差壓式流量計工作原理及測量準確度技術研究

徐海東

（安徽省長江計量所，安徽 合肥 230088）

在工業生產中，對流量參數的測量通常可通過使用差壓式流量計來測量，壓差流量計經過幾十年的發展，被廣泛應用于各種工業生產中。隨著工業技術的不斷發展，工業的生產過程愈加復雜化，對于生產過程中流量的測量精度要求也越加嚴格，而傳統中所使用的差壓式流量計的測量范圍以及測量精度已經不能滿足當下工業生產過程中對流量參數的測量要求。因此，對差壓式流量計的工作原理及測量準確度技術進行研究具有重要的現實意義。

1 差壓式流量計概述

差壓式流量計又被稱為節流式流量計，其工作原理是基于流體流動的節流原理，通過流體經過節流裝置產生的壓力差對流量參數進行測量，差壓式流量計是目前在工業中使用范圍最廣、技術最成熟的方法。差壓式流量計在對流量參數進行測定時，主要是將待測流體的流量參數通過節流裝置轉變為壓差信號，進而將產生的差壓在儀表上顯示出來。在實踐中，常用的單元組合儀器主要是利用差壓變送器，將節流裝置產生的壓差信號，轉換成標準電傳信號或氣動信號，幫助管理人員進行記錄或控制。

2 差壓式流量計的工作原理與特征

差壓流量計在測定流體流量參數時，是基于節流件產生的差壓進行測定，流體在經過節流件時，因為管道截面變窄，所以管道內流體的流速變大，流體的動能也隨之增加，在此流段內，流體的能量損失較小，可忽略不計，故可假定流體在該流段內具有的總能量為固定值，由能量守恒定律可知，在理想情況下，當流體流速增加后部分靜壓會轉換成流體動能，而流體所具有的靜壓力值會隨之下降，此時，產生一個壓差，壓差與流體流量間具有一定的函數關系，只需通過對該壓差進行測量，即可確定流體的流量值。差壓式流量計原理圖如圖1 所示。

圖1 差壓式流量計原理圖

其流量測量的一般表達式如式（1）：

式中：qm—質量流量；C —流出系數；ε—氣體膨脹性系數；d—工作條件下流件的孔徑；D—工作條件下上游管道內徑；Δ p — 差壓；ρ1—上游流體密度；β—直徑比

3 計量差壓式流量計的影響因素

從式（1）中我們可以看出，影響流量參數的因素共包含6個：C（流出系數）、ε（氣體膨脹系數）、d（節流孔直徑）、D（管道直徑）、Δp（差壓）、ρl（流體密度）。從式（1）中，還可以看出，不同因素對流量的影響程度是不相同的，且各個影響因素對流量的影響并不是簡單的代數值疊加，因此，在對這些影響因素進行分析時，應以權重函數進行分析。例如，C（流出系數）與ε（氣體膨脹系數）與流量的關系是成正比的，簡單而言，C（流出系數）與ε（氣體膨脹系數）變化1%時，其流量變化情況同樣為1%，即權重函數為1，而d（節流孔直徑）與流量之間的關系與β 有關，其權重函數可表示為，D和流量之間的關系同樣與β 有關，其權重函數表示為Δp（差壓）和ρl（流體密度）和流量之間的關系為平方關系，即當Δp（差壓）和ρl（流體密度）變化1%時，其流量變化情況為0.5%，權重函數為0.5。

4 提高測量準確度的技術措施

4.1 理論補償

提高設計數據的準確性。提高差壓流量計的設計數據的準確性是提升差壓式流量計的測量精度的重要前提，由于現場使用情況不同，因此，在使用差壓式流量計時需要根據現場的實際測量環境設計節流裝置的，雖然目前差壓計節流裝置趨于標準化，但對于一些節流件仍然需要結合實際進行優化設計，對流體的特性以及其具有的物性特點進行深入分析是優化設計的重要前提，要想在設計中提升差壓流量計的測量精確度，則需要對現場的測量工況以及管道的尺寸、流體狀態、溫度、壓力等參數進行掌握，在設計中，需要重點掌握流體的密度以及黏度等參數。對于氣體流體來說，還需要額外考慮其等熵指數和壓縮系數；對于多組分介質而言，則需要按照組分的不同進行物性分析，確保獲取最優的流體物性信息，為提升測量精確度提供數據支撐。

