摘要:孔板流量計(jì)設(shè)計(jì)技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單，是石油化工等工業(yè)領(lǐng)域測量流體流量的主要設(shè)備。針對孔板流量計(jì)長期使用過程中測量誤差增大、精度下降問題，基于孔板流量計(jì)的工作原理，分析了直徑比β、流出系數(shù)C、可壓縮流體密度ρ1等物理參數(shù)變化以及導(dǎo)壓管差壓Δp傳送失真等對測量精度的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了對孔板進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與選材，降低孔板腐蝕率;對孔板進(jìn)行正確安裝，保證孔板前后壓差的可靠性;直管段規(guī)范安裝，并在檢修期間嚴(yán)格清理孔板和直管段以降低直徑比β以及流出系數(shù)C的變化對測量結(jié)果的影響;采用智能儀表，實(shí)施溫壓補(bǔ)償，對計(jì)量過程中參數(shù)進(jìn)行在線計(jì)算和校等多種改進(jìn)措施，力求達(dá)到降低誤差、提高計(jì)量結(jié)果正確的目的。
0引言
　　計(jì)量誤差指計(jì)量結(jié)果與真值的偏離程度，計(jì)量結(jié)果越接近真值，其正確率越高。以節(jié)流裝置為檢測元件的差壓式流量計(jì)，用于氣體、液體和蒸汽的流量測量，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、供熱、供水等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)控以及能源的計(jì)量。其主要原因是該差壓式流量計(jì)具有相對簡單的結(jié)構(gòu)、成熟的設(shè)計(jì)技術(shù)、較低的生產(chǎn)成本和穩(wěn)定、可靠的性能等特點(diǎn)。但是在流量計(jì)的使用過程中，由于各種因素(如孔板腐蝕磨損、測量范圍度較窄、現(xiàn)場安裝的要求不達(dá)標(biāo)、引壓管線維護(hù)不到位等)，會造成一系列計(jì)量誤差，使測量精度下降。如何正確設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)流量計(jì)，減小計(jì)量誤差，提高計(jì)量精度，是每一個流量計(jì)量工作者的工作重點(diǎn)［1-3］。
　　差壓式流量計(jì)由檢測元件、差壓變送器以及流量顯示儀表組成。檢測元件有多種，如節(jié)流孔板、噴嘴和文丘里管等。其中，節(jié)流孔板以加工方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為普遍。
1孔板流量計(jì)工作原理
　　節(jié)流裝置測量原理如圖1所示。流體流經(jīng)孔板時，由于孔板孔徑小于管徑，會造成流束的急劇收縮，流速增加，動能的增大來自壓力能的減小。流體流過孔板后壓力降低，孔板前后壓力不相等，產(chǎn)生壓差。

　　根據(jù)流體流動連續(xù)性原理和伯努利方程(能量守恒定律)可知［4］，節(jié)流式差壓流量計(jì)可壓縮流體流量計(jì)算公式為:

　　式中:qv為單位體積流量，m3/s;C為流出系數(shù);d為工作條件下節(jié)流孔板開孔直徑，m;β為孔板開孔直徑與管道內(nèi)徑之比;Δp為節(jié)流孔板前后差壓，Pa;ε、ρ1分別為節(jié)流孔板正端取壓口平面上的可膨脹系數(shù)和流體密度，kg/m3。
　　由式(1)可知，體積流量qv與流體流經(jīng)孔板前后的差壓Δp的平方根成正比。差壓Δp通過差壓變送器測量。變送器將流體流經(jīng)孔板前后的差壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之相對應(yīng)的電信號并輸出至流量儀表，從而由流量儀表根據(jù)測量參數(shù)計(jì)算出流體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瞬時流量或累計(jì)流量。
2造成誤差的原因分析及影響參數(shù)
　　由式(1)可知，流量測量結(jié)果qv同時受很多參數(shù)的影響，如流出系數(shù)C、節(jié)流裝置直徑比β、雷諾系數(shù)ＲeD、氣體膨脹系數(shù)ε以及節(jié)流孔板正端取壓口平面上流體密度ρ1等。如果能夠得到這些參數(shù)的準(zhǔn)確值，同時差壓變送器能夠不失真地測量到節(jié)流孔板前后的差壓信號，就能提高流量儀表計(jì)量結(jié)果的正確率和可靠性。
2．1節(jié)流裝置直徑比β、流出系數(shù)C
　　流出系數(shù)C和取壓點(diǎn)位置、雷諾系數(shù)、管道粗糙度、孔板開孔截面積與管道截面積比值、孔板入口邊緣尖銳度都有關(guān)。流出系數(shù)C可由式(2)計(jì)算［4］。

