關(guān)鍵詞： 差壓式流量計(jì) 一體化孔板 溫壓補(bǔ)償

1、引言

多年來，蒸汽流量的準(zhǔn)確計(jì)量是各儀表生產(chǎn)廠家和技術(shù)人員研究和實(shí)踐的要點(diǎn)。從傳統(tǒng)的孔板到90年代在我國廣泛使用的渦街流量計(jì)，和其他的各種產(chǎn)品，在復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場，很難做到準(zhǔn)確的計(jì)量。

現(xiàn)代工廠中隨著對生產(chǎn)工藝及過程的不斷提高，要求節(jié)能，現(xiàn)在多數(shù)的節(jié)能措施即是合理的計(jì)量工藝中所要求的各個(gè)參數(shù)及介質(zhì)，確保產(chǎn)品的質(zhì)量及合格的工耗，要求流量計(jì)能準(zhǔn)確計(jì)量；熱電廠對外供熱同樣要求測量蒸汽的流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確，以利貿(mào)易結(jié)算。以往選用蒸汽流量計(jì)時(shí)，往往受到流量計(jì)本身的參數(shù)影響。例如孔板流量計(jì)量程比窄，計(jì)量精度低，而不能滿足過程計(jì)量的要求。

差壓式流量計(jì)是迄今為止檢測各種氣體、液體和蒸汽流量使用和熟悉的檢測方法。它用于檢測流量的基本原理早在17世紀(jì)就已發(fā)現(xiàn)，而真正開始進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)和用于工業(yè)流量測量是在本世紀(jì)20年代。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置經(jīng)過60余年的研究和使用，積累了豐富的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，它是目前流量儀表中*達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化的檢測元件，即無須實(shí)施校準(zhǔn)就可投用。這是它成熟程度的主要原因之一。根據(jù)日本電氣計(jì)測會(huì)和日本計(jì)量機(jī)器工業(yè)聯(lián)合會(huì)在所有流量儀表總銷售金額的35%左右。經(jīng)粗略統(tǒng)計(jì)，過程中約80%的流量測量系統(tǒng)采用差壓式流量計(jì)。由此可見必須充分了解差壓式流量計(jì)的特性。

2、孔板流量計(jì)分析

2.1傳統(tǒng)孔板流量計(jì)

差壓式流量計(jì)由節(jié)流裝置（標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置和特殊節(jié)流裝置）和差壓計(jì)組成。按其測量方法是是以能量守衡定律和流動(dòng)連續(xù)方程為基礎(chǔ)的。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置基本適合測量干凈的液體、氣體或蒸汽流量。其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能夠保證一定使用精度，加工、安裝及更換方便，價(jià)格低廉。主要不足和缺點(diǎn)是測量范圍窄（量程比約4：1），*壓力損失大（占差壓的40%-80%），直管段要求較嚴(yán)格。帶尖銳邊緣的標(biāo)準(zhǔn)孔板不適合測量強(qiáng)磨蝕流體，長時(shí)間使用會(huì)改變流量系數(shù)，從而增大誤差。此時(shí)宜采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。一般需經(jīng)模擬實(shí)流試驗(yàn)才能可靠地使用的節(jié)流裝置稱為特殊節(jié)流裝置（或稱為非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置）。特殊節(jié)流裝置的使用主要是彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的不足。比如1/4圓噴嘴和雙重孔板可用于測量低雷諾數(shù)的流體，圓缺孔板、偏心孔板等可用于測量臟污介質(zhì)，整體（內(nèi)藏）孔板可用于測量小流量（小管道），文丘里管適用于低壓損測量等……