提高流出系數的準確度。隨著工業領域技術的快速發展，人們對差壓式流量計的需求在不斷增加，對其測量精度的要求也在增加。差壓式流量計經過幾十年的發展，已經由最初的標準化節流裝置發展到現今的20 余種，且愈加成熟。但就目前而言，差壓式流量計中僅有孔板、噴嘴、文丘里等標準化程度較高，但應用范圍相對較窄，且超出限制條件的設計并不囊括在ISO 5167 內。而非標節流裝置缺乏足夠的實驗數據支撐，需要采取實流標定方式進行核定，因此，未經過實流核定的非標節流裝置，不能確保其精確度。差壓式節流裝置是機械加工件，其精度受到加工設備以及加工人員水平的影響，因此，一些標準化的差壓節流裝置也會由于生產商的制造水平不同而產生誤差，因此，有必要采用實流標定方式確定壓差式流量計的準確度。

引入氣體可膨脹性系數補償。氣體具有可壓縮性，而ε（氣體膨脹系數）是對氣體流束膨脹修正的系數，通常采用式（2）計算差壓式流量，K 的數值一般通過出廠計算書獲取。

由于氣體膨脹系數和節流件前后壓力以及β 相關，當壓強增加至上百千帕時，氣體膨脹系數的變化僅為千分之幾；而當壓強增加幾十千帕時，氣體膨脹系數的變化達到百分之幾。GB 2624-2006 對于孔板、噴嘴以及文丘里的氣體膨脹系數給出了詳細的算法，而對于非標節流裝置而言，生產廠家需要給出相應的計算算法。

引入壓縮系數補償。對于臨界溫度較高且臨界壓力較低的氣體流體，由于其pVT 的關系不符合理想氣體狀態方程，因此，在進行流量測定時，需要引入壓縮系數進行修正。在實踐中，一般可采用以下方式求解氣體壓縮系數：1）采用查圖表法，該方法一般不用于流量系統中的實時補償。2）利用R-K 方程求解，如式（3）所示。

引入密度修正。從式（1）中可以得知，流體的體積流量還是質量流量都與流體的密度相關，一旦運行時，溫度與壓力偏離設計值則流體的密度一定會出現變化，則采用固定密度必然會出現測量誤差。因此，在實踐中可以通過引入密度修正的方法提高流量測量準確度。一般蒸汽的密度可由溫度以及壓力來確定，IFC 1967 蒸汽密度表和IFC 1967 公式是國際上通用的蒸汽密度標準，在進行流量參數測定時，可以按照現場測量工況通過查表或公式獲取蒸汽密度。

采用全補償公式。對于測量流量準確度要求較高的，則需要按照上述所闡述的因素進行綜合修正與補償。全補償算法如公式（4）所示。

4.2 安裝應用

從安裝上提高實際使用準確度。首先，在安裝位置上應確保流體能夠充分充滿整個管道，在選擇安裝方式上盡量采用垂直管道的安裝方式。在測量水平管道液體時，應盡量避免安裝于管線的最高點。當管道采用垂直安裝時，應注意流體從下到上的流向，避免出現流體不充滿管道的現象。在節流元件上游的擾流件中，應額外注意半開閘閥與調節閥的安裝，應盡量避免管道直接安裝在擾流件的下方。在進行安裝時，應盡量確保管路安裝的同心度，否則，其導致的流量測量誤差有可能達5%。

提高差壓測量準確度及信號傳遞準確度。對于差壓變送器的標稱準確度在使用時有嚴格的標準限定，例如，EJA110A 系列差壓變送器在流量測量中最常使用的量程范圍是100kPa，該產品允差極限MPE 為±0.065%FS，其參考準確度范圍為（0 ～100）kPa 范圍內，MPE:±0.065kPa，此項允許誤差在小流量小壓差的情況下就顯得尤為突出。隨著選型儀表量程的不斷增加，如何確保小流量條件下提升對應差壓計的測量準確度是關鍵。

5 結語

流量計在促進工業發展中具有不可替代的作用，流量計經過幾十年的發展已經愈發成熟與趨向標準化，但就目前而言，能達到國際標準的流量計只有差壓式流量計。相信隨著科學技術的不斷發展，差壓式流量計的測量準確度將不斷提高。