新型差压式流量计性能研究

翟小金， 沈新建， 王光磊， 邵朋诚

(1.开封仪表有限公司，河南 开封 475002；2.青海盐湖工业股份有限公司，青海 西宁 810000)

新型差压式流量计性能研究

翟小金1， 沈新建1， 王光磊2， 邵朋诚1

(1.开封仪表有限公司，河南 开封 475002；2.青海盐湖工业股份有限公司，青海 西宁 810000)

差压式流量计具有结构简单、牢固耐用、精度稳定、适应性强等优点，在流量仪表市场具有广泛的应用。其种类繁多、性能各异。为了尽可能地发挥各仪表的长处、避其短处，准确、可靠地测量被测流体的流量，对近年来国内市场广泛应用的新型差压式流量计性能进行了分析比较，阐述了环形孔板流量计、均速管流量计、平衡孔板流量计、V形锥流量计和矩形流量计的原理、特点及主要特征参数。根据各仪表的优缺点，选用者应针对性地加以选择，以更好地发挥各仪表的使用价值。

差压式流量计; 环形孔板流量计; 匀速管流量计; 平衡孔板流量计;V形锥流量计; 矩形流量计; 选型

0 引言

差压式流量计作为流量仪表中的一大类，其历史悠久。市场上差压式流量计的品种很多，特别是近年来出现了各式各样的新产品，使得本来就纷乱的市场更加复杂。用户只想针对自己的现场要求，挑选2～3种差压式流量计，再最终选定1种。可是，仪表的性能指标大多由制造商的说明书单方面介绍，不够客观全面，不利于用户的正确选型。本文试图公正客观地介绍近年来国内市场出现的几种新型差压式流量计，以满足用户的使用需求。

1 新型差压式流量计的分类及特点

尽管流量仪表的种类繁多，但是目前没有一种仪表可以适用于所有场合。在某些介质的使用中，市场上的一些产品难以胜任。

①流体介质较脏污，容易在检测元件表面堆积、粘附污物，从而大大影响测量的可靠性和精确度。

②流体介质操作压力低，不允许流量计产生较大压损。

③流量变化范围大，要求仪表测量的流量范围大。大多数仪表达不到这一要求，造成仪表在测量小流量时误差较大。

④现场管道的直管段长度(按直径D的倍数)通常不够长，而多数流量仪表要求的直管段长度较长，现场安装条件无法满足。如果勉强使用，会带来无法估量的测量误差。

⑤对于正在使用的管线，仪表的安装与维护不能影响正常生产，希望仪表能在线安装、维护。

针对上述问题，需要开发新型流量仪表。近年来，由于市场经济的催生，名目繁多的新型差压式流量计相继推向市场，按其特点基本上可分为4类。第一类是尽量减少压力损失、方便安装的流量计，此类流量计以均速管类流量计为主。此外还有插入式多喉径流量装置等，其插入位置处于管道平均流速点。由于装置本身对流场的干扰，原来平均流速点附近的流速已经不再是平均流速，因此无法准确测量流量。因这类流量计的市场份额较少，本文不作说明。第二类是能够降低直管段长度要求、方便现场布线安装的流量计，以环形孔板、V锥流量计为代表，此外还有流道式流量计。其管道中心同轴安装的不是V形锥，而是流线形“纺锤”。由于该流量计结构复杂、流出系数不稳定，应用不广，本文不作说明。第三类是旨在扩大流量范围，特别是能降低流量测量下限的流量计，例如多孔平衡孔板或称平衡孔板、多孔孔板。由于测量信号比较稳定，可以精确测量较小流量，所以能够降低流量测量下限，从而扩大流量测量范围。第四类是可解决脏污或磨损性流体测量的流量计，例如矩形流量计，这是在楔形流量计的基础上开发的，比“楔形”更适合在脏污或磨损性流体中使用。

根据多年来的制造和使用经验，本文重点介绍几类市场前景较好的新型差压式流量计，旨在帮助用户对流量计进行全面了解、合理选型，以期充分发挥流量仪表的作用。

2 新型差压式流量计简介

2.1 环形孔板流量计

环形孔板流量计和一般节流装置一样，原理是依据伯努利方程和流体连续性方程，因流通面积的改变而产生压力差，而压力差和流量的平方成正比，测出差压值即可得知流量。环形孔板流量计结构示意图如图1所示。

