1 前言
目前流量測量主要采用的還是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置這一傳統(tǒng)的測量手段，但是常規(guī)的孔板流量計在流量測量方面還有很多不足，主要體現(xiàn)在測量范圍小、壓損大，現(xiàn)場安裝、維護(hù)復(fù)雜、檢定周期短等方面。尤其是測量范圍小的缺點，在流量變化大的情況下計量誤差大大增加，使供氣企業(yè)受到經(jīng)濟(jì)損失。目前，通過現(xiàn)代技術(shù)手段，可以很好地解決這些問題，下面分析節(jié)流裝置量程窄的原因，并提出了一套采用現(xiàn)代計算機(jī)軟件技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)流裝置10：1 寬量程以及20：1 以上的超寬量程流量測量的實用方案。
2 節(jié)流裝置寬量程問題
我們都知道，雖然引起孔板流量計誤差因素很多，諸如直管段條件、安裝條件等都可通過設(shè)計與施工予以保證。一般儀表的準(zhǔn)確度都是用測量范圍內(nèi)相對誤差表示。因此當(dāng)測量值越接近滿度值，其準(zhǔn)確度越高。但實際的流量范圍往往無法準(zhǔn)確確定，在流量變化大的情況下，使流量計長時間工作在測量范圍以外，這樣就造成了很大的測量誤差。對節(jié)流件流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε等中間參數(shù)的實時計算是解決寬量程的關(guān)鍵。
節(jié)流式流量計流量計算公式為：
式中：qv――體積流量m3/s
C――流出系數(shù)
ε――可膨脹性系數(shù)
d――節(jié)流件開孔直徑，m
D――管道內(nèi)徑，m
β――直徑比，（β=d/D）
1ρ――被測流體密度，kg/m3
Δp――差壓，Pa
其中：按GB/T2624-2006 標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)C 的計算式為：
式中：ReD――雷諾數(shù)
流束可膨脹系數(shù)ε 的計算式為：
式中：κ ：等熵指數(shù)
P1P2：分別節(jié)流件前后的壓力，Pa
傳統(tǒng)的節(jié)流式流量計是將流出系數(shù)C 和可膨脹性系數(shù)ε視為定值（C 和ε由專門的節(jié)流裝置設(shè)計計算軟件計算得到），置入現(xiàn)場的流量積算儀。圖1是一臺孔板流出系數(shù)曲線。
圖1曲線表明：當(dāng)ReD=3×104 ，C=0.6101； ReD=1×104 ，C=0.6176；平均值=0.6139，即ReD在3×104 ～1×104 范圍內(nèi)（3：1）其不確定度為0.61%。
當(dāng)ReD=5×104 ，C=0.6081； ReD=5×103 ，C=0.6264；平均值=0.6173，即ReD在5×104 ～5×103 范圍內(nèi)（10：1）其不確定度為1.5%，遠(yuǎn)不能滿足用于貿(mào)易結(jié)算的一級表對不確定度的要求。同樣，可膨脹性系數(shù)ε在超測量范圍情況下，所引起的測量不確定度更不容忽視，例如，一臺角接取壓孔板流量計（D=100mm，β=0.5）測量過熱蒸汽（壓力=4Mpa，溫度=400℃）， ReD在28×105 ～2.8×105（介質(zhì)流速：52～5.2 米/秒）范圍內(nèi)，可膨脹系數(shù)ε的不確定度為3.0%！因此要實現(xiàn)寬量程，就必須對流出系數(shù)C 和可膨脹性系數(shù)ε進(jìn)行實時計算。
由式（2）可以看流出系數(shù)C 的計算很復(fù)雜。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了計算流出系數(shù)C 的迭代方法，所以流量積算儀表必須具有高速、高精度的運算功能和比較大的存貯空間，以完成這些復(fù)雜的中間參數(shù)的補(bǔ)償運算。
智能化寬量程的差壓變送器和補(bǔ)償功能更為完善的流量計算機(jī)的問世，使我們能擁有寬量程的智能化節(jié)流式流量計成為可能。歸納起來它應(yīng)具備這些條件：1.智能化的寬量程差壓變送器（差壓范圍為100：1）。2. 流量計算機(jī)不僅可根據(jù)溫度、壓力等工況參數(shù)對工況流量進(jìn)行修正，還可以實時計算流出系數(shù)C、可膨脹性系數(shù)ε等。3. 差壓變送器與流量計算機(jī)之間數(shù)字通訊（Hart 協(xié)議）除能滿足全量程差壓信號傳遞的準(zhǔn)確性，而且能夠自動遷移測量范圍。
符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計，在滿足準(zhǔn)確度同時，流量測量范圍可真正達(dá)到10：1（或更寬），節(jié)流式流量計的這一飛躍是多項技術(shù)進(jìn)步的成果，它改變著人們對節(jié)流式流量計的傳統(tǒng)認(rèn)識。
3 配有雙差變的超寬量程節(jié)流式流量計
采用智能化寬量程的差壓變送器雖然可以大大提高節(jié)流式流量計的量程比，但是由于目前的差壓變送器的量程比只能達(dá)到100：1，與之成開方關(guān)系的流量就只能達(dá)到10：1 左右。因此，當(dāng)流量變化范圍超出10：1 僅僅使用一臺差壓變送器就無法滿足使用需要了。給同一節(jié)流裝置配備兩臺差壓變送器可以使節(jié)流式流量計的量程比達(dá)到20：1 甚至更高。
4 流量計算機(jī)（或流量計算轉(zhuǎn)換單元）
