【文章內容簡介】 關而實現(xiàn)流量測量的。 差壓式流量計通常是由能將被測流量轉換成差壓信號的節(jié)流裝置 (包括節(jié)流元件和取壓裝置)、導壓管和差壓計或差壓變送器及其顯示儀表三部分所組成。在單元組合儀表中，由節(jié)流裝置所產(chǎn)生的差壓信號，常通過差壓變送器轉換成相應的電信號或氣信號，以供顯示、調節(jié)用。(一)節(jié)流裝置的測量原理節(jié)流現(xiàn)象及其原理流體在有節(jié)流元件的管道中流動時，在節(jié)流元件前后的管璧處，流體的靜壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象，如圖31所示。所謂節(jié)流裝置就是設置在管道中能使流體產(chǎn)生局部收縮的節(jié)流元件和取壓裝置的總稱。應用最廣泛的節(jié)流元件是孔板，其次是噴嘴、文丘里管。下面以孔板為例說明節(jié)流原理。 圖32表示在孔板前后流體的流速與壓力的分布情況。沿管道軸向連續(xù)地向前流動的流體，由于遇到節(jié)流元件的阻擋，使靠近管壁處的流體受到的阻擋作用最強，因而使其一部分動壓能轉化成靜壓能，于是就出現(xiàn)了節(jié)流元件入口端面靠近管壁處的流體靜壓力P1，的升高 (即圖中P1＞P2)。此壓力比管道中心處壓力要大，即在節(jié)流元件入口端面處產(chǎn)生一徑向壓差。這一徑向壓差使流體產(chǎn)生徑向附加速度，從而使靠近管壁處的流體質點的流向就與管道中32心軸線相傾斜，形成了流束的收縮運動。同時，由于流體運動的慣性，使得流束收束最厲害 (即流束最小截面)的位置不在節(jié)流孔處，而是位于節(jié)流孔之后 (即圖中截面Ⅱ處)，并隨流量大小而變化。以上就是流體流經(jīng)節(jié)元件時，流束為什么產(chǎn)生收縮的原因。由于節(jié)流元件的阻擋造成了流束的局部收縮，同時，又因流體始終處于連續(xù)穩(wěn)定的流動狀態(tài)，因此在流束截面最小處的流速達到最大。根據(jù)伯努利方程式和位能、動能的相互轉化原理，在流束截面最小處的流體靜壓力最低，同理，在孔板出口端面處，由于流速已比原來增大，因此靜壓力也就較原來為低 (即圖中P2P1)。故節(jié)流元件入口側的靜壓P1比其出口側的靜壓P2大，即在節(jié)流元件前后產(chǎn)生壓差ΔP。節(jié)流元件前流體壓力較高，常稱為正壓，并用“+”標記；節(jié)流元件后流體靜壓力較低，常稱為負壓，并用“—”標記。并且流量愈大，流束局部收縮和位能、動能的轉化也愈顯著，即ΔP也愈大。所以只要測出元件前后的壓力差ΔP就可求得流經(jīng)節(jié)流元件的流體流量。這就是節(jié)流裝置測量流量基本原理。從圖32可以看出，由于孔板端面處，流通截面突然縮小與擴大，使流體形成局部渦流，要消耗一部分能量，同時流體流經(jīng)孔板時，要克服摩擦力，所以流束恢復到截面Ⅲ后，流體的靜壓力不能恢復到原來的數(shù)值P。，而產(chǎn)生了壓力損失ΔP= P，1一P，3 。應當指出：在相同的流體流量下，不同的取壓點所測得的壓差ΔP的大小是不相同的，所以，流量與壓差間的關系，與取壓點位置的選擇即取壓方式是緊密相關的。2．流量基本方程式 流量基本方程式是用來闡明流量與壓差之間的定量關系。它是根據(jù)流體力學中的伯努利方程式連續(xù)性方程式推導而得的，即式Q=αεA02ΔPρ1　M=αεA0√2ρ1ΔP 式中 α一流量系數(shù)。它與節(jié)流元件的結構形式、取壓方式、孔口截面積之比m；雷諾數(shù)Re、孔口邊緣尖銳度、管壁粗糙度等因素有關?？