1 前言

    流量計的量程比，對于各種流量計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。當量程比擴大了，就很難保證該儀表選型樣本所保證的儀表精度。但現場實際情況卻往往存在量程比為10∶1，特別當該流量計又用于計量用途時更需要精確。雙量程差壓式流量計從理論到實際解決了這一個長期困擾的問題。

    2 原理

    現在，差壓式流量計在流量測量中使用得仍然很普遍。這是因為這種流量計具有穩定性佳，耐振性好，抗干擾能力強，使用和檢定方便等優點，但其相對流量較小時，測量精度低，甚至進入小流量信號切除，使供方利益受損。

    節流式差壓流量計的一般表達式[1]：

  （1）   

    式中：qm—質量流量，kg/s；

    C——流出系數；

    ε1—可膨脹性系數；

    β—直徑比，β=d/D；

    d—工作條件下節流件的孔徑，m；

    D—工作調節下上游管道內徑，m；

    Δp—差壓，Pa；

    ρ1—上游流體密度，kg/m3。

    由上式可見，流量為C、ε、d、Δp、ρ、β（D）6個參數的函數，而當統計量C和ε近似為常數，并將實測量d、Δp、ρ、β（D）在制造安裝時測量后，得到以下關系式：

      （2）

    式中：qm—質量流量，kg/h；

    Δp—差壓，Pa。

    這一關系式如果用圖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，節流裝置送出的差壓信號幅值較大，所以可測量得較準，但流量較小時，節流裝置送出的差壓信號幅值很小，例如：在10％FS流量時，差壓信號只有滿量程的1％。差壓式流量計測量如此小的流量，精度就較低。

    解決這一問題的方法是用大小兩桿秤，在流量大的時候用大秤，在流量小的時候用小秤。雙量程差壓式流量計就是根據這一原理設計的。所謂雙量程差壓流量計即指一個節流裝置采用兩臺差壓變送器。

    使用雙量程差壓式流量計的檢測裝置可用標準孔板、多孔孔板（A+K平衡流量計）等一個雙量程節流一次元件，采用兩臺差壓變送器。其中一臺差壓變送器測量上限較高，另一臺差壓變送器測量上限很小，一般只有3kPa或更小，兩路信號同時送入智能化二次儀表，進行計算、判斷和自動切換，得到流量值，從而將大流量和小流量都計算得很準。

    3 問題

    要實現雙量程差壓流量測量還需解決以下問題：

    3.1 雷諾數（ReD）補償

    由雷諾數的表達式可知[2]，管道內流動流體的雷諾數與流體的流量成正比。

       （3）

    式中：ReD—與D有關的雷諾數；

    qm—質量流量，kg/s；

    μ—流體的動力粘度，Pa·s；

    D—管道內徑，m。

    所以，流體流量在廣闊的范圍內變化時，雷諾數也在較大的范圍內變化。而差壓式流量計的流出系數又是雷諾數的函數，因此，需對流出系數進行在線補償，才能保證全量程的測量精確度。

    以GB2624-2006中的表達式為例進行分析[2]。式（4）所示為標準孔板（角接取壓）流出系數C表達式。     

      （4）

    式中：C—流出系數；

    β—直徑比；

    ReD—與D有關的雷諾數。

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

圖2 典型標準孔板流出系數隨雷諾數變化曲線（β=0.6）

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

    3.2 可膨脹性系數（ε）校正

    可膨脹性系數的表達式仍以GB2624-2006為例。式（5）所示為標準孔板表達式。 

        （5）

    式中：ε1—可膨脹性系數；

    　ΔP—差壓，Pa；

    　P1—節流件正端取壓口流體靜壓力，Pa（A）；

    　κ—等熵指數。

    在雙量程差壓式流量計中，流體流量在廣闊的范圍內變化，相應的差壓信號變化幅度更大。例如：流量變化20倍，相應的差壓變化就達到400倍，這種變化引起ε1值的變化很可觀，對其進行在線校正，意義比C的補償更大。

    4 應用

    據上海同欣自動化儀表公司（原上海寶科自動化儀表研究所）的FDId型儀表針對以上問題做出兩項改進：

    其一：引入了雷諾數（ReD）補償。

    其二：進行了可膨脹系數（ε）校正。

    從而在實際流量偏離常用流量時，能獲得與常用流量時相當的系統精度。同時該儀表采用一體化結構，從而消除差壓信號在長距離傳遞中所存在的失真。

    同欣公司承諾，這種流量計用來測量蒸汽流量時，能達到下列指標：

    量程比：30：1；

    系統精確度：±1.5％；

    可測范圍：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、壓力補償。

    根據同欣公司介紹，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、山東渤海實業等十多個單位投入正常運行。

圖3 FDId500雙量程流量計在某石化廠實際運行曲線    

    圖3所示圖例是一臺FDId500（DN500）雙量程流量計在某石化廠的實際運行曲線。數據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、蒸汽密度和蒸汽質量流量。其中，質量流量測量上限為100t/h（對應差壓100kPa），在讀數線所對應的時刻，質量流量讀數為0.93t/h，這時，低量程差壓變送器（帶開平方）輸出電流約為4.86mA。從而將原本已進入小信號切除區域的流量予以可靠顯示。

    5 小結

    雙量程差壓流量計已應用于多個領域，并在實際應用中產生理想的效果。鑒于雙量程差壓流量計技術的不斷發展與改進，經濟準確地實現大量程比的測量已不是難事。

    參考文獻：

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