新型差壓式流量計性能研究

翟小金， 沈新建， 王光磊， 邵朋誠

(1.開封儀表有限公司，河南 開封 475002；2.青海鹽湖工業股份有限公司，青海 西寧 810000)

新型差壓式流量計性能研究

翟小金1， 沈新建1， 王光磊2， 邵朋誠1

(1.開封儀表有限公司，河南 開封 475002；2.青海鹽湖工業股份有限公司，青海 西寧 810000)

差壓式流量計具有結構簡單、牢固耐用、精度穩定、適應性強等優點，在流量儀表市場具有廣泛的應用。其種類繁多、性能各異。為了盡可能地發揮各儀表的長處、避其短處，準確、可靠地測量被測流體的流量，對近年來國內市場廣泛應用的新型差壓式流量計性能進行了分析比較，闡述了環形孔板流量計、均速管流量計、平衡孔板流量計、V形錐流量計和矩形流量計的原理、特點及主要特征參數。根據各儀表的優缺點，選用者應針對性地加以選擇，以更好地發揮各儀表的使用價值。

差壓式流量計; 環形孔板流量計; 勻速管流量計; 平衡孔板流量計;V形錐流量計; 矩形流量計; 選型

0 引言

差壓式流量計作為流量儀表中的一大類，其歷史悠久。市場上差壓式流量計的品種很多，特別是近年來出現了各式各樣的新產品，使得本來就紛亂的市場更加復雜。用戶只想針對自己的現場要求，挑選2～3種差壓式流量計，再最終選定1種。可是，儀表的性能指標大多由制造商的說明書單方面介紹，不夠客觀全面，不利于用戶的正確選型。本文試圖公正客觀地介紹近年來國內市場出現的幾種新型差壓式流量計，以滿足用戶的使用需求。

1 新型差壓式流量計的分類及特點

盡管流量儀表的種類繁多，但是目前沒有一種儀表可以適用于所有場合。在某些介質的使用中，市場上的一些產品難以勝任。

①流體介質較臟污，容易在檢測元件表面堆積、粘附污物，從而大大影響測量的可靠性和精確度。

②流體介質操作壓力低，不允許流量計產生較大壓損。

③流量變化范圍大，要求儀表測量的流量范圍大。大多數儀表達不到這一要求，造成儀表在測量小流量時誤差較大。

④現場管道的直管段長度(按直徑D的倍數)通常不夠長，而多數流量儀表要求的直管段長度較長，現場安裝條件無法滿足。如果勉強使用，會帶來無法估量的測量誤差。

⑤對于正在使用的管線，儀表的安裝與維護不能影響正常生產，希望儀表能在線安裝、維護。

針對上述問題，需要開發新型流量儀表。近年來，由于市場經濟的催生，名目繁多的新型差壓式流量計相繼推向市場，按其特點基本上可分為4類。第一類是盡量減少壓力損失、方便安裝的流量計，此類流量計以均速管類流量計為主。此外還有插入式多喉徑流量裝置等，其插入位置處于管道平均流速點。由于裝置本身對流場的干擾，原來平均流速點附近的流速已經不再是平均流速，因此無法準確測量流量。因這類流量計的市場份額較少，本文不作說明。第二類是能夠降低直管段長度要求、方便現場布線安裝的流量計，以環形孔板、V錐流量計為代表，此外還有流道式流量計。其管道中心同軸安裝的不是V形錐，而是流線形“紡錘”。由于該流量計結構復雜、流出系數不穩定，應用不廣，本文不作說明。第三類是旨在擴大流量范圍，特別是能降低流量測量下限的流量計，例如多孔平衡孔板或稱平衡孔板、多孔孔板。由于測量信號比較穩定，可以精確測量較小流量，所以能夠降低流量測量下限，從而擴大流量測量范圍。第四類是可解決臟污或磨損性流體測量的流量計，例如矩形流量計，這是在楔形流量計的基礎上開發的，比“楔形”更適合在臟污或磨損性流體中使用。

根據多年來的制造和使用經驗，本文重點介紹幾類市場前景較好的新型差壓式流量計，旨在幫助用戶對流量計進行全面了解、合理選型，以期充分發揮流量儀表的作用。

2 新型差壓式流量計簡介

2.1 環形孔板流量計

環形孔板流量計和一般節流裝置一樣，原理是依據伯努利方程和流體連續性方程，因流通面積的改變而產生壓力差，而壓力差和流量的平方成正比，測出差壓值即可得知流量。環形孔板流量計結構示意圖如圖1所示。

