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差压式流量
差压式流量计
1概述
差压式流量计（以下简称DPF或流量计）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来测量流量的仪表。
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，如孔扳流量计、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）程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。
差压计既可用于测量流量参数，也可测量其他参数（如压力、物位、密度等）。
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、动压增益式和射流式等几大类，其中以节流式和动压头式应用最为广泛。
节流式DPF的检测件按其标准化程度分为标准型和非标准型两大类。
所谓标准节流装置是指按照标准文件设计、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流量测量误差，非标准节流装置是成熟程度较差，尚未列入标准文件中的检测件。
标准型节流式DPF的发展经过漫长的过程，早在20世纪20年代，美国和欧洲即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型式ISAl932喷嘴，其几何形状就是30年代标准化的，而标准孔板亦曾称为ISAl932孔板。
节流装置结构形式的标准化有很深远的意义，因为只有节流装置结构形式标准化了，才有可能把国际上众多研究成果汇集到一起，它促进检测件的理论和实践向深度和广度拓展，这是其他流量计所不及的。
1980年ISO（国际标准化组织）正式通过国际标准ISO5167，至此流量测量节流装置第一个国际标准诞生了。
ISO5167总结了几十年来国际上对为数有限的几种节流装置（孔板、喷嘴和文丘里管）的理论与试验的研究成果，反映了此类检测件的当代科学与生产的技术水平。
但是从ISO5167正式颁布之日起，它就暴露出许多亟待解决的问题，这些问题主要有以下几个方面。
1）ISO5167试验数据的陈旧性ISO5167中采用的数据大多是30年代的试验结果，今天无论节流装置制造技术，流量试验设备及实验技术都有巨大的进步，重新进行系统地试验以获得更高精确度及更可靠的数据是必要的。
进入80年代美国和欧洲都进行大规模的试验，为修订ISO5167打下基础。
2）ISO5167中关于直管段长度规定的问题在ISO投票通过ISO5167时，美国投了反对票，其主要原因是对直管段长度的规定有不同意见，这个问题应是ISO5167修订的主要问题之一。
3）ISO5167中各项规定的科学性问题影响节流装置流出系数的因素特别多，主要有孔径与管径的比值β、取压装置、雷诺数、节流件安装偏心度、前后阻流件类型及直管段长度、孔板入口边缘尖锐度、管壁粗糙度、流体流动湍流度等，众多因素影响错综复杂，有的参数难以直接测量，因此标准中有些规定并非科学地确定，而是为了取得一致，不得不人为地确定。
著名流量专家斯宾塞（E．A．Spencer）提出一系列应重新检讨的问题，如孔板平直度、同心度、直角边缘尖锐度、管道粗糙度、上游流速分布及流动调整器的作用等。
4）关于节流式DPF测量精确度提高的问题鉴于节流式DPF在流量计中占有重要地位，提高其测量精确度意义重大。
历次国际学术会议认为必须使流量测量工作者、流体力学与计算机技术工作者紧密合作共同攻关才能解决此问题。
