0 引言

節(jié)流式流量計(jì)通常也被稱之為差壓式流量計(jì)，迄今為止仍因其制造工藝標(biāo)準(zhǔn)化、使用技術(shù)成熟、適用范圍廣，而被水利、石油、化工等各行各業(yè)廣泛地應(yīng)用，占流量計(jì)使用總數(shù)的50％ 以上。但同時(shí)，其測(cè)量精度低、量程比小、上下游安裝直管段距離長(zhǎng)、節(jié)流裝置后所產(chǎn)生的永久壓力損失大等諸多不足也日益趨顯。

隨著新興儀表測(cè)量、制造技術(shù)的不斷發(fā)展，為適應(yīng)各種過程控制對(duì)于節(jié)流式流量計(jì)測(cè)量精度及使用性能的更高要求，新一代、具有革命性性能突破的節(jié)流式流量計(jì)，即多孔平衡流量計(jì)隨之而誕生。多孔平衡流量計(jì)誕生之初由美國(guó)國(guó)家航空航天局馬歇爾航空飛行中心最先應(yīng)用于航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的液態(tài)氧流量測(cè)量，隨后因其優(yōu)越的測(cè)量、使用性能被更多行業(yè)所熟知并發(fā)展使用。

1 工作原理

多孔平衡流量計(jì)沿用了傳統(tǒng)孔板流量計(jì)的組成形式，由節(jié)流裝置、傳輸差壓信號(hào)的引壓管路及測(cè)量信號(hào)所用的差壓計(jì)這3 個(gè)部分所組成。并巧妙地將多孔整流器與傳統(tǒng)單孔節(jié)流孔板的結(jié)構(gòu)形式、性能特點(diǎn)相結(jié)合，形成了新型的多孔節(jié)流整流器，用以替代原有的單孔孔板作為節(jié)流原件安裝于流體管道上。多孔節(jié)流整流器上每個(gè)節(jié)流孔的尺寸大小及分布情況都是由特定的公式及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算所得，故被稱之為函數(shù)孔。流量檢測(cè)時(shí)，所測(cè)介質(zhì)在通過多孔節(jié)流整流器的同時(shí)進(jìn)行流體整流，減小節(jié)流裝置后的渦流，形成較穩(wěn)定的紊流，從而使引壓管路能夠獲取到較穩(wěn)定的差壓信號(hào)，并進(jìn)一步通過伯努利方程計(jì)算得出工藝所需體積流量、質(zhì)量流量等流量參數(shù)。

圖1 多孔平衡流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖

Fig．1 More than one meter structure diagram Kong Pingheng

2 多孔平衡流量計(jì)的性能優(yōu)化

多孔平衡流量計(jì)是以傳統(tǒng)孔板流量計(jì)為基礎(chǔ)，改變其節(jié)流孔的構(gòu)成形式，從而極大程度地優(yōu)化了使用性能。

1）平衡流場(chǎng)，提高測(cè)量精度

傳統(tǒng)孔板流量計(jì)的節(jié)流裝置只設(shè)有一個(gè)圓形節(jié)流孔，節(jié)流原件與管壁結(jié)合處成直角，在流體通過節(jié)流孔時(shí)，孔兩邊會(huì)有大面積的“死區(qū)”，從而產(chǎn)生持久的渦流，進(jìn)而大量消耗流體的動(dòng)能。同時(shí)，雜亂的渦流所形成的流體波動(dòng)和噪聲也會(huì)讓測(cè)量的線性度和準(zhǔn)確性降低，并且需要較長(zhǎng)的直管段來恢復(fù)流體正常的壓力和流場(chǎng)。多孔平衡流量計(jì)的節(jié)流裝置結(jié)合了多孔整流器的整流原理，通過使用精密的計(jì)算，使多孔節(jié)流整流器可以最大程度地減少死區(qū)效應(yīng)，避免渦流的產(chǎn)生，平衡流場(chǎng)，降低因渦流所引起的信號(hào)波動(dòng)，提高取壓點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而使檢測(cè)精度從傳統(tǒng)孔板流量計(jì)的±1％～±2％ 提高至±0．3％、±0．5％，能更好的適用于如能量計(jì)量、貿(mào)易核算等有較高流量測(cè)量精度要求的場(chǎng)合。

