在工程實踐過程中，通常把量程比（又稱為范圍度）理解為在滿足計量性能要求的情況下所能測量的非常大流量值與非常小流量值的比值，這個理解與ＧＢ／Ｔ２５９２２—２０１０《封閉管道中流體流量的測量用安裝在充滿流體的圓形截面管道中的渦街流量計測量流量的方法》中“范圍度”的定義一致，也與ＪＪＦ１００４—２００４《流量計量名詞術(shù)語及定義》和ＧＢ／Ｔ１７６１１—１９９８《封閉管道中流體流量的測量術(shù)語和符號》中定義“非常小流量”和“非常大流量”的前提對應(yīng)，即滿足計量性能要求或示值誤差不超過非常大允許誤差。量程比為初步確定流量計類型提供了依據(jù)，常見流量儀表推薦量程比見表１所列。

１、流量計工藝參數(shù)

某項目粉煤鎖斗工藝介質(zhì)為干粉煤，輸送氣體介質(zhì)為二氧化碳，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為１．９６ｋｇ·ｍ－３，管道公稱通徑為ＤＮ１５０，鎖斗的操作壓力變化范圍為０．１１～４．９１ＭＰａ允許壓損為２０ｋＰａ，操作溫度為８０℃。粉煤鎖斗升壓采用流量計的具體工藝操作參數(shù)見表２所列。

根據(jù)上述參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下量程比為５７∶１，工作狀態(tài)下量程比為２．１∶１。如果按照流量計推薦量程比選型，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下僅有科里奧利質(zhì)量流量計和超聲波流量計可用；在工作狀態(tài)下，所有類型流量計均可用。量程比的兩種不同的理解導(dǎo)致了不同的選型結(jié)果。本文針對表２涉及的工況，討論渦街流量計和差壓流量計的選型。

 

２渦街流量計

２．１測量原理

渦街流量計利用卡門渦街原理，在流體中安放旋渦發(fā)生體，流體在旋渦發(fā)生體下游兩側(cè)交替地分離釋放出兩列有規(guī)律的交錯排列的旋渦，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，該旋渦的頻率與旋渦發(fā)生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關(guān)，旋渦的頻率與流量成正比，該頻率可由探頭檢出。計算公式如式（１）所示。

式中：ｂ———阻流件的寬度，ｍ；ｕ－———流經(jīng)流量計的流體平均流速，ｍ／ｓ；ｆ———旋渦的頻率，Ｈｚ；Ｓｒ———斯特羅哈爾數(shù)（Ｓｔｒｏｕｈａｌｎｕｍｂｅｒ），量綱一的量。

 

由式（１）可知，ｆ與ｕ－成線性關(guān)系，即渦街流量計的量程比與流經(jīng)流量計的操作工況下的流量成線性關(guān)系，與標(biāo)況流量無關(guān)。渦街流量計的非常小可測流量取決于雷諾數(shù)和傳感器靈敏度，非常大可測流量取決于制造廠家允許的非常大流速。表２中，流量計操作工況下的的量程比為２．１∶１，處于渦街流量計的推薦量程比范圍５∶１～４０：１內(nèi)，初步判定可以選用渦街流量計。

 

２．２選型計算

因表２中的兩種工況的操作壓力相差比較大，不能采用常規(guī)思路進(jìn)行計算。渦街流量計（ＦＴ００１）調(diào)整后的計算思路為：按照非常大流量工況確定初步的流量計口徑；核算非常小流量工況是否在確定口徑的渦街流量計能夠保證精度的測量范圍內(nèi)。

 

對ＦＴ００１非常大流量工況進(jìn)行計算。根據(jù)計算結(jié)果，該流量計口徑初步確定為ＤＮ１５０。在非常大流量工況下，其滿足１％精度的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測量范圍６２５１．４３８～１６６７０５．０４１ｍ３／ｈ。

 

對ＦＴ００１非常小流量工況進(jìn)行核算。在非常小流量工況下，其滿足１％精度的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測量范圍２７５．２８～７０２９．４７３ｍ３／ｈ。ＦＴ００１標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下非常小流量４００ｍ３／ｈ在測量范圍內(nèi)。ＦＴ００１的口徑確定為ＤＮ１５０時，能夠同時滿足非常大流量和非常小流量兩種工況。

 