图1 环形孔板流量计结构示意图

环形孔板流量计由连接法兰、测流板、测量短管、引压管、均压环等主要部件组成。测量原理是：将一段圆形或矩形管(测量管)内的流体在“测流板”(圆形或矩形)前面强制分流成环状流体通过。由于此处流通面积的突然缩小而在其上、下游之间产生静压力差，上、下游取压孔测取到的静压力信号通过均压环均压，分别引至差压变送器的正、负压室；差压变送器将压力信号转变成标准电流信号，输送至数据处理装置或显示仪表，即可得知流量。

环形孔板流量计的主要技术参数： 公称通径为40～4 000mm，公称压力≤42MPa,介质温度≤650 ℃(与本体材质有关)，精确度等级为1级。

环形孔板流量计具有如下优点。

①与标准孔板、喷嘴、文丘里管这些标准节流装置相比，环形孔板要求的前直管段长度较短。原因是：和环形孔板测量管同轴安装的“测流板”把管内原来“中间流速高、边沿流速低”的流场变成了“中间流速低、边沿流速高”的流场，对原来的速度分布重新分配，弱化了测量管入口处初始速度分布状态对静压力差的影响。也就是说，流量计上游局部阻力件造成的流场畸变降低了对环形孔板所生差压信号的影响。因此，在局部阻力件下游(即环形孔板的上游)的前直管段长度可以较短。这类流量计可在直管段长度较短的现场发挥其特长，特别是大口径管线或安装空间较紧凑的车间。

②采用均压环多孔取压，可以测量脏污流体的流量而不易堵塞取压口。原因是：取压口不是处于流速低的滞流区(例如标准孔板的板前、板后)，而是孔板的前、后畅流区，流体中的杂质不易堆积沉淀在取压口附近，况且采用均压环多孔取压，即使有一个孔被堵塞，还有其他孔可用。在大修期间，可以从均压环的堵头处伸入“弹性杆”机械疏通取压口，彻底清除脏污。

基于上述特点，环形孔板流量计适用于含有均匀分布杂质(呈悬浮状)的流体、特别是大口径气体管道，如高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、混合煤气等。

此外，环形孔板流量计的测量件(平板)形状简单、易于精密加工，且几何尺寸批量加工的一致性好，经过实流标定之后可以达到0.5级精度。采用抽样标定可以使同一规格流量计达到1级。这对尚未达到“标准化”的非标准流量计来说非常难得。

然而，环形孔板流量计也具有一定的局限性。由于测量板对流体的阻挡，板后形成较强的漩涡，造成差压信号波动，特别是用于大流量的液体介质时，波动较大，影响读数的准确性，因此不适合测量大流量液体介质(管内流速不宜超过2m/s)。

根据结构特点，环形孔板流量计有3种型式：基型(适用于一般流体，可用于高温高压)、防堵型(适用于脏污流体，例如焦炉煤气、高炉煤气等)、夹套保温型(适用于易粘附、结晶或易汽化的流体，如重油、液氨 等)。从市场应用角度来看，基型多用于蒸汽流量测量，防堵型多用于测量冶金行业，夹套保温型多用于化工行业。

2.2 均速管流量计

均速管流量计是在皮托管(或皮托-静压管)的基础上发展起来的。其基本原理同样依据能量守恒的伯努利方程，将速度头转换成静压头。由于皮托管只能检测“点流速”，在非均匀流场里仅仅测量单点流速很难求得“流量”，所以不适用于工业管流量的测量。经过多年研究，利用“直圆管外周沿轴线方向按照一定规律分布的若干个孔”可测取平均总压、计算“管流量”，这类流量计统称为“均速管流量计”。此外，该流量计总压力口的排列形状类似笛子，因此也被称为笛形管流量计。根据结构和性能的不同，该流量计可分为强力巴、德尔塔巴、威力巴、毕托巴、托巴等多种类型。根据近年来的使用情况，前3种差压信号较稳定，受用户欢迎，市场占有率较高。

