节流式差压流量计发展与开发.docx

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节流式差压流量计发展与开发

从节流式差压流量计的发展历程看如何进行流量仪表的开发

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301次 m8m发表于2006-03-1312:

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    孙淮清先生，重庆工业自动化仪表所教授级高工。

　　　　编者按：

流量测量在国民经济各部门获得愈来愈广泛的应用，几乎每年都有许多新品种流量仪表问世。

本文的目的是想用一种最古老的流量仪表的发展历程来说明仪表在开发与应用中可能遇到哪些问题；怎样来评价流量仪表的两个主要特性：

可靠性和准确度（精确度）。

　　一节流式差压流量计的发展历程

　　　　以标准节流装置为检测件的节流式差压流量计真正用于工业流量测量是在20世纪30年代，早在20年代美国和欧洲开始对差压流量计进行开发的试验研究，后来将用得最普遍的节流装置——孔板和喷嘴开始标准化，现在标准喷嘴的一种型式——ISA1932喷嘴，其几何形状就是30年代标准化的。

只有节流装置结构型式标准化了，才有可能把国际上众多研究成果汇集在一起，它促使节流装置标准化工作加速进行。

1931年美国ASME（美国机械工程师学会）和AGA（美国气体协会）成立联合小组对同心直角锐孔板的流出系数进行深入试验研究，直至1935年在美国俄亥俄大学进行一次称为OSU89的试验，总结出著名的流出系数白金汉公式（BuckinghamEquation），直至80年代它还一直是美国孔板流量计国家标准的基本公式。

在此之前，1922～1933年美国API（美国石油学会）、GPA（气体加工协会）及AGA等都曾对法兰取压法孔板流量计的仪表特性进行广泛现场试验研究，摸清孔板几何尺寸、管道中流速分布以及流体物性对流出系数的影响，为制订AGA1、2号报告和AGA3号报告打下基础。

在同一时期欧洲各国（主要为德国、英国）亦对孔板流量计进行大量试验研究。

他们主要针对角接取压法，以德国节流装置国家标准DIN1952（第三版，1935年）颁布为标志的欧洲标准化工作亦取得积极进展。

1948年ISO（国际标准化组织）成立第30技术委员会（TC30）“封闭管道中流体流量的测量”，TC30下设第2分技术委员会（SC2）“差压装置”专门负责差压装置国际标准的制订工作。

经过十余年的工作于1967年颁布了国际建议R541“用孔板和喷嘴测量流体流量”，接着于1968年颁布国际建议R781“用文丘里管测量流体流量”，实际上此两个国际建议是把美国和欧洲自成系统的标准综合在一起。

自此之后，ISO/TC30/SC2继续进行国际标准的制订工作，于1976年提出节流装置国际标准草案ISODIS5167“用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量”，1980年ISO正式通过国际标准ISO5167，至此流量测量节流装置一个国际标准诞生了。

ISO5167总结了几十年来国际上对为数有限的几种节流装置（孔板、喷嘴和文丘里管）的理论与实践的研完成果，反映了此类检测件的当代科学与生产的技术水平。

　　　　但是，从ISO5167正式颁布之日起，ISO即宣布开始进行标准修订工作，因为它存在着几个缺点：

（1）试验数据的陈旧性：

ISO5167（1980年）只是反映70年代以前的试验研究工作成果。

80年代国际上流量测量试验设备及数据处理技术已有很大进展，必须以最新试验成果作为节流装置基础数据（数据库）；

（2）ISO5167中直管段长度规定的问题：

在通过ISO5167（1980年）时，标准的取材国——美国却投了反对票，其原因是国际标准的规定与美国国家标准（亦即AGA3号报告）的规定有抵触，两者相差约达1倍，直管段长度规定是标准的两个核心问题之一，它涉及现场安装要求，对仪表性能有重要影响，必须妥善解决；

　　　　（3）ISO5167中各项规定的科学性问题：

影响节流装置流出系数因素非常多，主要有孔径与管径比值β、取压装置、雷诺数、节流装置安装偏心度、前后阻流件类型及直管段长度、孔板入口边缘锐利度、管壁粗糙度、流体流动波动、脉动及湍流度等。

