孔板流量計(jì)測(cè)量原理及改進(jìn)措施

　　前言

　　孔板是過程流量檢測(cè)儀表的一種節(jié)流裝置，由于其具有悠久的應(yīng)用歷史，在使用中建立了完善的設(shè)計(jì)、計(jì)算、規(guī)格、選型數(shù)據(jù)庫表并形成了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。工程設(shè)計(jì)中孔板作為一種標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)流元件得到廣泛的應(yīng)用，是工程人員進(jìn)行流量檢測(cè)設(shè)計(jì)的首選方案。

　　孔板流量計(jì)測(cè)量原理

　　孔板用于過程流量檢測(cè)，是基于流體力學(xué)中的理想流體傳輸特性而制造出來的節(jié)流元件。

　　理想流體伯努利方程：Z1+P1/ρ1g+V12/2g= Z2+P2/ρ2g+V22/2g+hf

　　Z1 、Z2 是節(jié)流元件前后取壓點(diǎn)距離基準(zhǔn)平臺(tái)的垂直高度所產(chǎn)生的壓力水頭；

　　P1 、P2 是節(jié)流元件前后管線內(nèi)介質(zhì)的靜壓力；

　　V1、V2 是節(jié)流元件前后介質(zhì)的平均流動(dòng)速度；

　　ρ1、ρ2是節(jié)流前后介質(zhì)的密度，理想流體可看做節(jié)流前后密度不變?yōu)?ρ；

　　hf 為節(jié)流元件造成的流體水頭損失，在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件標(biāo)準(zhǔn)化安裝過程中可忽略不計(jì)。

　　根據(jù)以上公式及符號(hào)定義整理可得：

　　（V22 —V12）/2g=（ P1 —P2）/ρg + （Z1 — Z2 ）

　　根據(jù)流體的流量守恒定律知節(jié)流元件前后的流體流量相等：

　　Q1=Q2 ；Q1= V1S1，Q2 = V2S2，

　　由此可以得出節(jié)流元件的平均流速為：V2= V1 S1/ S2

　　式中S1、S2分別為管線及節(jié)流元件的流通橫截面積，由管線的通徑和節(jié)流孔板開孔大小可以計(jì)算得出。

　　由此可以得出節(jié)流元件之前流體的平均流速：

　　V12= [（ P1 —P2）/ρg + （Z1 — Z2 ）]2g S22/(S12- S22 ) ；

　　實(shí)際使用中，節(jié)流元件前后取壓點(diǎn)到基準(zhǔn)平臺(tái)的垂直距離保持一致，因此

　?。╖1 — Z2 ） =0 由此上述公式可以化簡(jiǎn)為：

　　V1 =√（P1 —P2 ）√（2S22/(S12- S22 )ρ

　　=K√（P1 —P2 ）；

　　式中K=√（2S22/(S12- S22 )ρ在標(biāo)準(zhǔn)孔板安裝后的使用中保持基本恒定可看做一常數(shù)為流量系數(shù)，在工程設(shè)計(jì)計(jì)算中計(jì)算得出。

　　由上公式可知流體的流速與節(jié)流元件前后的壓差的開平方成正比，只要我們檢測(cè)出節(jié)流元件前后的壓差值，就可以得到介質(zhì)的平均流速，由此可以計(jì)算出流體的體積流量，這就是節(jié)流孔板能夠測(cè)量流體流量的原理。

　　孔板流量計(jì)使用中的誤差影響

　　由以上孔板流量計(jì)的測(cè)量原理可以看出，是在假設(shè)一些條件恒定保持不變的情況下，才能實(shí)現(xiàn)孔板前后壓差的開平方與流體的流速成正比。因此在實(shí)際工程使用中，這種限制條件能否保持恒定是保證孔板流量計(jì)測(cè)量是否準(zhǔn)確的首要因素。為此我們?cè)谠O(shè)計(jì)、安裝以及使用維護(hù)中都需進(jìn)行相應(yīng)的工作。

