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1、 吕波涛 概述n差压式流量计(以下简称DPF或流量计)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来测量流量的仪表。DPF由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。 工作原理n基本原理基本原理 充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，如图所示，流速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，这样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。压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关，例如当节流装置形式或管道内
2、流体的物理性质(密度、粘度)不同时，在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。工作原理n式中 qm-质量流量，kg/s; qv-体积流量，m3/s; C-流出系数； -可膨胀性系数； -直径比，=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； P-差压，Pa； l-上游流体密度，kg/m3。由上式可见，流量为C、d、P、(D)6个参数的函数，此6个参数可分为实测量d，P，(D)和统计量(C、)两类 。流量方程流量方程工作原理n(1)实测量实测量 1)d、D 式(41)中d与流量为平方关系，其精确度对流量总精度影响较大，误差值一般应控制在005左右，还应计及工作温度对
3、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03。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，在现场配管应充分注意这个问题。2) 在流量方程中与P是处于同等位置，亦就是说，当追求差压变送器高精度等级时，绝不要忘记的测量精度亦应与之相匹配。否则P的提高将会被的降低所抵消。 3)P 差压P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
4、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。n(2)统计量统计量 1)C 统计量C是无法实测的量(指按标准设计制造安装，不经校准使用)，在现场使用时最复杂的情况出现在实际的C值与标准确定的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(不确定度的幅值与方向)。但是在现实中，有时不仅是一个条件偏离，这就带来非常复杂的情况，因为一般资料中只介绍某一
5、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) 可膨胀性系数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：其一为常用流量下的误差，即标准确定值的误差；其二为由于流量变化值将随之波动带来的误差。一般在低静压高差压情况，值有不可忽略的误差。当PP0.04时，的误差可忽略不计 。差压式流量计的分类差压式流量计的分类差压式流量计分类如表所示：差压式流量计分类如表所示： 分类原则分类原则 分分 类类 类类 型型按产生差压的作用原理分类 1）节流式；2）动压头式；3）水力阻力式；4）离心式；5）动压增益式；6）射流式 按结构形式分类 1）标准孔板；
6、2）标准喷嘴；3）经典文丘里管；4）文丘里喷嘴；5）锥形入口孔板；6）1/4圆孔板；7）圆缺孔板；8）偏心孔板；9）楔形孔板；10）整体（内藏）孔板；11）线性孔板；12）环形孔板；13）道尔管；14）罗洛斯管；15）弯管；16）可换孔板节流装置；17）临界流节流装置 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； 差压式差压式流量计流量计 标准孔板标准孔板 标准喷嘴标准喷嘴 经典文丘经典文丘里管里管临界流节流临界流节流装置装置 标准孔板 n 标准孔板 又称同心直角边缘孔板，其轴向截面如
7、图4.2所示。孔板是一块加工成圆形同心的具有锐利直角边缘的薄板。孔板开孔的上游侧边缘应是锐利的直角。标准孔板有三种取压方式：角接、法兰及D-D/2取压；如图4.3所示。为从两个方向的任一个方向测量流量，可采用对称孔板，节流孔的两个边缘均符合直角边缘孔板上游边缘的特性，且孔板全部厚度不超过节流孔的厚度。 孔板的三种取压方式标准喷嘴n标准喷嘴 有两种结构形式：ISA 1932喷嘴和长径喷嘴。a. ISA 1932喷嘴（图4.4） 上游面由垂直于轴的平面、廓形为圆周的两段弧线所确定的收缩段、圆筒形喉部和凹槽组成的喷嘴。ISA 1932喷嘴的取压方式仅角接取压一种。n b. 长径喷嘴（图4.5） 上游