强力巴流量计结构示意图如图2所示。

图2 强力巴流量计结构示意图

强力巴流量计的工作原理为：将由高压取压口和低压取压口感测到的压力分别传送到检测杆内部的高压腔和低压腔，将平均总压力和平均背压力分别传送到差压变送器的高压室和低压室;两者的差压信号转换成电流信号，经显示仪表(或计算机)运算处理后即可得知流体的流量。根据结构型式的不同，强力巴流量计通常有3种型式：基型(停流泄压后插拔检测杆，适用于新设管线或允许长时间停流的管线)、在线插拔型(在管线工作状态下安装或插拔检测杆，可用于正常工作的管线)、多杆复合型(对大口径管线，可采用2根以上检测杆，增加检测点覆盖面积，提高流量测量精度)。为了方便用户安装，出厂前可以和差压变送器组装成一体化，用户只需在管壁上开1～2个安装孔即可。

强力巴流量计主要技术参数：公称通径为圆形管(内径)25～4 000mm,公称压力≤16MPa,介质温度≤650 ℃(与本体材质有关),精确度等级为1.0、1.5。

这类仪表的优点主要有两点。①安装简便，压力损失小[1-4](节约能源)，同一种口径的检测杆可以适用于各种介质、各种流量，改变介质或流量只需调整差压变送器的量程即可，适应性很强。②可以测量各种介质，即使是脏污流体也可以使用，只要是加装反吹系统或者定期对检测杆离线清洗 (强力巴流量计还可以停流但不离线、旋开头部的堵头，用手电钻夹住钢丝插进检测杆快速疏通，维护时间短)，强力巴流量计就能够长期可靠使用。

其局限性是：对于同一种流体、管径、参数，与其他流量计相比，产生的输出信号较小，往往需要配套微差压变送器(甚至没有合适的差变)，使得整套价格提高，不利于市场竞争。因此，新推出一种增强型强力巴流量计。在大多数情况下，其他流量计配套普通低差压变送器即可实现，降低了整套流量计的价格。

这类流量计推荐用于较大口径输水、输气(蒸汽或气体)管道，特别是已经使用的管线或地下管线、不适合停流割开管线的场合，对于企业节能升级改造，有广阔的市场空间。

2.3 平衡孔板流量计

平衡孔板流量计的工作原理和标准孔板一样，只是结构不同。标准孔板是在平板中间开一个孔，使流体流通而周边阻挡形成“堰”，含有沉淀物杂质的流体会在孔板前后沉积杂质、改变流通状态，甚至堵塞取压口。流速高时，因漩涡产生较大噪声使孔板抖动甚至损坏，所以它的应用受到限制。美国国家航空航天局马歇尔航空飞行中心开发了一种新型孔板，以减少噪声。其在板中心仍有一个同心孔的基础上，在中心孔的周边按一定规律分布若干较小的孔，其直径由相应公式计算，称为平衡孔板或多孔孔板。

平衡孔板流量计的主要技术参数：公称通径为50～2 000mm，压力等级为0.25～42MPa，精确度等级为0.5、1.0,介质温度≤650 ℃(与本体材质有关)。

平衡孔板具有以下优点。

①由于多个“流通面”和“阻挡面”基本均匀分布，从而把流体流通截面变化所产生的漩涡细分成较小漩涡、减小了差压信号的波动。平衡孔板读数稳定，能提高小流量时的测量精度，降低可测量的流量下限，因此范围度更宽。

②压力损失小。由于漩涡较小，容易随时被流体主流冲走，不致积累成大漩涡，因此压力损失小。

③直管段长度较短。将多孔整流器和测量孔板结合起来，能把上游的凌乱流场束整成规则流场，减小因直管段长度不足造成的误差，因此可降低对直管段长度的要求 。

我国自2006年开始有合资企业生产平衡孔板以来，相继有十几家生产企业，在石油化工、冶金、化工等行业获得推广使用。实践验证了平衡孔板流量计具有流动噪声小、差压信号稳定、可测流量范围宽、压力损失小等优点，但是由于它是非标准节流装置，不进行实流标定无法保证其测量准确度。实流标定证明，不同口径、不同开孔比的平衡孔板流出系数相差很大。