傳統(tǒng)孔板是范圍度1:3～1:5，計(jì)量精度±5%，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的孔板流量計(jì)以△P為變量，測出孔板的流量，但這在實(shí)際中qm＝f（c，ε，△P）的函數(shù)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中通常采用c，ε為一常量去設(shè)計(jì)，即在整個(gè)測量流量范圍（差壓范圍）內(nèi)，只用一個(gè)計(jì)算公式。因此，僅僅由于計(jì)算誤差，就影響到整個(gè)測量范圍（不包括儀表和傳感器部分的誤差），在65%處的流量附近時(shí)，誤差接近零，離開此處后，誤差逐漸增大。這就是說過去選用的c，ε點(diǎn)即為70%左右的點(diǎn)，流量大時(shí)誤差偏向“+”側(cè)，相反流量小，誤差偏向“－”。由壓差檢測獲得的孔板計(jì)算曲線，在無計(jì)算機(jī)技術(shù)的年代里，是無法對其進(jìn)行多層次的運(yùn)算，孔板流量計(jì)的量程比和測量精度在很長的一段時(shí)間里停留在較低的水平。

2.2SR一體化孔板流量計(jì)

SR一體化孔板流量計(jì)是不同于以往的傳統(tǒng)型孔板流量計(jì).1984年，由于IC技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)人員開始研究由孔板誤差曲線所想到的新的運(yùn)算方法。這就是計(jì)算誤差均限定為±4%時(shí)，流量范圍約為45%-85%。這就是過去工業(yè)測量所能使用的范圍，量程比為1：4，孔板測量精度±4%，再提高測量精度至±3%時(shí)，量程比比縮小1：2附近，超過這個(gè)界限測量時(shí)，會(huì)造成壓力表內(nèi)水銀飛濺，產(chǎn)生大的測量誤差，是不便于實(shí)際應(yīng)用的流量計(jì)。這就是人們認(rèn)為孔板流量計(jì)精度±4%，量程比zui大到1：4固有觀念的原因所在。事實(shí)上確是如此，即使擁有現(xiàn)代的傳感器，也無法超越這個(gè)原理和法則。但是這么大的誤差和窄的量程比對工業(yè)測量帶來很多問題。技術(shù)人員從誤差曲線開始研究，在曲線上精度±0%處（流量65%附近）分割出*量（壓差）區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)測量精度為零或接近于零，并進(jìn)一步用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理實(shí)驗(yàn)。為便于計(jì)算，選定使用頻率高的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)組成計(jì)算誤差zui小的數(shù)學(xué)模型，其它區(qū)域仍用以往的計(jì)算式，這種方式在所確定的區(qū)域內(nèi)誤差變小，區(qū)域外側(cè)產(chǎn)生很大的誤差，流量范圍增大，誤差隨著越大，不能取得大的量程比。由此可見，只用一人公式包容流量計(jì)的整個(gè)流量范圍，是不合適的，有違于測量原理。這種方式的根本錯(cuò)誤是難于將所認(rèn)定的高頻度使用區(qū)域與現(xiàn)實(shí)相吻合，對于整個(gè)流量范圍，減少測量誤差的方法可增加運(yùn)算式的數(shù)量就可滿足要求。

SR一體化孔板流量計(jì)基于以上原理，采用了IC技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了量程范圍度1：20或更大量程比，基本誤差為±1%。（保證在整個(gè)測量段范圍內(nèi)）。

2.2.1測量原理-逼近式算法

孔板流量計(jì)是通過使用孔板節(jié)流元件獲取差壓并依據(jù)節(jié)流裝置流量測量的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T2624-93 ﹑ISO5167等）所規(guī)范的原理﹑條件zui終計(jì)算出所需測量的流量值。其基本公式如下:

①瞬時(shí)流量:

標(biāo)記為公式組 ①

式中:  qm----------瞬時(shí)流量,單位:kg/h             β-------工作狀態(tài)孔徑比;

*ΔP--------------差壓, 單位:Pa                  *c -------流出系數(shù)