8、面由垂直于轴的平面、廓形为1/4椭圆的收缩段、圆筒形喉部和可能有的凹槽或斜角组成的喷嘴。长径喷嘴的取压方式仅D-D/2取压一种。经典文丘里管n经典文丘里管由入口圆筒段A、圆锥收缩段B、圆筒形喉部C和圆锥扩散段E组成，如图4.6 所示。根据不同的加工方法，有以下结构形式：具有粗铸收缩段的；具有机械加工收缩段的；具有铁板焊接收缩段的。不同结构形式的L1、L2、R1、R2与D、d的关系如表4.2所示。经典文丘里管 注粗铸入口 机械加工的入口 粗焊的铁板入口 1 0.25D(100mmD150mm) L1=0.5D0.05D L1=0.5D0.05D2 L2=1D或0.25D+250mm两个量中的小者
9、 L2D(入口直径) L2D(入口直径)3 R1=1.375D+20% R10.25D R1=0,焊缝除外4 R2=3.625d至3.8d R20.25D R2=0,焊缝除外 L1、L2、R1、R2与与D、d关系关系 节流式差压流量计的主要特点节流式差压流量计的主要特点 n主要特点主要特点主要特点优点缺点缺点的弥补节流式差压流量计的主要特点节流式差压流量计的主要特点n优点 1 .节流式DPF测量对象,在各种工作环境中的应用两者都极广泛 。2 . 检测件标准化与差压显示仪表结合非常灵活方便。 3 3 .标准型节流式DPF无需实流校准，即可投用，在流量计中亦是惟一的。 节流式差压流量计的主要特点节
10、流式差压流量计的主要特点n缺点 节流式DPF主要存在以下缺点： 1)测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平，由于众多因素的影响错综复杂，精确度难以提高。 2)范围度窄，由于仪表信号(差压)与流量为平方关系，一般范围度仅3:1-4:1。3)现场安装条件要求较高，如需较长的直管段(指孔板，喷嘴)，一般难以满足。4)检测件与差压显示仪表之间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。5)压损大(指孔板，喷嘴)。 节流式差压流量计的主要特点节流式差压流量计的主要特点n缺点的弥补缺点的弥补 ( 1) 关于范围度的拓宽节流式DPF范围度拓宽从两方面着手：1)开发线性孔板；2)采用宽量程
11、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对每种通径测量管道配以有限数量的节流件，节流件的值(孔径)则按优先数系选用，每种通径配3-5种值。定值节流件的应用有许多优点：改变节流件应用对号入座的缺陷；节流件生产方式由小生产作业方式转变为大批量生产；对于廓形节流件(如喷嘴，文丘里管等)采用专用加工设备实现批量生产，降低生产成本，为扩大使用创造条件；给用户带来使用的方便等等。(3)压损问题 通常节流式DPF压损大是指检测件为孔板或喷嘴等品种，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)，它们未能大量应用的原因是结构笨重，价格高，如采用定值节流
12、件可使生产成本大幅度下降，为广泛应用创造条件。(4)一体化节流式DPF把节流装置和差压变送器做成一体，省却引压管线，减少故障率，改善动态特性，方便安装使用，受到用户的欢迎。国外应用已相当普遍，据统计，日本在1996-1997年新建四家工厂400余台差压式流量计，一体化直接安装仪表约占三分之一。(5)安装条件问题经典文丘里管必要的直管段长度短(约5D-10D)，在无长直管段场合尽量采用此类节流件，它做成定值节流件，可以降低制造成本。近年国际上为解决阻流件干扰着力研究适用的流动调整器，在精度要求较高时节流装置与流动调整器配套供应，可保证测量的精确度，但也增加了压损与维护工作量。n节流式DPF的首选
13、检测件当然是标准节流装置，为了选择最合适的标准节流装置，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)测量精确度；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、磨损和脏污的敏感性；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。选用考虑要点选用考虑要点n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。 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的限制，在国家标准GB/T 2624-93(或国际标准ISO 5167-1)中有详细规定，例如孔板可应用于比喷嘴和文丘里喷嘴更大的管径范围，经典文丘里管各种类型