３差壓流量計

３．１測量原理

差壓流量計是以伯努利方程和流動連續(xù)性方程為依據(jù)，當(dāng)被測介質(zhì)流經(jīng)差壓件時，在其兩側(cè)產(chǎn)生差壓，通過測量差壓確定流體的流量。差壓流量計主要由：節(jié)流式或非節(jié)流式差壓件、差壓變送器和流量積算儀組成。質(zhì)量流量與差壓的計算公式如式（２）所示，體積流量與差壓的計算公式如式（３）所示：

式中：ｑｍ———質(zhì)量流量，ｋｇ／ｓ；ｑＶ０———流經(jīng)流量計的流體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，ｍ３／ｓ；ρ０———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，ｋｇ／ｍ３；ρ１———測定體積流量時的溫度和壓力下的流體密度，ｋｇ／ｍ３；Ｃ———流出系數(shù)；β———直徑比，ｄ／Ｄ；ε———膨脹系數(shù)；Δｐ———差壓，Ｐａ；ｄ———工作條件下一次裝置節(jié)流孔或喉部的直徑，ｍｍ；Ｄ———工作條件下上游管道內(nèi)徑或經(jīng)典文丘里管上游直徑，ｍｍ。

 

對于已經(jīng)確定的節(jié)流裝置，Ｃ，ｄ，β，ε為確定值，公式（３）可轉(zhuǎn)換為：

 

由上述分析可以看出，標(biāo)準(zhǔn)孔板作為一種節(jié)流式差壓件，要保證在某個精度范圍內(nèi)測量流量就需滿足２個條件：

 

１）Ｋ為常數(shù)，保證ｑＶ０與Δｐ成正比，這就要求被測介質(zhì)的非常小雷諾數(shù)大于ＧＢ／Ｔ２６２４．２—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第２部分：孔板》［１］中要求允許的極限雷諾數(shù)，以保證Ｃ為常數(shù)；

 

２）要能測量出Δｐ，并且保證要求的精度。標(biāo)準(zhǔn)孔板可測的非常大流量是刻度流量，可測的非常小流量取決于標(biāo)準(zhǔn)的極限非常小雷諾數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)孔板的極限非常小雷諾數(shù)與取壓方式、開孔直徑比有關(guān)。對于法蘭取壓的標(biāo)準(zhǔn)孔板，管道雷諾數(shù)ＲｅＤ不小于５０００且不小于１７０×β２×Ｄ。

 

標(biāo)準(zhǔn)孔板兩種工況下的差壓比值可由公式（３）計算，兩種工況的差壓比值為該值大于當(dāng)前主流智能差壓變送器的量程比１００∶１，智能差壓變送器測量下限限制了流量測量準(zhǔn)確性。標(biāo)準(zhǔn)孔板（ＦＥ００１）可配置Ａ，Ｂ２臺差壓變送器，采用差壓／流量接力的方法進(jìn)行測量。差壓變送器Ａ檢測大量程差壓信號，差壓變送器Ｂ檢測小量程差壓信號，２臺變送器同時工作，信號送入流量計算儀或用戶系統(tǒng)中使其相互協(xié)調(diào)工作。在小流量時采用低量程差壓變送器的輸出作為測量數(shù)據(jù)；當(dāng)流量超過低量程范圍時，由系統(tǒng)切換采用差壓變送器Ａ輸出作為測量數(shù)據(jù)，如此就用２臺變送器接力方法實現(xiàn)了寬量程的流量測量。

 

３．２選型計算

標(biāo)準(zhǔn)孔板和渦街流量計采用同樣的計算思路，首先按照非常大流量工況初定標(biāo)準(zhǔn)孔板的開孔直徑，然后核算確定開孔直徑的標(biāo)準(zhǔn)孔板在非常小流量工況下的測量范圍是否包括非常小流量。ＦＥ００１非常大流量工況的計算結(jié)果：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的刻度流量為２８０００ｍ３／ｈ，對應(yīng)的刻度差壓為４５ｋＰａ，β為０．６７８０３，管道極限非常小雷諾數(shù)為１１６７３，對應(yīng)的非常小流量為４７．９５ｍ３／ｈ，量程比約為５８０∶１，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的非常大流量２５５５９ｍ３／ｈ對應(yīng)的差壓值為３７．４４７ｋＰａ。

 

