微差压测量(大口径流量测量的更好选择，解析阿牛巴流量计的技术和应用)

Posted 2023-05-26

篇首语：风流不在谈锋胜，袖手无言味最长。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了微差压测量(大口径流量测量的更好选择，解析阿牛巴流量计的技术和应用)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

微差压测量(大口径流量测量的更好选择，解析阿牛巴流量计的技术和应用)

介绍适用于大口径流量测量的T型差压式均速管流量计，阐述了该流量计的工作原理、基本结构、性能特点和应用情况，并和孔板流量计作运行能耗的计算比较。

概述

利用差压原理进行流量测量是当今世界上使用最多，同时也是可靠的流量测量系统之一。差压流量测量系统的代表产品孔板有着悠久的历史，它占据了目前世界上大概50~55%左右的工业流量测量市场，大家对其安装、使用和检修非常熟悉。

孔板流量计简单可靠、加工方便，但也存在着量程比小、精度低、不可恢复压损大、安装调试不方便、需要进行磨损更换等缺点；而且在大于6英寸大口径管道应用上，孔板流量计更失去了它的价格优势，因为二个大法兰价格和安装、维护成本是可观的。

艾默生公司的T型阿牛巴流量计就非常好地解决了孔板流量计在大口径流量测量上的全部问题。阿牛巴流量计有着测量精度高、量程比大、不可恢复压损小、调试方便、不需要进行磨损更换维护、安装成本非常低、可以在不停流的情况下带压安装或检修、并降低了对直管段的长度要求等优点。

第三代T型阿牛巴流量计

阿牛巴流量计是由美国Dieterich Standard Inc（缩写DSI）在60年代末基于伯努利能量守恒原则和皮托管(Pitot)测速原理制造的的差压式均速管流量计，Annubar®为其注册商标(中文译为阿牛巴)。DSI公司是这种差压式均速管流量检测元件的发明者，现已成为艾默生公司的一个产品子公司。

阿牛巴流量计在70年代随成套设备引入我国。由于制作简单、计算方便，国内、外已有多达数十家的仿制产品。在产品样本上、在科技论文中常常可以见到“阿牛巴流量计”之类说法，实际上是一种错误理解，因为阿牛巴（Annubar®）是DSI为其发明的均速流量计所注册的商标，而不是某类产品的名称。

DSI公司的阿牛巴流量计从60年代末到现在总共经历了第一代圆型、第二代宝石I型、宝石II型和革命性的T型三代产品的发展（见图1）。

图1 DSI公司三代阿牛巴产品

最初的阿牛巴流量计的检测杆断面形状是圆形的，但圆形阿牛巴流量系数K值在雷诺数Re为105～106之间时，分离角处于78～130°之间不确定的位置上（见图2）, K值增大且分散，分散度约为±10％。根据阿牛巴流量计算公式中流量与K值成正比的关系，因此K值±10％的分散性将造成流量测量±10％的误差。

图2 圆形阿牛巴流量系数K值分离角位置图

随后，菱形断面的宝石I型阿牛巴流量计解决了圆形阿牛巴流量系数K值不稳定的问题；宝石II型的阿牛巴则进一步减少了流体经过阿牛巴传感器边缘时所产生的旋涡引起的信号失真；其他在圆型阿牛巴流量计基础上发展来的椭圆型、扇型、子弹型、机翼型等多种均速管流量计（这些都属于第二代的产品），相比一代圆形阿牛巴，它们或多或少的都有进步，但使用存在着以下问题：

流量系数 K 不够恒定，大大影响了阿牛巴在低速度、低流量时测量的精度。
产生的差压信号比较小：一般只有1~3Kpa左右；在测量流速比较低的工况时，甚至只有20~50 Pa。当时的差压变送器对这样低的差压的测量精度和稳定性没有办法保证，局限了其使用范围，特别是一些气体流量测量的应用。
容易受各种干扰影响，产生差压的信噪比低,影响了测量的稳定性。
因为均速管流量计是流体速度取样式流量计，需要按流体力学研究的要求对管道内一定位置的流体速度取样，所以安装要求在X、Y、Z三轴方向一般要求不能偏差±3°：在一般现场要达到这个安装精度是很困难的。