　　由式(2)可知，如果節(jié)流裝置前管道直徑發(fā)生變化，節(jié)流孔板在使用過程中腐蝕變形，直徑比β變化很大，都會使流出系數(shù)C發(fā)生變化，從而降低流量測量精度。
　　以動能公司空壓站空壓機(jī)出口流量計(jì)為例，空壓機(jī)大修期間，技術(shù)人員對空壓站出口節(jié)流裝置前管道進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)孔板前管道內(nèi)積存大量受腐蝕而掉落的氧化鐵皮垃圾，孔板端面腐蝕。齒輪分廠煤氣流量計(jì)長年使用，拆換煤氣流量節(jié)流孔板時發(fā)現(xiàn)，孔板孔壁和端面上沾附黑色焦泥，孔板開孔已經(jīng)近似橢圓形。這些因素的存在都會使孔板直徑與管道直徑之比β改變，致使流出系數(shù)C改變，從而降低流量示值精度。
2．2密度ρ1和流量儀表積算功能的影響
　　氣體流量測量的最終目標(biāo)是得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量。如果氣體的溫度、壓力發(fā)生變化，密度也隨之變化�？装彘_孔直徑設(shè)計(jì)計(jì)算，以常用工作溫度、工作壓力為主要參數(shù)指標(biāo)。但待測氣體的工作溫度、壓力不是恒定值，隨著工況、環(huán)境溫度的變化而變化。傳統(tǒng)的流量計(jì)量中，由于流量積算功能的限制，使用過程中未裝溫度、壓力儀表進(jìn)行測量補(bǔ)償。當(dāng)管道內(nèi)氣體溫度、壓力變化較大與設(shè)計(jì)值不符時，計(jì)量誤差加大。例如，空壓站出口空氣流量計(jì)量過程中，同一臺機(jī)組冬、夏兩季產(chǎn)氣量相差較大。經(jīng)查，夏季氣體溫度40°左右，冬季10°左右，孔板設(shè)計(jì)溫度25°左右。由于實(shí)際溫度與設(shè)計(jì)溫度存在偏差，由實(shí)際工作條件偏離設(shè)計(jì)工作條件時流量修正公式(3)，可推導(dǎo)出冬季實(shí)際流量為流量計(jì)測量流量值的1．026倍，夏季實(shí)際流量為流量計(jì)測量流量的0．976倍，計(jì)量的正確率不能保證。