ＦＥ００１非常小流量工況的計算結(jié)果：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下刻度流量為４９４９．４５ｍ３／ｈ，對應(yīng)的刻度差壓為４５ＫＰａ，β為０．６７８０３，管道極限非常小雷諾數(shù)為１１６７３，對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下非常小流量為４３．８４９ｍ３／ｈ，量程比約為１１２∶１，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下非常小流量４４８ｍ３／ｈ對應(yīng)的差壓值為０．３０９ｋＰａ。

 

ＦＥ００１在非常大流量和非常小流量兩種工況下的不確定度（不考慮差壓變送器）不大于０．８７％，其量程比遠(yuǎn)大于其推薦量程比３∶１，但因標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下非常小流量４４８ｍ３／ｈ對應(yīng)的差壓太小，僅有０．３０９ｋＰａ，其對應(yīng)的不確定度（考慮差壓變送器）已升高至５％，所以差壓流量計的量程比一般不受標(biāo)準(zhǔn)孔板影響，主要受差壓變送器測量下限的限制。

 

４測量修正

因粉煤鎖斗升壓流量計兩種工況中壓力變化比較大，為提高儀表測量精度，需要對測量結(jié)果進(jìn)行修正。

 

４．１渦街流量計

測量氣體時，渦街流量計工作狀態(tài)下測量修正計算如式（５）所示：

式中：ｑＶｆ———工作狀態(tài)下的體積流量，ｍ３／ｈ；ｑＶｎ———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，ｍ３／ｈ；ｔ，ｐ，Ｚ———工作狀態(tài)下的的溫度、壓力、氣體壓縮系數(shù)；ｔｎ，ｐｎ，Ｚｎ———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度、壓力、氣體壓縮系數(shù)。因兩種工況中溫度不變，渦街流量計測量結(jié)果僅考慮壓力和氣體壓縮系數(shù)的修正系數(shù)即可。

 

４．２差壓流量計

因粉煤鎖斗升壓流量計兩種工況中溫度不變，而壓力改變時，同時影響ρ，Ｚ，Ｃ，ε，差壓流量計工作狀態(tài)下測量修正計算如式（６）所示：

式中：ｑＶ———體積流量（設(shè)計值），ｍ３／ｈ；ｑＶ１———體積流量（實際值），ｍ３／ｈ；ρ———介質(zhì)密度（設(shè)計值），ｋｇ／ｍ３；ρｘ———介質(zhì)密度（實際值），ｋｇ／ｍ３；ｐ１———壓力（設(shè)計值），ＭＰａ；ｐ２———壓力（實際值），ＭＰａ；Ｚ０，ε０，Ｃ０———工作狀態(tài)下的氣體壓縮

系數(shù)、膨脹系數(shù)、流出系數(shù)的設(shè)計值；Ｚ１，ε１，Ｃ１———工作狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)，膨脹系數(shù)，流出系數(shù)的實際值。

 

４．３實現(xiàn)方式

測量修正一般有以下兩種實現(xiàn)方式。方式一：當(dāng)現(xiàn)場儀表有內(nèi)置壓力時，儀表根據(jù)所測壓力由儀表內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)庫自動計算體積流量和質(zhì)量流量。方式二：采用智能流量計算儀或ＤＣＳ。將現(xiàn)場儀表所測工況體積流量和溫度及壓力變送器所測信號傳到流量計算儀或ＤＣＳ，由智能流量計算儀或ＤＣＳ進(jìn)行補償運算，可以輸出質(zhì)量流量、標(biāo)準(zhǔn)體積流量等。ＤＣＳ一般完成比較簡單的補償計算，智能流量計算儀完成比較復(fù)雜且計算速度要求比較高的補償計算。渦街流量計一般采用方式一實現(xiàn)測量修正，其儀表表頭指示和ＤＣＳ指示能夠保持一致。標(biāo)準(zhǔn)孔板一般采用方式二實現(xiàn)測量修正，但差壓變送器測量修正前的指示與智能流量計算儀或ＤＣＳ相差較大，沒有參考意義。

 

５結(jié)束語

利用量程比初步確定流量計類型時，渦街流量計以操作流量為主，差壓流量計以差壓變送器量程比為主。對于大量程比的流量儀表選型，應(yīng)仔細(xì)分析常用流量計的測量原理并識別影響量程比的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)常用流量計的量程比不能滿足要求時，應(yīng)考慮是否存在擴展量程比的成熟方案。