14、之间的管径范围差别较大等等。标准节流装置各种类型节流件的精确度在同样差压、密度测量精确度下，决定于流出系数与可膨胀性系数的不确定度。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，也可得到高的精确度。在同样差压下，经典文丘里管和文丘里喷嘴的压力损失约为孔板与喷嘴的1/4-1/6。而在同样的流量和相同的值时喷嘴的压力损失只有孔板的30-50。 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与喷嘴的要小得多
15、。测量易使节流件沾污、磨损及变形的被测介质时，廓形节流件较孔板要优越得多。在加工制造及安装等方面，孔板最为简单，喷嘴次之，文丘里喷嘴和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。孔板易取出检查节流件质量(采用可换孔板节流装置)，喷嘴和文丘里管则需截断流体，拆下管道才可检查，比较麻烦。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。安装使用注意事项安装使用注意事项 n 节流式DPF的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。安装要求必须按规范施工，偏离要求产生的测
16、量误差，虽然有些可以修正，但大部分是无法定量确定的，因此现场的安装应严格按照标准的规定执行，否则产生的测量误差甚至无法定性确定。 以下我们按测量管、节流件以及差压信号管路几方面的安装需要注意的事项分别进行简介 测量管及其安装n测量管是指节流件上下游直管段，包括节流件夹持环及流动调整器(如果使用时)，典型的测量管如图4.21所示。测量管是节流装置的重要组成部分，其结构及几何尺寸对进入节流件流体的流动状态有重要影响，所以在标准中对测量管的结构尺寸及安装有详细的规定。对于测量管及其安装应注意以下内容：1)直管段管道内径的确定方法；2)直管段的直度和圆度；3)直管段的内表面状况；4)直管段的必要长度；
17、5)节流件夹持环；6)流动调整器。 直管段管道内径的确定如图 n具体要求如下。1)上游 管径：D（D1+D2+D3+D12）/12在平面处测；圆度：0.997 DD1,D2，D14，Dn1.003 D在平面处测，其中n为保险起见，在与平面之间，追加的测量次数。2)下游 对管径只作一次检查：0.97 DD151.03 D。3)对古典文丘里管 入口圆筒形直径与D之差入口圆筒形直径的1；入口圆筒形直径与D1，D2，D3之差入口圆筒形直径的2；D15文丘里扩散段出口端直径的90。用于计算节流装置直径比的管道内径D值应为上游取压口的上游0.5D长度范围内的内径平均值。由上图可见，对内径确定的规定是很严格
18、的，但是在现场由于种种原因，有时没有按照要求进行，而采取公称通径作为设计计算之用，这是不允许的。n 直 管段管道内表面状况对测量精确度的影响往往被忽略了。标准对管道内详细规定。在湍流状况下光滑管与粗糙管的流速分布是不一样的(见第2章)系数亦不相同。对于新安装的管道应选用符合粗糙度要求的管道，如果达不到要求采取措施，如加涂层或进行机加工，以满足之。但是仪表长期使用后，由于测量介质特性（腐蚀，粘结，结垢等)作用，内表面可能发生改变，应定期检查进行清洗维护n直管段长度与阻流件类型及值有关，标准节流装置的必要直管段长度的规定见相关参数表格。 节流件的安装 节流件安装的垂直度、同轴度及与测量管之间的连接
19、都有严格的规定。1)垂直度 节流件应垂直于管道轴线，其偏差允许在1o之间。2) 同轴度 节流件应与管道或夹持环(采用时)同轴。节流件的轴线与上下游侧测量管轴线之间的距离(或称偏心率)ec与取压管轴线的平行分量ecl及垂直分量ecn应满足下式，此时流出系数C无附加不确定度 ecl0.0025D/（0.1+2.34） （4.3）和ecn0.005D/（0.1+2.34） （4.4） 如果ecl在式(4.5)范围内，则流出系数C的不确定度应算术相加0.3的附加不确定度0.0025D/（0.1+2.34）ecl0.005D/（0.1+2.34） （4.5） 如果ec1和ecn在式(4.6)范围，则认为
20、不符合标准文件(ISO 5167)的要求ecl或ecn0.005D/（0.1+2.34） （4.6）由式可见，在中小口径及大值时，安装偏心率的要求是很严格的，ec的实际检验很困难，应由各连接件的配合公差来保证。节流件的安装n3)节流件前后测量管的安装 离节流件2D以外，节流件与第一个上游阻流件之间的测量管，可由一段或多段不同截面的管子组成，其允许的台阶及附加不确定度如图423所示。在离节流件上游侧端面至少2D长度的下游测量管上，下游管道内径与上游测量管的内径平均值之差，应不超过内径平均值的3。若hs0.3D，则对流出系数可用参比条件下的精度。若hs0.3D，并且hs/D0.002（LsD+0.
21、4）/（0.1+2.34）和hs/D0.05式中=d/D hs=D1-D 则对流出系数的精度应附加0.2%的不确定度。管道台阶检验 差压信号管路的安装n差压信号管路是指节流装置与差压变送器(或差压计)的导压管路。它是DPF的薄弱环节，据统计DPF的故障中引压管路最多，如堵塞、腐蚀、泄漏、冻结、假信号等等，约占全部故障率的70，因此对差压信号管路的配置和安装应弓起高度重视。1)取压口 取压口一般设置在法兰、环室或夹持环上，当测量管道为水平或倾斜时取压口的安装方向如图所示。它可以防止测液体时气体进入导压管或测气体时液滴或污物进入导压管。当测量管道为垂直时，取压口的位置在取压位置的平面上，方向可任意
