發布日期：2022-10-09 點擊率：74
面對工業現代化的飛速發展，提出了不少新的難題，經典節流裝置已無能為力。鑒于此，本文介紹了一些新型節流流量儀表，如：多孔孔板、V錐、環楔等流量儀表，它們都具有一些特點，有別于經典節流裝置。本文將介紹它們的運行原理，準確度及所必須的上游直管段長度，智能化------等內容，以幫助于用戶正確選用。當前制約這類儀表選用的最大障礙是尚未制定標準，本文對制定標準提出了一些建議，并強調制定標準必須建立在大量可靠的測試數據上，并應認真、科學、嚴謹地處理這些數據。
一、 緒論
節流型流量儀表問世已有100多年歷史，長期以來，以孔板為代表的經典節流裝置（孔板、噴嘴、文丘利），因其結構簡單，使用率高，已積累大量的測試數據，且制定了標準，曾在流量儀表中占有70%左右的市場。隨著工業的發展，對流量儀表不斷提出了許多新的要求，如：直管段長度不足又要求較高準確度，經典節流裝置已無法滿足。近一、二十年以來涌現出不少新型節流流量儀表，在現場應用條件下，其價格、安裝、準確度、永久壓損、可靠性、維修等方面均優于經典節流儀表，日益為用戶所接受。
用戶在選用這些儀表要了解它已不僅是一個節流元件，而是組成了一個系統，所以，不僅要了解節流元件的基本原理，還需了解系統每一部分的作用以及它們對整個測量結果的影響。儀表準確度是選用的重要因素，在試驗室的標定僅僅只是決定儀表性能的必要條件，而非充分條件；也就是說，儀表在使用中性能是否好還要取決選型、安裝、以及儀表適應現場的能力。
二、 差壓流量儀表的原理
所有差壓流量儀表的原理都是基于柏努利的流體能量轉換公式，流動的流體其能量主要表現為位能與動能二種形式。當然還應考慮流體流動過程的損失及可壓縮性，如果忽略這二個因素，轉換公式將變得十分簡單，即可通過測差壓來推算流量，其方法主要有以下二種：
其一是節流法，通過節流增加流速，降低壓力（位能）；
管道中的流體因節流而加速，因能量守恒促使壓力降低，通過測差壓可知流速來推算流量大小。當流體通過節流件又回滿管時，截面增大流速下降，動能轉換為位能，壓力將上升。但任何節流件都會造成壓力損失，壓力不可能恢復到節流前的數值，這個差值就是我們通常所說的永久壓損。當然，不同結構的節流件所引起的壓力損失是不相同的。
這類儀表大致有以下三種：
① 孔板（同心單孔，偏心、圓缺、多孔---等）
② 環形通道（V錐、環形孔板、槽道、內文丘利、梭式----等）
③ 文丘利（文丘里管、道爾管、羅洛斯管、環楔----等）
其二是動壓法
令管道中某點的流動流體完全滯止轉換為位能（壓力），這個壓力包含了流體所有的能量故稱為總壓（或全壓）；另外測量不含流體動能與流速無關的靜壓，通過總靜壓差推算流速大小。較為典型的儀器是1732年由法國人皮托發明的皮托管。用這種儀器所測的只是流速，須知流量還需了解管道截面面積及管內流速分布，遺憾的是至今還有不少人忽視這二個重要因素。限于篇幅，本文略去討論這類儀表。
三、主要技術參數
1、流出系數C，定義為實際流量與理論計算值的差別。C＝實際流量/理論流量。
由于流體都具有黏性，在流動過程中會有摩擦造成損失，這種影響十分復雜。當前人們還無法通過理論方法來估計它的大小，只能假設流體流動過程中沒有損失，以簡化計算公式。所以，理論計算與實際流量會有差別，可用流出系數C修正，流出系數C只能通過實流標定才可以得到。即或是通過經驗公式計算，也必須建立在大量的實驗基礎上。
○1標準化節流件 通過大量的實流校驗，可以得到流出系數規律，在一定雷諾數Re范圍內，無需標定而可得到流出系數。當前只有經典節流裝置可以做到（孔板、噴嘴、文丘里管）。