ρ1---------------上游側(cè)流體密度, 單位:kg/m3     *ε1-----流體可膨脹系數(shù)

d ----------------工作狀態(tài)節(jié)流孔徑, 單位:m

公式中有幾個(gè)關(guān)鍵系數(shù)：c、ε1 它們不僅與介質(zhì)狀態(tài)相關(guān)而且還與流態(tài)（管道雷諾數(shù)）相關(guān)；因此實(shí)際上是一組復(fù)合變量。以前由于受電子技術(shù)發(fā)展水平制約，計(jì)算機(jī)或單片機(jī)無法在約定的時(shí)間內(nèi)按復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型快速處理數(shù)據(jù)流，為了簡化運(yùn)算程序只好將系數(shù)：c、ε1、β常數(shù)化，即不管蒸汽狀態(tài)如何變化、雷諾數(shù)多高均取設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)常用流量點(diǎn)系數(shù)c、ε1、作為公式常數(shù)建模。其代價(jià)便是人為增大系統(tǒng)誤差，降低可信測量范圍。

首先將誤差限定在±1%時(shí)，分析用一個(gè)運(yùn)算式計(jì)算誤差有多少，發(fā)現(xiàn)流量范圍—30%的比例平分后，平均其誤差，在這種條件下使用計(jì)算機(jī)按所編程序進(jìn)行運(yùn)算，然后誤差從±1.0%一下縮至±0.5%，分割流量范圍為20%，可見其誤差平均化。將此理論進(jìn)一步發(fā)展，可將分割流量范圍為20%，可將分割區(qū)間細(xì)分，使誤差無限接近零，進(jìn)一步細(xì)分至無窮大，zui后可能收斂于零。然而總是不那么簡單，細(xì)分區(qū)間必使得孔板的計(jì)算復(fù)雜化，首先看原計(jì)算式。*C：流出系數(shù)（- -）β：孔徑比（d/D）*ε：可膨脹系數(shù)γ：蒸汽的比重（Kg/m³）*△P：壓差（Pa）此式適用于分段區(qū)域。公式不過簡單的二次函數(shù)，但式中有三個(gè)帶有*號(hào)的變量。計(jì)算時(shí)，不僅該區(qū)域的壓差不同于其它區(qū)域，而且還必須考慮其它二人變量的變化。因?yàn)閴翰畎l(fā)生變化時(shí)，其流體發(fā)生變化，當(dāng)然流量系數(shù)，截流系數(shù)也同時(shí)發(fā)生變化。壓差可變?yōu)殡娏餍盘?hào)容易取出，但也壓差連動(dòng)的實(shí)時(shí)變化的流量系數(shù)與截流系數(shù)，要計(jì)算出來則是困難的。其理由是，要計(jì)算二個(gè)變量需要龐大的基礎(chǔ)資料和反復(fù)進(jìn)行運(yùn)算的煩瑣嚴(yán)密的數(shù)學(xué)公式，即使使用現(xiàn)代家用電腦，其運(yùn)算時(shí)間也要超過1秒。更何況小型計(jì)算器了，根本跟不上流體的變化，必導(dǎo)致產(chǎn)生數(shù)秒的運(yùn)算滯后和顯示滯后。從實(shí)用角度看，無論使用什么樣的軟件技術(shù)，運(yùn)算所需時(shí)間都要在0.5秒內(nèi)完成。在不計(jì)成本的開始研制階段，是不需考慮的，但要商品化則必須計(jì)較，這也是無限細(xì)分區(qū)間遇到的zui大障礙。

在反復(fù)計(jì)算各參數(shù)變量的過程中，不局限于將誤差控制在±0.5%的分段區(qū)間均等性，相反由誤差的所控范圍推出分段區(qū)間，在這個(gè)分出的流量區(qū)域內(nèi)，將流量系數(shù)與可膨脹系數(shù)這二個(gè)變量集約成一個(gè)參數(shù)變量。更為重要的是明確了分段區(qū)間不用分為5等分，分為4個(gè)區(qū)段就足以保證測量精度。此舉可縮短運(yùn)算時(shí)間和壓縮記憶存儲(chǔ)容量。