蓮挠嘘P手冊查得 ε—— 膨脹校正系數(shù)。它與孔板前后壓力的相對變化量、介質的等熵指數(shù) m等有關。也可從有關手冊查得。但對不可壓縮的液體來說，常取ε=1。 A?！?節(jié)流元件的開孔截面積。 ΔP —— 節(jié)流元件前后實際測得的靜壓差。ρ1———— 節(jié)流元件前流體密度在計算時，如果把Ao用π/4d2 表示，d為工作溫度下孔板孔口直徑，單位為mm，而ΔP以Mpa為單位，則上述基本流量方程式可換算為實用流量計算公式，即：Q=ΔPρ1　M= √ρ1ΔP式中 =3600106π/4√2。以上流量公式表明，當αερ d等均為常數(shù)時，流量與壓差的平方根成正比。因此，由理論推導得來的流量基本方程式，應用到測量實際生產(chǎn)中的流體流量時，公式中各系數(shù)應能滿足在測量條件下的相對穩(wěn)定，這是采用這種流量計能否達到準確測量的前提。因為流量與壓差的平方根成正比，所以，用這種流量計測量流量時，如果不加開方器，流量標尺刻度是不均勻的。起始部分的刻度很密，后來逐漸變疏。因此，在用差壓法測量流量時，被測流量值不應接近于儀表刻度的下限值，否則誤差將會很大。一般不要讓流量計運行在量程的30%以下。表32中列出了流量范圍的選用要求。表32 流量范圍選用要求刻度特性流量范圍最大流量正常流量最小 流量平方根95%70~80%30%線 性90%50~70%10%(二)標準節(jié)流裝置差壓式流量計經(jīng)過長期的研究使用，積累了較為豐富的經(jīng)驗和比較齊全的資料、數(shù)據(jù)。因此，國內外已把幾種最常用的節(jié)流裝置:孔板、噴嘴、文丘里管等標準化，并稱之為標準節(jié)流裝置。我國制定的國家標準，編號為GB262481,名稱叫《流量測量節(jié)流裝置》。所謂“標準節(jié)流裝置”，就是它們的結構、尺寸和技術條件都有統(tǒng)一標準，有關計算數(shù)據(jù)都經(jīng)系統(tǒng)試驗而有統(tǒng)一圖表。按統(tǒng)一標準規(guī)定進行設計制作的標準節(jié)流裝置，不必經(jīng)過個別標定就可使用。在同一流量下，當取壓位置不同時，所測得差壓也不同。國家標準中規(guī)定的標準節(jié)流裝置的取壓方式為:標準孔板可用角接取壓和法蘭取壓；標準噴嘴只用角接取壓。所謂角接取壓是指上、下游取壓孔位于孔板(噴嘴也相同)的前、后端面處。角接取壓裝置有環(huán)室取壓(圖33中上半部分)和單獨鉆孔取壓(圖33中下半部分)兩種結構型式。節(jié)流元件上、下游的靜壓力分別由前夾緊環(huán)或前環(huán)室和后夾緊環(huán)或后環(huán)室取出，見圖33所示。夾緊環(huán)或環(huán)室用法蘭與節(jié)流元件等緊固在一起。在夾緊環(huán)或環(huán)室的外圓表面上，刻有表示安裝方向的符號(十、一)、出廠編號、安裝位號和管道內徑D的設計尺寸值。單獨鉆孔取壓裝置便于加工和安裝，特別是對于大口徑管道更是如此；而采用環(huán)室取壓的優(yōu)點是壓力取出口面積比較廣闊，便于測出平均壓差和有利于提高測量精度。法蘭取壓是指上、。法蘭取壓裝置的結構如圖34所示。法蘭的外圓表面上也刻有表示安裝方向的符號、出廠編號、安裝位號和管道內徑的設計尺寸值。圖216 法蘭取壓節(jié)流裝置3433標準節(jié)流裝置與被測管道相聯(lián)接時，由于波測管道的狀態(tài)差別較大，故給測量帶來了較大的誤差。