20世纪80年代美国和欧洲开始进行大规模的孔板流量计试验研究，欧洲为欧共体实验计划（EECExperimentalProgram），美国为API实验计划（APIExperimentalProgram）。
试验的目的是用现代最新测试设备及试验数据的统计处理技术进行新一轮的范围广泛的试验研究，为修订ISO5167打下技术基础。
1999年ISO发出ISO5167的修订稿（ISO／CD5167-1-4），该文件为委员会草案，它在技术内容与编辑上都有很大改动，是一份全新的标准。
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（标准草案），但是会议认为尚有细节问题应再商榷而未能通过。
新的ISO5167标准何时正式颁布尚不得而知。
ISO5167新标准在标准的两个核心内容皆有实质性变化，一是孔板的流出系数公式，用Reader-Harris/Gallagher计算式（R-G式）代替Stolz计算式，另一为节流装置上游侧直管段长度的规定以及流动调整器的使用等。
我们通常称ISO5167（GB／T2624）中所列节流装置为标准节流装置，其他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难节流装置相异的，如果标准节流装置在偏离标准条件下工作亦应称为非标准节流装置，例如，标准孔板在混相流或标准文丘里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，弯管节流件等；
3）低压损用罗洛斯管，道尔管，道尔孔板，双重文丘里喷嘴，通用文丘里管，Vasy管等；
4）小管径用整体（内藏）孔板；
5）端头节流装置端头孔板，端头喷嘴，Borda管等；
6）宽范围度节流装置弹性加载可变面积可变压头流量计（线性孔板）；
7）毛细管节流件层流流量计；
8）脉动流节流装置；
9）临界流节流装置音速文丘里喷嘴；
10）混相流节流装置。
节流式DPF现场应用的不断拓展必然提出发展非标准节流装置的要求，十余年来ISO亦在不断制订有关非标准节流装置的技术文件，在它们不能成为正式标准之前作为技术报告发表。
可以预见，今后有可能若干较为成熟的非标准节流装置会晋升为标准型的。
20世纪90年代中后期世界范围内各式DPF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（不包括家用燃气表和家用水表及玻璃管浮子流量计）的35％-42％（每年6万-7万台）。
2工作原理
2.1基本原理
充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，如图4.1所示，流速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，这样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。
压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关，例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质（密度、粘度）不同时，在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。
图4.1孔板附近的流速和压力分布
2.2流量方程
式中qm--质量流量，kg/s;
qv--体积流量，m3/s;
C--流出系数；
ε--可膨胀性系数；
β--直径比，β=d/D;
d--工作条件下节流件的孔径，m；
D--工作条件下上游管道内径，m；
△P--差压，Pa；
ρl--上游流体密度，kg/m3。
由上式可见，流量为C、ε、d、ρ、△P、β（D）6个参数的函数，此6个参数可分为实测量[d，ρ，△P，β（D）]和统计量（C、ε）两类。