○2流出系數C與Re存在一定的函數關系，這對于應用帶來了很大的方便。
○3流出系數C與節流件的結構密切有關，結構的壓損越大，C值趨于減小。
如：在相同的β值下，孔板的壓損最大，文丘利管壓損最小。
其流出系數C大致為：孔板；V錐；文丘利。
2、膨脹系數Y
為簡化計算，理論計算式假定流體流動時其密度等于常數，對液體可以認同，而氣體則會有很大的差別，必須進行修正。最正確的方法還是通過實流標定。在確定的流量下，改變壓力來確定Y的大小。它與輸出差壓DP及壓力P有關，當DP/P小于時，Y值約為以上，可以忽略不計。在高壓、高速時，因膨脹系數的影響可使流量誤差達30%以上，則必須用Y值修正。
3、直徑比β
對于不同結構的節流件β值有不同的計算方法，但從本質上講，應是流動截面的當量直徑與管徑之比，β值大則節流小，流動順暢，以下將介紹不同節流件的計算方法。
4、計算公式
○1節流原理的差壓流量儀表為：Qm=NCYd2[DPρf ]1/2/[1-β4]1/2
○2動壓原理差壓流量儀表為：Qm=NkYFaD2[Dpρf ]1/2
上式中: Qm 質量流量（Kg/h） N 常數（取決于各參數所用單位）
C 流出系數 Y 膨脹系數 d 通道面積當量直徑
DP 輸出差壓 β直徑比 k 流量系數 Fa 管材熱膨脹系數
ρf 流體密度（Kg/m3） D 管道內徑
5、差壓流量系統由以下三部分組成：
①一次元件 是儀表與流體相接觸的部分，為系統的信息源頭，儀表通過節流件進行動能與位能的能量轉換，或將動能全部滯止測其總、靜壓，主要包含以下幾部分：
?按節流原理包括節流件（孔板、內錐、楔形、噴嘴等）；上下游直管段及安裝法蘭；取壓孔的位置與形狀；流動調整器。
?按動壓原理包括皮托管式均速管；安裝接頭，用于在線拆卸的提升機構及截止閥門改善流體流動調整器。
②二次元件（變送器），將一次元件輸出的差壓信號轉換為標準的電信號，傳至流量計算機讀取流量，它包含：差壓變送器，壓力變送器，溫度變送器。
③流量計算機 將從一次元件所接受的電信號，通過相關的公式自動計算為流量值，顯示其大小并傳至調節系統，以控制工況。
流量值的確定由以上三部分組成，每一部分的誤差將合成為整個系統的誤差，一般來說，一次元件受現場條件的影響，誤差相對較大。
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二、 差壓流量儀表的類型
1、孔板 使用最為普通的一種經典節流裝置，標準孔板并有國際、國家標準為依據，撰寫這些標準耗費了巨大的資金與人力，收集了數以萬計可信賴的測試數據，確定了流出系數C及膨脹系數Y。原則上無需標定且具有較高的準確度，可用于貿易結算的流量計量中。
2、多孔孔板 多孔孔板與經典孔板相比較最大的優點是考慮到了當前工業現場的直管段長度不足，無法滿足2003年公布實施的ISO5167的要求，達不到必要的準確度。而多孔孔板的節流件除了節流外，還有整流的效果，在直管段長度較短（5~10D）的情況下，仍可達到士1%的準確度。
圖1 孔板系列節流裝置
圖2 內錐（V-cone）流量計原理圖
多孔孔板的計算與孔板類似，區別主要是如何計算β值，首先算出其流通面積Aef ：
Aef=∑nidi2/4 式中n為單元孔的數量； di為單元孔直徑
當量直徑def =[4 Aef /π]1/2 多孔孔板βD=def /D
需要強調的是：○1多孔孔板的βD即或與孔板的β值相等，因其節流過程不同，不可直接引用孔板流出系數C,膨脹系數Y,仍需通過校驗確定。○2多孔孔板的各組單元孔的圓心應處在與管道軸線的同心圓上，并確保有較高的同心度，以免引人較大誤差。○3廠家應對多孔孔板進行實流標定，并明確告訴用戶準確度的大小，適用的Re范圍，必需的直管段長度。