為此，我國國家標準新規(guī)定增加標準測量管作為標準節(jié)流裝置的一個組成部分，以代替靠近節(jié)流元件前后的35管段，上游側長10D，下游側長5D，內徑等于被測管道內徑。節(jié)流裝置中的位置如圖35所示。標準測量管前后配有聯(lián)接法蘭，為了保證同心，將聯(lián)接法蘭焊接到管道上后，再進行內表面加工。下面就節(jié)流裝置的選用和安裝使用條件作一簡要介紹。節(jié)流裝置的選用 選用標準節(jié)流裝置時，應根據(jù)被測流體流量測量的條件和要求， 結合各種標準節(jié)流裝置的特點，從測量精度要求、允許壓力損失大小、必要與可能給出的直管段長度、被測流體的物理化學性質 (如腐蝕、臟污等)、結構的復雜程度和價格的高低、 安裝是否方便等幾方面綜合考慮。一般說來，可歸納為如下幾點。(1)當要求壓損較小時，可采用噴嘴，文丘里管。 （2）測量某些易使節(jié)流裝置腐蝕，沾污，磨損、變形的流體流量時，采用噴嘴較、孔板為好。 （3）在流量值和壓差值都相同的條件下，使用噴嘴有較高的測量精度，且所需的直管段長度也較短。 (4 )在加工制造和安裝方面，以孔板為最簡單，噴嘴次之，文丘里管最復雜。造價高低也與此相應。因此，在一般場合下，以采用孔板為最多。 (5)如被測介質是高溫、高壓的，則可選用孔板和噴嘴。文丘里管只適用于低壓的流體介質。節(jié)流裝置的安裝使用， 在安裝和使用節(jié)流裝置時，應符合下列條件。(1)節(jié)流裝置不論在空間的什么位置，必須安裝在直管段上，應盡量避免任何局部阻力對流束的影響，因為這種影響將引起流量系數(shù)變化。例如在節(jié)流裝置前后長度為2D的一段管道的內壁上，不應有任何突出部分或明顯的粗糙不平現(xiàn)象；在節(jié)流裝置的直管段前面如有各種閥門、彎頭等局部阻力時，必須保證在節(jié)流裝置前后的直管段長度能滿足設計要求的范圍內。(見表33) 表33孔板、噴嘴和文丘里噴嘴所要求最短直管段長度(2)必須保證節(jié)流裝置的開孔中心與工藝管道的軸線同心，并使節(jié)流裝置的入口端面與管道中心線垂直。(3)被測流體應充滿全部管道截面連續(xù)流動。(4)管道內的流束 (流動狀態(tài))應該是穩(wěn)定的。(5)被測流體在通過節(jié)流裝置時應不發(fā)生相變。例如，液體不蒸發(fā)和析出氣體；氣體不冷凝等。當流過節(jié)流裝置的流體出現(xiàn)氣液混相時，將會使測量造成很大誤差。(6)標準節(jié)流裝置 (孔板、噴嘴)一般都用于直徑D不少于50mm（50mm~700mm）的管道中。3．現(xiàn)在許多風、水的測量都采用了勻帶管測量，對勻束管的前后直管段也有要求，如表34所示表34勻束管所要求最短直管段長度第三節(jié) 電容式差壓變送器節(jié)流裝置將管道中流體流量的大小轉換為相應的壓差大小，這個壓差信號經(jīng)導壓管接到差壓變送器，實現(xiàn)流量的檢測和變送，差壓變送器分為氣動和電動兩大類，這里我們僅介紹在石油化工生產(chǎn)中應用較多的電容式差壓變送器。電容式差壓變送器與節(jié)流裝置配合，可以連續(xù)測量和變送液體、蒸汽和氣體的流量。也可測量和變送差壓、壓力、液位等工藝參數(shù)。電容式差壓變送器以電為能源，將被測差壓轉換成4~，送往DCS、調節(jié)器或顯示儀表進行調節(jié)、指示和記錄。1．電容式差壓變送器的結構原理 電容式差壓變送器包括電容式感壓組件部分和轉換放大電路部分，后者殼體內裝有現(xiàn)場指示麥。它是無杠桿的變送器。電容式感壓組件的結構如圖 2—18 所示。它采用全封閉焊接的固體化結構，由左右兩塊隔離膜片和位居中間的一塊感壓測量膜片(即可動電極)，構成兩個液體密封室。