差壓式流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱DPF或流量計(jì))是根據(jù)安裝于管道中流量檢測(cè)件產(chǎn)生的差壓、已知的流體條件和檢測(cè)件與管道的幾何尺寸來測(cè)量流量的儀表。DPF由一次裝置(檢測(cè)件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測(cè)件的型式對(duì)DPF分類，如孔扳流量計(jì)、文丘里管流量計(jì)及均速管流量計(jì)等。二次裝置為各種機(jī)械、電子、機(jī)電一體式差壓計(jì)，差壓變送器和流量顯示及計(jì)算儀表，它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標(biāo)準(zhǔn)化)程度很高的種類規(guī)格龐雜的一大類儀表。差壓計(jì)既可用于測(cè)量流量參數(shù)，也可測(cè)量其他參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。
　　DPF按其檢測(cè)件的作用原理可分為節(jié)流式、動(dòng)壓頭式、水力阻力式、離心式、動(dòng)壓增益式和射流式等幾大類，其中以節(jié)流式和動(dòng)壓頭式應(yīng)用。
　　節(jié)流式DPF的檢測(cè)件按其標(biāo)準(zhǔn)化程度分為標(biāo)準(zhǔn)型和非標(biāo)準(zhǔn)型兩大類。所謂標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置是指按照標(biāo)準(zhǔn)文件設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用，無須經(jīng)實(shí)流校準(zhǔn)即可確定其流量值并估算流量測(cè)量誤差，非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置是成熟程度較差，尚未列入標(biāo)準(zhǔn)文件中的檢測(cè)件。
　　標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)流式DPF的發(fā)展經(jīng)過漫長(zhǎng)的過程，早在20世紀(jì)20年代，美國(guó)和歐洲即開始進(jìn)行大規(guī)模的節(jié)流裝置試驗(yàn)研究。用得zui普遍的節(jié)流裝置--孔板和噴嘴開始標(biāo)準(zhǔn)化?，F(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的一種型式ISA l932噴嘴，其幾何形狀就是30年代標(biāo)準(zhǔn)化的，而標(biāo)準(zhǔn)孔板亦曾稱為ISA l932孔板。節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)形式的標(biāo)準(zhǔn)化有很深遠(yuǎn)的意義，因?yàn)橹挥泄?jié)流裝置結(jié)構(gòu)形式標(biāo)準(zhǔn)化了，才有可能把上眾多研究成果匯集到一起，它促進(jìn)檢測(cè)件的理論和實(shí)踐向深度和廣度拓展，這是其他流量計(jì)所不及的。1980年ISO(標(biāo)準(zhǔn)化組織)正式通過標(biāo)準(zhǔn)ISO 5167，至此流量測(cè)量節(jié)流裝置*個(gè)標(biāo)準(zhǔn)誕生了。ISO 5167總結(jié)了幾十年來上對(duì)為數(shù)有限的幾種節(jié)流裝置(孔板、噴嘴和文丘里管)的理論與試驗(yàn)的研究成果，反映了此類檢測(cè)件的當(dāng)代科學(xué)與生產(chǎn)的技術(shù)水平。但是從ISO 5167正式頒布之日起，它就暴露出許多亟待解決的問題，這些問題主要有以下幾個(gè)方面。
　　1)ISO 5167試驗(yàn)數(shù)據(jù)的陳舊性 ISO 5167中采用的數(shù)據(jù)大多是30年代的試驗(yàn)結(jié)果，今天無論節(jié)流裝置制造技術(shù)，流量試驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)技術(shù)都有巨大的進(jìn)步，重新進(jìn)行系統(tǒng)地試驗(yàn)以獲得更高精確度及更可靠的數(shù)據(jù)是必要的。進(jìn)入80年代美國(guó)和歐洲都進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)，為修訂ISO 5167打下基礎(chǔ)。
　　2) ISO 5167中關(guān)于直管段長(zhǎng)度規(guī)定的問題 在ISO投票通過ISO 5167時(shí)，美國(guó)投了反對(duì)票，其主要原因是對(duì)直管段長(zhǎng)度的規(guī)定有不同意見，這個(gè)問題應(yīng)是ISO 5167修訂的主要問題之一。