2）減小永久壓力損失、縮短直管段安裝距離

多孔平衡流量計(jì)的節(jié)流裝置采用了對(duì)稱式的流通孔布局設(shè)計(jì)，提升了流體通過的效率，最大程度地降低了渦流的形成，減少了流體通過節(jié)流裝置時(shí)造成的紊流摩擦及動(dòng)能的損失，和傳統(tǒng)孔板流量計(jì)相比，既可獲得更精確的差壓信號(hào)，又降低了1／3 ～ 1／2 的永久性的壓力損失。同時(shí)，節(jié)流裝置后流體壓力較快的平穩(wěn)恢復(fù)又可縮短流量計(jì)安裝時(shí)所需的上下游直管段距離。通常，多孔平衡流量計(jì)的上下游安裝直管段只需0．5D ～ 2D，是傳統(tǒng)孔板流量計(jì)所需直管段的1／7 甚至更短，很大程度上節(jié)省了流體測(cè)量的管道材料及安裝投入成本，這一優(yōu)勢(shì)也得到了各行業(yè)的廣泛認(rèn)可。

3）量程比寬、穩(wěn)定性更好

多孔平衡流量計(jì)特殊的多孔節(jié)流裝置極大程度地提高了流體測(cè)量量程比。美國(guó)某機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，多孔平衡流量計(jì)常規(guī)測(cè)量的量程比可以做到7：1～10：1，如果函數(shù)孔計(jì)算參數(shù)選擇合適，量程比可以達(dá)到30：1 甚至更高，這一數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)孔板流量計(jì)要高出2～7 倍。而且，傳統(tǒng)孔板流量計(jì)的流量系數(shù)一般在雷諾數(shù)高于4000 時(shí)才能趨于平穩(wěn)，在雷諾數(shù)較低時(shí)受其影響較大。但多孔平衡流量計(jì)的管道內(nèi)基本無滯留區(qū)，其流量系數(shù)受雷諾數(shù)的影響很小。即使在較低雷諾數(shù)的測(cè)量條件下，多孔平衡流量計(jì)的準(zhǔn)確性依然能夠得到保證，從根本上提升了流量檢測(cè)時(shí)測(cè)量精度的穩(wěn)定性。

3 多孔平衡流量計(jì)的應(yīng)用

多孔平衡流量計(jì)不僅適合在常見工況條件下使用，在某些特殊工況流量測(cè)量中也得到了很好的應(yīng)用。

1）高量程比流量測(cè)量

在醫(yī)藥、化工等行業(yè)中，蒸汽一般作為熱媒介質(zhì)被用于加熱或加濕工段，通常由于不同季節(jié)或一天中的不同時(shí)段所需加熱、加濕量的不同，造成蒸汽能源計(jì)量時(shí)蒸汽總管用汽流量有較大波動(dòng)，往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)孔板流量計(jì)3：1的量程比范圍。同樣，在其他類似需要大量程比流量測(cè)量時(shí)，傳統(tǒng)孔板流量計(jì)亦無法適用。而多孔平衡流量計(jì)可適用于10：1 甚至更高的量程比的流量測(cè)量，并且因其測(cè)量精度高，受雷諾數(shù)影響小，可進(jìn)行較為精準(zhǔn)的高量程比流量檢測(cè)或能源計(jì)量。

2）雙向流流量測(cè)量

傳統(tǒng)孔板流量計(jì)的節(jié)流裝置僅在下游設(shè)有斜角，而多孔平衡流量計(jì)的節(jié)流裝置上下游采取完全對(duì)稱設(shè)計(jì)。這種對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式使其在某些需要雙向流流量檢測(cè)的特殊工況條件下，可以實(shí)現(xiàn)只使用一臺(tái)流量?jī)x表即可進(jìn)行雙向流流量檢測(cè)。