圖1 環形孔板流量計結構示意圖

環形孔板流量計由連接法蘭、測流板、測量短管、引壓管、均壓環等主要部件組成。測量原理是：將一段圓形或矩形管(測量管)內的流體在“測流板”(圓形或矩形)前面強制分流成環狀流體通過。由于此處流通面積的突然縮小而在其上、下游之間產生靜壓力差，上、下游取壓孔測取到的靜壓力信號通過均壓環均壓，分別引至差壓變送器的正、負壓室；差壓變送器將壓力信號轉變成標準電流信號，輸送至數據處理裝置或顯示儀表，即可得知流量。

環形孔板流量計的主要技術參數： 公稱通徑為40～4 000mm，公稱壓力≤42MPa,介質溫度≤650 ℃(與本體材質有關)，精確度等級為1級。

環形孔板流量計具有如下優點。

①與標準孔板、噴嘴、文丘里管這些標準節流裝置相比，環形孔板要求的前直管段長度較短。原因是：和環形孔板測量管同軸安裝的“測流板”把管內原來“中間流速高、邊沿流速低”的流場變成了“中間流速低、邊沿流速高”的流場，對原來的速度分布重新分配，弱化了測量管入口處初始速度分布狀態對靜壓力差的影響。也就是說，流量計上游局部阻力件造成的流場畸變降低了對環形孔板所生差壓信號的影響。因此，在局部阻力件下游(即環形孔板的上游)的前直管段長度可以較短。這類流量計可在直管段長度較短的現場發揮其特長，特別是大口徑管線或安裝空間較緊湊的車間。

②采用均壓環多孔取壓，可以測量臟污流體的流量而不易堵塞取壓口。原因是：取壓口不是處于流速低的滯流區(例如標準孔板的板前、板后)，而是孔板的前、后暢流區，流體中的雜質不易堆積沉淀在取壓口附近，況且采用均壓環多孔取壓，即使有一個孔被堵塞，還有其他孔可用。在大修期間，可以從均壓環的堵頭處伸入“彈性桿”機械疏通取壓口，徹底清除臟污。

基于上述特點，環形孔板流量計適用于含有均勻分布雜質(呈懸浮狀)的流體、特別是大口徑氣體管道，如高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣、混合煤氣等。

此外，環形孔板流量計的測量件(平板)形狀簡單、易于精密加工，且幾何尺寸批量加工的一致性好，經過實流標定之后可以達到0.5級精度。采用抽樣標定可以使同一規格流量計達到1級。這對尚未達到“標準化”的非標準流量計來說非常難得。

然而，環形孔板流量計也具有一定的局限性。由于測量板對流體的阻擋，板后形成較強的漩渦，造成差壓信號波動，特別是用于大流量的液體介質時，波動較大，影響讀數的準確性，因此不適合測量大流量液體介質(管內流速不宜超過2m/s)。

根據結構特點，環形孔板流量計有3種型式：基型(適用于一般流體，可用于高溫高壓)、防堵型(適用于臟污流體，例如焦爐煤氣、高爐煤氣等)、夾套保溫型(適用于易粘附、結晶或易汽化的流體，如重油、液氨 等)。從市場應用角度來看，基型多用于蒸汽流量測量，防堵型多用于測量冶金行業，夾套保溫型多用于化工行業。

2.2 均速管流量計

均速管流量計是在皮托管(或皮托-靜壓管)的基礎上發展起來的。其基本原理同樣依據能量守恒的伯努利方程，將速度頭轉換成靜壓頭。由于皮托管只能檢測“點流速”，在非均勻流場里僅僅測量單點流速很難求得“流量”，所以不適用于工業管流量的測量。經過多年研究，利用“直圓管外周沿軸線方向按照一定規律分布的若干個孔”可測取平均總壓、計算“管流量”，這類流量計統稱為“均速管流量計”。此外，該流量計總壓力口的排列形狀類似笛子，因此也被稱為笛形管流量計。根據結構和性能的不同，該流量計可分為強力巴、德爾塔巴、威力巴、畢托巴、托巴等多種類型。根據近年來的使用情況，前3種差壓信號較穩定，受用戶歡迎，市場占有率較高。