3.內錐流量計（圖2）。它與經典節流裝置不同在于流體是通過錐體與管壁形成的環形通道，而不是中心孔進行節流的。這種環形通道節流方式可在確保較高準確度的前提下，對前直管段長度的要求較孔板低得多。美國科羅拉多工程實驗室（CEES1），對其多種型式進行了測試，公布在APIMPMS22.2中，測試報告宣稱不僅直管段要求短，而且壓損也較孔板低一些。
內錐流量計βV的計算與上述多孔孔板有類似之處，仍需通過流通面積A時來計算當量直徑dV 。
流通面積A=π/4(D2- DC2) 式中DC為內錐的最大橫截面直徑。
當量直徑dV=( D2- DC2)1/2
βV=dV /D= (D2- DC2) 1/2 /D
4.文丘里管。文丘里管與孔板一樣，也進行過大量測試，建立了標準，同屬經典節流裝置。它與孔板不同在于由于它有較長的擴張段，因此是節流裝置中壓損最小的一類儀表。但體積十分笨重，當口徑較大時尤為突出。
5.皮托管。1932年至今，用皮托管測單點流速仍是一種行之有效的經典方法。
但測流量則應注意以下問題：
○1.如圖3所示，即使直管段長度足夠，管內流速為充分發展紊流，流速分布也非常數，流速大小與皮托管在管道中的位置有關。
圖3 皮托管原理圖
圖4 均速管測量原理圖
對以上所述的優點，譯者有所質疑，它仍是差壓流量計，差壓的平方根與流量成正比，如何擴大量程比？它的結構與文丘里管有相似之處，只不過增大了擴張角如何保證流體不分離而減小壓損？這些問題都有待試驗進行驗證，而不能輕信一面之詞！
○2目前工業現場的管道的直管段長度都較短，管內流速分布不僅沒有規律，流向也未必平行于軸線，流速測量準確度較低。
因此，用皮托管（或類似的雙文丘里管，測管，背靠背皮托管以及熱式單點……）來測管道的流量很難達到如廠商所宣傳的士1%準確度。
6.均速管。(亦稱多點平均皮托管Multi-Ported Averaging Pitot Tubes) 由于認識到管道中流速分布不是常數，因而采用在管道中測多點的流速值，取其平均值，這種方法看來既簡便又“準確”，近40年多用于大管徑流量測量。為了取得較大的差壓值，避開“阻力危機”等問題，又推出了菱形、彈頭形、T形、橢圓形等十余種橫截面形狀，各抒所長，莫衷一是，此處必須強調的是：
○1.均速管必需與管道結合成一體才能成為流量計，影響流量測量準確度并非是廠商千方百計推出的截面形狀，而是管道的直管段長度（流速分布）及內徑D的大小。它們對流量準確度的影響會遠大于均速管的截面形狀。遺憾的這個問題往往為廠商回避，為用戶所忽視。
○2.均速管所測的差壓并不能完全反映流體流動的總、靜壓，其低壓往往低于管道中流體的靜壓。因此，均速管的流量系數必需通過標定來確定，而標定試驗室的管徑及流場與使用現場有較大差異，因此也不可能達到廠商所說的準確度。
○3均速管可以有較好的重復性，但很難保證較高的準確度，僅適用于工控系統而不適用于貿易計量。
7.環楔流量計（Torus –Wedge Meter）。
近幾年推出的一種新型差壓流量計（圖5）。可理解為楔形流量計概念的延伸與發展，楔形流量計的節流件---楔只是管道中的一小段，處于水平管道上方；而環楔流量計將楔發展為環狀，充滿整個管道（也類似文丘里管增加了后擴張角）。據研發廠商宣稱，增加了量程比，減小了壓損，增加了耐磨性。美國科羅拉多工程試驗室對其進行了大量測試。根據API22.2有關系數，確定了流出系數，膨脹系數，目前仍需逐臺標定。
圖5 環楔流量計
