關鍵詞： 差壓式流量計 一體化孔板 溫壓補償

1、引言

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

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量工藝中所要求的各個參數(shù)及介質(zhì)，確保產(chǎn)品的質(zhì)量及合格的工耗，要求流量計能準確計量；熱電廠對外供熱同樣要求測量蒸汽的流量計計量準確，以利貿(mào)易結(jié)算。以往選用蒸汽流量計時，往往受到流量計本身的參數(shù)影響。例如孔板流量計量程比窄，計量精度低，而不能滿足過程計量的要求。

差壓式流量計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世紀就已發(fā)現(xiàn)，而真正開始進行大規(guī)模的試驗和用于工業(yè)流量測量是在本世紀20年代。標準節(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，它是目前流量儀表中*達到標準化的檢測元件，即無須實施校準就可投用。這是它成熟程度的主要原因之一。根據(jù)日本電氣計測會和日本計量機器工業(yè)聯(lián)合會在所有流量儀表總銷售金額的35%左右。經(jīng)粗略統(tǒng)計，過程中約80%的流量測量系統(tǒng)采用差壓式流量計。由此可見必須充分了解差壓式流量計的特性。

2、孔板流量計分析

2.1傳統(tǒng)孔板流量計

差壓式流量計由節(jié)流裝置（標準節(jié)流裝置和特殊節(jié)流裝置）和差壓計組成。按其測量方法是是以能量守衡定律和流動連續(xù)方程為基礎的。標準節(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，價格低廉。主要不足和缺點是測量范圍窄（量程比約4：1），*壓力損失大（占差壓的40%-80%），直管段要求較嚴格。帶尖銳邊緣的標準孔板不適合測量強磨蝕流體，長時間使用會改變流量系數(shù)，從而增大誤差。此時宜采用標準噴嘴。一般需經(jīng)模擬實流試驗才能可靠地使用的節(jié)流裝置稱為特殊節(jié)流裝置（或稱為非標準節(jié)流裝置）。特殊節(jié)流裝置的使用主要是彌補標準節(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，計量精度±5%，這是因為傳統(tǒng)的孔板流量計以△P為變量，測出孔板的流量，但這在實際中qm＝f（c，ε，△P）的函數(shù)，在實際設計中通常采用c，ε為一常量去設計，即在整個測量流量范圍（差壓范圍）內(nèi)，只用一個計算公式。因此，僅僅由于計算誤差，就影響到整個測量范圍（不包括儀表和傳感器部分的誤差），在65%處的流量附近時，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點即為70%左右的點，流量大時誤差偏向“+”側(cè)，相反流量小，誤差偏向“－”。由壓差檢測獲得的孔板計算曲線，在無計算機技術的年代里，是無法對其進行多層次的運算，孔板流量計的量程比和測量精度在很長的一段時間里停留在較低的水平。

2.2SR一體化孔板流量計

SR一體化孔板流量計是不同于以往的傳統(tǒng)型孔板流量計.1984年，由于IC技術的發(fā)展和計算機技術的應用技術人員開始研究由孔板誤差曲線所想到的新的運算方法。這就是計算誤差均限定為±4%時，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，量程比比縮小1：2附近，超過這個界限測量時，會造成壓力表內(nèi)水銀飛濺，產(chǎn)生大的測量誤差，是不便于實際應用的流量計。這就是人們認為孔板流量計精度±4%，量程比zui大到1：4固有觀念的原因所在。事實上確是如此，即使擁有現(xiàn)代的傳感器，也無法超越這個原理和法則。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，并進一步用計算機進行處理實驗。為便于計算，選定使用頻率高的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)組成計算誤差zui小的數(shù)學模型，其它區(qū)域仍用以往的計算式，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的整個流量范圍，是不合適的，有違于測量原理。這種方式的根本錯誤是難于將所認定的高頻度使用區(qū)域與現(xiàn)實相吻合，對于整個流量范圍，減少測量誤差的方法可增加運算式的數(shù)量就可滿足要求。

SR一體化孔板流量計基于以上原理，采用了IC技術和計算機技術實現(xiàn)了量程范圍度1：20或更大量程比，基本誤差為±1%。（保證在整個測量段范圍內(nèi)）。

2.2.1測量原理-逼近式算法

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

①瞬時流量:

標記為公式組 ①

式中:  qm----------瞬時流量,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

公式中有幾個關鍵系數(shù)：c、ε1 它們不僅與介質(zhì)狀態(tài)相關而且還與流態(tài)（管道雷諾數(shù)）相關；因此實際上是一組復合變量。以前由于受電子技術發(fā)展水平制約，計算機或單片機無法在約定的時間內(nèi)按復雜的數(shù)學模型快速處理數(shù)據(jù)流，為了簡化運算程序只好將系數(shù)：c、ε1、β常數(shù)化，即不管蒸汽狀態(tài)如何變化、雷諾數(shù)多高均取設計狀態(tài)時常用流量點系數(shù)c、ε1、作為公式常數(shù)建模。其代價便是人為增大系統(tǒng)誤差，降低可信測量范圍。