內充硅油或氟油，用以傳遞壓力。可動電極及其兩邊弧形固定電極組成差動電容器，分別形成電容C1和C2，無差壓輸入時，電容量C1=C2。電極引線通過接線柱與轉換放大電路相連。當被測差壓ΔP通過正、負壓側導壓口(圖中未畫出)引入正、負壓室，作用于正、負室二側隔離膜片上時，迫使密封室內硅油向右移動，將壓力轉遞到中心感壓測量膜片上，使膜片向右產(chǎn)生微小位移ΔS()，如圖36所示。 ΔSS0S0S2S1圖36膜片位移原理圖設中心感壓測量膜片與兩邊固定電極之間的距離分別為S1和S2。當被測差壓Δp=0時，感壓測量膜片與兩邊固定電極之間的距離相等，設其間距為So，則S1=S2=So。當有差壓輸入，即ΔP≠O時，如上所述，測量膜片產(chǎn)生位移ΔS。使作為可動電極的測量膜片與兩邊固定電極間距離不再相等，此時有 S1=So+ΔS S2=S0ΔSC1=εAS1　εAS0+ΔS　=C2=εAS2　εAS0ΔS　=測量膜片與其兩邊弧形固定電極構成的電容C1和C2，可近似地看成是平板電容器，其電容量分別為式中：ε——極板間介質的介電常數(shù)A——固定極板的面積。由此可見C1和C2的電容量不再相等。兩電容量之差為 1S0+ΔS　——1S0ΔS　ΔC=C2C1=εA（ ）說明兩電容的差值與測量膜片的位移ΔS成非線佳關系。但若取兩電容之差與兩電容之和的比值，則可得差動電容的相對變化值為 1S0+ΔS　——1S0ΔS　 1S0+ΔS　+1S0ΔS　==C2C1C2+C1====ΔSS0K2ΔS（式27）1S0式中K2=C2C1C2+C1式（27）說明 ，差動電容的變化量 與測量膜片因差壓的差值Δp作用而引起的位移ΔS成線性關系，So愈小，差動電容的相對變化值愈大，即變送器靈敏度愈高。若將變送器輸入差壓ΔP與中心感壓測量膜片位移ΔS的關系表示為，ΔS=K1ΔP 式28式中，K1為由膜片材料和結構參數(shù)所確定的系數(shù)。將式(28.)代入式 (27)，可得差動電容的相對變化值與輸入差壓的關系為C2C1C2+C1=K1K2ΔP上述差動電容的相對變化值，通過轉換放大電路的檢測和轉換放大，轉換成標準的電流輸出信號4~20mADC。2．電容式差壓變送器的使用特點 電容式差壓變送器由于采用微位移式工作原理，并采用差動電容作為檢測元件，故整個變送器無機械傳動部件。唯一可動部分是中心感壓測量膜片，且感壓部分應用了液壓傳遞原理。因此，其結構簡單、重量輕、體積小、動態(tài)性能好；具有高精度(%)、高穩(wěn)定性、高可靠性，高抗振性等優(yōu)點。能在40℃~+104℃亡的環(huán)境中工作(充硅油的測量元件)，使用壓力可達幾十MPa，可適應腐蝕性介質的流量或差壓的測量。 電容式差壓變送器的產(chǎn)品型號有，引進技術、國內生產(chǎn)的1151系列、3051系列和FC系列等。它們廣泛應用于石油化工等生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)的測量。第四節(jié) 差壓式流量計使用中的測量誤差分析 差壓式流量計在現(xiàn)場實際應用時，往往具有比較大的測量誤差，有的甚至高達10~20%。造成這么大的誤差實際上完全是由于使用不當引起的，而不是儀表本身的測量誤差。出此可知，當用差壓式流量計進行流量測量時，不僅需要合理選型、準確的設計計算和加工制造，更要注意正確的安裝、維護和符合使用條件等，才能保證它有足夠的測量精度。下面列舉一些造成測量誤差的原因，以便在使用時引起注意，并予以適當解決。1．被測流體工作狀態(tài)的變動 如果實際使用時被測流體的工作狀態(tài)(溫度