差压式流量计原理及选型

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。通常以检测件的型式对DPF分类，如孔板流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和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、差压变送器和流量显示仪。

　　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。

　　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--孔板和喷嘴开始标准化，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）中所列节流装置为标准节流装置，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）。

1. 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。