首先將誤差限定在±1%時，分析用一個運算式計算誤差有多少，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算機按所編程序進行運算，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。將此理論進一步發(fā)展，可將分割流量范圍為20%，可將分割區(qū)間細分，使誤差無限接近零，進一步細分至無窮大，zui后可能收斂于零。然而總是不那么簡單，細分區(qū)間必使得孔板的計算復雜化，首先看原計算式。*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)，但式中有三個帶有*號的變量。計算時，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。因為壓差發(fā)生變化時，其流體發(fā)生變化，當然流量系數(shù)，截流系數(shù)也同時發(fā)生變化。壓差可變?yōu)殡娏餍盘柸菀兹〕?，但也壓差連動的實時變化的流量系數(shù)與截流系數(shù)，要計算出來則是困難的。其理由是，要計算二個變量需要龐大的基礎資料和反復進行運算的煩瑣嚴密的數(shù)學公式，即使使用現(xiàn)代家用電腦，其運算時間也要超過1秒。更何況小型計算器了，根本跟不上流體的變化，必導致產(chǎn)生數(shù)秒的運算滯后和顯示滯后。從實用角度看，無論使用什么樣的軟件技術，運算所需時間都要在0.5秒內(nèi)完成。在不計成本的開始研制階段，是不需考慮的，但要商品化則必須計較，這也是無限細分區(qū)間遇到的zui大障礙。

在反復計算各參數(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)這二個變量集約成一個參數(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個區(qū)段就足以保證測量精度。此舉可縮短運算時間和壓縮記憶存儲容量。

分段運算法zui顯見的缺陷是各分段區(qū)間的連接點，“+”誤差瞬間變?yōu)?ldquo;－”誤差，理論上出現(xiàn)數(shù)值重疊，實際上在那點只要流量不為，就看不到這種現(xiàn)象。在瞬間流量顯示時，瞬間數(shù)值會有所變動，但由于地在1%誤差內(nèi)的變動，不會影響實際使用，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，反復通過三個連接點，正負誤差相差相互抵消平均，在4個分段內(nèi)的運算也因此正負誤差相抵，從整個累加量上分析具有縮小綜合誤差的效果。這一點是分段運算的重要*性?，F(xiàn)代計算機技術的發(fā)展，能夠?qū)⒎侄吸c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，范圍度1：20或更大量程比，基本誤差為±1%。

 

以下是一個測量實例，結(jié)合表1.以傳統(tǒng)節(jié)流孔板流量計和SR型流量計作對比計算：

項目及內(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

測量點處介質(zhì)工作壓力及波動范圍 0.78 Mpa

測量點處介質(zhì)工作溫度及波動范圍 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 標準孔板 （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

夾裝用法蘭標準 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 SR（Ⅲ）350 S1W-HB-CZ

三閥組型號 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 TC205S1W1-F

瞬時流量（累積量）顯示數(shù)值單位 T/ H （T）

瞬時流量比例電流輸出要求 4-20 mA DC

累積量信號輸出要求 無

上下限報警輸出要求 無

溫度補償型式及范圍 0~350℃溫度變送器補償

壓力補償型式及范圍 0~1.6MPa壓力變送器補償

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

計算條件：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差壓下，按國家標準及標準（GB/T2624-93 ﹑ISO5167等）所給出的相應系數(shù)c、ε1、β計算公式迭代計算結(jié)果。標準GB/T2624-93詳細規(guī)定了這些系數(shù)的使用限制條件和計算結(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（與真實流量值誤差）≤±0.70% 。

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

2.2.2 過程變量的跟蹤補償

實際過程測量中，蒸汽狀態(tài)參數(shù)不可能總是處于設計工作點，而是在一定幅度內(nèi)波動；如此就帶來問題；由于公式組中多個參數(shù)c、ε1、β、ρ（1）都是溫度t、管壓Pg的函數(shù)，若不能保證計算依據(jù)參數(shù)：t、Pg誤差≤±0.5% ；就難以保證系數(shù)c、ε1計算結(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；計量將難以保證公正、客觀。

一般SR孔板流量計測量蒸汽時，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)的溫壓關系曲線族制成符合誤差控制要求的多維數(shù)據(jù)表，實時調(diào)用補償。特別需要說明的是由于蒸汽密度對狀態(tài)變化非常敏感，密度計算誤差與差壓測量誤差對流量值計算誤差的貢獻程度*相同，因此密度補償建模將在很大程度上決定流量計實流測量的準確度、可靠性。SR孔板流量計以水蒸氣協(xié)會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償數(shù)據(jù)庫，在整個工業(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給出了實例：當蒸汽狀態(tài)由設計點變化到狀態(tài)1時，流量計補償對比計算結(jié)果。

表3

序

號 差壓測量值

ΔP 設計點理論值qm0 設計點流量計算值qm1 設計點流量計算值誤差% 偏離點理論值qm0 偏離點流量計算值qm1 流量計算值誤差%

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

計算條件：設計點；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：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)孔板流量計數(shù)據(jù)處理方法又不進行溫壓補償時，數(shù)模計算值與流量理論值的誤差高達-3.6%，而且越是偏離設計點誤差越大，那附加流量理論值的誤差±0.70%后，與實際流量值的誤差可達±4.5~5.0%左右；SR孔板流量計附加流量理論值的誤差±0.70%后，與實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)

孔板的測量應用，從本質(zhì)上說是依據(jù)相似理論，因此國家標準及標準（GB/T2624-93 ﹑ISO5167）對孔板安裝提出了非常詳盡的要求；以便保證實際測量時的管路條件，能夠復現(xiàn)或相似當初形成標準數(shù)據(jù)的那些實驗的情況。只有在這種情況下，那些統(tǒng)計形成的公式、以及利用公式計算所得數(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)場安裝重要性的認識，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)過嚴格的出廠檢驗，保證零泄露。-----泄露：不僅意味著能量的損失，而且往往是計量偏小的罪魁。

3、結(jié)論

從以上的實測結(jié)果表明SR一體化孔板流量計具有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商開發(fā)區(qū)，從二十世紀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，因此對蒸氣流量計量要求準確、可靠，以便進行貿(mào)易結(jié)算。據(jù)此我們選用了SR（Ⅲ）型流量計，自2000年使用至今流量計準確、可靠。