　　式中:Q實(shí)為實(shí)際工作條件時氣體標(biāo)準(zhǔn)體積流量;Q設(shè)為設(shè)計(jì)條件時氣體標(biāo)準(zhǔn)體積流量;P實(shí)為氣體實(shí)際工作表壓;P設(shè)為設(shè)計(jì)表壓;P0為當(dāng)?shù)卮髿鈮?T實(shí)為氣體實(shí)際工作溫度;T設(shè)為設(shè)計(jì)溫度;T0為絕對溫度273．15K［5］。
2．3差壓Δp的測量
　　在傳輸環(huán)節(jié)，流體流過節(jié)流裝置產(chǎn)生的差壓信號需要通過導(dǎo)壓管路傳遞給差壓變送器。導(dǎo)壓管內(nèi)徑過小、節(jié)流裝置距離變送器過遠(yuǎn)都會引起壓損增大，從而造成差壓信號失真。另外，如果導(dǎo)壓管路存在堵塞、泄漏以及因積水、積液造成的假差壓，同樣會引起差壓信號傳遞失真。導(dǎo)壓管安裝時，如果沒有充分考慮流體介質(zhì)的性質(zhì)，氣體導(dǎo)壓管內(nèi)是否含液、含塵，液體導(dǎo)壓管內(nèi)是否有氣體進(jìn)入，以及要排除這些干擾因素，集氣器、積水沉降器的位置是否合理，是否需要伴熱等，由此引起的假差壓會使流量計(jì)量結(jié)果失真。
2．4流量量程與流量計(jì)匹配性問題
　　流量量程與流量計(jì)匹配性也是造成差壓式流量計(jì)誤差的主要原因之一，特別是當(dāng)小流量遇到大量程孔板流量計(jì)時。由式(1)可知，由于流量與差壓信號的開方成正比，并且使用流量下限偏離常用流量越多，流量計(jì)量誤差值越大，對計(jì)量結(jié)果爭議越大。小信號時，為了防止因零點(diǎn)漂移，通常流量計(jì)算器進(jìn)行小信號切除。但這樣又會使流量不能得到積算。例如，在進(jìn)行管道氧流量計(jì)量巡檢時，有小流量氧氣在使用，但流量計(jì)無指示現(xiàn)象。
3減小計(jì)量誤差提高計(jì)量精度的相應(yīng)措施
3．1孔板的合理設(shè)計(jì)、選材
　　節(jié)流孔板的設(shè)計(jì)以現(xiàn)場調(diào)研為主，取得流體常用的工作壓力、工作溫度，對直管段內(nèi)徑進(jìn)行實(shí)際測量，掌握設(shè)計(jì)第一手資料，并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算節(jié)流孔板的開孔直徑，孔徑的制造質(zhì)量和加工精度達(dá)標(biāo)。在按照合理的工況設(shè)計(jì)孔板尺寸的同時，應(yīng)充分考慮流體對節(jié)流孔板材料的影響，選擇適當(dāng)?shù)牟牧霞庸た装�，以免孔板在使用過程中發(fā)生腐蝕和塑性變形嚴(yán)重。如，煤氣具有腐蝕性，齒輪分廠煤氣流量計(jì)量裝置，停產(chǎn)檢修過程中，打開裝置卸下孔板后，發(fā)現(xiàn)孔板開孔嚴(yán)重變形，近似橢圓形，端面麻蝕。因此，測量有腐蝕性流體時，應(yīng)采用耐腐蝕材料。孔板流量計(jì)常用材料選擇如表1所示［6-7］。

3．2孔板的正確安裝
　　孔板加工技術(shù)指標(biāo)達(dá)標(biāo)，并確保孔板的正確安裝。節(jié)流孔板安裝示意圖如圖2所示�？装彘_孔與上游端面之間夾角應(yīng)為90°±0．3°，直角入口邊緣銳利度達(dá)標(biāo)，此端面迎著流體流動的方向［7］。若孔板裝反，使流體流經(jīng)孔板流速的變化減小，孔板前后差壓減小，測量誤差增大。