分段運(yùn)算法zui顯見的缺陷是各分段區(qū)間的連接點(diǎn)，“+”誤差瞬間變?yōu)?ldquo;－”誤差，理論上出現(xiàn)數(shù)值重疊，實(shí)際上在那點(diǎn)只要流量不為，就看不到這種現(xiàn)象。在瞬間流量顯示時(shí)，瞬間數(shù)值會(huì)有所變動(dòng)，但由于地在1%誤差內(nèi)的變動(dòng)，不會(huì)影響實(shí)際使用，在視覺上也極難觀察到這種現(xiàn)象。相反在累加中，由于一連串的流量增減，反復(fù)通過三個(gè)連接點(diǎn)，正負(fù)誤差相差相互抵消平均，在4個(gè)分段內(nèi)的運(yùn)算也因此正負(fù)誤差相抵，從整個(gè)累加量上分析具有縮小綜合誤差的效果。這一點(diǎn)是分段運(yùn)算的重要*性。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)⒎侄吸c(diǎn)分為8段或更多段，并以等比段數(shù)分段法去分段，基于這一理論開發(fā)的SR型流量計(jì)，范圍度1：20或更大量程比，基本誤差為±1%。

 

以下是一個(gè)測量實(shí)例，結(jié)合表1.以傳統(tǒng)節(jié)流孔板流量計(jì)和SR型流量計(jì)作對比計(jì)算：

項(xiàng)目及內(nèi)容說明

測量介質(zhì)與測量條件 介質(zhì)名稱 過熱蒸汽

儀表安裝地之平均大氣壓  100700Pa

測量點(diǎn)處介質(zhì)工作壓力及波動(dòng)范圍 0.78 Mpa

測量點(diǎn)處介質(zhì)工作溫度及波動(dòng)范圍 270℃（240~300℃）

工作狀態(tài)介質(zhì)密度  ρ（f ）  3.68642Kg / m 3

工作狀態(tài)介質(zhì)粘度   μ 0.000018494 Pa S

工作狀態(tài)介質(zhì)等熵指數(shù)   k 1.298

zui大流量 45T/ H

常用流量 31.5T / H

zui小流量 2T / H

范圍度 1 :25

zui大壓損  33476Pa

節(jié)流裝置 節(jié)流件類型 標(biāo)準(zhǔn)孔板 （GB2624-93）

取壓方式 角接取壓

節(jié)流件材質(zhì) 1Cr18Ni9Ti

節(jié)流孔徑（20℃）   d Φ202.806mm

管道及法蘭 管道實(shí)測內(nèi)徑 （20℃）D Φ357.0mm

管道規(guī)格及材質(zhì) Φ377×10/20#鋼

管道內(nèi)表面狀況及粗糙度 新無縫管

節(jié)流件安裝方式及管線姿態(tài) 法蘭夾裝 / 水平

節(jié)流件上游側(cè)直管段長度 ≥ 20 D

節(jié)流件下游側(cè)直管段長度 ≥ 10 D

夾裝用法蘭標(biāo)準(zhǔn) JB 81—59

夾裝用法蘭規(guī)格（用戶自備,尺寸見附圖） DN 350 ;  PN 2.5 Mpa

密封墊規(guī)格及材質(zhì)（用戶自備）

聯(lián)結(jié)用螺栓規(guī)格/材質(zhì)（用戶自備）

系統(tǒng)配置 孔板型號(hào) SR（Ⅲ）350 S1W-HB-CZ

三閥組型號(hào) 成套供貨

差壓變送器類型 3051CD2

zui大差壓值 Δpmax = 51.115 Kpa

控制儀型號(hào) TC205S1W1-F

瞬時(shí)流量（累積量）顯示數(shù)值單位 T/ H （T）

瞬時(shí)流量比例電流輸出要求 4-20 mA DC

累積量信號(hào)輸出要求 無

上下限報(bào)警輸出要求 無

溫度補(bǔ)償型式及范圍 0~350℃溫度變送器補(bǔ)償

壓力補(bǔ)償型式及范圍 0~1.6MPa壓力變送器補(bǔ)償