为了解决上面的这些问题，DSI公司继续对阿牛巴流量计做了近二十年的大量的流体力学研究，终于在2001年推出了第三代T型阿牛巴流量计（图3）。

图三艾默生T型阿牛巴流量计

和以往的各种以圆形、菱形为基础的各式各样的均速管流量计相比，第三代的T型阿牛巴流量计的不仅保持了宝石II型阿牛巴的各种优点，而且比较完美地解决了上面提到的四个存在的问题。

这些改进是革命性的：

01获得专利的T型阿牛巴解决了以往所有各种形状均速管流量计流量系数K在流量变化特别是在小流量时不稳定的问题，它有着非常恒定的K系数，流量测量最高精度可以达到± 0.75% ，重复性为± 0.1%。

从下图4各种均速管流量计实际测试数据图中可以看到T型阿牛巴的流量系数K在各个雷诺数范围（包括在流体小流量，低雷诺数）中多能保持恒定在± 0.75%以内,从根本上保证了它在各种流体状况中能得到精确的测量。这个改进非常明显。

图4 各种均速管流量计流体雷诺数

02取得专利的T型阿牛巴正面高压取压槽口跨越整个管道直径，获得比以往各种形状均速管流量计12倍以上的流体速度取样面积，因而得到平均流量速度分布综合的精确的测量结果，并具有出色的杂质抗堵性能。

图5 管道中流体的流线图

从图5中可以看到：流体在T型阿牛巴正面能形成一个大的高压区，流体中的杂质将绕过这个高压区，并流离T型阿牛巴背后低压取压口的滞流区。杂质一般不会进入内部。多年来在各行各业得到无数成功应用的事例已经证明T型阿牛巴的抗堵设计是非常出色的。

03三、以往各种形状均速管流量计相比,取得专利的T型阿牛巴在流体同样的工艺条件下产生的差压信号大80％以上，并具有突出的信噪比。

以往的均速管流量计抗干挠能力差，在低流量时，输出信号的信噪比太低,失真度太大，而且配套使用的差压变送器对微差压测量的精度和稳定性无法保证，所以其使用好坏的一个重要条件，就是工艺条件要满足它在测量流体时产生的差压要足够大。图6显示了各种均速管流量计的相对差压信号强度。

图6 相对差压信号强度

第三代T型阿牛巴能产生比以往均速管流量计大80%以上的差压，这种改进不但使得它有着10:1到 20:1的量程比，测量精度得到提高，而且可以能使用在以往不能被使用的低流速场合。

从下图7可以看出它的差压输出信号具有非常好的信噪比，使得差压变送器能得到正确的差压信号，从而得到流量的稳定测量。

图7 信噪比测试数据

04四、取得专利的T型阿牛巴正面高压取压槽口跨越整个管道直径，允许在X、Y、Z三轴方向有±5°的偏差，安装人员能更容易地安装、调试。

气体流量的测量问题

由于气体流量的复杂性，气体流量仪表在测量精度、可靠性等方面都明显劣于液体流量仪表，特别是对DN>200的大管径的气体(如煤气、烟道气、蒸汽)流量测量面临的问题更多。这主要表现在以下几个方面：

流量计的标定基本是以水为介质，因此缺乏国家授权、客观公正的大管径气体流量标定装置，致使气体流量仪表的精确度不能得到公认，测量误差大。
气体的流量测量受温度、压力的变化而变动，这些不利因素对气体流量仪表的精确度、重复性造成严重影响，经常无法达到用户的需求。
工业流程的大口径管道往往是总管，一旦停气检修，牵涉面广，损失大，因此需要流量仪表高可靠性，和稳定性，同时具有免维护性。
大部分的差压流量计，特别是孔板的不可恢复压损大，长年累月的运行成本高。