（1）实测量
1）d、D式（4．1）中d与流量为平方关系，其精确度对流量总精度影响较大，误差值一般应控制在±0．05％左右，还应计及工作温度对材料热膨胀的影响。
标准规定管道内径D必须实测，需在上游管段的几个截面上进行多次测量求其平均值，误差不应大于±0．3％。
除对数值测量精度要求较高外，还应考虑内径偏差会对节流件上游通道造成不正常节流现象所带来的严重影响。
因此，当不是成套供应节流装置时，在现场配管应充分注意这个问题。
2）ρρ在流量方程中与△P是处于同等位置，亦就是说，当追求差压变送器高精度等级时，绝不要忘记ρ的测量精度亦应与之相匹配。
否则△P的提高将会被ρ的降低所抵消。
3）△P差压△P的精确测量不应只限于选用一台高精度差压变送器。
实际上差压变送器能否接受到真实的差压值还决定于一系列因素，其中正确的取压孔及引压管线的制造、安装及使用是保证获得真实差压值的关键，这些影响因素很多是难以定量或定性确定的，只有加强制造及安装的规范化工作才能达到目的。
（2）C统计量
1）C统计量C是无法实测的量（指按标准设计制造安装，不经校准使用），在现场使用时最复杂的情况出现在实际的C值与标准确定的C值不相符合。
它们的偏离是由设计、制造、安装及使用一系列因素造成的。
应该明确，上述各环节全部严格遵循标准的规定，其实际值才会与标准确定的值相符合，现场是难以完全满足这种要求的。
应该指出，与标准条件的偏离，有的可定量估算（可进行修正），有的只能定性估计（不确定度的幅值与方向）。
但是在现实中，有时不仅是一个条件偏离，这就带来非常复杂的情况，因为一般资料中只介绍某一条件偏离引起的误差。
如果许多条件同时偏离，则缺少相关的资料可查。
2）ε可膨胀性系数ε是对流体通过节流件时密度发生变化而引起的流出系数变化的修正，它的误差由两部分组成：
其一为常用流量下ε的误差，即标准确定值的误差；其二为由于流量变化ε值将随之波动带来的误差。
一般在低静压高差压情况，ε值有不可忽略的误差。
当△P／P≤0.04时，ε的误差可忽略不计。
3分类
差压式流量计分类如表4.1所示。
表4.1差压式流量计分类表
分类原则
分 类 类 型
按产生差压的作用原理分类
1）节流式；2）动压头式；3）水力阻力式；4）离心式；5）动压增益式；6）射流式
按结构形式分类
1）标准孔板；2）标准喷嘴；3）经典文丘里管；4）文丘里喷嘴；5）锥形入口孔板；6）1/4圆孔板；7）圆缺孔板；8）偏心孔板；9）楔形孔板；10）整体（内藏）孔板；11）线性孔板；12）环形孔板；13）道尔管；14）罗洛斯管；15）弯管；16）可换孔板节流装置；17）临界流节流装置
按用途分类
1）标准节流装置；2）低雷诺数节流装置；3）脏污流节流装置；4）低压损节流装置；5）小管径节流装置；6）宽范围度节流装置；7）临界流节流装置；
3.1按产生差压的作用原理分类
1）节流式依据流体通过节流件使部分压力能转变为动能以产生差压的原理工作，其检测件称
之为节流装置，是DPF的主要品种。
2）动压头式依据动压转变为静压的原理工作，如均速管流量计。
3）水力阻力式依据流体阻力产生的压差原理工作，检测件为毛细管束，又称层流流量计，一
般用于微小流量测量。
4）离心式依据弯曲管或环状管产生离心力原理形成的压差工作，如弯管流量计，环形管流量
计等。
5）动压增益式依据动压放大原理工作，如皮托-文丘里管。
6）射流式依据流体射流撞击产生原理工作，如射流式差压流量计
3.2按结构形式分类
1）标准孔板又称同心直角边缘孔板，其轴向截面如图4.2所示。
孔板是一块加工成圆形同心的具有锐利直角边缘的薄板。
孔板开孔的上游侧边缘应是锐利的直角。
标准孔板有三种取压方式：
角接、法兰及D-D/2取压；如图4.3所示。
