,例如标准喷嘴,在标准中其测量精度较低(约2%),而事实上个别校准可获得很高的测量精确度。节流式DPF的精确度在很大程度上决定于现场的使用条件。如果检测件的制造质量符合要求,则影响其精确度主要是二方面:流体物性参数的确定和流体流动特性是否符合标准的要求。对于流动特性在安装条件中再介绍。整套流量计的精确度还决定于差压变送器流量显示仪的精确度。选用高精确度差压变送器应该有一个全面的估计,若节流装置流出系数精度不高,密度数值不准,则高精度差压变送器并不能提高整体的精确度。这里应特别强调,节流式DPF是一种从设计、制造到安装使用都要求很严格的流量计,任何一个环节不符合标准的要求,产生的误差有时难以用定量估计。

  检测件为
标准节流装置原则上无须实流校准,但其前提条件为需符合标准的全部规定,这点在现场使用往往难以完全满足,因此使用时附加误差的估计很重要,有许多资料提供这方面咨询,但都不是绝对可靠的,当然最好是尽量按标准的规定去做。这从另一方面显示节流式DPF的精确度提高有一定潜力,只要精益求精,其精确度是可以提高的。

  关于仪表性能的提高,前面我们已经介绍了近年来国内外的一些措施,它说明虽然
节流式DPF是一种古老的流量计,它仍在随着时代科技进步不断在开拓自己的前景.

(2)流体特性

流体特性分二方面考虑:

  a)流体物性参数(密度、粘度、等熵指数等)的确定。一般这些参数是根据压力、温度和流体组份计算出来的,这里影响参数精确度有压力温度和组分测量的精确度以及物性参数与这些参数函数关系的精确度二方面。应该指出,对于混合物这些函数关系的精确度存在较大问题,这时若能采用密度计直接确定介质密度是最好的,但是由于实际条件并不是总能做到的。
一个重要问题应特别注意,一般物性参数是在
节流装置设计时提供的,它在投用后可能发生变化,因此流量计投用后应该再次确认其正确性,工艺过程中压力温度如果波动较大亦应采取补偿(修正)措施。

  b)流体的腐蚀、磨蚀、结垢、脏污等特性的影响,这些特性对
流量计使用的可靠性关系很大。由于节流式DPF是依据节流装置的几何形状及尺寸来确定测量信号的,任何偏离投用时的形状和尺寸都会使信号发生偏差。这些特性对检测件的影响是随时间而变的,因此定期检查检测件应该是使用必须遵守的规定。这些特性有时连工艺人员都吃不准,要定量确定它更是困难的事。因此,定期检查检测件和积累使用经验更为重要。

(3)安装条件

  为使
标准节流装置符合几何相似和动力学相似,以便采用标准文件给定的流出系数,除节流装置结构及制造应符合标准规定外,安装条件是保证几何相似和动力学相似的重要方面。安装要求包括管道条件,管道连接情况,取压口结构,节流装置上下游直管段长度以及差压信号管路的敷设情况等。

  标准规定进入
节流装置流体应为充分发展管流和定常流(亦称稳定流)。为得到充分发展管流,在节流装置上游侧各种阻流件必须配备相应的直管段长度,如果现场不能满足长度要求,可以安装流动调整器(亦称整流器)以缩短必要的直管段长度。但是标准中只列举有限类型的阻流件,而现场阻流件类型远超过它,另外标准中各种阻流件的数据是在进入该类型流动为充分发展管流条件得到的,而现场几种阻流件串接一起是经常遇到的,亦就是说,进入阻流件的流动并非充分发展管流,在这种情况下,要得到可靠的测量惟有安装流动调整器。

  标准规定流体流动必须是稳定的,或仅随时间缓慢变化,这种定常流条件在现场是很难完全满足的,偏离这种条件会带来多大附加误差一直是流量测量课题之一。引起非定常流的情况是很多的,例如原动机(往复式发动机、压气机、泵、风机等)产生的;控制阀频繁动作产生的;管线自激振荡,特别是在有谐振时引起的;

  工艺管件(阀、弯头、支管等)使流体分离产生的;整个流动系统布置引起的;混相流中某些流型引起的等等。1998年ISO发表关于脉动流测量的技术报告ISO/TR3313:1998《Measurement of fluid flow in closed conduits-Guidelines on the effects of flow pulsations on flow measurement instruments》。它给予采用
节流式DPF测量脉动流的有关数据。