第三代T型阿牛巴是如何面对上面的四个问题的？

1问题：流量计标定的问题

流量计的标定是为了检验它在规定流量测量范围中的精度和重复性。第三代T型阿牛巴在各个流量范围中的高精度、高重复性的指标在美国、欧洲多个权威流量研究中心得到认可（包括美国国家标准与技术研究院，简称NIST），并完全符合均速管流量计行业标准（JB/T5325-1991）；在中国获得中国质检总局的计量器具的认可批文。

流体的冲刷磨损对第三代T型阿牛巴的测量几乎没有影响。所以无需标定，仅仅只需对其配套变送器做普通压力测量精度的标定。

罗斯蒙特3051C 变送器具有0.065%测量精度，同时五年免标定。

罗斯蒙特3051S 变送器具有0.025%测量精度。同时可以十五年免标定。

2问题：气体的压力，温度变化对测量的影响

气体的压力，温度变化对流量测量的精度会造成很大的影响。以往是通过增加压力，温度补偿来提高流量测量的精度。常规的流体温度、压力补偿公式为：

，其中 Qmass 是流体的质量流量，K是流量系数，DP是流量计产生的差压，P是工作压力，T是流体的温度。但流量系数K不是一个常数，是随着流量、压力、温度的变化而变化的。但是在实际使用中，流量系数K则采用了流体正常流量时的固定值，所以流量计的测量精度就大大降低了，这是导致差压式流量计测量精度低的一个重要原因。

艾默生公司为了解决这个问题，在高精度差压变送器3051S的基础上发展了3051SMV多参数流量变送器，配套各种各样的差压式流量传感器使用。

3051SMV多参数流量变送器内置了±0.04％精度的差压变送器、±0.04％精度的绝压变送器、温度变送器、高速CPU和大容量数据储存器，废弃了常用的用恒定流量系数K的粗略流量计算公式，对流体流量进行实时、动态最完全的补偿计算。

图8 3051SMV多参数流量变送器使用的动态,实时流量补偿,计算公式说明图

3051SMV内置的大容量数据储存器储存了各种流体在不同压力、温度下在计算公式中所需要使用的物性数据：包括密度、粘度、气体常数、压缩系数、等容比热等等数据；根据流体实际变化的工作压力，温度，可以从数据库中取出对应的数据放入补偿公式中计算。这个流量计算公式还对管道和孔板中心孔在不同温度，压力下的热胀冷缩和膨胀等各种影响进行补偿计算，最大程度地消除各个造成流量测量误差的因数。在使用同样的差压流量一次检测元件的情况下，使用3051SMV可以使整个流量测量系统精度提高一倍以上。
对于蒸汽的流量测量，3051SMV 会判断蒸汽处于饱和、不饱和还是过热的状态，并自动切换到相应的补偿计算公式进行计算。

3051SMV 和T型阿牛巴的结合使用能非常好地解决气体压力、温度变化对流量测量精度的干扰，而且T型阿牛巴中的温度传感器是包含阿牛巴的腔体之中，（T型阿牛巴就是坚固的套管），这样在工艺管道上仅仅需要开一个口，就同时解决了差压、压力、温度的测量，节省安装成本，方便施工。（见图9）

图9 安装对比图

3问题：工业生产需要整个测量系统有高可靠性和稳定性、免维护、支持在线维护、更换的问题

第三代T型阿牛巴的特点完全满足这些要求：

结构简单，没有任何易损部件，稳定性、可靠性高，基本就是免维护的。
流体的冲刷磨损对T型阿牛巴的测量几乎没有影响，所以无需定期标定，仅仅只要对它的配套变送器做普通压力测量精度的标定。
提供专门设计的配套系统支持不停车、T型阿牛巴在线的拆装、更换的操作。

