1 前言

    目前流量測(cè)量主要采用的還是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置這一傳統(tǒng)的測(cè)量手段，但是常規(guī)的孔板流量計(jì)在流量測(cè)量方面還有很多不足，主要體現(xiàn)在測(cè)量范圍小、壓損大，現(xiàn)場(chǎng)安裝、維護(hù)復(fù)雜、檢定周期短等方面。尤其是測(cè)量范圍小的缺點(diǎn)，在流量變化大的情況下計(jì)量誤差大大增加，使供氣企業(yè)受到經(jīng)濟(jì)損失。目前，通過現(xiàn)代技術(shù)手段，可以很好地解決這些問題，下面分析節(jié)流裝置量程窄的原因，并提出了一套采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)流裝置10：1 寬量程以及20：1 以上的超寬量程流量測(cè)量的實(shí)用方案。

    2 節(jié)流裝置寬量程問題

    我們都知道，雖然引起孔板流量計(jì)誤差因素很多，諸如直管段條件、安裝條件等都可通過設(shè)計(jì)與施工予以保證。一般儀表的準(zhǔn)確度都是用測(cè)量范圍內(nèi)相對(duì)誤差表示。因此當(dāng)測(cè)量值越接近滿度值，其準(zhǔn)確度越高。但實(shí)際的流量范圍往往無法準(zhǔn)確確定，在流量變化大的情況下，使流量計(jì)長(zhǎng)時(shí)間工作在測(cè)量范圍以外，這樣就造成了很大的測(cè)量誤差。對(duì)節(jié)流件流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε等中間參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算是解決寬量程的關(guān)鍵。

    節(jié)流式流量計(jì)流量計(jì)算公式為：

   

    式中：qv――體積流量m³/s
           C――流出系數(shù)
           ε――可膨脹性系數(shù)
           d――節(jié)流件開孔直徑，m
           D――管道內(nèi)徑，m
           β――直徑比，（β=d/D）
           1ρ――被測(cè)流體密度，kg/m³
           Δp――差壓，Pa  

    其中：按GB/T2624-2006 標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)C 的計(jì)算式為：

    式中：R_eD――雷諾數(shù)
    流束可膨脹系數(shù)ε 的計(jì)算式為：

    式中：κ ：等熵指數(shù)
    P₁P₂：分別節(jié)流件前后的壓力，Pa

    傳統(tǒng)的節(jié)流式流量計(jì)是將流出系數(shù)C 和可膨脹性系數(shù)ε視為定值（C 和ε由專門的節(jié)流裝置設(shè)計(jì)計(jì)算軟件計(jì)算得到），置入現(xiàn)場(chǎng)的流量積算儀。圖1是一臺(tái)孔板流出系數(shù)曲線。

    圖1曲線表明：當(dāng)R_eD=3×10⁴ ，C=0.6101； R_eD=1×10⁴ ，C=0.6176；平均值=0.6139，即R_eD在3×10⁴ ～1×10⁴ 范圍內(nèi)（3：1）其不確定度為0.61%。

    當(dāng)R_eD=5×10⁴ ，C=0.6081； R_eD=5×10³ ，C=0.6264；平均值=0.6173，即R_eD在5×10⁴ ～5×10³ 范圍內(nèi)（10：1）其不確定度為1.5%，遠(yuǎn)不能滿足用于貿(mào)易結(jié)算的一級(jí)表對(duì)不確定度的要求。同樣，可膨脹性系數(shù)ε在超測(cè)量范圍情況下，所引起的測(cè)量不確定度更不容忽視，例如，一臺(tái)角接取壓孔板流量計(jì)（D=100mm，β=0.5）測(cè)量過熱蒸汽（壓力=4Mpa，溫度=400℃）， R_eD在28×10⁵ ～2.8×10⁵（介質(zhì)流速：52～5.2 米/秒）范圍內(nèi)，可膨脹系數(shù)ε的不確定度為3.0%！因此要實(shí)現(xiàn)寬量程，就必須對(duì)流出系數(shù)C 和可膨脹性系數(shù)ε進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。