說明：A----傳統(tǒng)孔板流量計(jì)；B----SR一體化孔板流量計(jì)。

計(jì)算條件：ρ1 =3.68642 ；β=0.56868 ；D2 =128264.7001 ；t=270，Pg=0.78MPa

表2中流量理論值為相應(yīng)差壓下，按國家標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)（GB/T2624-93 ﹑ISO5167等）所給出的相應(yīng)系數(shù)c、ε1、β計(jì)算公式迭代計(jì)算結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)GB/T2624-93詳細(xì)規(guī)定了這些系數(shù)的使用限制條件和計(jì)算結(jié)果的不確定度，對于上例而言，如果

★使用的孔板節(jié)流孔徑d20 = 202.806的加工精度Δd20/d20≤±0.07% 、并按規(guī)程安裝；

★直管段長度》10D，管徑誤差ΔD20/D20≤±0.4% ；

★t、Pg誤差≤±0.5%；Δp測量誤差≤±0.1% ；

★工作狀態(tài)介質(zhì)密度誤差δρ（1）/ρ（1） ≤±0.5% ；

則表2中流量理論值的不確定度（與真實(shí)流量值誤差）≤±0.70% 。

由表2可看出，傳統(tǒng)孔板流量計(jì)數(shù)據(jù)處理方法的缺陷使得數(shù)模計(jì)算值與流量理論值的誤差高達(dá)±1.5~2.0%，而且越是偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)誤差越大，那附加流量理論值的誤差±0.70%后，與實(shí)際流量值的誤差可達(dá)±2.5~3.0%左右；范圍度大于4：1后不可預(yù)測。SR孔板流量計(jì)由于建模準(zhǔn)確（誤差可控，一般≤±0.05%）附加流量理論值的誤差±0.70%后，與實(shí)際流量值的誤差可控制在±0.75~0.8%左右。

2.2.2 過程變量的跟蹤補(bǔ)償

實(shí)際過程測量中，蒸汽狀態(tài)參數(shù)不可能總是處于設(shè)計(jì)工作點(diǎn)，而是在一定幅度內(nèi)波動(dòng)；如此就帶來問題；由于公式組中多個(gè)參數(shù)c、ε1、β、ρ（1）都是溫度t、管壓Pg的函數(shù)，若不能保證計(jì)算依據(jù)參數(shù)：t、Pg誤差≤±0.5% ；就難以保證系數(shù)c、ε1計(jì)算結(jié)果正確、工作狀態(tài)介質(zhì)密度誤差δρ（f）/ρ（f） ≤±0.5% ，流量理論值的不確定度就不能保證≤±0.70% ，而以此建模的計(jì)算值的誤差就不能保證≤±0.75~0.8%，測量結(jié)果也就失去可信性；計(jì)量將難以保證公正、客觀。

一般SR孔板流量計(jì)測量蒸汽時(shí)，均配置測量精度≤±0.5%的溫、壓變送器跟蹤介質(zhì)狀態(tài)變化，并根據(jù)參數(shù)的溫壓關(guān)系曲線族制成符合誤差控制要求的多維數(shù)據(jù)表，實(shí)時(shí)調(diào)用補(bǔ)償。特別需要說明的是由于蒸汽密度對狀態(tài)變化非常敏感，密度計(jì)算誤差與差壓測量誤差對流量值計(jì)算誤差的貢獻(xiàn)程度*相同，因此密度補(bǔ)償建模將在很大程度上決定流量計(jì)實(shí)流測量的準(zhǔn)確度、可靠性。SR孔板流量計(jì)以水蒸氣協(xié)會(huì)1963IFC公式為框架，結(jié)合1984水蒸氣性質(zhì)骨架表，形成了一套完整的密度補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫，在整個(gè)工業(yè)蒸汽的常用范圍內(nèi)均能保證提取密度值δρ（f）/ρ（f） ≤±0.5%。