众多因素影响错综复杂，有的参数难以直接测量，因此标准中有些规定并非是科学地确定，而是为了取得投票的一致，不得不人为确定；

　　　　（4）如何提高节流式差压流量计准确度的问题：

目前节流式差压流量计准确度水平大致为实验室大于±0.5%FS，现场大于±0.5%FS。

由于节流式差压流量计在流量测量中的重要性，提高其准确度意义很大，但是如何提高却困难重重，在1983年一次孔板流量计国际学术会议上专家们取得共识，即只有在微观水平上对流体流经孔板的流场有深入了解和掌握才能预报在现场条件下准确的被测值。

要做到这一点，必须有3方面人员，即流量测量工作者、流体力学与计算机技术工作者的紧密合作才有可能。

　　　　为解决上述问题，国际流量界在80年代进行过一次大规模孔板流量计试验研究，它就是欧共体EEC实验计划和美国API实验计划。

试验以现代最新流量测试设备和数据统计处理技术进行新一轮范围广泛的实验室及现场试验研究。

历时十余年的试验改变了ISO5167中数据的技术基础，为修订新标准打下坚实基础。

修订的ISO5167是一部有实质性提高、新的节流装置国际标准。

　　　　流量仪表在开发过程需要进行两方面试验研究：

实验室的和现场的。

实验室试验是在参考（参比）条件下进行，它是一种理想状态，这时得出的准确度为基本不确定度。

在现场，流量仪表工作条件发生变化，主要影响因素为流体特性和流动特性。

　　　　流体特性又分为两类：

流体物性（物理性质）和流体特性。

流体物性对流量计的影响因工作原理而异，对常用流量计有影响的物性参数为密度、黏度、等熵指数、声速、导电率、导热系数等，其中密度和黏度是普遍的，又以密度最为重要，为确定流体质量流量，对于体积流量计须同时监测密度，密度准确度直接影响流量值准确度。

黏度是雷诺数的一个参数，它的影响是间接的，因此对其准确度要求可放宽些。

黏度是判断牛顿流体与非牛顿流体的一个参数，目前全部流量测量标准都仅只适用于牛顿流体。

许多混相流为非牛顿流体，其黏度有复杂的特性。

流体特性是指流体的腐蚀、积垢、脏污、冻结、混相、相变、有毒、易挥发等特性，这些会改变检测件几何形状及尺寸、管壁粗糙度及管道横截面面积等，它对仪表可靠性及准确度构成严重威协，尤其这些特性是随仪表投用时间而恶化的，应是仪表维护的重点关注问题。

　　　　在现场，流体流动特性主要有两方面：

非充分发展管流和非定常流。

非充分发展管流主要为流速分布畸变和旋转流，一般推理式流量计（科氏质量流量计除外）都或多或少受其影响，流量仪表上游的阻流件是非充分发展管流的干扰源，阻流件类型复杂多变，在实验室又难以完全复制，它成为流量仪表现场应用的主要课题之一。

目前除节流式差压流量计外，其余流量计的非充分发展管流干扰试验研究都还不够成熟，严重影响到仪表准确度的可信度。

新修订的ISO5167在非充分发展管流干扰抑制规定方面有实质性提高，它是近二十年来国际上大力开展试验研究工作的成果。

应该指出，即使ISO5167新标准，它所列举的阻流件类型仍不能满足现场需要，今后仍需进一步拓宽与提高。

非定常流干扰是现场一种普遍现象，其原因有：

原动机如往复式发动机、压气机、泵、风机等产生；控制阀频繁动作产生；管线自激振荡，特别有谐振时引起的；工艺管件如阀、弯头、支管等使流动分离产生的；整个流动系统布置引起的以及混相流中某些流动流型引起的等等。

目前流量测量标准还没有对非定常流干扰的抑制作定量规定的例子，ISOTR3313是ISO的一份技术报告，只作为参考文件用。

　　　　现场由于上述工作条件的变化会产生附加不确定度，现场测量不确定度是基本不确定度和附加不确定度的合成，合成方法复杂多变，现场误差估计是一个非常复杂的问题，只有具备误差理论及流量测量专业知识的人员才能胜任。

