1 差壓式流量計存在的問題

    國內經濟的持續發展和國家對節約能源消耗的系列舉措，更促進了流量儀表的需求。特別是在城市天然氣、煤氣、工業用蒸汽及其它各類介質計量和各單位內部成本核算等計量中，都迫切需要寬量程、高精度、高可靠性的計量儀表。差壓式流量計以其技術成熟、結構簡單、無可動部件、穩定可靠、適應面寬等優點獨居流量計。

    盡管用量巨大，使用中出現的問題也不少。但在差壓式流量計的構成上卻一直沒有變化。仍然是經典組合，節流裝置加差壓變送器，再配用壓力、溫度和積算顯示儀。可能是因為歷史原因，目前國內外的差壓變送器生產廠家和流量儀表的生產廠仍然好象是分屬兩個不同的領域。沒有將節流裝置及差壓變送器結合起來考慮改進措施。節流裝置近年來也有不少新品種投入使用，大大提高了節流裝置的差壓輸出的穩定性和對現場直管段的要求。如V形錐式節流裝置、楔形節流裝置、威利巴、德爾塔巴、雙文丘利管等。差壓變送器更是發展迅猛。多種多樣智能化的、帶現場總線的變送器層出不窮。但是都沒有擺脫4～20mA輸出對應1個差壓量程值的老模式。在這種百家爭鳴的局面下，市場競爭也日益激烈。也出現了一些變送器廠家的誤導宣傳，聲稱配用寬量程的差壓變送器就可獲得寬的流量測量范圍。有些流量計生產廠家也聲稱自己生產的差壓式流量計（配差壓變送器）測量范圍達到1：30以上。

    差壓式流量計的基本計算公式：

    質量流量

    式中：k為被測介質（可壓縮流體）的等熵指數。

    流出系數C由下式確定：

    式中：Δp為差壓，Pa；ε為被測介質的可膨脹性系數，對于液體ε=1；對氣體、蒸氣等可壓縮流體ε<1；qv為流體的體積流量，m³/s（工況下流體的體積流量）；qm為流體的質量流量，kg/s；d為工作狀況下節流件的等效開孔直徑，m；Δp為差壓，Pa；ρ1為工作狀況下，節流件（前）上游處流體的密度，kg/m³；C為流出系數，無量綱；β為直徑比，無量綱。

    根據差壓式流量計的基本計算公式，我們不難推算出1臺0～200kPa量程的差壓變送器和1臺0～1kPa量程的差壓變送器所測量的流量范圍是一樣寬的。所謂的寬量程差壓變送器是不存在的。

    如何提高計量精度和拓寬量程，流量測量應用及研究單位也做了大量工作，但是到目前為止也沒有找到一種比較好的解決辦法。下面是比較通用的幾種辦法：

    （1）采取多臺不同量程的差壓變送器并聯使用，在大流量差壓量程超限或小流量差壓量程低由人工開關相應閥門切換使用不同量程的差壓變送器。

    （2）將一根計量管分為幾根不同內徑的計量管進行計量，由微機控制電動閥門開關相對應流量大小的計量管。這種方式目前在天然氣和煤氣計量站用得較多。比如將219mm的計量管分為219、150、100mm三種計量管的組合，各管的計量量程互相覆蓋，由微機根據流量大小控制各管的組合。

    （3）采用現有帶現場總線通訊協議的智能差壓變送器，通過帶現場總線通訊協議的手操器來改變智能差壓變送器的4～20mA對應的差壓量程的調整。

    以上三種方式中的種由于需人工切換，在工業現場實現比較困難，近些年幾乎沒人使用。

    第二種多管并聯微機切換方式現在用得比較多，但因為造價高、計量管占地面積大等因素，一般也只能用于重要場站計量。

    第三種方式只能適用于同一臺差壓變送器對于節流件尺寸或流量變化引起的差壓上限值的重新設定。也無法實現實時差壓量程自適應和擴大流量測量范圍。

    受差壓變送器和流量積算儀的制約，用差壓變送器和通常的開方積算儀要在超出1：4的測量范圍精確計算出流量非常困難，通常為1.5%～5%。由于差壓式流量計的流量與差壓值是平方根關系，流量測量范圍要達到1：10，差壓值的測量范圍則必須達到1：100。受差壓變送器輸出4～20mA模似信號分辨率的影響，到目前為止差壓式流量計的流量測量范圍仍然僅為1：4左右。這里我們只分析了差壓值這一個因素的影響。還有流出系數的非線性等其它因素也影響著差壓式流量計的測量范圍及計量精度。