　　3) ISO 5167中各項(xiàng)規(guī)定的科學(xué)性問題 影響節(jié)流裝置流出系數(shù)的因素特別多，主要有孔徑與管徑的比值β、取壓裝置、雷諾數(shù)、節(jié)流件安裝偏心度、前后阻流件類型及直管段長(zhǎng)度、孔板入口邊緣尖銳度、管壁粗糙度、流體流動(dòng)湍流度等，眾多因素影響錯(cuò)綜復(fù)雜，有的參數(shù)難以直接測(cè)量，因此標(biāo)準(zhǔn)中有些規(guī)定并非科學(xué)地確定，而是為了取得*，不得不人為地確定。流量專家斯賓塞(E．A．Spencer)提出一系列應(yīng)重新檢討的問題，如孔板平直度、同心度、直角邊緣尖銳度、管道粗糙度、上游流速分布及流動(dòng)調(diào)整器的作用等。
　　4)關(guān)于節(jié)流式DPF測(cè)量精確度提高的問題 鑒于節(jié)流式DPF在流量計(jì)中占有重要地位，提高其測(cè)量精確度意義重大。歷次學(xué)術(shù)會(huì)議認(rèn)為必須使流量測(cè)量工作者、流體力學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)工作者緊密合作共同攻關(guān)才能解決此問題。
　　20世紀(jì)80年代美國(guó)和歐洲開始進(jìn)行大規(guī)模的孔板流量計(jì)試驗(yàn)研究，歐洲為歐共體實(shí)驗(yàn)計(jì)劃(EEC Experimental Program)，美國(guó)為API實(shí)驗(yàn)計(jì)劃(API Experimental Program)。試驗(yàn)的目的是用現(xiàn)代測(cè)試設(shè)備及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理技術(shù)進(jìn)行新一輪的范圍廣泛的試驗(yàn)研究，為修訂ISO 5167打下技術(shù)基礎(chǔ)。1999年ISO發(fā)出ISO 5167的修訂稿(ISO／CD 5167-1-4)，該文件為委員會(huì)草案，它在技術(shù)內(nèi)容與編輯上都有很大改動(dòng)，是一份全新的標(biāo)準(zhǔn)。本來預(yù)定于1999年7月在美國(guó)丹佛舉行的ISO／TC30／SC2會(huì)議上審查通過為DIS(標(biāo)準(zhǔn)草案)，但是會(huì)議認(rèn)為尚有細(xì)節(jié)問題應(yīng)再商榷而未能通過。新的ISO 5167標(biāo)準(zhǔn)何時(shí)正式頒布尚不得而知。ISO 5167新標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)核心內(nèi)容皆有實(shí)質(zhì)性變化，一是孔板的流出系數(shù)公式，用Reader-Harris/Gallagher計(jì)算式(R-G式)代替Stolz計(jì)算式，另一為節(jié)流裝置上游側(cè)直管段長(zhǎng)度的規(guī)定以及流動(dòng)調(diào)整器的使用等。
　　我們通常稱ISO 5167(GB／T2624)中所列節(jié)流裝置為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，其他的都稱為非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，應(yīng)該指出，非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置不僅是指那些節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)與標(biāo)難節(jié)流裝置相異的，如果標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置在偏離標(biāo)準(zhǔn)條件下工作亦應(yīng)稱為非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，例如，標(biāo)準(zhǔn)孔板在混相流或標(biāo)準(zhǔn)文丘里噴嘴在臨界流下工作的都是。
　　目前非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置大致有以下一些種類：
　　1)低雷諾數(shù)用 1／4圓孔板，錐形入口孔板，雙重孔板，雙斜孔板，半圓孔板等；
　　2)臟污介質(zhì)用 圓缺孔板，偏心孔板，環(huán)狀孔板，楔形孔板，彎管節(jié)流件等；
　　3)低壓損用 羅洛斯管，道爾管，道爾孔板，雙重文丘里噴嘴，通用文丘里管，Vasy管等；
　　4)小管徑用 整體(內(nèi)藏)孔板；
　　5)端頭節(jié)流裝置 端頭孔板，端頭噴嘴，Borda管等；
　　6)寬范圍度節(jié)流裝置 彈性加載可變面積可變壓頭流量計(jì)(線性孔板)；
　　7)毛細(xì)管節(jié)流件 層流流量計(jì)；
　　8)脈動(dòng)流節(jié)流裝置；
　　9)臨界流節(jié)流裝置 音速文丘里噴嘴；
　　10)混相流節(jié)流裝置。
　　節(jié)流式DPF現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的不斷拓展必然提出發(fā)展非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的要求，十余年來ISO亦在不斷制訂有關(guān)非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的技術(shù)文件，在它們不能成為正式標(biāo)準(zhǔn)之前作為技術(shù)報(bào)告發(fā)表?？梢灶A(yù)見，今后有可能若干較為成熟的非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置會(huì)晉升為標(biāo)準(zhǔn)型的。