(4)环境条件
  
节流式DPF的二部分差压变送器和流量显示仪装备有电子器件及微机等,它们对环境条件的要求与其它电子仪器仪表是一样的,这里不再多谈。这里谈一下关于一体式DPF的环境条件问题,几乎所有流量计都有一体式和分离式两种型式,以前节流式DPF大都采用分离式,由于分离式中差压信号管路存在诸多弱点,近年出现的一体式受到用户的欢迎,但是亦应看到由于一体式把差压显示部分与节流装置安装在一起,对差压显示仪的要求就提高了,它应适应现场环境条件,显然它比控制室里的环境条件要严酷了,比如现场管线振动及强电磁场干扰等,因此应该根据实际情况来决定采用哪一种型式较合适。

(5)经济因素

  经济因素包括购置费、安装费、运行费、校验费、维护费及备品备件等,现分述如下:

  a)购置费:与其它型式
流量计相比,流量计的检测件(节流装置)的购置费用较便宜,但亦应考虑其它二部分:差压变送器流量显示仪加在一起则整套仪表就不一定便宜了。

  b)安装费:差压信号管路的安装费用较高考虑到有时尚需配备各种辅助设备,如冷凝器、集气器、沉降器以及隔离器等,因此采用一体式可降低安装费用。

  c)运行费:运行费主要考虑压损产生的能耗,尤其大口径时更应注意,常用的
节流装置孔板喷嘴都是高压损的检测件,但相比之下喷嘴孔板的压损要小得多(约为30%-50%)。为降低运行费采用低压损节流装置,但一般低压损节流装置的购置费又较高,两者应仔细核算一下采用哪种较合算。

  d)校验费:对于
标准节流装置无须实流校验这是其主要优点,但节流装置的几何校验费用还是需要的,对于用户免实流校验不仅是节省费用问题,它还带来许多免麻烦的事。

  e)维护费:
流量计检测件牢固可靠,与具有可动检测件(如涡轮、容积式)流量计相比维护费较少,但是流量计其它二部分差压显示仪还是有一定维护费的。

  f)备品备件:
流量计昂贵部分(差压显示仪)通用性强,在大中型企业备品备件较节省便利。

  6.
标准节流装置的选择原则

  为了选择最适宜的
标准节流装置,选型时应从以下几方面考虑:
  (1)管径、直径比和雷诺数范围的限制条件;
  (2)测量准确度;
  (3)允许的压力损失;
  (4)要求的最短直管段长度;
  (5)对被测介质侵蚀、磨蚀和脏污的敏感性;
  (6)结构的复杂程度和价格;
  (7)安装的方便性;
  (8)使用的长期稳定性。

  根据上述几方面,
标准节流装置的选型原则可归纳为以下几点:

  (1)
标准节流装置各种类型节流件应用的管径、直径比和雷诺
数范围皆有一定限制,在国家标准GB/T2624-93(或国际标准ISO5167-1)中有详细规定,例如
孔板可应用于比喷嘴文丘里喷嘴更大的管径范围,各种类型经典文丘里管的管径范围差别较大等等。

  (2)
标准节流装置各种类型节流件的准确度在同样差压、密度测量精度下,决定于流出系数与可膨胀系数的不确定度。各种节流件的流出系数的不确定度差别较大,相比之下,孔板的流出系数的不确定度最小,廓形节流件喷嘴文丘里管)较大。廓形节流件较大的原因是标准中给出的流出系数公式所依据的拟合的数据库质量较差。但是对廓形节流件进行个别校准,也可得到高的准确度。

  (3)在同样差压下,
经典文丘里管文丘里喷嘴的压力损失约为孔板喷嘴


 

。而在同样的流量和相同的β值时喷嘴的压力损失只有孔板的30%~50%。

  (4)在相同阻流件类型和直径比情况下,
经典文丘里管的必要直管段长度比孔板喷嘴的要小得多。

  (5)测量易使
节流件沾污、磨损及变形的被测介质时,廓形节流件孔板要优越得多。

  (6)在加工制造及安装等方面,
孔板最为简单,喷嘴次之,文丘里喷嘴经典文丘里管最复杂,其造价亦依次递增。管径愈大,这种差别愈显著。

  (7)
孔板易取出检查节能流件质量(采用可换孔板节流装置),喷嘴文丘里管则需截断流体,拆下管道才可检查,比较麻烦。

  (8)中小口径(DN50~DN100)
节流装置,取压口尺寸和取压位置的影响显著,这时采用环室取压有一定优势。

 

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