表3給出了實(shí)例：當(dāng)蒸汽狀態(tài)由設(shè)計(jì)點(diǎn)變化到狀態(tài)1時(shí)，流量計(jì)補(bǔ)償對比計(jì)算結(jié)果。

表3

序

號(hào) 差壓測量值

ΔP 設(shè)計(jì)點(diǎn)理論值qm0 設(shè)計(jì)點(diǎn)流量計(jì)算值qm1 設(shè)計(jì)點(diǎn)流量計(jì)算值誤差% 偏離點(diǎn)理論值qm0 偏離點(diǎn)流量計(jì)算值qm1 流量計(jì)算值誤差%

說明：A----傳統(tǒng)孔板流量計(jì)不補(bǔ)償；B----SR一體化孔板補(bǔ)償。

計(jì)算條件：設(shè)計(jì)點(diǎn)；t=270，Pg=0.78Mpa，ρ1 =3.68642 ；μ=0.000018494 Pa S；k=1.298

β=0.56868 ；D2 =128264.7001

偏離點(diǎn)：t=250，Pg=0.80MPa，ρ1 =3.85478 ；μ=0.000018063 Pa S；k=1.298

β=0.56866 ；D2 =128199.3484

由表3可看出，傳統(tǒng)孔板流量計(jì)數(shù)據(jù)處理方法又不進(jìn)行溫壓補(bǔ)償時(shí)，數(shù)模計(jì)算值與流量理論值的誤差高達(dá)-3.6%，而且越是偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)誤差越大，那附加流量理論值的誤差±0.70%后，與實(shí)際流量值的誤差可達(dá)±4.5~5.0%左右；SR孔板流量計(jì)附加流量理論值的誤差±0.70%后，與實(shí)際流量值的誤差仍可控制在±0.75~0.8%左右。

2.2.3 一體化結(jié)構(gòu)

孔板的測量應(yīng)用，從本質(zhì)上說是依據(jù)相似理論，因此國家標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)（GB/T2624-93 ﹑ISO5167）對孔板安裝提出了非常詳盡的要求；以便保證實(shí)際測量時(shí)的管路條件，能夠復(fù)現(xiàn)或相似當(dāng)初形成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的那些實(shí)驗(yàn)的情況。只有在這種情況下，那些統(tǒng)計(jì)形成的公式、以及利用公式計(jì)算所得數(shù)據(jù)才允許被采用。任何不規(guī)范的安裝或偏心首先就已經(jīng)從根本上失去了使用的前提，更無從談精度了。基于對現(xiàn)場安裝重要性的認(rèn)識(shí)，SR孔板采用了一體化結(jié)構(gòu)，并匹配夾裝法蘭，這樣就使得安裝不再象傳統(tǒng)孔板那樣煩瑣并大大提高了安裝的可靠性。另外要求一體化孔板結(jié)構(gòu)均需經(jīng)過嚴(yán)格的出廠檢驗(yàn)，保證零泄露。-----泄露：不僅意味著能量的損失，而且往往是計(jì)量偏小的罪魁。

3、結(jié)論

從以上的實(shí)測結(jié)果表明SR一體化孔板流量計(jì)具有1：20量程比，基本誤差在±1.0%。

我廠-廈門電廠地處在廈門杏林臺(tái)商開發(fā)區(qū)，從二十世紀(jì)90年代就開始就發(fā)展對外供熱，提供過熱蒸汽給周邊的工廠企業(yè)，目前對外供熱量為120t/h左右，因此對蒸氣流量計(jì)量要求準(zhǔn)確、可靠，以便進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算。據(jù)此我們選用了SR（Ⅲ）型流量計(jì)，自2000年使用至今流量計(jì)準(zhǔn)確、可靠。