1 前言

    流量計(jì)的量程比，對(duì)于各種流量計(jì)都是指最大流量和最小流量之比，即量程比為3∶1~3.5∶1左右。當(dāng)量程比擴(kuò)大了，就很難保證該儀表選型樣本所保證的儀表精度。但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況卻往往存在量程比為10∶1，特別當(dāng)該流量計(jì)又用于計(jì)量用途時(shí)更需要精確。雙量程差壓式流量計(jì)從理論到實(shí)際解決了這一個(gè)長(zhǎng)期困擾的問(wèn)題。

    2 原理

    現(xiàn)在，差壓式流量計(jì)在流量測(cè)量中使用得仍然很普遍。這是因?yàn)檫@種流量計(jì)具有穩(wěn)定性佳，耐振性好，抗干擾能力強(qiáng)，使用和檢定方便等優(yōu)點(diǎn)，但其相對(duì)流量較小時(shí)，測(cè)量精度低，甚至進(jìn)入小流量信號(hào)切除，使供方利益受損。

    節(jié)流式差壓流量計(jì)的一般表達(dá)式[1]：

  （1）   

    式中：qm—質(zhì)量流量，kg/s；

    C——流出系數(shù)；

    ε1—可膨脹性系數(shù)；

    β—直徑比，β=d/D；

    d—工作條件下節(jié)流件的孔徑，m；

    D—工作調(diào)節(jié)下上游管道內(nèi)徑，m；

    Δp—差壓，Pa；

    ρ1—上游流體密度，kg/m3。

    由上式可見(jiàn)，流量為C、ε、d、Δp、ρ、β（D）6個(gè)參數(shù)的函數(shù)，而當(dāng)統(tǒng)計(jì)量C和ε近似為常數(shù)，并將實(shí)測(cè)量d、Δp、ρ、β（D）在制造安裝時(shí)測(cè)量后，得到以下關(guān)系式：

      （2）

    式中：qm—質(zhì)量流量，kg/h；

    Δp—差壓，Pa。

    這一關(guān)系式如果用圖1表示，則更為明了、形象。

圖1 qm=f（ΔP）曲線

    從公式和曲線可看出，在流量較大時(shí)，節(jié)流裝置送出的差壓信號(hào)幅值較大，所以可測(cè)量得較準(zhǔn)，但流量較小時(shí)，節(jié)流裝置送出的差壓信號(hào)幅值很小，例如：在10％FS流量時(shí)，差壓信號(hào)只有滿量程的1％。差壓式流量計(jì)測(cè)量如此小的流量，精度就較低。

    解決這一問(wèn)題的方法是用大小兩桿秤，在流量大的時(shí)候用大秤，在流量小的時(shí)候用小秤。雙量程差壓式流量計(jì)就是根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)的。所謂雙量程差壓流量計(jì)即指一個(gè)節(jié)流裝置采用兩臺(tái)差壓變送器。

    使用雙量程差壓式流量計(jì)的檢測(cè)裝置可用標(biāo)準(zhǔn)孔板、多孔孔板（A+K平衡流量計(jì)）等一個(gè)雙量程節(jié)流一次元件，采用兩臺(tái)差壓變送器。其中一臺(tái)差壓變送器測(cè)量上限較高，另一臺(tái)差壓變送器測(cè)量上限很小，一般只有3kPa或更小，兩路信號(hào)同時(shí)送入智能化二次儀表，進(jìn)行計(jì)算、判斷和自動(dòng)切換，得到流量值，從而將大流量和小流量都計(jì)算得很準(zhǔn)。

    3 問(wèn)題

    要實(shí)現(xiàn)雙量程差壓流量測(cè)量還需解決以下問(wèn)題：

    3.1 雷諾數(shù)（ReD）補(bǔ)償

    由雷諾數(shù)的表達(dá)式可知[2]，管道內(nèi)流動(dòng)流體的雷諾數(shù)與流體的流量成正比。

       （3）

    式中：ReD—與D有關(guān)的雷諾數(shù)；

    qm—質(zhì)量流量，kg/s；

    μ—流體的動(dòng)力粘度，Pa·s；

    D—管道內(nèi)徑，m。

    所以，流體流量在廣闊的范圍內(nèi)變化時(shí)，雷諾數(shù)也在較大的范圍內(nèi)變化。而差壓式流量計(jì)的流出系數(shù)又是雷諾數(shù)的函數(shù)，因此，需對(duì)流出系數(shù)進(jìn)行在線補(bǔ)償，才能保證全量程的測(cè)量精確度。

    以GB2624-2006中的表達(dá)式為例進(jìn)行分析[2]。式（4）所示為標(biāo)準(zhǔn)孔板（角接取壓）流出系數(shù)C表達(dá)式。     