8.智能差壓流量計。近年來發展較快的流量計都具有智能功能，如電磁、超聲、科氏，均可進行自診斷，且擴大了測試功能。差壓流量計的創新不能僅局限于一次元件上，還應擴展到二次表及積算儀。如擴大量程，差壓變送器可以根據一次元件的輸出自行遷移，流量積算儀可以根據流出系數C及膨脹系數Y的校準曲線進行補償，自行診斷儀表的故障，并指出故障發生的地點，以幫助維修人員及時排除故障……等等。
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五、系統準確度。
1.確定差壓流量計的準確度應包括整個系統。即一、二次元件及流量積算儀，而不僅限于一次元件。準確度應由這三個部分的誤差組成總誤差Δm。在選用每部分時，應令其誤差等級處于同一水平才合理。如一次元件誤差為1.5~2%，選用0.2%級的二次表就毫無必要。積算儀一般準確度均較高。系統誤差的組成如下：
Δm=[Δ12＋Δ22＋Δ32]1/2
上式Δm是差壓流量計總的誤差，Δ1、Δ2、Δ3分別為一次元件、二次元件、積算儀的誤差。
2.流出系數C的確定。
標準節流裝置如孔板，其流出系數C已由標準（ISO5167等）中的公式（或表格）給出。當使用情況不同于校驗或制定的條件時，標準API22.2也給出了附加不確定度。由于標準未必能涵蓋所用的實際情況，給出的流出系數不確定度將大于逐臺實際標定。作者建議為了提高儀表的準確度，即使是有標準可依，最好仍進行逐臺標定。如是，必須強調二點：①被標定的一次元件的誤差中，應包含校驗裝置的不確定度。
②用戶選擇校驗裝置時應考慮它的資質及不確定度大小。
3.其他影響因素。系統的不確定度除了一次表的流出系數誤差外，還要考慮二次表及流體特性的影響。這些影響因素一般均有相關的國際（或國家、企業）標準給出，作者建議盡量引自國際、國家標準，而不用企業或某些文獻的相關數據，后者往往不太可靠。
六、選用建議。
由于差壓流量計種類十分多，本文只能提供一些選用建議供用戶參考，總的原則是按需選用。
1. 準確度。首先應根據用戶的要求，如果不是用于貿易計量，僅為一般監控，則無需選用準確度過高的儀表。其次，準確度取決于系統中的三個部分，各部分的準確度應處于同一水平，相差太大,選用準確度過高的部件純屬浪費，毫無意義。
2. 量程。所選流量計的量程應與其應用情況相符合，否則會帶來較大誤差。差壓流量計的量程比只能為3:1。如果選用智能式自適應差壓變送器，流量的量程比可擴大至10:1以上。此外，如管內流速過小，可采取縮頸方法提高流速，反之流速過大，也可采用擴徑降低流速。
3. 永久壓損。差壓流量計因結構不同永久壓損會有很大的差異。在歷行節能的今天，用戶都會盡量選用壓損較小的儀表。生產廠家應提供可靠的壓損數據供用戶選用。
4. 安裝影響。一般來說差壓流量計為維持必要的準確度，都要求較長的直管段長度，如果達不到要求，生產廠家應提供安裝對準確度的影響數據，最好為應用條件下的數據。
5. 二次表。根據需要合理選用二次表，如果所選用的一次表在應用條件下準確度較低，就沒有必要選用準確度高且昂貴的二次表。
6. 耐用性。如用于粉塵含量高、腐蝕性強的流體，則應選用耐腐蝕、耐磨損的儀表。
7. 維護。差壓流量計較其它流量計可耐惡劣工況，維護較少。近年來為簡化系統，推出了一體化差壓流量計，其二次表以及顯示部分則應定期拆裝，進行檢修。
8. 價格。對任何用戶來說，都希望選購性價比高的產品。廠家過熱的炒作以獲取暴利，是一種缺乏誠信的短期行為，終將失去市場。我國前幾年有關內錐的炒作是一個典型的案例。
七、標準的制定
1.必要性。
