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閱讀：6發(fā)布時(shí)間：2025-7-3
1 差壓式流量計(jì)存在的問題
國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和國家對節(jié)約能源消耗的系列舉措，更促進(jìn)了流量儀表的需求。特別是在城市天然氣、煤氣、工業(yè)用蒸汽及其它各類介質(zhì)計(jì)量和各單位內(nèi)部成本核算等計(jì)量中，都迫切需要寬量程、高精度、高可靠性的計(jì)量儀表。差壓式流量計(jì)以其技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、無可動(dòng)部件、穩(wěn)定可靠、適應(yīng)面寬等優(yōu)點(diǎn)獨(dú)居流量計(jì)。
盡管用量巨大，使用中出現(xiàn)的問題也不少。但在差壓式流量計(jì)的構(gòu)成上卻一直沒有變化。仍然是經(jīng)典組合，節(jié)流裝置加差壓變送器，再配用壓力、溫度和積算顯示儀?？赡苁且?yàn)闅v史原因，目前國內(nèi)外的差壓變送器生產(chǎn)廠家和流量儀表的生產(chǎn)廠仍然好象是分屬兩個(gè)不同的領(lǐng)域。沒有將節(jié)流裝置及差壓變送器結(jié)合起來考慮改進(jìn)措施。節(jié)流裝置近年來也有不少新品種投入使用，大大提高了節(jié)流裝置的差壓輸出的穩(wěn)定性和對現(xiàn)場直管段的要求。如V形錐式節(jié)流裝置、楔形節(jié)流裝置、威利巴、德爾塔巴、雙文丘利管等。差壓變送器更是發(fā)展迅猛。多種多樣智能化的、帶現(xiàn)場總線的變送器層出不窮。但是都沒有擺脫4～20mA輸出對應(yīng)1個(gè)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(xiàn)了一些變送器廠家的誤導(dǎo)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(jì)生產(chǎn)廠家也聲稱自己生產(chǎn)的差壓式流量計(jì)（配差壓變送器）測量范圍達(dá)到1：30以上。
差壓式流量計(jì)的基本計(jì)算公式：
質(zhì)量流量
式中：k為被測介質(zhì)（可壓縮流體）的等熵指數(shù)。
流出系數(shù)C由下式確定：
式中：Δp為差壓，Pa；ε為被測介質(zhì)的可膨脹性系數(shù)，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(zhì)量流量，kg/s；d為工作狀況下節(jié)流件的等效開孔直徑，m；Δp為差壓，Pa；ρ1為工作狀況下，節(jié)流件（前）上游處流體的密度，kg/m3；C為流出系數(shù)，無量綱；β為直徑比，無量綱。
根據(jù)差壓式流量計(jì)的基本計(jì)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(jì)量精度和拓寬量程，流量測量應(yīng)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(lián)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(guān)相應(yīng)閥門切換使用不同量程的差壓變送器。
（2）將一根計(jì)量管分為幾根不同內(nèi)徑的計(jì)量管進(jìn)行計(jì)量，由微機(jī)控制電動(dòng)閥門開關(guān)相對應(yīng)流量大小的計(jì)量管。這種方式目前在天然氣和煤氣計(jì)量站用得較多。比如將219mm的計(jì)量管分為219、150、100mm三種計(jì)量管的組合，各管的計(jì)量量程互相覆蓋，由微機(jī)根據(jù)流量大小控制各管的組合。
（3）采用現(xiàn)有帶現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的智能差壓變送器，通過帶現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的手操器來改變智能差壓變送器的4～20mA對應(yīng)的差壓量程的調(diào)整。
以上三種方式中的種由于需人工切換，在工業(yè)現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)比較困難，近些年幾乎沒人使用。
第二種多管并聯(lián)微機(jī)切換方式現(xiàn)在用得比較多，但因?yàn)樵靸r(jià)高、計(jì)量管占地面積大等因素，一般也只能用于重要場站計(jì)量。
第三種方式只能適用于同一臺差壓變送器對于節(jié)流件尺寸或流量變化引起的差壓上限值的重新設(shè)定。也無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)差壓量程自適應(yīng)和擴(kuò)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(jì)算出流量非常困難，通常為1.5%～5%。由于差壓式流量計(jì)的流量與差壓值是平方根關(guān)系，流量測量范圍要達(dá)到1：10，差壓值的測量范圍則必須達(dá)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(jì)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(gè)因素的影響。還有流出系數(shù)的非線性等其它因素也影響著差壓式流量計(jì)的測量范圍及計(jì)量精度。
2 解決問題的方法
“差壓量程自適應(yīng)差壓式流量計(jì)"的研制設(shè)計(jì)思想源于20多年流量儀表研制開發(fā)和應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。在為重慶燃?xì)饧瘓F(tuán)公司設(shè)計(jì)制造的幾十個(gè)天然氣站計(jì)量記錄控制裝置的過程中，幾乎在每一個(gè)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(diǎn)場站采用“分管多臺差壓變送器組合"的方式解決。受此啟發(fā)，我們針對差壓式流量計(jì)存在的關(guān)鍵問題于2000年提出根據(jù)流量大小實(shí)時(shí)調(diào)整差壓量程的設(shè)計(jì)思想。同對設(shè)計(jì)了多個(gè)方案進(jìn)行比較選擇。2002年做出了根據(jù)流量大小實(shí)時(shí)調(diào)整差壓量程的原始樣機(jī)。