为从两个方向的任一个方向测量流量，可采用对称孔板，节流孔的两个边缘均符合直角边缘孔板上游边缘的特性，且孔板全部厚度不超过节流孔的厚度。
图4.2标准孔板
图4.3孔板的三种取压方式
2）标准喷嘴有两种结构形式：
ISA1932喷嘴和长径喷嘴。
a.ISA1932喷嘴（图4.4）上游面由垂直于轴的平面、廓形为圆周的两段弧线所确定的收缩段、圆筒形喉部和凹槽组成的喷嘴。
ISA1932喷嘴的取压方式仅角接取压一种。
图4.4ISA1932喷嘴
b.长径喷嘴（图4.5）上游面由垂直于轴的平面、廓形为1/4椭圆的收缩段、圆筒形喉部和可能有的凹槽或斜角组成的喷嘴。
长径喷嘴的取压方式仅D-D/2取压一种。
3）经典文丘里管由入口圆筒段A、圆锥收缩段B、圆筒形喉部C和圆锥扩散段E组成，如图4.6所示。
根据不同的加工方法，有以下结构形式：
①具有粗铸收缩段的；②具有机械加工收缩段的；③具有铁板焊接收缩段的。
不同结构形式的L1、L2、R1、R2与D、d的关系如表4.2所示。
4）文丘里喷嘴由进口喷嘴、圆筒形喉部及扩散段组成，如图4.7所示。
5）锥形入口孔板锥形入口孔板与标准孔板相似，相当于一块倒装的标准孔板，其结构如图4.8所示，取压方式为角接取压。
注
粗铸入口
机械加工的入口
粗焊的铁板入口
1
±0.25D（100mm＜D＜150mm）
L1=0.5D±0.05D
L1=0.5D±0.05D
2
L2=1D或0.25D+250mm两个量中的小者
L2≥D（入口直径）
L2≥D（入口直径）
3
R1=1.375D+20%
R1＜0.25D
R1=0,焊缝除外
4
R2=3.625d至3.8d
R2＜0.25D
R2=0,焊缝除外
图4.6经典文丘里管
图4.7文丘里喷嘴
图4.8锥形入口孔板
1一环隙；2-夹持环；3一上游端面A；4-下游端面B；
5-轴线；6-流向；7-取压口；8-孔板；
X-带环隙的夹持环；Y-单独取压口
6）1/4圆孔板1/4圆孔板与标准孔板相比只是孔口形状不同，它的外形轮廓由一个与轴线垂直的端面，半径r为1/4圆构成的入口截面及喷嘴出口端面组成，如图4.9所示。
管径小于DN40为角接取压，大于DN40为角接取压或法兰取压。
7）圆缺孔板其开孔为一个圆的一部分（圆缺部分），这个圆的直径为管道直径的98％，开孔的圆弧部分的圆心应精确定位，使其与管道同心，这样可保证开孔不会被连接的管道或两端的垫片所遮盖，其结构如图4.10所示。
取压方式为法兰取压和缩流取压（或称理论取压）。
图4.10圆缺孔板
8）偏心孔板这种孔板的孔是偏心的，它与管道同心的圆相切，这个圆的直径等于管道直径的98％。
安装这种孔板必须保证它的孔不会被法兰或垫片遮盖住，其结构如图4.11所示。
它采用法兰取压和缩流取压。
图4.11偏心孔板
1-孔板开孔；2-管道内径；3-孔板开孔另一位置；4-孔板外径；5-孔板厚度E；
6-上游端面A；7-下游端面B；8-孔板开孔厚度e；9-孔板轴线；10-斜角F；
11-孔板开孔轴线；12-流向；13-上游边缘G；14-下游边缘H、I
9）楔形孔板楔形孔板的结构如图4.12所示。
其检测件为V形，设计合适时节流件上下游无滞流区，不会使管道堵塞，取压方式未标准化。
图4.12楔形流量计
1-高压取压口；2-低压取压口；3-测量管；4-楔形孔板；5-法兰
10）整体（内藏）孔板管径小于DN50孔板可以有多种结构形式，图4.13所示为内藏孔板结构，当管径较小时孔板入口边缘锐利度及管道糙度等对流出系数有显著影响，因此按结构几何形状及尺寸难以确定流出系数，小管径孔板一般皆需个别校准才能准确确定流出系数。
图4.13整体（内藏）孔板
（a）直通式；（b）U形弯管式
11）线性孔板又称弹性加载可变面积可变压头孔板，如图4.14所示。
其孔隙面积随流量大小而自动变化，曲面圆锥形塞子在差压和弹簧力的作用下来回移动，孔隙的变化使输出信号（差压或位移）与流量成线性关系，并极大地扩大范围度。