近百年以來，經典節流裝置由于制定了標準，在工業化的發展過程中發揮了很大的作用。曾占到流量市場近70%的份額。但隨著工業的現代化（含自動化、智能化、數字化、通訊化等），經典節流裝置已無法滿足許多新的要求。新型流量儀表不斷推出（如電磁、超聲、錐式、熱式----等）,差壓式流量計面對新的形勢，也涌現出不少的結構。但要順利、大力推行這些儀表，首先必需要制定標準。電磁、超聲均已著手制定，而新型差壓儀表由于種類較多，結構五花八門，制定標準尚有一定難度。
2.制定標準的條件。
①結構標準化。要制定標準，結構必須標準化。如孔板，其結構、取壓方式、安裝要求，都有嚴格、明確的規定。而新型差壓儀表，無論是內錐還是多孔孔板，每一個制造商都有自己“獨特”的設計以區別于其它廠家，這樣就給制定標準帶來了困難。
②收集測試數據。經典節流裝置為制定標準，收集了數以萬計的測試數據，耗費了大量的人力與資金，持續了幾十年的時間。這樣繁重的工作，一般制造廠家都難以承受。他們首先考慮的是利潤，即使技術上有些創新也是為了追求更大的利潤。
因此，寄希望于制造廠家來制定標準的前景就十分暗淡了，只能寄希望于國家工業部門、計量監督部門、及行業協會。美國石油協會已提出了一個協議草案（APIMPMS22.2，差壓流量測量裝置實驗協議），給制造廠家提供了一些試驗方法，而無需進行大量繁瑣的測試，即可了解儀表的主要特性。
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3.舉例說明。以下是APIMPMS22.2制定標準所進行的一些測試。
①基本測試。測試在實驗室標準流場（充分發展紊流，一般到直管段長度不小于30D）中進行，以確定儀表流出系數C與雷諾數Re之間的關系（圖6），這是每一種流量儀表需要進行的最基本實驗。還需說明的是，這些測試數中的誤差應包含標定裝置的不確定度。所以，一個性能優良儀表的基本實驗應選擇不確定度較低、資質較高的實驗室，其數據才有說服力。
②安裝影響測試1。 流量儀表在現場安裝時，必將面對一個問題，即不可能提供實驗室所具有的直管段長度，這個影響究竟有多大？必須通過試驗來確定。圖6是在被測儀表的上游約4D處安裝了一個圓缺孔板，人為地造成了流場的不均勻，測試結果如圖6下曲線所示。由圖可見，由于直管段長度僅4D，測試數據較正常值（理想流場所得數據）偏離了約2.5%，即2.5%的誤差。如果這個結果用戶可以接受，則其他的一些測試可以進行下去。
○3裝影響測試2. 如果不能接受2.5%的誤差，要求更高的準確度，則將儀表安裝在圓缺孔板后8D的地方進行，意味著上游應有更長的直管段，流場趨于理想，安裝影響將減小。數據說明，當前直管段長度達到8D時，與理想流場的結果已沒有太大差別，對安裝影響較輕微。這里還需強調，這些測試數據包含了裝置的不確定度。
圖6 安裝影響測試圖 
圖7 流出系數C的二種確定方法
④阻力件的種類。由于當前流量儀表的準確度要求較高，而現場又不能提供保證其準確度所必需的直管段長度，因此迫切需要提供一種對安裝不敏感的流量計，要說明這種儀表的優越，有必要進行大量的測試研究，用測試數據科學、公正地說明。圓缺孔板是一種較易于實現的阻力件。但要充分證明這個技術特點，仍需采用其他在現場常用的阻力件，如：彎頭、閥門、變徑管、歧管-----等等。
4.選用注意事項。APIMPMS22.2為用戶提供了多種差壓流量計，并進行了上述安裝影響的多種測試，用戶可以根據不同需求選用。上述安裝影響的測試令用戶緩解了安裝的困惑，在選用時還要注意：
①是否逐臺標定。需了解制造商是否逐臺進行標定，如果未進行，則應給出所有影響參數帶來的誤差。