3）短直管段流量測(cè)量

受場(chǎng)地大小、建筑尺寸等外在客觀條件的限制，在布置工藝管道走向時(shí)往往無法為流量測(cè)量預(yù)留出足夠的直管段安裝距離，從而影響測(cè)量精度。特別是在特殊貴重金屬如鋯材、哈氏合金、鉻鉬合金鋼等工藝管道上進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)，較長(zhǎng)的直管段需求意味著昂貴的建設(shè)成本。在這種情況下，多孔平衡流量計(jì)上下游直管段距離僅需0．5D ～ 2D的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)尤為明顯，即可節(jié)省工藝管道、安裝支架等的鋪設(shè)成本，又可滿足在短直管段流量測(cè)量時(shí)的精度要求，是一種較為經(jīng)濟(jì)的流量檢測(cè)配置方式。

4）大口徑流量檢測(cè)

在大口徑的流量檢測(cè)中，多孔平衡流量計(jì)亦有其不可替代的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。只需通過精確計(jì)算對(duì)相應(yīng)節(jié)流孔的尺寸、數(shù)量及分布情況進(jìn)行調(diào)整，即可在較短的管道距離內(nèi)進(jìn)行大口徑的流量測(cè)量，無需擔(dān)憂因管道口徑較大而產(chǎn)生的15D 甚至更長(zhǎng)的上下游直管段距離。特別是在高溫、低壓等各種嚴(yán)苛工況下，多孔平衡流量計(jì)也能保證大口徑流量測(cè)量精度的穩(wěn)定性。同時(shí)，可以使用多對(duì)取壓孔進(jìn)行取壓的冗余配置，以確保差壓信號(hào)被有效傳輸，降低大口徑流量檢測(cè)的后期維護(hù)、清掃、運(yùn)營(yíng)成本。

5）高溫及極低溫流體測(cè)量

由于本體及法蘭材質(zhì)選擇的多樣化，多孔平衡流量計(jì)擁有較為廣泛的工作溫度。通過對(duì)不同材質(zhì)的選用，多孔平衡流量計(jì)可測(cè)量850℃甚至更高溫度的高溫流體介質(zhì)，亦適用于液氮、液氧、液氫、液氬等極低溫流體的流量測(cè)量。

6）多種管道連接方式選擇

多孔平衡流量計(jì)誕世至今，為適應(yīng)各種工況的管道連接要求，逐步衍生出多種連接方式以供選擇。如可用于大多數(shù)工況的管道式法蘭連接，可用于大口徑流量測(cè)量的對(duì)夾式連接，適用于高溫高壓工況的焊接式連接以及適用于黏稠、有毒、強(qiáng)腐蝕液體、臟污及粉塵氣體介質(zhì)流量測(cè)量的雙法蘭式連接等等。而節(jié)流裝置的外形也從最初便于管道連接的圓管形節(jié)流裝置，演變出方管式節(jié)流裝置，以便于更簡(jiǎn)便地與各種方形管道進(jìn)行連接，可適用于空調(diào)系統(tǒng)送、排風(fēng)風(fēng)量檢測(cè)。

7）一體化

在檢測(cè)儀表一體化的發(fā)展趨勢(shì)帶動(dòng)下，多孔平衡流量計(jì)同樣化零為整，將節(jié)流原件、引壓管路、閥組及差壓計(jì)等需分步安裝的儀表原件整合為一體，從而減少安裝步驟，以滿足適合工況條件下快速安裝、使用的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

多孔平衡流量計(jì)在結(jié)構(gòu)及技術(shù)上的革新很好地避免了傳統(tǒng)的差壓式流量計(jì)的缺陷所帶來的弊端。隨著時(shí)間的推移，多孔平衡流量計(jì)的優(yōu)越性逐漸顯現(xiàn)，因其的獨(dú)特的性能特點(diǎn)與較高的、穩(wěn)定的測(cè)量精度，已被鋼鐵、石化等各個(gè)行業(yè)成功應(yīng)用。特別是在短距離管道流量測(cè)量、節(jié)省管道敷設(shè)投入成本、降低流體壓力能耗損失方面，多孔平衡流量計(jì)有著難以取代的優(yōu)勢(shì)。今后，多孔平衡流量計(jì)將會(huì)作為一種經(jīng)濟(jì)型的測(cè)量?jī)x表得到更廣泛的使用。