图4.14线性孔板（GILFLO型节流装置）
1-稳定装置；2-纺锤形活塞；3-固定孔板；4-排气孔；5-标定和锁定蜗杆装置；
6-轴支撑；7-低压侧差压检出接头；8-高张力精密弹簧；9-排水孔；10-高压侧差压检出接头
12）环形孔板环形孔板的结构如图4.15所示。
它由一个被同心固定在测量管中的圆板、三脚支架和中心轴管组成，中心轴管将上下游压力传送到差压变送器。
环形孔板的优点是既能疏泄管道底部的较重物质又能使管道中气体或蒸气沿管道顶部通过。
图4.15环形孔板
13）道尔管道尔管结构如图4.16所示。
它由40o入口锥角和15o扩散管组成。
流体首先碰到a上，再经短而陡的锥体，到达喉部槽两边的两个圆筒形部分，通过短的锥体后在f处，突然扩大到管道中，整个长度仅是管径的1.5-2倍，是经典文丘里管长度的17％。
道尔管产生的差压比经典文丘里管大，在高差压下却有低的压损。
图4.16道尔管
14）罗洛斯管罗洛斯管结构如图4.17所示。
它由入口段、入口锥管、喉部锥管、喉部和扩散管组成。
入口锥管的锥角为40o，喉部锥角为7o，扩散管锥角为5o，上游取压口采用角接取压，其取压口紧靠入口锥角处，下游取压口在喉部长度的一半，即d／4处。
图4.17低压损（Lo-Loss）管（罗洛斯管） 图4.18弯管流量传感器
15）弯管弯管结构如图4.18所示。
利用管道系统弯头作检测件，无附加压损及专门安装节流件是其优点，弯管取压口开在45o或22.5o处，取压口结构与标准孔板相同，两个平面内的两个取压口对准，使其能处于同一条直线上，弯管内壁应尽量保持光滑。
16）可换孔板节流装置图4.19所示为断流取出型可换孔板节流装置。
在需要检查孔板或更换孔板时，可无需拆开管道，短时间暂停管道内被测介质的流动，这时就可打开上盖，取出孔板及密封件予以检查或更换。
图4.19可换孔板节流装置
17）临界流节流装置临界流节流装置有两种结构形式：
圆环喉部文丘里喷嘴和圆筒喉部文丘里喷嘴，如图4.20所示。
a．圆环喉部文丘里喷嘴它由入口段、圆弧收缩段和扩散段组成。
入口收缩段是一个喇叭形曲面，该曲面延伸至最小断面处（喉部），并与扩散段相切。
在入口平面的上游，廓形没有规定，但在每个轴向位置上，其直径都应等于或大于喇叭形扩张部分的直径。
b．圆筒形喉部文丘里喷嘴它由入口段、圆弧收缩段、圆筒形喉部及扩散段组成。
其入口平面为入口轮廓相切且垂直于喷嘴中心线的平面。
收缩段为1／4圆曲面，一端与入口平面相切，另一端与圆筒喉部相切。
1／4圆曲面和圆筒喉部之间的连接应没有缺陷，连接要平滑。
图4.20临界流节流装置
（a）圆环形喉部文丘里喷嘴
1一压力表；2-此处轮廓的表面粗糙度Ra不超过15×10-6d，其曲面偏差不能大于±0.001d
（b）圆筒形喉部文丘里喷嘴
1一此处轮廓的表面粗糙度Ra不超过15×10-6d，其喇叭形曲面及圆柱形的偏差不能大于±0.001d;2-在圆锥扩散段轮廓的表面粗糙度Ra不超过10-4d
3.3按用途分类
1）标准节流装置ISO5167或GB／T2624中所包括的节流装置称为标准节流装置，它们是标准孔板、标准喷嘴、经典文丘里管和文丘里喷嘴。
在设计、制造、安装及使用方面皆遵循标准规定，可不必个别校准而使用。
2）低雷诺数节流装置如1／4圆孔板、锥形入口孔板和双重孔板等。
3）脏污流节流装置如圆缺孔板、偏心孔板和楔形孔板等。
4）低压损节流装置如道尔管、罗洛斯管、弯管及环形管等。
5）小管径节流装置如整体（内藏）孔板和一体式流量变送器等。
6）宽范围度节流装置如线性孔板等。
7）临界流节流装置如临界流文丘里喷嘴等。
4节流式差压流量计的主要特点
应用最普遍的节流件标准孔板结构易于复制，简单，牢固，性能稳定可靠，使用期限长，价格低廉。