3．3直管段、導(dǎo)壓管的安裝維護(hù)
　　節(jié)流裝置前后直管段滿足安裝要求，節(jié)流裝置直管段長度以前10倍直徑、后5倍直徑的原則實(shí)施敷設(shè)，直管段管壁粗糙度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，否則將影響流出系數(shù);管壁粗糙度越大，流出系數(shù)的偏差越大。安裝時，根據(jù)需要處理節(jié)流裝置及直管段。如:氧氣流量測量需要進(jìn)行節(jié)流裝置和前后直管段的四氯化碳脫油處理。設(shè)備停車檢修檢查孔板的同時，還需要對節(jié)流裝置前后直管段進(jìn)行吹掃清理，排除管道氧化物、焊渣、油垢之類改變管道內(nèi)徑的異物，情況嚴(yán)重或條件允許時可進(jìn)行更換，盡可能減小直徑比β以及流出系數(shù)C的變化，提高流量計(jì)量的精度。
　　選擇導(dǎo)壓管的材料性能以滿足被測流體的性質(zhì)為基礎(chǔ)，如耐腐蝕、耐壓力等。導(dǎo)壓管的敷設(shè)傾斜度不得小于規(guī)定要求。測量濕氣體時，無論節(jié)流裝置安裝在水平管道還是豎直管道上，變送器安裝在節(jié)流裝置的下部時，都需要考慮在導(dǎo)壓管路的最底部安裝積水罐，避免液體進(jìn)入變送器，引起測量誤差。
3．4溫度壓力補(bǔ)償
　　由于工作溫度、壓力隨工況變化，氣體的密度也發(fā)生變化，而節(jié)流孔板的設(shè)計(jì)參數(shù)是固定值。為了降低計(jì)量誤差，采用具有溫壓補(bǔ)償功能的流量積算儀表，實(shí)施溫壓補(bǔ)償，進(jìn)行流量值的實(shí)時修正。為了避免對流體流動的干擾，測溫點(diǎn)一般選在節(jié)流裝置的下游、直管段以外、大于5倍直徑長度小于15倍直徑長度的管道上，從而既不影響流出系數(shù)，又能夠反映流體的溫度。測壓信號取自孔板流量計(jì)正壓管［8］。
3．5智能儀表的使用
　　隨著電子科技的發(fā)展，儀表技術(shù)發(fā)展飛速，充分利用智能流量儀表所具有的微處理功能，實(shí)現(xiàn)對流量各參數(shù)的在線計(jì)算和校正。智能流量儀表能夠?qū)崿F(xiàn)溫度壓力補(bǔ)償、流束膨脹系數(shù)補(bǔ)償，提高計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。當(dāng)孔板開孔直徑實(shí)測值與設(shè)計(jì)值有偏離時，由于β值變化以及流出系數(shù)C的變化，使最大差壓對應(yīng)的最大流量值變化，智能流量儀表的功能足夠滿足量程的修改，從而提高流量測量的精度。智能流量儀表還實(shí)現(xiàn)了兩臺差壓變送器的自動切換使用，從而拓寬了量程范圍，解決了小流量計(jì)量問題［9］。
3．6實(shí)時的維護(hù)與保養(yǎng)
　　日常維護(hù)的重點(diǎn)不僅要及時觀察工況、與各項(xiàng)參數(shù)核對、定時校驗(yàn)流量計(jì)，還要維護(hù)節(jié)流裝置和與差壓變送器連接的引壓管線，避免差壓信號泄露、堵塞、凍結(jié)以及傳輸過程中壓力損失。當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時，應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)。制氧機(jī)噴冷塔出口空氣為清潔濕空氣，差壓變送器在管道下部，導(dǎo)壓管路安裝集水器，但冬季容易出現(xiàn)流量指示失靈現(xiàn)象。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是壓空水分析出增多，積滿積水罐，又沒有及時排水，伴熱管沒有及時打開，造成積水罐結(jié)冰，堵住出口，流量示值異常。故日常定時維護(hù)、重點(diǎn)維護(hù)、周期校驗(yàn)都是計(jì)量工作的重點(diǎn)。
3．7計(jì)量技術(shù)管理人員的培訓(xùn)
　　計(jì)量人員如果對流量計(jì)量儀表的計(jì)量原理、安標(biāo)準(zhǔn)、使用維護(hù)、精準(zhǔn)校驗(yàn)等各個環(huán)節(jié)認(rèn)識不到位，不能弄清產(chǎn)生誤差的具體影響因素，就不能把計(jì)量工作做好。所以，只有提高計(jì)量人員管理、維護(hù)儀表的業(yè)務(wù)素質(zhì)、業(yè)務(wù)技能，才能善于發(fā)現(xiàn)問題、及時解決問題，盡可能減小計(jì)量誤差，從而進(jìn)一步提高計(jì)量精度。
4結(jié)論
　　綜上所述，孔板流量計(jì)雖然結(jié)構(gòu)較簡單、設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，但長期使用過程中存在大量影響測量精度的因素。如果各環(huán)節(jié)在設(shè)計(jì)、安裝時嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，使用精度高功能強(qiáng)的智能儀器，對計(jì)量影響因素進(jìn)行實(shí)時修正，使用過程中加強(qiáng)管理，定時維護(hù)校驗(yàn)，就能夠降低測量誤差，提高計(jì)量結(jié)果的可靠性。

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