差压式流量计：检测气体、液体和蒸汽的常用仪表

差压式流量计也叫节流式流量计，是利用流体流经节流装置所产生的静压差来显示流量大小的一种流量计，是目前工业生产中检测气体、液体和蒸汽最常用的一种检测仪表，由于其检测方法简单，可靠，适应性强和不需要标定就能保证一定的准确度等优点，因而获得广泛应用。

差压式流量计使用历史长久，积累了丰富完整的资料，国内外已将孔板，喷嘴和文丘里管等节流装置进行了标准化，因此也叫标准节流装置，国家标准和国际标准代号分别为ISO5167和GB/T2624.3，我们使用的所有数据都来自此标准，因此也成为应用最广泛的流量计，在石化等装置中应用达到70%～80%。

1.差压式流量计组成

节流装置：是使流体产生收缩节流的节流元件和压力引出装置的总称。将用于将流量信号转换差压信号，常用的节流元件有标准孔板、喷嘴和文丘里等，如图4-1所示，其中孔板应用最多。

引压管：传输差压信号，连接节流装置和差压计的管线，管线上还装有一次阀、二次阀、排污阀、放空阀和其他一些附属器件。

变送器：用来测量差压信号，并将其转换成标准电流信号4～20mA传送出去。

图4-1 常用的节流元件形式

a）孔板 b）喷嘴 c）文丘里管

2.节流装置的取压方式

节流装置的取压方式，就孔板而言有五种，包括角接取压、法兰取压、径距取压、理论取压、管接取压。就喷嘴而言只有角接取压和径距取压两种。

（1）角接取压：上、下游侧取压孔轴心线与孔板（喷嘴）前后端面的间距各等于取压孔直径的一半或等于取压环隙宽度的一半，因而取压孔穿透处于孔板端面正好相平。角接取压包括环室取压和单独钻孔取压。

（2）法兰取压：上、下游侧取压孔中心至孔板前后端面的间距均为（25.4±0.8）mm。

（3）径距取压：上右侧取压孔中心与孔板（喷嘴）前端面的距离为1D，下游侧取压孔中心与孔板（喷嘴）后端面的距离为0.5D。

（4）理论取压：上游侧的取压孔中心至孔板前端面的距离为管道内径（约1D±0.1D）；下游侧的取压孔中心线至孔板后端面的间距随β=d/D的值大小而异。

（5）管接取压：上游侧取压孔的中心线距孔板前端面的距离为2.5D，下游侧取压孔中心线距孔板后端面为8D。

以上五种取压方式中，角接取压方式用得最多，其次是法兰取压法，如图4-2所示。

图4-2 差压流量计的两种取压方式

a）法兰取压 b）角接取压

3.流量方程式

差压流量计的流量方程式是依据流通力学中的能量守恒方程和质量守恒方程式建立起来的。如图4-3所示，是以截面1处的静压p₁和截面2处静压p₂为基准，测得后，求取相应的流量q_v。但事实上，截面2为流束收缩最小处，其位置是随流速的不同而改变，根本无法确定，p₂也就不可测取出来。实际是在节流件前后的管壁上选择两个固定的取压点（p₁和p₂）来检测流体在节流件前后的压力差，然后在流量与压差的定量关系中加一个修正系数C，以补偿取压方式不同所产生的影响。C为流出系数，它表示通过节流装置的实际流量值与理论值之比，是一个无量纲的纯数。

图4-3 流体流经孔板时的流速和压力分布图

设在水平管道中作连续稳定流动的理想流体（无黏性且不可压缩），在截面1到2之间没有发生能量损失。当节流件前的取压点静压力为p₁，相应的流速v₁，介质密度为ρ₁，流体流通截面积为A；节流件后取压点静压为p₂，相应的流速为v₂，密度为ρ₂，流体流通截面积为a。根据能量守恒定律和质量守恒定律，有