強力巴流量計結構示意圖如圖2所示。

圖2 強力巴流量計結構示意圖

強力巴流量計的工作原理為：將由高壓取壓口和低壓取壓口感測到的壓力分別傳送到檢測桿內部的高壓腔和低壓腔，將平均總壓力和平均背壓力分別傳送到差壓變送器的高壓室和低壓室;兩者的差壓信號轉換成電流信號，經顯示儀表(或計算機)運算處理后即可得知流體的流量。根據結構型式的不同，強力巴流量計通常有3種型式：基型(停流泄壓后插拔檢測桿，適用于新設管線或允許長時間停流的管線)、在線插拔型(在管線工作狀態下安裝或插拔檢測桿，可用于正常工作的管線)、多桿復合型(對大口徑管線，可采用2根以上檢測桿，增加檢測點覆蓋面積，提高流量測量精度)。為了方便用戶安裝，出廠前可以和差壓變送器組裝成一體化，用戶只需在管壁上開1～2個安裝孔即可。

強力巴流量計主要技術參數：公稱通徑為圓形管(內徑)25～4 000mm,公稱壓力≤16MPa,介質溫度≤650 ℃(與本體材質有關),精確度等級為1.0、1.5。

這類儀表的優點主要有兩點。①安裝簡便，壓力損失小[1-4](節約能源)，同一種口徑的檢測桿可以適用于各種介質、各種流量，改變介質或流量只需調整差壓變送器的量程即可，適應性很強。②可以測量各種介質，即使是臟污流體也可以使用，只要是加裝反吹系統或者定期對檢測桿離線清洗 (強力巴流量計還可以停流但不離線、旋開頭部的堵頭，用手電鉆夾住鋼絲插進檢測桿快速疏通，維護時間短)，強力巴流量計就能夠長期可靠使用。

其局限性是：對于同一種流體、管徑、參數，與其他流量計相比，產生的輸出信號較小，往往需要配套微差壓變送器(甚至沒有合適的差變)，使得整套價格提高，不利于市場競爭。因此，新推出一種增強型強力巴流量計。在大多數情況下，其他流量計配套普通低差壓變送器即可實現，降低了整套流量計的價格。

這類流量計推薦用于較大口徑輸水、輸氣(蒸汽或氣體)管道，特別是已經使用的管線或地下管線、不適合停流割開管線的場合，對于企業節能升級改造，有廣闊的市場空間。

2.3 平衡孔板流量計

平衡孔板流量計的工作原理和標準孔板一樣，只是結構不同。標準孔板是在平板中間開一個孔，使流體流通而周邊阻擋形成“堰”，含有沉淀物雜質的流體會在孔板前后沉積雜質、改變流通狀態，甚至堵塞取壓口。流速高時，因漩渦產生較大噪聲使孔板抖動甚至損壞，所以它的應用受到限制。美國國家航空航天局馬歇爾航空飛行中心開發了一種新型孔板，以減少噪聲。其在板中心仍有一個同心孔的基礎上，在中心孔的周邊按一定規律分布若干較小的孔，其直徑由相應公式計算，稱為平衡孔板或多孔孔板。

平衡孔板流量計的主要技術參數：公稱通徑為50～2 000mm，壓力等級為0.25～42MPa，精確度等級為0.5、1.0,介質溫度≤650 ℃(與本體材質有關)。

平衡孔板具有以下優點。

①由于多個“流通面”和“阻擋面”基本均勻分布，從而把流體流通截面變化所產生的漩渦細分成較小漩渦、減小了差壓信號的波動。平衡孔板讀數穩定，能提高小流量時的測量精度，降低可測量的流量下限，因此范圍度更寬。

②壓力損失小。由于漩渦較小，容易隨時被流體主流沖走，不致積累成大漩渦，因此壓力損失小。

③直管段長度較短。將多孔整流器和測量孔板結合起來，能把上游的凌亂流場束整成規則流場，減小因直管段長度不足造成的誤差，因此可降低對直管段長度的要求 。

我國自2006年開始有合資企業生產平衡孔板以來，相繼有十幾家生產企業，在石油化工、冶金、化工等行業獲得推廣使用。實踐驗證了平衡孔板流量計具有流動噪聲小、差壓信號穩定、可測流量范圍寬、壓力損失小等優點，但是由于它是非標準節流裝置，不進行實流標定無法保證其測量準確度。實流標定證明，不同口徑、不同開孔比的平衡孔板流出系數相差很大。