4问题：孔板差压流量计不可恢复压损大，长年累月运行成本大的问题

大部分用户基本上没有关注对流量仪表的不可恢复压损所带来的能源消耗成本，我们下面通过一个实际的例子（如图10），来看一下这个能源消耗成本是否应该重视。

图10 实例工况表

按孔板使用条件，其量程比最大为1:3~1:4，因此其最低量程达不到1500m³ /h，这方面T型阿牛巴远远优于孔板。

下面就二种流量计因不可恢复压力损失造成的能源损耗作一些比较。

图11 孔板和T型阿牛巴能源损耗计算

从图11上可以看到，每年节约的能源费用为57619－1779＝55840（元）：仅仅一个测点，使用T型阿牛巴流量计每年至少节省大约5.5万元，而且在低流量段提供了孔板不能满足的流量测量精度。

上面这个例子是工厂生产中一个非常普通的事例。艾默生T型阿牛巴流量计就是这样一个既省钱又有更好测量精度的流量计，符合用户多种要求。

使用均速管流量计需要注意的问题

1提供的流量数据和管道数据一定要正确

阿牛巴流量计的机械尺寸是根据要安装的管道尺寸（包括外径和壁厚）量身定制的；
阿牛巴的流量测量范围是根据用户提供的流量数据计算和标定的；

因此如果用户凭经验和印象提供流量数据和管道的尺寸，造成数据和实际情况有大的差异，从而引起大的测量误差。

2特别注意小流量时的差压大小

对于小于1Kpa 、特别是小于0.5Kpa的的差压测量，需要明了：

T型阿牛巴流量计在低流速时流量系数 K值也是非常恒定的，测量精度非常高。
对于< 0.5 Kpa的微差压测量，是非常考验差压变送器的性能的：如果使用一个均速管流量计而没有得到好的测量精度的话，那变送器选择不当也很可能是一个重要的原因。3051C变送器在微差压测量精度上有极其高的测量精度，它的最小量程可以做到0－25Pa，且提供5年免标定的稳定性承诺。3051SMV变送器在微差压测量精度上又比3051C要高约3倍，且提供15年免标定的稳定性承诺。

3引压管的使用

差压式均速管流量计产生的差压一般都比较小，要尽量不使用引压管道，以提高小差压信号传递的信噪比.

艾默生T型阿牛巴流量计提供了阿牛巴，三阀组，差压变送器一体化的直接安装方案（3051、3051S/SMV系列变送器取得专利的的Coplanlar®共面法兰就是专门为了和三阀组，变送器一体化设计的），在流体温度不高于300℃ 的情况下，我们建议使用这种方式，可以彻底减除引压管，排污阀，保温措施，安装支架等，降低了安装成本，同时减少使用引压管道而引起的泄露，差压信号失真等问题，保证高测量精度。

图12复杂的引压系统的安装可能泄露点（箭头示意可能的泄漏点）

图13 罗斯蒙特T型阿牛巴一体化安装可能泄露点（箭头示意可能的泄漏点）

4抗堵塞问题

对于T型阿牛巴使用中遇到的抗堵，需要考虑下面3个点：

流体中是否有粘沾性的杂质：
如果有，那就需慎重考虑了-粘沾性的杂质粘在传感器上，将大大影响测量的精度。
流体中是否杂质很多，而且装置是间隙操作、经常停车且时间长：
如果是，在长时间的断流时间中,杂质可能会干燥、结垢在传感器的表面，长年累月一点点地堵死取压口。
引压系统泄露：
如果没有使用直接安装方式,引压管路系统引起的可能泄露点会造成在阿牛巴的引压腔体内部有流体流动。这个流量即使是非常、非常小的, 流速是非常、非常慢的，但长年累月下，杂质还是可能会一点点进入阿牛巴内部并结聚，从而造成堵塞。

结束

均速管流量测量的理论研究和应用技术日趋成熟，艾默生罗斯蒙特T型阿牛巴又具有高稳定性和高测量精度、一体化的安装方式、本质性抗堵特性，宽测量量程范围，非常低的运行能耗等等优点，在现有节能减排的大时代中，有着越来越宽广的应用价值。