节流式DPF应用范围极广泛，至今尚无任何一类流量计可与之相比。
全部单相流体，包括液、气、蒸汽皆可测量，部分混相流，如气固、气液、液固等亦可应用，一般生产过程的管径、工作状态（压力，温度）皆有产品。
检测件与差压显示仪表可分开不同生产厂生产，便于专业化形成规模经济生产，它们的结合非常灵活方便。
检测件，特别是标准型的，是全世界通用的，并得到国际标准组织的认可。
对标准型检测件进行的试验研究是国际性的，其他流量计一般仅依靠个别厂家或研究群体进行，因此其研究的深度和广度不可同日而语。
从时间上看，标准型检测件自20世纪30年代由国际标准化组织确定后再也没有改变，其研究资料及生产实践的积累极其丰富，它涉及的应用范围还没有一类流量计可比。
正是由于上述原因，标准型节流式DPF无需实流校准，即可投用，在流量计中亦是惟一的。
目前在各种类型中以节流式和动压头式应用最多。
节流式已开发20余品种，并且仍有新品种开发出，较成熟的向标准型发展，ISO设有专门技术委员会负责此项工作。
动压头式以均速管流量计为代表，近年有较快发展，它是插入式流量计的主要品种，其用量在迅速增加。
节流式DPF主要存在以下缺点：
1）测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平，由于众多因素的影响错综复杂，精确度难以提高。
2）范围度窄，由于仪表信号（差压）与流量为平方关系，一般范围度仅3:
1-4:
1。
3）现场安装条件要求较高，如需较长的直管段（指孔板，喷嘴），一般难以满足。
4）检测件与差压显示仪表之间引压管线为薄弱环节，易产生泄漏、堵塞、冻结及信号失真等故障。
5）压损大（指孔板，喷嘴）。
为了弥补上述缺点，近年仪表开发有如下一些措施。
1）关于范围度的拓宽
节流式DPF范围度拓宽从两方面着手：
1）开发线性孔板；2）采用宽量程差压变送器或多台差压变送器并用。
（2）开发定值节流件
定值节流件是指对每种通径测量管道配以有限数量的节流件，节流件的β值（孔径）则按优先数系选用，每种通径配3-5种β值。
定值节流件的应用有许多优点：
改变节流件应用对号入座的缺陷；节流件生产方式由小生产作业方式转变为大批量生产；对于廓形节流件（如喷嘴，文丘里管等）采用专用加工设备实现批量生产，降低生产成本，为扩大使用创造条件；给用户带来使用的方便等等。
（3）压损问题
通常节流式DPF压损大是指检测件为孔板或喷嘴等品种，其实早已开发多种低压损节流件，如各种流量管（道尔管、罗洛斯管、通用文丘里管等），它们未能大量应用的原因是结构笨重，价格高，如采用定值节流件可使生产成本大幅度下降，为广泛应用创造条件。
（4）一体化节流式DPF
把节流装置和差压变送器做成一体，省却引压管线，减少故障率，改善动态特性，方便安装使用，受到用户的欢迎。
国外应用已相当普遍，据统计，日本在1996-1997年新建四家工厂400余台差压式流量计，一体化直接安装仪表约占三分之一。
（5）安装条件问题
经典文丘里管必要的直管段长度短（约5D-10D），在无长直管段场合尽量采用此类节流件，它做成定值节流件，可以降低制造成本。
近年国际上为解决阻流件干扰着力研究适用的流动调整器，在精度要求较高时节流装置与流动调整器配套供应，可保证测量的精确度，但也增加了压损与维护工作量。
5选用考虑要点
DPF应用领域极其广泛，封闭管道各种测量对象都有应用：
流体方面，单相、混相、洁净、脏污；工作状态方面，常压、高压、真空、常温、高温、低温；管径方面，从几毫米到几米；流动条件方面：
亚音速流、临界流、脉动流。
并且在上述各方面都有大量的理论和实践的资料可供参考。
20世纪50年代以前在过程控制工程中几乎是惟一的流量计，后
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