      （4）

    式中：C—流出系數(shù)；

    β—直徑比；

    ReD—與D有關(guān)的雷諾數(shù)。

    式（6）所示的關(guān)系如果用圖表示，更加直觀和形象[3]（見(jiàn)圖2）。    

圖2 典型標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)隨雷諾數(shù)變化曲線（β=0.6）

    在圖2中，隨著雷諾數(shù)ReD的減小，流出系數(shù)C逐漸增大。在雙量程差壓流量計(jì)的低量程段，往往就處于曲線的迅速升高段，如果不進(jìn)行補(bǔ)償，必將導(dǎo)致流量示值明顯偏低。

    3.2 可膨脹性系數(shù)（ε）校正

    可膨脹性系數(shù)的表達(dá)式仍以GB2624-2006為例。式（5）所示為標(biāo)準(zhǔn)孔板表達(dá)式。 

        （5）

    式中：ε1—可膨脹性系數(shù)；

    　ΔP—差壓，Pa；

    　P1—節(jié)流件正端取壓口流體靜壓力，Pa（A）；

    　κ—等熵指數(shù)。

    在雙量程差壓式流量計(jì)中，流體流量在廣闊的范圍內(nèi)變化，相應(yīng)的差壓信號(hào)變化幅度更大。例如：流量變化20倍，相應(yīng)的差壓變化就達(dá)到400倍，這種變化引起ε1值的變化很可觀，對(duì)其進(jìn)行在線校正，意義比C的補(bǔ)償更大。

    4 應(yīng)用

    據(jù)上海同欣自動(dòng)化儀表公司（原上海寶科自動(dòng)化儀表研究所）的FDId型儀表針對(duì)以上問(wèn)題做出兩項(xiàng)改進(jìn)：

    其一：引入了雷諾數(shù)（ReD）補(bǔ)償。

    其二：進(jìn)行了可膨脹系數(shù)（ε）校正。

    從而在實(shí)際流量偏離常用流量時(shí)，能獲得與常用流量時(shí)相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)精度。同時(shí)該儀表采用一體化結(jié)構(gòu)，從而消除差壓信號(hào)在長(zhǎng)距離傳遞中所存在的失真。

    同欣公司承諾，這種流量計(jì)用來(lái)測(cè)量蒸汽流量時(shí)，能達(dá)到下列指標(biāo)：

    量程比：30：1；

    系統(tǒng)精確度：±1.5％；

    可測(cè)范圍：1~100％；

    保證精度范圍：3~100％；

    流體溫度：≤560℃；

    流體壓力：≤6.4MPa；

    全量程溫度、壓力補(bǔ)償。

    根據(jù)同欣公司介紹，這種儀表已在天津石化、上海高橋石化、張家港恒通熱電、張家港永興熱電、寧波熱電、上海焦化、山東渤海實(shí)業(yè)等十多個(gè)單位投入正常運(yùn)行。

圖3 FDId500雙量程流量計(jì)在某石化廠實(shí)際運(yùn)行曲線    

    圖3所示圖例是一臺(tái)FDId500（DN500）雙量程流量計(jì)在某石化廠的實(shí)際運(yùn)行曲線。數(shù)據(jù)采集歷史曲線圖中的1、2、3、4四根曲線，分別是蒸汽壓力、蒸汽溫度、蒸汽密度和蒸汽質(zhì)量流量。其中，質(zhì)量流量測(cè)量上限為100t/h（對(duì)應(yīng)差壓100kPa），在讀數(shù)線所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，質(zhì)量流量讀數(shù)為0.93t/h，這時(shí)，低量程差壓變送器（帶開(kāi)平方）輸出電流約為4.86mA。從而將原本已進(jìn)入小信號(hào)切除區(qū)域的流量予以可靠顯示。

    5 小結(jié)

    雙量程差壓流量計(jì)已應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，并在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生理想的效果。鑒于雙量程差壓流量計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展與改進(jìn)，經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)大量程比的測(cè)量已不是難事。

    參考文獻(xiàn)：

    [1]　ISO5167-2（2003E）Measurementoffluidbymeansofpressuredifferentialdevicesinsertedincircular-corsssectionconduitsrunningfull-part2：orificePlates.
    [2]　GB2624-2006流量測(cè)量節(jié)流裝置.用孔板、噴嘴和文丘里管測(cè)量充滿圓管的流體流量.
    [3]　王建忠，紀(jì)綱.差壓式流量計(jì)范圍度問(wèn)題的研究[J].自動(dòng)化儀表2005（8）：4~6，9.