摘 要: 差壓式流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固耐用、精度穩(wěn)定、適應(yīng)性強等優(yōu)點，在流量儀表市場具有廣泛的應(yīng)用。其種類繁多、性能各異。為了盡可能地發(fā)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(nèi)市場廣泛應(yīng)用的新型差壓式流量計性能進行了分析比較，闡述了環(huán)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(shù)。根據(jù)各儀表的優(yōu)缺點，選用者應(yīng)針對性地加以選擇，以更好地發(fā)揮各儀表的使用價值。

圖 1 環(huán)形孔板流量計結(jié)構(gòu)示意圖
  環(huán)形孔板流量計由連接法蘭、測流板、測量短管、引壓管、均壓環(huán)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(nèi)的流體在“測流板”( 圓形或矩形) 前面強制分流成環(huán)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(chǎn)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(huán)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(zhuǎn)變成標準電流信號，輸送至數(shù)據(jù)處理裝置或顯示儀表，即可得知流量。
 
  環(huán)形孔板流量計的主要技術(shù)參數(shù):  公稱通徑為40 ～ 4 000 mm，公稱壓力≤42 MPa，介質(zhì)溫度≤650 ℃( 與本體材質(zhì)有關(guān)) ，度等級為 1 級。環(huán)形孔板流量計具有如下優(yōu)點。
 
①與標準孔板、噴嘴、文丘里管這些標準節(jié)流裝置相比，環(huán)形孔板要求的前直管段長度較短。原因是: 和環(huán)形孔板測量管同軸安裝的“測流板”把管內(nèi)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(tài)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(huán)形孔板所生差壓信號的影響。因此，在局部阻力件下游( 即環(huán)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(xiàn)場發(fā)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(huán)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(qū)( 例如標準孔板的板前、板后) ，而是孔板的前、后暢流區(qū)，流體中的雜質(zhì)不易堆積沉淀在取壓口附近，況且采用均壓環(huán)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(huán)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(huán)形孔板流量計適用于含有均勻分布雜質(zhì) ( 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(zhuǎn)爐煤氣、混合煤氣等。此外，環(huán)形孔板流量計的測量件 ( 平板) 形狀簡單、易于精密加工，且?guī)缀纬叽缗考庸さ囊恢滦院?，?jīng)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(guī)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(huán)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(zhì)時，波動較大，影響讀數(shù)的準確性，因此不適合測量大流量液體介質(zhì)( 管內(nèi)流速不宜超過 2 m / s) 。
根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，環(huán)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(jié)晶或易汽化的流體，如重油、液氨等) 。從市場應(yīng)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(yè)，夾套保溫型多用于化工行業(yè)。
 
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(chǔ)上發(fā)展起來的。其基本原理同樣依據(jù)能量守恒的伯努利方程，將速度頭轉(zhuǎn)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(yè)管流量的測量。經(jīng)過多年研究，利用“直圓管外周沿軸線方向按照一定規(guī)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(tǒng)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(jù)結(jié)構(gòu)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(jù)近年來的使用情況，前 3 種差壓信號較穩(wěn)定，受用戶歡迎，市場占有率較高。
   強力巴流量計結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示。

圖 2 強力巴流量計結(jié)構(gòu)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(nèi)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(zhuǎn)換成電流信號，經(jīng)顯示儀表( 或計算機) 運算處理后即可得知流體的流量。根據(jù)結(jié)構(gòu)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(shè)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(tài)下安裝或插拔檢測桿，可用于正常工作的管線) 、多桿復(fù)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(shù)參數(shù): 公稱通徑為圓形管 ( 內(nèi)徑) 25 ～ 4 000 mm，公稱壓力 ≤16 MPa，介質(zhì)溫度≤650 ℃ ( 與本體材質(zhì)有關(guān)) ，度等級為 1． 0、1． 5。
  這類儀表的優(yōu)點主要有兩點。①安裝簡便，壓力損失小 ( 節(jié)約能源) ，同一種口徑的檢測桿可以適用于各種介質(zhì)、各種流量，改變介質(zhì)或流量只需調(diào)整差壓變送器的量程即可，適應(yīng)性很強。②可以測量各種介質(zhì)，即使是臟污流體也可以使用，只要是加裝反吹系統(tǒng)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(shù)，與其他流量計相比，產(chǎn)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(shù)情況下，其他流量計配套普通低差壓變送器即可實現(xiàn)，降低了整套流量計的價格。
   這類流量計用于較大口徑輸水、輸氣 ( 蒸汽或氣體) 管道，特別是已經(jīng)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(yè)節(jié)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(jié)構(gòu)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(zhì)的流體會在孔板前后沉積雜質(zhì)、改變流通狀態(tài)，甚至堵塞取壓口。流速高時，因漩渦產(chǎn)生較大噪聲使孔板抖動甚至損壞，所以它的應(yīng)用受到限制。美國航空航天局馬歇爾航空飛行中心開發(fā)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(chǔ)上，在中心孔的周邊按一定規(guī)律分布若干較小的孔，其直徑由相應(yīng)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(shù)參數(shù): 公稱通徑為50 ～ 2 000 mm，壓力等級為 0． 25 ～ 42 MPa，度等級為 0． 5、1． 0，介質(zhì)溫度≤650 ℃ ( 與本體材質(zhì)有關(guān)) 。