平衡孔板流量计也具有一定局限性，如不适合太小(例如Φ40mm以下)或太大(例如Φ2 000mm及以上)的口径使用。过大的口径由于不便精密加工，因不能实流标定而不能确保准确度，亦不推荐选用。

根据结构的不同，该类流量计通常有2种型式：夹持型(基型，板片夹持在2片法兰之间，法兰另一端和管线焊接)、短管型(板片的上游和下游分别带一段短管，与管线采用法兰连接或焊接)。对强腐蚀流体，一般需配用带隔离膜片的差压变送器，采用短管型一体化结构。

在要求测量范围宽(例如1∶10，最好配置2台差压变送器切换使用)、最小流量小的场合，较常选用多孔平衡孔板，建议出厂时作实流标定，以确保测量精度。

2.4V形锥流量计

V形锥流量计又称内锥流量计、V锥流量计，由美国麦克罗米特公司发明。 该流量计和一般节流装置一样，原理也是依据伯努利方程和流体连续性方程。因流通面积的改变而产生压力差，而压力差和流量的平方成正比，测出差压值即可得知流量。其结构特点是：在管道中心同轴固定一个圆锥体，其最大外径和管内径尺寸成一定的比例关系。在锥体上游的管壁处开一取压口测取流体正静压、在锥体尾部中心测取负静压，将两者分别引入差压变送器，即可测得流量。V型锥流量计结构示意图如图3所示。

V形锥流量计的主要技术参数:公称通径为50～2 000mm，压力等级为0.25～16MPa,精确度等级为0.5、1.0,介质温度≤650 ℃(与本体材质有关)。

V形锥流量计的流体从管内壁和锥体外径之间的环形通道流过。

图3 V形锥流量计结构示意图

V形锥流量计具有标准孔板所没有的诸多优点，具体如下。

①检测件的圆锥体形状具有流体整流作用，削弱了上游局部阻力件产生的乱流对测量的影响，直管段长度可以短些， 一般情况下达到前3DN、后2DN即可。

②对流体的平缓节流作用使差压信号波动小，读数稳定，有利于测量小流量，从而扩大了测量量程范围。

③流经检测件时产生的漩涡和压力损失小，节约能源。

④流体中的杂质不易堵塞在节流件前后，气体介质中液体(如蒸汽中的凝结水)不会存在于节流件周围，避免产生测量误差。

但是，由于同规格的多个V锥体形状难以保证完全一致，特别是没有经过机床精密加工的V锥体，不进行逐台实流标定就难以确保精度，而实流标定的费用较高，一般用户难以承受。对于要求测量精度较高的用户，要充分认识到这一点。目前，对V锥流量计的宣传有“过度”的趋势，有的口径为40mm甚至更小；而有的口径为2 000mm甚至更大，也选用V锥，从结构设计上考虑是不合适的。有的管道压力高且波动较大，选用V锥就可能发生锥体支撑断裂的危险，请选型者慎之。推荐用于中、大口径气体、液体、蒸汽介质，流速中等以下的管径。V锥流量计不但适用于一般介质，也适用于脏污(无粘附性)、粉尘介质。

2.5 矩形流量计

矩形流量计是在楔形流量计的基础上开发的，基本原理同一般节流装置。楔形流量计的检测元件是楔子，在测量脏污流体时，楔子的上游侧面和下游侧面由于流速较低而易粘附脏物、进而影响测量，限制了它的使用。近年来，煤化工行业中的煤浆等脏污磨损性流体对楔形流量计提出了严峻的挑战，催生出一种新型差压式流量测量仪表——矩形流量计。它结合了楔形流量计和文丘里流量计这两种流量计的优点，在关键结构上作了实质改进。检测元件不是顶端尖锐的楔块，而是平缓收缩和扩张的阶梯矩形。矩形流量计可用于圆形、矩形或方形管道，本体可用直接焊接式(不带法兰)或法兰连接式。