    2 解決問題的方法

    “差壓量程自適應差壓式流量計”的研制設計思想源于20多年流量儀表研制開發和應用的經驗總結。在為重慶燃氣集團公司設計制造的幾十個天然氣站計量記錄控制裝置的過程中，幾乎在每一個場站都遇到了流量測量范圍窄的問題。在無表可選用的情況下，只能在重點場站采用“分管多臺差壓變送器組合”的方式解決。受此啟發，我們針對差壓式流量計存在的關鍵問題于2000年提出根據流量大小實時調整差壓量程的設計思想。同對設計了多個方案進行比較選擇。2002年做出了根據流量大小實時調整差壓量程的原始樣機。

    “差壓量程自適應差壓式流量計”用微處理器將差壓傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、流量計算顯示有機地結合在一起。相互之間不再用4～20mA標準信號來連接。取而代之的是在微處理器控制下的數字信號進行傳遞和處理。從根本上解決因使用現有的差壓變送器引起的流量測量范圍窄、計算精度不高、安裝使用復雜的問題。項目產品主要通過以下過程實現。

    （1）差壓信號的自適應處理。在微處理器對差壓傳感器信號進行調理時，將傳感器輸出信號大小、自動增益控制和A/D轉換器量程結合起來進行分段處理。這樣在采集差壓傳感器信號時可以保障小信號有足夠的增益放大倍數，大信號不會超出A/D轉換器量程。保證在送入微處理器A/D轉換時的差壓信號幅值在A/D轉換器量程的20%～80%之間。也就是說不論差壓傳感器信號在點還是在最小點都能通過自動增益控制在A/D轉換器的量程內。這樣就達到了在使用中實時根據流量大小自動調整差壓信號放大倍數提高分辨率的目的，再加上分段線性化處理和溫度影響補償，就能有效地使用差壓傳感器在目前技術下不能使用的全部量程范圍。將差壓測量范圍擴大到1：400以上。

    （2）拋棄傳統變送器的概念，自適應處理后的差壓信號和微處理器控制采集的壓力、溫度信號采用數字傳送，不再受傳統變送器4～20mA電流信號分辨率的限制。

    （3）多參量集成一體后進行溫度影響修正。將微處理器控制下的上述多個參量作為一個整體進行高低溫數據測試和使用環境溫度影響量的修正。使差壓傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和流量計算儀有機地結合為一體，而不是簡單的物理上的組合。達到整機消除溫度影響、提高精度的目的。

    （4）在解決多參量數據高精度采集的同時，建立符合現行標準和檢定規程GB/T2624―93、ISO5167、JJG1003―2005、JJG640―1994要求的全參數補償流量計算模型。并設計編制了相應的應用軟件包。

    3 差壓量程自適應型差壓式流量計構成

    差壓量程自適應型差壓式流量計由節流裝置（如孔板、V型錐、楔型、均速管、噴嘴等）和AW―2003型智能顯示儀組合而成。由于本產品不使用傳統的差壓變送器，而采用內含差壓傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和流量積算儀的AW2003型智能顯示儀。既可同傳統節流裝置構成一體式差壓量程自適應型差壓流量計，也可通過引壓管連接組成分體式結構的差壓量程自適應型差壓流量計。

圖1 AW-2003型智能顯示儀結構示意圖

圖2 一體式差壓量程自適應型差壓式流量計結構示意圖

    4 差壓量程自適應型差壓式流量計的特點

    （1）AW―2003型智能顯示儀能根據被測流量的大小來自動調整差壓傳感器輸出信號的增益大小，真正達到了1：20以上的流量測量范圍。差壓式流量計的這一飛躍是多項技術進步的成果，它改變著人們對差壓式流量計的傳統認識。

    （2）AW―2003型智能顯示儀從根本上解決了差壓式流量計流量計算復雜的問題，是通用型的設計，具有計算公式選擇功能和相關參數設置功能。使用時只需依據節流裝置名稱及被測介質種類依據使用說明書中的公式選擇表格選擇置入相應代碼即可。儀表自動完成各種補償系數和流出系數全部進行在線計算。

    （3）AW―2003型智能顯示儀可以同各種節流裝置組合構成差壓量程自適應型差壓式流量計。有兩線制4～20mA（流量信號）輸出型，RS485輸出型，電池供電型（帶溫壓補償，使用1年以上）等系列產品。

    （4）在采用上述兩項技術的同時，將差壓、壓力、溫度、流量計算處理和微處理器等多個參量集成為一體進行溫度影響的補償，消除了單參量溫度補償帶來的多參量綜合誤差。

    5 使用效果

    差壓量程自適應型差壓式流量計通過近三年時間的推廣應用，其長期使用的準確性、穩定性和可靠性已在天然氣、煤氣、飽合蒸汽、過熱蒸汽、氨氣、壓縮空氣、石油液化氣、渣油、重油、污水等介質的使用測量中得到了證實。特別是AW―2003型智能顯示儀與孔板、V錐、楔型這三種節流裝置組成的一體化差壓量程自適應流量計，無論是測量范圍、測量介質適用種類、長期使用的可靠性、穩定性上都已超過了渦街、旋進旋渦、金屬轉子、渦輪等流量計，深受用戶好評。