   V 形錐流量計的主要技術(shù)參數(shù): 公稱通徑為 50 ～ 2 000 mm，壓力等級為 0． 25 ～ 16 MPa，度等級為0． 5、1. 0，介質(zhì)溫度≤650 ℃ ( 與本體材質(zhì)有關(guān)) 。V 形錐流量計的流體從管內(nèi)壁和錐體外徑之間的環(huán)形通道流過。

圖 3 V 形錐流量計結(jié)構(gòu)示意圖
V 形錐流量計具有標準孔板所沒有的諸多優(yōu)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(chǎn)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(jié)流作用使差壓信號波動小，讀數(shù)穩(wěn)定，有利于測量小流量，從而擴大了測量量程 范圍。
 
③流經(jīng)檢測件時產(chǎn)生的漩渦和壓力損失小，節(jié)約能源。
 
④流體中的雜質(zhì)不易堵塞在節(jié)流件前后，氣體介質(zhì)中液體( 如蒸汽中的凝結(jié)水) 不會存在于節(jié)流件周圍，避免產(chǎn)生測量誤差。但是，由于同規(guī)格的多個 V 錐體形狀難以保證完全一致，特別是沒有經(jīng)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 40 mm 甚至更小; 而有的口徑為 2 000 mm 甚至更大，也選用 V 錐，從結(jié)構(gòu)設(shè)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(fā)生錐體支撐斷裂的危險，請選型者慎之。用于中、大口徑氣體、液體、蒸汽介質(zhì)，流速中等以下的管徑。V 錐流量計不但適用于一般介質(zhì)，也適用于臟污( 無粘附性) 、粉塵介質(zhì)。

2.5、矩形流量計：
  矩形流量計是在楔形流量計的基礎(chǔ)上開發(fā)的，基本原理同一般節(jié)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(cè)面和下游側(cè)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(yè)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(zhàn)，催生出一種新型差壓式流量測量儀表———矩形流量計。它結(jié)合了楔形流量計和文丘里流量計這兩種流量計的優(yōu)點，在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上作了實質(zhì)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(jié)構(gòu)示意圖如圖 4 所示。
  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(shù)參數(shù): 內(nèi)徑為 50 ～ 2 000 mm，壓力等級為 0． 25 ～ 6． 3 MPa，度等級為1． 5 ～ 2． 5，介質(zhì)溫度≤650 ℃ ( 與本體材質(zhì)有關(guān)) 。矩形流量計的特點如下。
 
①流體經(jīng)過***小流通截面時沒有漩渦，不產(chǎn)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(wěn)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(wěn)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(qū)，雜質(zhì)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(yīng)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(jié)流裝置，為達到一定的計量精度，建議實流標定。
 
3、結(jié)束語：
 不同的差壓式流量計 具有各自鮮明的特點，用戶應(yīng)根據(jù)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(yōu)先選用由制造廠配套供應(yīng)直管段的標準孔板、標準噴嘴或 ASME 噴嘴，或經(jīng)過實流標定的平衡孔板、環(huán)形孔板流量計等; 在對壓力損失要求較嚴的場合，優(yōu)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(yōu)先選用環(huán)形孔板、V 錐流量計、平衡孔板流量計等; 對于介質(zhì)雜質(zhì)較多、粘附性強的介質(zhì)，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(nèi)環(huán)形孔板板片溫度稍高于介質(zhì)溫度，黏稠物質(zhì)不易粘附在板片上) 的環(huán)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(shè)“檢修人孔”，大修時徹底清污; 對于磨損性流體，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) ?？傊?，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。