　　　　以下简介孔板流量计在其发展历程中进行过哪些实验室和现场试验研究工作，在AGA3号报告（第四版，2000年）中列举了1922～1999年孔板流量计试验研究的参考文献约240篇，这些资料反映了孔板流量计（请注意这里仅涉及标准节流装置的一种型式）在开发与应用中所遇到的一些问题及其研究成果。

　　参考文献（A.2～A.31）可大致分为3个时期：

30年代、40～60年代、80～90年代。

　　1.30年代（A.2～A.12）

　　　　1924～1935年美国进行10年研究试验，研究项目达14项，对孔板流量计用于天然气流量测量的各种问题，包括制造、安装和使用各方面进行了大量试验研究，并且试验大部分是在天然气输气站上进行的，试验项目有阻流件干扰影响、高压下气体的压缩系数、可膨胀性系数、流动调整器的作用以及孔板的结构参数等。

除天然气外，这一时期还进行实验室的水和蒸汽实验，其中最著名的一次试验是1932～1933年在俄亥俄州立大学进行的称为OSU89水的实验（OSU是俄亥俄州立大学工程实验站的简称），实验管径为1～14英寸共7种，β值0.04～0.85，共164块孔板，实验数据由美国国家标准局（NBS）E·Buckingham（白金汉）博士整理，提出流出系数的拟合方程，称为白金汉流出系数公式（发表时间为1935年5月，此公式一直使用到AGA3号报告第三版[1990年]才改为R-G（Reader-Harris/Gallagher）公式）。

在此时期，出版了AGA1号报告（1930年）和AGA2号报告（1935年），总结了此时期一系列试验研究成果，为孔板标准化打下初步基础。

　　2.40～60年代（A.13～A.31）

　　　　30年代是节流装置标准化初始阶段，一些问题还只进行初步探索。

40～60年代国际上流量界集中很大一部分力量进行节流装置标准化急需的课题试验研究。

仅在美国AGA3号报告就列举7项专题研究（A.13～A.19），对节流装置制造、安装和使用各个环节都开展深入的试验研究，这里列举的资料就超过60篇，涉及问题如孔板安装偏心度及变形（由于安装或高差压引起的），孔板几何形状与尺寸及表面状况的影响，确定抑制非充分发展管流干扰的上游直管段长度的规定，流动调整器型式研究等，试验介质亦不断扩展，除天然气、空气、水外，还有油、蒸汽等。

50年代高压蒸汽的试验取得进展。

此时期AGA3号报告正式出版（1955年），ISO颁布两个国际建议RS41（1967年）和R781（1968年），这些为制订节流装置国际标准打下基础。

此时期实验室试验由美国NBS牵头，在OSU89的基础上继续进行。

　　3.80～90年代（A.20～A.31）

　　　　此时期欧洲和美国开展大规模孔板流量计试验研究，最重要的两个实验计划为API实验计划（A.20）和EEC实验计划（A.21），参考文献中有11篇论文，这些计划的目的是更新孔板流出系数数据库，它是孔板新流出系数公式的技术基础。

此时期明显增加现场试验研究的力度，在参考文献中有170篇论文是这方面的内容。

此时期由于电子技术、先进制造技术与计算机技术的进步，流量测量技术与仪表加速发展，在先进测试设备及计算流体力学理论进展的推动下，对节流装置的试验研究已可从微观上把握其流动机理，过去难以解决的领域如非充分发展管流干扰和非定常流干扰的探索都取得长足进展。

