1 前言

    流量计的量程比，对于各种流量计都是指最大流量和最小流量之比，即量程比为3∶1~3.5∶1左右。当量程比扩大了，就很难保证该仪表选型样本所保证的仪表精度。但现场实际情况却往往存在量程比为10∶1，特别当该流量计又用于计量用途时更需要精确。双量程差压式流量计从理论到实际解决了这一个长期困扰的问题。

    2 原理

    现在，差压式流量计在流量测量中使用得仍然很普遍。这是因为这种流量计具有稳定性佳，耐振性好，抗干扰能力强，使用和检定方便等优点，但其相对流量较小时，测量精度低，甚至进入小流量信号切除，使供方利益受损。

    节流式差压流量计的一般表达式[1]：

  （1）   

    式中：q_m—质量流量，kg/s；

    C——流出系数；

    ε₁—可膨胀性系数；

    β—直径比，β=d/D；

    d—工作条件下节流件的孔径，m；

    D—工作调节下上游管道内径，m；

    Δp—差压，Pa；

    ρ₁—上游流体密度，kg/m³。

    由上式可见，流量为C、ε、d、Δp、ρ、β（D）6个参数的函数，而当统计量C和ε近似为常数，并将实测量d、Δp、ρ、β（D）在制造安装时测量后，得到以下关系式：

      （2）

    式中：qm—质量流量，kg/h；

    Δp—差压，Pa。

    这一关系式如果用图1表示，则更为明了、形象。

图1 q_m=f（ΔP）曲线

    从公式和曲线可看出，在流量较大时，节流装置送出的差压信号幅值较大，所以可测量得较准，但流量较小时，节流装置送出的差压信号幅值很小，例如：在10％FS流量时，差压信号只有满量程的1％。差压式流量计测量如此小的流量，精度就较低。

    解决这一问题的方法是用大小两杆秤，在流量大的时候用大秤，在流量小的时候用小秤。双量程差压式流量计就是根据这一原理设计的。所谓双量程差压流量计即指一个节流装置采用两台差压变送器。

    使用双量程差压式流量计的检测装置可用标准孔板、多孔孔板（A+K平衡流量计）等一个双量程节流一次元件，采用两台差压变送器。其中一台差压变送器测量上限较高，另一台差压变送器测量上限很小，一般只有3kPa或更小，两路信号同时送入智能化二次仪表，进行计算、判断和自动切换，得到流量值，从而将大流量和小流量都计算得很准。

    3 问题

    要实现双量程差压流量测量还需解决以下问题：

    3.1 雷诺数（R_eD）补偿

    由雷诺数的表达式可知[2]，管道内流动流体的雷诺数与流体的流量成正比。

       （3）

    式中：R_eD—与D有关的雷诺数；

    qm—质量流量，kg/s；

    μ—流体的动力粘度，Pa·s；

    D—管道内径，m。

    所以，流体流量在广阔的范围内变化时，雷诺数也在较大的范围内变化。而差压式流量计的流出系数又是雷诺数的函数，因此，需对流出系数进行在线补偿，才能保证全量程的测量精确度。

    以GB2624-2006中的表达式为例进行分析[2]。式（4）所示为标准孔板（角接取压）流出系数C表达式。     

      （4）

    式中：C—流出系数；

    β—直径比；

    R_eD—与D有关的雷诺数。

    式（6）所示的关系如果用图表示，更加直观和形象[3]（见图2）。    

图2 典型标准孔板流出系数随雷诺数变化曲线（β=0.6）

    在图2中，随着雷诺数R_eD的减小，流出系数C逐渐增大。在双量程差压流量计的低量程段，往往就处于曲线的迅速升高段，如果不进行补偿，必将导致流量示值明显偏低。

    3.2 可膨胀性系数（ε）校正

    可膨胀性系数的表达式仍以GB2624-2006为例。式（5）所示为标准孔板表达式。 

        （5）

    式中：ε₁—可膨胀性系数；

    　ΔP—差压，Pa；

    　P₁—节流件正端取压口流体静压力，Pa（A）；

    　κ—等熵指数。

    在双量程差压式流量计中，流体流量在广阔的范围内变化，相应的差压信号变化幅度更大。例如：流量变化20倍，相应的差压变化就达到400倍，这种变化引起ε₁值的变化很可观，对其进行在线校正，意义比C的补偿更大。

    4 应用

    据上海同欣自动化仪表公司（原上海宝科自动化仪表研究所）的FDId型仪表针对以上问题做出两项改进：

    其一：引入了雷诺数（R_eD）补偿。

    其二：进行了可膨胀系数（ε）校正。

    从而在实际流量偏离常用流量时，能获得与常用流量时相当的系统精度。同时该仪表采用一体化结构，从而消除差压信号在长距离传递中所存在的失真。

    同欣公司承诺，这种流量计用来测量蒸汽流量时，能达到下列指标：

    量程比：30：1；

    系统精确度：±1.5％；

    可测范围：1~100％；

    保证精度范围：3~100％；

    流体温度：≤560℃；

    流体压力：≤6.4MPa；

    全量程温度、压力补偿。

    根据同欣公司介绍，这种仪表已在天津石化、上海高桥石化、张家港恒通热电、张家港永兴热电、宁波热电、上海焦化、山东渤海实业等十多个单位投入正常运行。

图3 FDId500双量程流量计在某石化厂实际运行曲线    

    图3所示图例是一台FDId500（DN500）双量程流量计在某石化厂的实际运行曲线。数据采集历史曲线图中的1、2、3、4四根曲线，分别是蒸汽压力、蒸汽温度、蒸汽密度和蒸汽质量流量。其中，质量流量测量上限为100t/h（对应差压100kPa），在读数线所对应的时刻，质量流量读数为0.93t/h，这时，低量程差压变送器（带开平方）输出电流约为4.86mA。从而将原本已进入小信号切除区域的流量予以可靠显示。

    5 小结

    双量程差压流量计已应用于多个领域，并在实际应用中产生理想的效果。鉴于双量程差压流量计技术的不断发展与改进，经济准确地实现大量程比的测量已不是难事。