②標定范圍。差壓儀表的流出系數C是雷諾數Re的函數，如果廠家所提供的標定雷諾數范圍太小，未覆蓋使用范圍，仍可能會帶來較大的誤差。
○3定數據的處理 可以采用二種方法來處理標定的測試數據：
其一，視流出系數為常數，當流出系數與Re的關系變化不大時，可以認定流出系數C為常數。
其二，當流出系數的變化較大時，可以用曲線來擬合，該曲線可以用一個經驗公式來描述（見圖7），誤差僅為0.5%，而視為常數則誤差可達到4%。這種方法在熱電偶及孔板中都已得到應用。需強調采用第二種方法時，處理數據應十分謹慎，必需進行大量測試，切勿急功近利，只進行少數量的測試，就宣稱取得了“經驗公式”。
八、小結
1、新型差壓流量儀表問世是大勢所趨 經典差壓流量儀表（孔板、噴嘴、文丘里、皮托管……）問世百余年，由于不能解決工業現代化所帶來的問題，特別是安裝直管段長度不足，又要確保準確度的矛盾，將逐步被新型儀表所取代，當然，這個過程會較長，不太可能“一呼百諾”。這是不以個人主觀愿望為轉移的客觀發展規律。
2、標準的重要性 經典差壓流量儀表之所以長期占據流量儀表市場魁首之位，關鍵在于人們為它制定了標準，節流裝置有：ISO5167，皮托管有：ISO3966、ISO7145、BS1042等，應用時有法可依，有據可查。
3、制定標準的步驟
○1一次元件結構標準化，只有統一了結構，才有可能簡化測試項目，測試的數據才有針對性、有說服力。
○2在理想流場中進行測試，在一定資質的實驗室的充分發展紊流中進行測試，即上游直管段長度達到30D（D為內徑）以上，流場理想，排除了安裝帶來的影響。
○3阻力件的影響。新型節流裝置的優點在于對阻力件不敏感，即在上游直管段不足情況下且可以維持較高準確度。這個特點必需通過有資質的第三方實驗室數據給予驗證，而不是什么“理念”炒作。
4、阻力件影響測試。測試應在多種阻力件及其組合形式下進行，本文提出了一種簡易可行的阻力件-圓缺孔板（Half-moon orifice）作為擾流件，將它按不同的角度安裝可以產生多種不同的流場形式，以得到新型節流裝置對流場變化的敏感的初步結果，如有必要再進行其它阻力件（彎頭、閥門、變徑管、歧管……）的影響測試。
5、采用動壓原理的均速管。近40年以來多用于大管徑流量測量，因其成本低，安裝維護簡便也曾風行一時，制造商多在均速管的橫截面上大做文章，推出了十余種結構形式，而忽視了它的應用條件，均速管不插入管道就不可能成為流量計，而管道對于流量準確度的影響是主要因素，數倍于截面形狀數據。甚至當使用的Re數大于1.1×106后已不存在“阻力危機”，完全可以不用“精雕細琢”加工復雜的特殊型面，而直接可用圓管，這已為國外某些公司成功地用于現場了。
九、致謝
本文定稿前，曾請蔡武昌先生校閱，提出了一些寶貴意見，特此致謝。
編者語：美國科羅拉多試驗站(CESSI)成員Casey Hodges先生于2010年10月臺北舉行的15屆FLOMEKO學術會議中發表了“新型差壓流量儀表的理念、應用與建議”（New differential Producing meters---ideas, implementation, and issues。）一文，本人閱后認為不少觀點值得推薦，但也不認同全部論述，因而未一字不差地翻譯。此外還補充了一些個人的看法（用楷體區別），僅作為讀書筆記供讀者參考，但愿不是畫蛇添足、狗尾續貂。好在如有疑惑可直接閱讀原文，并歡迎交流、批評、指正。
（特約編輯 毛新業）
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