　　K的影響

　　為保證流量系數(shù)K保持恒定，工程設(shè)計(jì)中對(duì)于介質(zhì)的密度要求準(zhǔn)確，因此在孔板選型過程中要提供流體正常使用中的溫度、壓力、密度、組分等參數(shù)。如果現(xiàn)實(shí)使用中這些參數(shù)偏離選型參數(shù)過大，則需要對(duì)流量系數(shù)重新進(jìn)行數(shù)值修正。大多數(shù)裝置的生產(chǎn)都會(huì)按照工程設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)來進(jìn)行，且在線流過程檢測(cè)對(duì)于參數(shù)的精度要求不是很苛刻，因此這種對(duì)孔板流量系數(shù)的修訂實(shí)際生產(chǎn)中并不多見。如果孔板流量計(jì)用于物料的計(jì)量檢測(cè)中，則需進(jìn)行流體流量系數(shù)的補(bǔ)償措施，最常見的就是使用溫壓補(bǔ)償措施來進(jìn)行流量系數(shù)數(shù)值修訂。

　　hf 的影響

　　孔板節(jié)流件的水頭損失大小，決定于安裝過程中孔板以及附屬部件的規(guī)范性，比如孔板及各種部件的安裝與管線是否同心，墊片邊緣是否有毛刺凸出，管線內(nèi)部是否有焊渣焊口的毛刺，流體是否為均勻流。為保證水頭損失不對(duì)測(cè)量產(chǎn)生顯著影響，孔板流量計(jì)檢測(cè)部分一般都采用預(yù)先安裝的手段來避免，孔板、墊片與法蘭的連接生產(chǎn)廠家已經(jīng)組裝完成，孔板前后的直管段在施工過程中采用預(yù)先焊接管線的方法來保證。通過以上手段可以把hf 對(duì)孔板流量檢測(cè)的影響降到最低限度。

　?。╖1 — Z2 ）的影響

　　孔板流量計(jì)的計(jì)算公式中，我們把（Z1 — Z2 ）位置水頭對(duì)測(cè)量的影響看做為零，但在實(shí)際使用中卻很難保證為零。究其原因是因?yàn)椋装迩昂笕嚎诘綁毫ψ兯推髦g的引壓管即正負(fù)引壓管內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的靜壓不一致，而造成了一個(gè)附加的靜壓差。這個(gè)靜壓差不是一個(gè)恒定的能夠進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膲翰钪担S著使用時(shí)間的不同，壓差值會(huì)出現(xiàn)變化，因此給孔板流量計(jì)的檢測(cè)帶來了一個(gè)不確定的誤差附加值。

　　減少這個(gè)附件誤差，在工程實(shí)施中盡可能的讓兩引壓管的物理狀態(tài)保持一致。如兩引壓管焊口、走向、彎曲弧度、伴熱線距離兩引壓管之間的距離盡可能的相同；隔離裝置、取壓閥的安裝高度，型號(hào)材質(zhì)保持一致；采用同一保溫措施來保證兩引壓管內(nèi)介質(zhì)溫度盡可能的保持一致。以上這些手段可有效地減少，傳壓介質(zhì)在引壓管內(nèi)產(chǎn)生的靜壓不同而引入的附加誤差。

　　位置水頭產(chǎn)生的附加誤差還有一個(gè)很重要的原因是兩引壓管內(nèi)傳壓介質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生變化或變化不一致，而造成兩引壓管內(nèi)介質(zhì)的密度不同或密度分布梯度不同，由此產(chǎn)生的高度靜壓不相同，引起了一個(gè)變化的靜壓差附加誤差。

　　引壓管內(nèi)介質(zhì)長(zhǎng)期處于靜止過程中沒有物料的動(dòng)態(tài)交換，受周圍溫度周期變化的影響會(huì)產(chǎn)生變質(zhì)現(xiàn)象，介質(zhì)對(duì)于引壓管的腐蝕會(huì)造成金屬材質(zhì)脫落或溶入介質(zhì)中，管線流體通過孔板取壓裝置進(jìn)入引壓管長(zhǎng)時(shí)間的靜止會(huì)析出水分、雜質(zhì)進(jìn)入引壓管介質(zhì)中，由此造成引壓管內(nèi)介質(zhì)密度發(fā)生變化，如果這個(gè)動(dòng)態(tài)的密度變化兩引壓管不一致，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加的靜壓差作用于流量測(cè)量中，對(duì)于流量檢測(cè)產(chǎn)生影響。

　　引壓管內(nèi)介質(zhì)特性發(fā)生變化造成密度變化，引發(fā)的正負(fù)引壓管靜壓附加誤差，無法進(jìn)行靜態(tài)補(bǔ)償，只能用人工排污和重新加注引壓介質(zhì)的方法來定期消除。

　　各參數(shù)對(duì)測(cè)量的影響

　　由上可知，對(duì)于孔板測(cè)量流體流量的誤差影響主要分為三個(gè)方面，在工程設(shè)計(jì)孔板選型中我們可以盡可能的減少流體密度改變對(duì)于測(cè)量誤差的影響，必要時(shí)可以使用溫壓補(bǔ)償措施進(jìn)行修正。在施工安裝過程中我們可以采用預(yù)制管線，提前組裝的方式來減少孔板對(duì)于流體的壓損水頭損失。以上兩個(gè)參數(shù)的影響我們都可以采用提前預(yù)防及相應(yīng)的手段來減少誤差。可是對(duì)于位置水頭（Z1 — Z2 ）的影響我們卻無法徹底的解決，需要維護(hù)人員定期的進(jìn)行維護(hù)來減少附加誤差對(duì)于測(cè)量的影響，隨機(jī)性非常大，而且誤差的消除也不及時(shí)。