僅僅給同一節(jié)流裝置配備兩臺差壓變送器要想達(dá)到20：1 的流量測量范圍還是不夠的，要實現(xiàn)節(jié)流裝置的超寬量程流量測量還必須使用能對節(jié)流件的流出系數(shù)C、流束可膨脹系數(shù)ε、壓縮系數(shù)Z等參數(shù)作為動態(tài)量進(jìn)行實時逐點運算，并且能夠自動在兩個差壓信號間進(jìn)行無逢切換的流量二次儀表，例如流量計算機(jī)和具有類似功能的流量計算轉(zhuǎn)換單元。
流量計算轉(zhuǎn)換單元是一款全新概念網(wǎng)絡(luò)化流量計量設(shè)備，采用DIN35 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝方式，可方便地實現(xiàn)在DCS、PLC 系統(tǒng)中植入高精度流量計算環(huán)節(jié)。其通過對現(xiàn)場信號的采集，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式對節(jié)流式流量計的流出系數(shù)C、流束可膨脹系數(shù)ε、壓縮系數(shù)Z 等參數(shù)進(jìn)行實時逐點運算以實現(xiàn)寬量程，所使用的流量計算軟件已通過國家部門認(rèn)證。除此以外，還具備多路4-20mA 全隔離信號輸出功
能，包括補(bǔ)償溫度輸出、補(bǔ)償壓力輸出、補(bǔ)償流量輸出、繼電器輸出等。具有RS232/485、以太網(wǎng)等通訊接口，可采用MODBUS、TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊。
將節(jié)流裝置和兩個智能差壓變送器做成一體，兩個差壓變送器的信號與流量計算機(jī)（或流量計算轉(zhuǎn)換單元）連接，流量計算機(jī)（或流量計算轉(zhuǎn)換單元）可以根據(jù)設(shè)置自動在兩個差壓信號間進(jìn)行無縫切換，同時完成節(jié)流件的流出系數(shù)C、流束可膨脹系數(shù)ε、壓縮系數(shù)Z 等參數(shù)的實時逐點運算，使整個系統(tǒng)的測量量程比可達(dá)20：1。
當(dāng)用戶使用雙差變流量計算機(jī)（或流量計算轉(zhuǎn)換單元）時，只需要在參數(shù)中設(shè)置以下參數(shù)：
（1） 差變切換有 禁止 和 允許 兩個選項，當(dāng)設(shè)為 禁止 時則不進(jìn)行差變切換始終使用高量段（或低量段）差壓變送器的輸出，設(shè)為允許 時則可以根據(jù)切換設(shè)定值進(jìn)行實時切換。
（2） 切換設(shè)定值Pa 高低量段差壓變送器進(jìn)行切換時的差壓值。當(dāng)高量段差壓變送器輸出值低于切換設(shè)定值時，切換到低量段差壓變送器的輸出進(jìn)行流量計算；當(dāng)?shù)土慷尾顗鹤兯推鬏敵鲋蹈哂谇袚Q設(shè)定值時，切換到高量段差壓變送器的輸出進(jìn)行流量計算。
5 節(jié)流元件的選擇
節(jié)流元件有多種形式，人們所熟知的莫過于孔板了。但孔板有一個明顯缺點是入口直角銳利度在流體沖刷下易發(fā)生鈍化，在孔板連續(xù)使用2―3 個月時，鈍化引起流出系數(shù)偏度在1―3%，個別嚴(yán)重的在4%以上。采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴可以很好地解決這一問題。噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損，它的流出系數(shù)非常穩(wěn)定，所以JJG640-94 規(guī)程規(guī)定ISA1932 噴嘴的檢定周期為4 年（孔板檢定周期是1 年）。再者，噴嘴在相同流量和相同β值條件下，阻力損失比孔板小得多（僅為孔板的50-60%），有利于減小能耗。
近年來，各種各樣的非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計依其各自的特點，在流量測量方面進(jìn)行了積極的探索。但是它們還缺少足夠的應(yīng)用實踐，特別是由于它們不能像標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件一樣，有成熟且通行的國際、國家標(biāo)準(zhǔn)支持，非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件的流出系數(shù)、流束可膨脹性系數(shù)都必須通過實流標(biāo)定獲得（所謂實流標(biāo)定一般是指在沒有標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定的情況下，被測介質(zhì)和實驗介質(zhì)應(yīng)為同一介質(zhì)）。否則，容易產(chǎn)生貿(mào)易計量糾紛。
6 結(jié)束語
目前，由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置和流量計算機(jī)構(gòu)成的流量測量系統(tǒng)，將經(jīng)典技術(shù)與現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，克服了傳統(tǒng)節(jié)流式流量計量程小的主要缺點。實踐表明該通過二次儀表的軟件技術(shù)，對節(jié)流裝置的特性參數(shù)采取實時動態(tài)真實計算可以大大提高節(jié)流式流量計的量程范圍，采用雙差壓變送器的結(jié)構(gòu)測量氮氣流量可以達(dá)到20：1 的超寬量程，使節(jié)流式流量計這一經(jīng)典而傳統(tǒng)的流量儀表得到更廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
（1）GB/2624-2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》
（2）JJG1003-2005《流量積算儀》