“差壓量程自適應(yīng)差壓式流量計(jì)"用微處理器將差壓傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、流量計(jì)算顯示有機(jī)地結(jié)合在一起。相互之間不再用4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號來連接。取而代之的是在微處理器控制下的數(shù)字信號進(jìn)行傳遞和處理。從根本上解決因使用現(xiàn)有的差壓變送器引起的流量測量范圍窄、計(jì)算精度不高、安裝使用復(fù)雜的問題。項(xiàng)目產(chǎn)品主要通過以下過程實(shí)現(xiàn)。
（1）差壓信號的自適應(yīng)處理。在微處理器對差壓傳感器信號進(jìn)行調(diào)理時(shí)，將傳感器輸出信號大小、自動(dòng)增益控制和A/D轉(zhuǎn)換器量程結(jié)合起來進(jìn)行分段處理。這樣在采集差壓傳感器信號時(shí)可以保障小信號有足夠的增益放大倍數(shù)，大信號不會(huì)超出A/D轉(zhuǎn)換器量程。保證在送入微處理器A/D轉(zhuǎn)換時(shí)的差壓信號幅值在A/D轉(zhuǎn)換器量程的20%～80%之間。也就是說不論差壓傳感器信號在點(diǎn)還是在最小點(diǎn)都能通過自動(dòng)增益控制在A/D轉(zhuǎn)換器的量程內(nèi)。這樣就達(dá)到了在使用中實(shí)時(shí)根據(jù)流量大小自動(dòng)調(diào)整差壓信號放大倍數(shù)提高分辨率的目的，再加上分段線性化處理和溫度影響補(bǔ)償，就能有效地使用差壓傳感器在目前技術(shù)下不能使用的全部量程范圍。將差壓測量范圍擴(kuò)大到1：400以上。
（2）拋棄傳統(tǒng)變送器的概念，自適應(yīng)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(shù)字傳送，不再受傳統(tǒng)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(jìn)行溫度影響修正。將微處理器控制下的上述多個(gè)參量作為一個(gè)整體進(jìn)行高低溫?cái)?shù)據(jù)測試和使用環(huán)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(jì)算儀有機(jī)地結(jié)合為一體，而不是簡單的物理上的組合。達(dá)到整機(jī)消除溫度影響、提高精度的目的。
（4）在解決多參量數(shù)據(jù)高精度采集的同時(shí)，建立符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和檢定規(guī)程GB/T2624―93、ISO5167、JJG1003―2005、JJG640―1994要求的全參數(shù)補(bǔ)償流量計(jì)算模型。并設(shè)計(jì)編制了相應(yīng)的應(yīng)用軟件包。
3 差壓量程自適應(yīng)型差壓式流量計(jì)構(gòu)成
差壓量程自適應(yīng)型差壓式流量計(jì)由節(jié)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(chǎn)品不使用傳統(tǒng)的差壓變送器，而采用內(nèi)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(tǒng)節(jié)流裝置構(gòu)成一體式差壓量程自適應(yīng)型差壓流量計(jì)，也可通過引壓管連接組成分體式結(jié)構(gòu)的差壓量程自適應(yīng)型差壓流量計(jì)。
圖1 AW-2003型智能顯示儀結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 一體式差壓量程自適應(yīng)型差壓式流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
4 差壓量程自適應(yīng)型差壓式流量計(jì)的特點(diǎn)
（1）AW―2003型智能顯示儀能根據(jù)被測流量的大小來自動(dòng)調(diào)整差壓傳感器輸出信號的增益大小，真正達(dá)到了1：20以上的流量測量范圍。差壓式流量計(jì)的這一飛躍是多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步的成果，它改變著人們對差壓式流量計(jì)的傳統(tǒng)認(rèn)識。
（2）AW―2003型智能顯示儀從根本上解決了差壓式流量計(jì)流量計(jì)算復(fù)雜的問題，是通用型的設(shè)計(jì)，具有計(jì)算公式選擇功能和相關(guān)參數(shù)設(shè)置功能。使用時(shí)只需依據(jù)節(jié)流裝置名稱及被測介質(zhì)種類依據(jù)使用說明書中的公式選擇表格選擇置入相應(yīng)代碼即可。儀表自動(dòng)完成各種補(bǔ)償系數(shù)和流出系數(shù)全部進(jìn)行在線計(jì)算。
（3）AW―2003型智能顯示儀可以同各種節(jié)流裝置組合構(gòu)成差壓量程自適應(yīng)型差壓式流量計(jì)。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(bǔ)償，使用1年以上）等系列產(chǎn)品。
（4）在采用上述兩項(xiàng)技術(shù)的同時(shí)，將差壓、壓力、溫度、流量計(jì)算處理和微處理器等多個(gè)參量集成為一體進(jìn)行溫度影響的補(bǔ)償，消除了單參量溫度補(bǔ)償帶來的多參量綜合誤差。
5 使用效果
差壓量程自適應(yīng)型差壓式流量計(jì)通過近三年時(shí)間的推廣應(yīng)用，其長期使用的準(zhǔn)確性、穩(wěn)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(zhì)的使用測量中得到了證實(shí)。特別是AW―2003型智能顯示儀與孔板、V錐、楔型這三種節(jié)流裝置組成的一體化差壓量程自適應(yīng)流量計(jì)，無論是測量范圍、測量介質(zhì)適用種類、長期使用的可靠性、穩(wěn)定性上都已超過了渦街、旋進(jìn)旋渦、金屬轉(zhuǎn)子、渦輪等流量計(jì)，深受用戶好評。
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