    由式（2）可以看流出系數(shù)C 的計(jì)算很復(fù)雜。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了計(jì)算流出系數(shù)C 的迭代方法，所以流量積算儀表必須具有高速、高精度的運(yùn)算功能和比較大的存貯空間，以完成這些復(fù)雜的中間參數(shù)的補(bǔ)償運(yùn)算。

    智能化寬量程的差壓變送器和補(bǔ)償功能更為完善的流量計(jì)算機(jī)的問世，使我們能擁有寬量程的智能化節(jié)流式流量計(jì)成為可能。歸納起來它應(yīng)具備這些條件：1.智能化的寬量程差壓變送器（差壓范圍為100：1）。2. 流量計(jì)算機(jī)不僅可根據(jù)溫度、壓力等工況參數(shù)對(duì)工況流量進(jìn)行修正，還可以實(shí)時(shí)計(jì)算流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε等。3. 差壓變送器與流量計(jì)算機(jī)之間數(shù)字通訊（Hart 協(xié)議）除能滿足全量程差壓信號(hào)傳遞的準(zhǔn)確性，而且能夠自動(dòng)遷移測(cè)量范圍。

    符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計(jì)，在滿足準(zhǔn)確度同時(shí)，流量測(cè)量范圍可真正達(dá)到10：1（或更寬），節(jié)流式流量計(jì)的這一飛躍是多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步的成果，它改變著人們對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

    3 配有雙差變的超寬量程節(jié)流式流量計(jì)

    采用智能化寬量程的差壓變送器雖然可以大大提高節(jié)流式流量計(jì)的量程比，但是由于目前的差壓變送器的量程比只能達(dá)到100：1，與之成開方關(guān)系的流量就只能達(dá)到10：1 左右。因此，當(dāng)流量變化范圍超出10：1 僅僅使用一臺(tái)差壓變送器就無法滿足使用需要了。給同一節(jié)流裝置配備兩臺(tái)差壓變送器可以使節(jié)流式流量計(jì)的量程比達(dá)到20：1 甚至更高。

    4 流量計(jì)算機(jī)（或流量計(jì)算轉(zhuǎn)換單元）

    僅僅給同一節(jié)流裝置配備兩臺(tái)差壓變送器要想達(dá)到20：1 的流量測(cè)量范圍還是不夠的，要實(shí)現(xiàn)節(jié)流裝置的超寬量程流量測(cè)量還必須使用能對(duì)節(jié)流件的流出系數(shù)C、流束可膨脹系數(shù)ε、壓縮系數(shù)Z等參數(shù)作為動(dòng)態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)逐點(diǎn)運(yùn)算，并且能夠自動(dòng)在兩個(gè)差壓信號(hào)間進(jìn)行無逢切換的流量二次儀表，例如流量計(jì)算機(jī)和具有類似功能的流量計(jì)算轉(zhuǎn)換單元。

    流量計(jì)算轉(zhuǎn)換單元是一款全新概念網(wǎng)絡(luò)化流量計(jì)量設(shè)備，采用DIN35 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝方式，可方便地實(shí)現(xiàn)在DCS、PLC 系統(tǒng)中植入高精度流量計(jì)算環(huán)節(jié)。其通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式對(duì)節(jié)流式流量計(jì)的流出系數(shù)C、流束可膨脹系數(shù)ε、壓縮系數(shù)Z 等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)逐點(diǎn)運(yùn)算以實(shí)現(xiàn)寬量程，所使用的流量計(jì)算軟件已通過國家部門認(rèn)證。除此以外，還具備多路4-20mA 全隔離信號(hào)輸出功
能，包括補(bǔ)償溫度輸出、補(bǔ)償壓力輸出、補(bǔ)償流量輸出、繼電器輸出等。具有RS232/485、以太網(wǎng)等通訊接口，可采用MODBUS、TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊。