矩形流量计结构示意图如图4所示。

图4 矩形流量计结构示意图

按用途不同分类，矩形流量计一般有耐磨损型、耐腐蚀型2种型式。

矩形流量计的主要技术参数:内径为50～2 000mm，压力等级为0.25～6.3MPa，精确度等级为1.5～2.5，介质温度≤650 ℃(与本体材质有关)。

矩形流量计的特点如下。

①流体经过最小流通截面时没有漩涡，不产生能量损耗，因此压损小、能耗低。

②检测元件没有尖角，不易磨损，可以喷涂耐磨材料，适用于磨蚀性强(如煤浆、油浆)的流体，耐磨、性能稳定、可靠，使用寿命可达楔式流量计的4倍以上。

③取压方式类似于文丘里管，比楔式流量计的取压方式更好、稳定性更佳、测量精度更高。

④由于检测元件的测量部分没有滞流区，杂质脏污不易粘附，如果采用喷涂树脂等特殊材料，防粘能力更强(可采用“双法兰隔离膜片”差压变送器)。

矩形流量计可应用于测量高磨损性流体(在检测件表面喷涂耐磨材料)和腐蚀性流体的流量(喷涂耐腐蚀材料)，也可以测量一般气体、蒸汽和液体(包括油浆、煤化工流体)的流量。

按用途不同，矩形流量计一般有耐磨损型和耐腐蚀型2种型式。

由于矩形流量计是非标准节流装置，为达到一定的计量精度，建议实流标定。

3 结束语

不同的差压式流量计[5-11]具有各自鲜明的特点，用户应根据自身目的有针对性地选择和使用。在对测量精度要求较高的场合，优先选用由制造厂配套供应直管段的标准孔板、标准喷嘴或ASME喷嘴，或经过实流标定的平衡孔板、环形孔板流量计等;在对压力损失要求较严的场合，优先选插入式(例如强力巴)流量计等；在直管段长度不足的场合，优先选用环形孔板、V锥流量计、平衡孔板流量计等；对于介质杂质较多、粘附性强的介质，例如湿焦炉煤气，建议选用带夹套保温(电伴热或蒸汽伴热，使测量管段内环形孔板板片温度稍高于介质温度，黏稠物质不易粘附在板片上)的环形孔板流量计；对较大口径，建议在流量计的下游3倍口径距离外开设“检修人孔”，大修时彻底清污；对于磨损性流体，推荐选用喷涂特殊材料的矩形流量计(配用带隔离膜片的智能差压变送器)。总之，流量测量涉及多方面知识，需要选型者全面了解流量计的性能指标，必要时需和制造商进行沟通。

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PerformanceStudyontheNewTypesofDifferentialPressureFlowmeters

ZHAIXiaojin1，SHENXinjian1，WANGGuanglei2，SHAOPengcheng1

(1.KaifengInstrumentCo.,Ltd.,Kaifeng475002,China;2.QinghaiSaltLakeIndustryCo.,Ltd.,Xining810000,China)

Inmarketsharingofflowinstruments,differentialpressureflowmeteroccupiesthetoppositionbecauseofitsfeaturesofsimplestructure,solidanddurable,stableprecision,andadaptability,etc.Duetothewidevarietyanddifferenceperformances,inordertomakethemostofthestrengthsofeachinstrument,avoiditsweaknesses,andaccuratelyandreliablytomeasurethefluidflow,theperformanceofthenewtypesofdifferentialpressureflowmetersthatwidelybeingusedindomesticmarketareanalyzedandcompared;theirprinciples,characteristicsandmajorparametersareelaborated.Inaccordancewiththeadvantagesanddisadvantagesofvariousinstruments,Theusersshouldselectmostsuitableinstrumentforspecificapplicationmaybetterexerttheusevalueofeachkindofinstrument.

Differentialpressureflowmeter;Circularflowmeter;Uniformtubeflowmeter;Balanceflowmeter;V-coneflowmeter;Rectangularflowmeter;Modelselection

翟小金(1983—)，男，学士，助理工程师，主要从事差压式流量计的研发工作。E-mail:304129300@qq.com。

TH814;TP

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701020

修改稿收到日期:2016-07-05