此时期新型流量仪表迅猛发展，但并未削弱人们对此类古老流量仪表的关注，节流装置向深度和广度方向仍在继续发展，应该说此类流量仪表在全部流量仪表中仍占重要位置。

　　　　以上列举的主要为美国的科研工作，实际上全世界流量界都在进行节流装置的试验研究工作，他们都做出积极的贡献。

　　二几点启示

　　1.开发流量仪表要做哪些实验

（1）实验室试验

　　　　仪表流出系数与雷诺数关系的试验，它是仪表的基本试验，为着使这个基础牢固需要进行数据库的积累和更新。

从30～70年代曾进行过许多种类介质的实验：

水、空气、天然气、蒸汽和油，这些介质的流量实验装置有不同雷诺数范围，如油为低雷诺数（层流，过渡流到湍流），水为低、中雷诺数，空气和蒸汽为中、高雷诺数，天然气可达最高雷诺数。

另外数据库中数据的可靠性是首要的。

70年代美国ASME流量计研究委员会曾推选美国W·Fling和法J·stolg两位孔板专家对OSU数据库进行评估，结果两位专家认为OSU数据库数据分散性很大，标准差达4.3%，限制管径、雷诺数和β值后，极限误差（即不确定度）才降到±1%以内；并且在分析数据时找不到原始试验的一些条件，如孔板平直度、入口边缘锐利度、管壁粗糙度、孔板安装的偏心度（不同轴度）等；对白金汉流出系数公式能否适用普遍的商业应用提出质疑。

最后，两位专家筛选出OSU试验有303个技术上没有缺陷的数据点。

80年代美国和欧洲大规模孔板流量计试验主要目的就是更新孔板流出系数的数据库，参加试验的实验室11个，共积累质量上乘的数据点16376个，其中介质为油1889点，水为8616点，气体为5871点，雷诺数范围ReD：

400～5.3×107，管径D：

52～586mm，β值：

0.1～0.75，d=12.5～440mm等。

　　　　应该指出，无论哪个实验室都不免会存在试验数据的系统偏差，它是由实验室工作条件、人员和试验方法等产生的，众多实验室的参与可使数据随机分散，消除其系统偏差，这是保证数据可靠性的重要措施。

（2）现场试验

　　　　现场试验最重要内容是安装管路的设置，规定节流装置上下游侧直管段长度，包括流动调整器型式及使用，它是克服非充分发展管流干扰的方法。

60年代ISOR541没有提这方面内容，其实R541取材的美国和德国，英国等标准有此规定，但两者相差甚大（约为1倍），无法调和，只好避开此矛盾（个人猜想）。

前面我们提过ISO5167（1980年）投票通过时，美国投了反对票，为此ISO特别成立ISO/TC30与ISO/TC28联合工作组，对此问题进行专题调查，但问题一直到新的ISO5167颁布时才算解决。

从前面介绍AGA3号报告约240篇的参考文献中，安装影响为59篇，管壁粗糙度13篇，流动调整器38篇，脉动流影响13篇，共计123篇，另外A.2～A.19中亦有多篇是针对现场试验的，亦就是说超过一半论文是现场试验研究的，并且随着实验室基础数据的完成，现场试验已成为今后的主要课题。

　　　　在21世纪初，新的ISO5167与第一部ISO5167在标准的两个核心内容：

孔板流出系数公式和节流装置直管段长度规定都得到更新，反映了目前技术水平。

　　　　但是我们亦应看到，新标准中仍然没有天然气输气站关键的非充分发展管流干扰源流体分离器及汇管等阻流件的有关规定，今后标准的修订直管段长度及流动调整器的应用仍需不断更新完善。

现场非定常流干扰是个非常复杂的问题，至今ISO只提出一份技术报告ISOTR3313（1998年）它是脉动流（非定常流的特例）干扰抑制及误差估算的导则，迄今尚没有一份流量测量标准包括非定常流干扰抑制的定量规定，这个问题在现场应用中是回避不了的。

应指出，非定常流干扰问题从节流式差压流量计开始应用时就曾进行过大量工作，20年代，著名霍奇森数（Hodgsonnumber）就是在研究脉动流对差压流量测量中提出来的。