Av₁ρ₁=av₂ρ₂ （4-2）

由式（4-2）得，代入式（4-1）得

因为ρ₁=ρ₂=ρ并令管道的直径为D，节流装置的直径为d；则，

并设，则

再设，则

考虑到实际流体的可压缩性的影响，以及由于取压点位置的调整带来的影响，节流装置流量与差压的关系科表示为

式中 C——流出系数，在一定的安装条件下，对于给定的节流装置，流出系数仅与雷诺数有关；

ε——可膨胀性系数，考虑到气体的可压缩性，对给定节流装置利用可压缩流体（气体）进行标定时，ε值取决于节流件前后的差压值、气体的等熵系数。

对体积流量

对质量流量

所以，在流量测量过程中，流量q与差压之间成开方关系。

4.差压流量计计算举例

有一块变送器用于液体测量，已知变送器的量程为0～40kPa，对应流量值为0～100t/h，问当变送器指示1kPa，10kPa，20kPa时的流量值为多少？对应的电流值又为多少？若变送器输出电流值4.4，8.00，12.00mA时，其对应的流量值又为多少？

解：因为差压和流量值是呈开方关系，(www.xing528.com)

所以当差压值为1kPa时；

当差压值为10kPa时

当差压值为20kPa时

当差压为1kPa、10kPa、20kPa，电流值计算如下：

1/40×16+4=0.025×16+4=4.4mA

10/40×16+4=0.25×16+4=8mA

20/40×16+4=0.5×16+4=12.00mA

当电流为4.4mA时，当此电流为流量时，则流量值为

当电流为4.4mA时，当此电流为差压时，则流量值为

当电流为8mA时，当此电流为流量时，则流量值为

当电流为8mA时，当此电流为差压时，则流量值为

同理，当电流为12mA时，当此电流为流量时，则流量值为50t/h，为差压时，则流量值为70.7t/h。

5.差压式流量计温度压力的补偿

常规差压式流量计，在设计时，流出系数C，可膨胀系数ε和流体密度ρ均作为不变常数来考虑，但在实际检测中，工艺过程参数p和T由于多种原因常会有所波动，不能完全符合标准节流装置的设计参数，这样会引起较大的测量误差，所以有必要对差压式流量计进行温度和压力的补偿。

（1）被测介质为不可压缩的液体，介质温度变化范围不大，密度和温度之间关系为

ρ=ρ₀[1+β（T₀-T）]

式中 ρ，ρ₀——工作温度T和标准状态温度T₀（T=293K）时的介质密度；

β——被测介质的体膨胀系数。

则流量温度补偿公式为

从而可以方便地对测量值进行修正、补偿，得到实际的体积流量和质量流量。

（2）当检测较低压力的气体流量时，服从理想气体状态方程式气体密度为

式中 p₀——101325Pa；

则有气体流量的温度压力补偿公式为

6.差压流量计安装要求

根据标准HG/T 21581—2012的要求，差压流量计的安装要求主要内容如下：

（1）安装时必须保证节流件开孔与管道同心，节流件端面与管道轴线成垂直。节流件上下游侧必须有一定的长度直管道，孔板和喷嘴最小直管段安装规定见表4-1。

表4-1 孔板和喷嘴最小直管段安装规定

（2）连接节流装置与差压计的导压管的长度，应尽量使差压仪表靠近节流装置，一般不超过10m，导压管主要采用无缝钢管制成，外径ϕ14mm，壁厚2～4mm。

（3）测量气体时，差压仪表安装高于节流装置，以利于管道内冷凝液回流到工艺管道内。

测量液体和蒸汽流量时，安装差压计应低于节流装置，这样可使测量管道内不易有气泡存在，也可节省导压管最高点的排气阀。

当导压管水平安置时，导压管必须保持一定的坡度，一般情况下，应保持1∶10～1∶20，测量气体时导压管应从检测点向上倾斜，测量液体和蒸汽时，导压管应从检测点向下倾斜。

（4）测量蒸汽时，除安装必须的阀门外，在导压管的最高点设置冷凝容器，使蒸汽冷凝成液体后将测量信号传递给差压变送器，减少测量误差。

（5）对高黏度、有腐蚀、易结晶、结冻的流体，应采用隔离器和隔离液，使被测介质的信号通过隔离液送给差压变送器。

（6）对含尘多或有危险的流体流量，采用冲液法或吹气法等方法进行测量。