　　怎樣消除正負(fù)引壓管產(chǎn)生的靜態(tài)附加誤差，成為提高孔板流量計(jì)使用精度的最主要手段。

　　普通孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)及缺陷

　　結(jié)構(gòu)

　　標(biāo)準(zhǔn)孔板流量系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流孔板、取壓裝置、引壓裝置、測(cè)量變送儀表及取壓、排污泄壓閥門組成。若被測(cè)介質(zhì)具有高溫、腐蝕、有毒、粘稠易結(jié)晶等特點(diǎn)還要在取壓裝置與引壓裝置之間安裝隔離設(shè)備。

　　孔板流量計(jì)中的孔板是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的耐腐蝕純金屬喇叭口節(jié)流元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單沒有儀表電路等復(fù)雜設(shè)施，因此安裝中不用設(shè)置副線切出裝置。正常使用中取壓閥不用操作，同時(shí)為保證孔板前后的管線直管段要求，孔板流量計(jì)普遍安裝于懸空的管廊中，為保證維修維護(hù)方便，孔板取壓口空間受限的狀況下在變送器附近引壓管上安裝二次取壓切斷閥，日常維修維護(hù)變送器只需操作二次取壓閥即可。

　　缺陷

　　為保證孔板流量計(jì)的維護(hù)維修方便性，差壓變送器普遍安裝于操作空間舒適的平臺(tái)上。由此使孔板與變送器之間的引壓管垂直高度大，引壓管走向復(fù)雜傳輸距離長(zhǎng)，引壓管內(nèi)介質(zhì)的密度最易發(fā)生變化，引入附加位置高度壓差值，使測(cè)量誤差變大，維護(hù)工作量大。

　　若被測(cè)流體含水或易凝固結(jié)晶流體，引壓管的鋪設(shè)中需要增加伴熱線和保溫措施，以防氣溫較低的冬季引壓管內(nèi)介質(zhì)凝固凍住造成儀表失靈。危險(xiǎn)防爆化工生產(chǎn)中伴熱方式普遍采用防爆性能好的蒸汽伴熱。這種蒸汽伴熱效率低能耗大，使裝置冬季所用蒸汽量大增，生產(chǎn)成本提高。

　　由此可見，普通型的孔板流量計(jì)由于引壓管的距離較長(zhǎng)造成測(cè)量誤差大，能源消耗大，維護(hù)維修工作量大等缺陷，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

　　一體化孔板流量計(jì)

　　一體化孔板流量計(jì)通過縮短引壓管長(zhǎng)度，把變送器、引壓管、取壓閥、排污閥及各隔離冷凝罐集中在孔板附近，然后用帶有保溫隔熱措施的金屬箱體密封起來。取消蒸汽伴熱線，通過流體管線本身的輻射熱來保證儀表的冬季防凍。在減少蒸汽能源使用的同時(shí)也降低了引壓管介質(zhì)特性的變化而產(chǎn)生的附加測(cè)量誤差。

　　廠里新項(xiàng)目建設(shè)過程中，大量采用這種即節(jié)能又提高使用精度的一體化孔板流量計(jì)，使用效果明顯，維護(hù)工作量大幅減少。

　　一體化孔板流量使用中的問題

　　新區(qū)項(xiàng)目建設(shè)所用的一體化孔板流量計(jì)在使用中碰到一些問題，需要進(jìn)行改進(jìn)。

　　一、操作環(huán)境不友好

　　一體化孔板流量計(jì)由于大幅度縮短了引壓管的長(zhǎng)度，把原本安裝在舒適操作平臺(tái)的變送器移動(dòng)到孔板安裝處的管線附近。因此需要把一體化孔板流量計(jì)安裝在較舒適的安全的操作環(huán)境中。

　　項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員沒有意識(shí)到一體化孔板流量計(jì)維護(hù)維修環(huán)境的改變，仍然采用普通型孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)安裝方法，大部分的一體化孔板流量計(jì)安裝在懸空的高空管廊中，給維護(hù)維修人員帶來很大不便和不安全性，一體化孔板流量計(jì)的投切工作變得比較危險(xiǎn)。

下圖為裝置內(nèi)一