平衡孔板流量計也具有一定局限性，如不適合太小(例如Φ40mm以下)或太大(例如Φ2 000mm及以上)的口徑使用。過大的口徑由于不便精密加工，因不能實流標定而不能確保準確度，亦不推薦選用。

根據結構的不同，該類流量計通常有2種型式：夾持型(基型，板片夾持在2片法蘭之間，法蘭另一端和管線焊接)、短管型(板片的上游和下游分別帶一段短管，與管線采用法蘭連接或焊接)。對強腐蝕流體，一般需配用帶隔離膜片的差壓變送器，采用短管型一體化結構。

在要求測量范圍寬(例如1∶10，最好配置2臺差壓變送器切換使用)、最小流量小的場合，較常選用多孔平衡孔板，建議出廠時作實流標定，以確保測量精度。

2.4V形錐流量計

V形錐流量計又稱內錐流量計、V錐流量計，由美國麥克羅米特公司發明。 該流量計和一般節流裝置一樣，原理也是依據伯努利方程和流體連續性方程。因流通面積的改變而產生壓力差，而壓力差和流量的平方成正比，測出差壓值即可得知流量。其結構特點是：在管道中心同軸固定一個圓錐體，其最大外徑和管內徑尺寸成一定的比例關系。在錐體上游的管壁處開一取壓口測取流體正靜壓、在錐體尾部中心測取負靜壓，將兩者分別引入差壓變送器，即可測得流量。V型錐流量計結構示意圖如圖3所示。

V形錐流量計的主要技術參數:公稱通徑為50～2 000mm，壓力等級為0.25～16MPa,精確度等級為0.5、1.0,介質溫度≤650 ℃(與本體材質有關)。

V形錐流量計的流體從管內壁和錐體外徑之間的環形通道流過。

圖3 V形錐流量計結構示意圖

V形錐流量計具有標準孔板所沒有的諸多優點，具體如下。

①檢測件的圓錐體形狀具有流體整流作用，削弱了上游局部阻力件產生的亂流對測量的影響，直管段長度可以短些， 一般情況下達到前3DN、后2DN即可。

②對流體的平緩節流作用使差壓信號波動小，讀數穩定，有利于測量小流量，從而擴大了測量量程范圍。

③流經檢測件時產生的漩渦和壓力損失小，節約能源。

④流體中的雜質不易堵塞在節流件前后，氣體介質中液體(如蒸汽中的凝結水)不會存在于節流件周圍，避免產生測量誤差。

但是，由于同規格的多個V錐體形狀難以保證完全一致，特別是沒有經過機床精密加工的V錐體，不進行逐臺實流標定就難以確保精度，而實流標定的費用較高，一般用戶難以承受。對于要求測量精度較高的用戶，要充分認識到這一點。目前，對V錐流量計的宣傳有“過度”的趨勢，有的口徑為40mm甚至更小；而有的口徑為2 000mm甚至更大，也選用V錐，從結構設計上考慮是不合適的。有的管道壓力高且波動較大，選用V錐就可能發生錐體支撐斷裂的危險，請選型者慎之。推薦用于中、大口徑氣體、液體、蒸汽介質，流速中等以下的管徑。V錐流量計不但適用于一般介質，也適用于臟污(無粘附性)、粉塵介質。

2.5 矩形流量計

矩形流量計是在楔形流量計的基礎上開發的，基本原理同一般節流裝置。楔形流量計的檢測元件是楔子，在測量臟污流體時，楔子的上游側面和下游側面由于流速較低而易粘附臟物、進而影響測量，限制了它的使用。近年來，煤化工行業中的煤漿等臟污磨損性流體對楔形流量計提出了嚴峻的挑戰，催生出一種新型差壓式流量測量儀表——矩形流量計。它結合了楔形流量計和文丘里流量計這兩種流量計的優點，在關鍵結構上作了實質改進。檢測元件不是頂端尖銳的楔塊，而是平緩收縮和擴張的階梯矩形。矩形流量計可用于圓形、矩形或方形管道，本體可用直接焊接式(不帶法蘭)或法蘭連接式。