22、选择。取压口位置安装示意差压信号管路的安装n不同温度条件下取压接头的安装方法如图所示注：取压空边缘应整齐，为直角或稍加倒圆，无毛刺、卷刃及其他缺陷 （a）温度在426oC（800oF）以下； （b）温度在426oC（800oF）以上， 而且与二次元件之间距离较大； （c）当要求满角焊时可选此方案； （d）温度在204oC（400oF）以下差压信号管路的安装n2）导压管 导压管的材质应按被测介质的性质和参数确定，其内径不小于6mm，长度最好在16mm以内，各种被测介质在不同长度时导压管内径的建议值见相关参数表格。 导压管应垂直或倾斜敷设，起倾斜度不小于1：12，粘度高的流体，其倾斜度应更增大。当
23、导压管长度超过30m时，导压管应分段倾斜，并在最高点与最低点装设集气器（或排气阀）和沉淀器（或排污阀）。正负导压管应计量靠近敷设，防止两管子温度不同使信号失真，严寒地区导压管应加防冻保护，用电或蒸汽加热保温，要防止过热，导压管中流体汽化会产生假差压应予注意。差压信号管路的安装n差压信号管路的安装 根据被测介质和节流装置与差压变送器（或差压计）的相对位置，差压信号管路有以下几种安装方式。被测流体为清洁液体时，信号管路的安装方式如图所示。 图被测流体为清洁液体时，信号管路安装示意（a）仪表在管道下方；（b）仪表在管道上方；（c）垂直管道，被测流体为高温液体差压信号管路的安装n被测流体为清洁干气体时
24、，信号管路的安装方式如图所示图为被测流体为清洁干气体时，信号管路安装示意（a）仪表在管道下方；（b）仪表在管道上方； （c）垂直管道，仪表在取压口上方； （d）垂直管道，仪表在取压口下方。差压信号管路的安装n被测流体为水蒸气时，信号管路的安装方式如图所示。 图为 被测流体为水蒸气时，信号管路安装示意（a）仪表在管道下方；（b）仪表在管道上方； （c）垂直管道，仪表在取压口下方； （d）仪表在管道下方，同（a）图， 仅冷凝器安装方式不同，可任意选用差压信号管路的安装n被测流体为清洁湿气体时，信号管路的安装方式如图所示。图为被测流体为湿气体时，信号管路安装示意（a），（b） 差压信号管路的安装图为
25、被测流体为湿气体时，信号管路安装示意（c）-（f） 使用注意事项使用注意事项 n一台DPF能否可靠地运行，达到设计精确度的要求，正确使用是很重要的。尽管流量计的设计、制造及安装等皆符合标准规定的要求，如果不注意使用问题，也可能前功尽弃，使用完全失败。以下列举若干应注意的问题。DPF标准规定的工作条件是所谓参考工作条件（见本书第20章），这些条件在实验室里可以满足，但是在现场要完全满足比较困难，可以说，偏离标准规定要求是难免的，这时重要的是要估计偏离的程度，如果能进行适当的补偿（修正）是最好的，否则要加大估计的测量误差。DPF检测件节流装置安装于现场严酷的工作场所，在长期运行后，无论管道或节流装
26、置都会发生一些变化，如堵塞、结垢、磨损、腐蚀等等。检测件是依靠结构形状及尺寸保持信号的准确度，因此任何几何形状及尺寸的变化都会带来附加误差。麻烦的是，测量误差的变化并不能从信号中觉察到，因此定期检查检测件是必要的。可以根据测量介质的情况确定检查的周期，周期的长短无法作统一规定，使用者应该根据自己的具体情况确定，有的可能要摸索一段使用时间才能掌握。在节流装置设计计算任务书中要求用户详细填写使用条件，这些条件在仪表投用后发生变化是难免的，因为设计者很难估计工艺过程的一些变量；例如压力和温度的波动。有些工艺过程刚投用与运行一段时间发生变化是正常的。另外，经常有生产产量逐渐提高的事情。以上这些都会使被
27、测介质的物性参数发生变化。这时使用者要及时检查工艺参数，对仪表进行修正或采取一些措施，如更换节流件，调整差压变送器量程等等。 使用注意事项使用注意事项n偏离标准规定条件会带来测量的附加误差，应着重检查以下问题。 (1)结构的偏离 a孔板入口直角锐利度；b节流件厚度；c节流件上游端面平面度；d取压位置； e取压口加工不规范或堵塞；f管径尺寸与计算值不符；g节流件附近产生台阶和错位； h环室尺寸不符，产生台阶或偏心；i焊接的焊缝突出；j节流件偏心(不同轴度大)。 n(2)管线布置的偏离a阻流件靠近节流装置。阻流件类型很复杂，有单一阻流体，亦有组合式阻流件，标准仅给出几种单一的，对于组合式阻流件还缺少试验资料；b流动调整器的应用，使进入节流件的流动为充分发展管流，但并非随意使用都能达到目的，如使用不当，反会带来流场偏移、堵塞、高压力损失等副作用。使用注意事项使用注意事项n (3)使用偏离 a孔板弯曲(变形)；b节流件上游端面沉积脏物；c节流件上游测量管沉积脏物；d孔板入口直角边缘变钝，破损；e文丘里管内表面粗糙度变化。(4)管壁粗糙度的影响a管壁粗糙度增加，使流速分布曲线变陡，增大流出系数；b管壁粗糙度是一个难以掌握的因素，它与流体性质、管壁腐蚀、积垢等有关，随时间而变化。 若干偏离标准规定要求的影响 见相关参考表格