    將節(jié)流裝置和兩個(gè)智能差壓變送器做成一體，兩個(gè)差壓變送器的信號(hào)與流量計(jì)算機(jī)（或流量計(jì)算轉(zhuǎn)換單元）連接，流量計(jì)算機(jī)（或流量計(jì)算轉(zhuǎn)換單元）可以根據(jù)設(shè)置自動(dòng)在兩個(gè)差壓信號(hào)間進(jìn)行無縫切換，同時(shí)完成節(jié)流件的流出系數(shù)C、流束可膨脹系數(shù)ε、壓縮系數(shù)Z 等參數(shù)的實(shí)時(shí)逐點(diǎn)運(yùn)算，使整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量量程比可達(dá)20：1。

    當(dāng)用戶使用雙差變流量計(jì)算機(jī)（或流量計(jì)算轉(zhuǎn)換單元）時(shí)，只需要在參數(shù)中設(shè)置以下參數(shù)：

    （1） 差變切換有 禁止 和 允許 兩個(gè)選項(xiàng)，當(dāng)設(shè)為 禁止 時(shí)則不進(jìn)行差變切換始終使用高量段（或低量段）差壓變送器的輸出，設(shè)為允許 時(shí)則可以根據(jù)切換設(shè)定值進(jìn)行實(shí)時(shí)切換。

    （2） 切換設(shè)定值Pa 高低量段差壓變送器進(jìn)行切換時(shí)的差壓值。當(dāng)高量段差壓變送器輸出值低于切換設(shè)定值時(shí)，切換到低量段差壓變送器的輸出進(jìn)行流量計(jì)算；當(dāng)?shù)土慷尾顗鹤兯推鬏敵鲋蹈哂谇袚Q設(shè)定值時(shí)，切換到高量段差壓變送器的輸出進(jìn)行流量計(jì)算。

    5 節(jié)流元件的選擇

    節(jié)流元件有多種形式，人們所熟知的莫過于孔板了。但孔板有一個(gè)明顯缺點(diǎn)是入口直角銳利度在流體沖刷下易發(fā)生鈍化，在孔板連續(xù)使用2―3 個(gè)月時(shí)，鈍化引起流出系數(shù)偏度在1―3%，個(gè)別嚴(yán)重的在4%以上。采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴可以很好地解決這一問題。噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損，它的流出系數(shù)非常穩(wěn)定，所以JJG640-94 規(guī)程規(guī)定ISA1932 噴嘴的檢定周期為4 年（孔板檢定周期是1 年）。再者，噴嘴在相同流量和相同β值條件下，阻力損失比孔板小得多（僅為孔板的50-60%），有利于減小能耗。

    近年來，各種各樣的非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)依其各自的特點(diǎn)，在流量測(cè)量方面進(jìn)行了積極的探索。但是它們還缺少足夠的應(yīng)用實(shí)踐，特別是由于它們不能像標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件一樣，有成熟且通行的國際、國家標(biāo)準(zhǔn)支持，非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件的流出系數(shù)、流束可膨脹性系數(shù)都必須通過實(shí)流標(biāo)定獲得（所謂實(shí)流標(biāo)定一般是指在沒有標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定的情況下，被測(cè)介質(zhì)和實(shí)驗(yàn)介質(zhì)應(yīng)為同一介質(zhì)）。否則，容易產(chǎn)生貿(mào)易計(jì)量糾紛。

    6 結(jié)束語

    目前，由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置和流量計(jì)算機(jī)構(gòu)成的流量測(cè)量系統(tǒng)，將經(jīng)典技術(shù)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，克服了傳統(tǒng)節(jié)流式流量計(jì)量程小的主要缺點(diǎn)。實(shí)踐表明該通過二次儀表的軟件技術(shù)，對(duì)節(jié)流裝置的特性參數(shù)采取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)真實(shí)計(jì)算可以大大提高節(jié)流式流量計(jì)的量程范圍，采用雙差壓變送器的結(jié)構(gòu)測(cè)量氮?dú)饬髁靠梢赃_(dá)到20：1 的超寬量程，使節(jié)流式流量計(jì)這一經(jīng)典而傳統(tǒng)的流量?jī)x表得到更廣泛的應(yīng)用。

    參考文獻(xiàn)：

    （1）GB/2624-2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量》
    （2）JJG1003-2005《流量積算儀》