矩形流量計結構示意圖如圖4所示。

圖4 矩形流量計結構示意圖

按用途不同分類，矩形流量計一般有耐磨損型、耐腐蝕型2種型式。

矩形流量計的主要技術參數:內徑為50～2 000mm，壓力等級為0.25～6.3MPa，精確度等級為1.5～2.5，介質溫度≤650 ℃(與本體材質有關)。

矩形流量計的特點如下。

①流體經過最小流通截面時沒有漩渦，不產生能量損耗，因此壓損小、能耗低。

②檢測元件沒有尖角，不易磨損，可以噴涂耐磨材料，適用于磨蝕性強(如煤漿、油漿)的流體，耐磨、性能穩定、可靠，使用壽命可達楔式流量計的4倍以上。

③取壓方式類似于文丘里管，比楔式流量計的取壓方式更好、穩定性更佳、測量精度更高。

④由于檢測元件的測量部分沒有滯流區，雜質臟污不易粘附，如果采用噴涂樹脂等特殊材料，防粘能力更強(可采用“雙法蘭隔離膜片”差壓變送器)。

矩形流量計可應用于測量高磨損性流體(在檢測件表面噴涂耐磨材料)和腐蝕性流體的流量(噴涂耐腐蝕材料)，也可以測量一般氣體、蒸汽和液體(包括油漿、煤化工流體)的流量。

按用途不同，矩形流量計一般有耐磨損型和耐腐蝕型2種型式。

由于矩形流量計是非標準節流裝置，為達到一定的計量精度，建議實流標定。

3 結束語

不同的差壓式流量計[5-11]具有各自鮮明的特點，用戶應根據自身目的有針對性地選擇和使用。在對測量精度要求較高的場合，優先選用由制造廠配套供應直管段的標準孔板、標準噴嘴或ASME噴嘴，或經過實流標定的平衡孔板、環形孔板流量計等;在對壓力損失要求較嚴的場合，優先選插入式(例如強力巴)流量計等；在直管段長度不足的場合，優先選用環形孔板、V錐流量計、平衡孔板流量計等；對于介質雜質較多、粘附性強的介質，例如濕焦爐煤氣，建議選用帶夾套保溫(電伴熱或蒸汽伴熱，使測量管段內環形孔板板片溫度稍高于介質溫度，黏稠物質不易粘附在板片上)的環形孔板流量計；對較大口徑，建議在流量計的下游3倍口徑距離外開設“檢修人孔”，大修時徹底清污；對于磨損性流體，推薦選用噴涂特殊材料的矩形流量計(配用帶隔離膜片的智能差壓變送器)。總之，流量測量涉及多方面知識，需要選型者全面了解流量計的性能指標，必要時需和制造商進行溝通。

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PerformanceStudyontheNewTypesofDifferentialPressureFlowmeters

ZHAIXiaojin1，SHENXinjian1，WANGGuanglei2，SHAOPengcheng1

(1.KaifengInstrumentCo.,Ltd.,Kaifeng475002,China;2.QinghaiSaltLakeIndustryCo.,Ltd.,Xining810000,China)

Inmarketsharingofflowinstruments,differentialpressureflowmeteroccupiesthetoppositionbecauseofitsfeaturesofsimplestructure,solidanddurable,stableprecision,andadaptability,etc.Duetothewidevarietyanddifferenceperformances,inordertomakethemostofthestrengthsofeachinstrument,avoiditsweaknesses,andaccuratelyandreliablytomeasurethefluidflow,theperformanceofthenewtypesofdifferentialpressureflowmetersthatwidelybeingusedindomesticmarketareanalyzedandcompared;theirprinciples,characteristicsandmajorparametersareelaborated.Inaccordancewiththeadvantagesanddisadvantagesofvariousinstruments,Theusersshouldselectmostsuitableinstrumentforspecificapplicationmaybetterexerttheusevalueofeachkindofinstrument.

Differentialpressureflowmeter;Circularflowmeter;Uniformtubeflowmeter;Balanceflowmeter;V-coneflowmeter;Rectangularflowmeter;Modelselection

翟小金(1983—)，男，學士，助理工程師，主要從事差壓式流量計的研發工作。E-mail:304129300@qq.com。

TH814;TP

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701020

修改稿收到日期:2016-07-05