50年代曾刊登一篇名为“脉动流测量—文献的述评”列举大量文献予以述评。

现场试验时还有另一重要内容为检测件在长期使用中受流体的作用发生结构偏离等缺陷所引起的问题，如何进行定量修正（补偿）或确定重新校验周期以及定性估计等。

　　　　目前国内市场上常用几类流量计，如速度式流量计（涡轮、涡街、电磁、超声等）、差压流量计（均速管、内文丘里管等）很少进行过如此深入的实验室和现场的试验研究。

在这些流量计中提供的准确度和安装使用数据有何根据？

这些都说明流量仪表在开发与应用中试验研究任重而道远。

　　2.标准化的重要性

　　　　节流式差压流量计的流量输出信号决定于检测件的结构型式、几何形状及尺寸和管道尺寸等，检测件结构型式及几何形状与尺寸的标准化（社会化）非常重要，试想一下，如果30年代几种节流装置（孔板、喷嘴和文丘里管）没有实行标准化，结构型式不统一，试验研究成果无法汇聚在一起，有哪个国家、企业、科研群体能承担得起这些大量工作，即使进行工作其深度和广度亦不可同日而语，但是目前有些差压检测件，如均速管、内文丘里管等，花样不断翻新，一厂一个样，这样只能依靠本厂力量来进行试验研究，要达到一定成熟程度投入需多大，时间又会拖多长？

广告上刊登的可在几米直径下工作并且准确度为?

%读数有何依据？

　　3.适用范围应如实告诉用户

　　　　节流式差压流量计依据力学原理工作，其他类型（原理）流量计，如电、声、热、光等原理工作的流量计有不同特点，不能照搬节流式差压流量计的发展模式，另外，节流式差压流量计的应用范围几乎覆盖整个工业测量领域，如果仅在某一范围内应用，则遇到的问题要少得多，开发过程亦可缩短。

近年来，微电子技术、先进制造技术和计算机技术的迅猛发展，它大大加速仪表的开发过程，对于某种类型流量仪表新品种可在较短时间内完成实验室和现场的试验研究，不过应如实向用户说明其适用范围才好。

　　4.应用流体特性和流动特性的研究

　　　　无论何种流量计，除非仅在实验室里使用，在现场使用的都会面临两种影响：

流体特性和流动特性，进行实验室的和现场的试验研究不可或缺，随着应用领域的扩展，现场试验内容亦在不断增加，要估计现场试验的长期性和艰巨性，制订长期开发规划和短期实施计划，逐步推进，积累资料使仪表的应用更成熟起来，但国内有些新产品，仅在实验室中进行若干试验，就急于大面积推广使用，而不是选择一些试用现场，进行必要的试验研究，这样在应用中常会出现意想不到的问题，耽误了用户的使用，亦使企业信誉蒙受损失。

　　5.试验设备的建立应统筹规划，分工协作

　　　　流量仪表在开发与应用中遇到的问题基本上靠试验来解决，理论分析与计算只起辅助作用，但是目前国内流量试验设备大都是实验室的（即工作条件为参比条件），缺乏现场试验设备成为开展工作的制约因素，现场试验设备种类繁多，技术内容复杂，不是一般企业都能承担得起建造的，应该依靠行政的、行业的力量通盘考虑，分工协作创造必要的工作条件有利于开展工作。

防止劣质厂家肆无忌惮地蒙骗用户，使整个行业处于一种不正常状态，妨碍仪表质量的提高。

　　6.各类仪表皆有其适用范围，正确选用很重要

　　　　近20年来，各类新型流量计如雨后春笋不断涌现，究其原因，可能与节流式差压流量计的缺陷不无关系。

各种类型（原理）的流量计有不同特点及其适用范围，它们可以组成流量仪表大家庭，分工协作，各尽所能，这是时代的进步。

本文主要是想说明所有流量计可从这位老大哥身上学到更多东西以便超越它，否则只是空喊要代替它是没有用的。

但是目前情况令人有点困惑，一方面宣称要代替孔板流量计，另一方面在仪表的基础工作上却没有多少作为，如实验室试验研究方面，是否已建立起质量过得硬的仪表系数数据库？

现场试验又解决了哪些实际问题？

产品技术指标的依据是否牢固等等？

总之，如果在这些工作中不能超越孔板流量计，要想代替它是不可能的。