　　20世紀(jì)90年代中后期世界范圍內(nèi)各式DPF銷售量在流量?jī)x表總量中臺(tái)數(shù)占50％-60％(每年約百萬臺(tái))，金額占30％左右。我國(guó)銷售臺(tái)數(shù)約占流量?jī)x表總量(不包括*表和家用水表及玻璃管浮子流量計(jì))的35％-42％(每年6萬-7萬臺(tái))。
2 工作原理
2.1 基本原理
　　充滿管道的流體，當(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時(shí)，如圖4.1所示，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓差。流體流量愈大，產(chǎn)生的壓差愈大，這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。這種測(cè)量方法是以流動(dòng)連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎(chǔ)的。壓差的大小不僅與流量還與其他許多因素有關(guān)，例如當(dāng)節(jié)流裝置形式或管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)(密度、粘度)不同時(shí)，在同樣大小的流量下產(chǎn)生的壓差也是不同的。


圖4.1 孔板附近的流速和壓力分布

2.2 流量方程
　
式中 qm--質(zhì)量流量，kg/s;
　　 qv--體積流量，m3/s;
　　 C--流出系數(shù)；
　　 ε--可膨脹性系數(shù)；
　　 β--直徑比，β=d/D;
　　 d--工作條件下節(jié)流件的孔徑，m；
　　 D--工作條件下上游管道內(nèi)徑，m；
　　 △P--差壓，Pa；
　　 ρl--上游流體密度，kg/m3。
　　由上式可見，流量為C、ε、d、ρ、△P、β(D)6個(gè)參數(shù)的函數(shù)，此6個(gè)參數(shù)可分為實(shí)測(cè)量[d，ρ，△P，β(D)]和統(tǒng)計(jì)量(C、ε)兩類。
　　(1)實(shí)測(cè)量
　　1)d、D 式(4．1)中d與流量為平方關(guān)系，其精確度對(duì)流量總精度影響較大，誤差值一般應(yīng)控制在±0．05％左右，還應(yīng)計(jì)及工作溫度對(duì)材料熱膨脹的影響。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定管道內(nèi)徑D必須實(shí)測(cè)，需在上游管段的幾個(gè)截面上進(jìn)行多次測(cè)量求其平均值，誤差不應(yīng)大于±0．3％。除對(duì)數(shù)值測(cè)量精度要求較高外，還應(yīng)考慮內(nèi)徑偏差會(huì)對(duì)節(jié)流件上游通道造成不正常節(jié)流現(xiàn)象所帶來的嚴(yán)重影響。因此，當(dāng)不是成套供應(yīng)節(jié)流裝置時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)配管應(yīng)充分注意這個(gè)問題。
　　2)ρ ρ在流量方程中與△P是處于同等位置，亦就是說，當(dāng)追求差壓變送器高精度等級(jí)時(shí)，絕不要忘記ρ的測(cè)量精度亦應(yīng)與之相匹配。否則△P的提高將會(huì)被ρ的降低所抵消。
　　3)△P 差壓△P的精確測(cè)量不應(yīng)只限于選用一臺(tái)高精度差壓變送器。實(shí)際上差壓變送器能否接受到真實(shí)的差壓值還決定于一系列因素，其中正確的取壓孔及引壓管線的制造、安裝及使用是保證獲得真實(shí)差壓值的關(guān)鍵，這些影響因素很多是難以定量或定性確定的，只有加強(qiáng)制造及安裝的規(guī)范化工作才能達(dá)到目的。
　　(2)統(tǒng)計(jì)量
　　1)C 統(tǒng)計(jì)量C是無法實(shí)測(cè)的量(指按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造安裝，不經(jīng)校準(zhǔn)使用)，在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)zui復(fù)雜的情況出現(xiàn)在實(shí)際的C值與標(biāo)準(zhǔn)確定的C值不相符合。它們的偏離是由設(shè)計(jì)、制造、安裝及使用一系列因素造成的。應(yīng)該明確，上述各環(huán)節(jié)全部嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其實(shí)際值才會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)確定的值相符合，現(xiàn)場(chǎng)是難以*這種要求的。
　　應(yīng)該指出，與標(biāo)準(zhǔn)條件的偏離，有的可定量估算(可進(jìn)行修正)，有的只能定性估計(jì)(不確定度的幅值與方向)。但是在現(xiàn)實(shí)中，有時(shí)不僅是一個(gè)條件偏離，這就帶來非常復(fù)雜的情況，因?yàn)橐话阗Y料中只介紹某一條件偏離引起的誤差。如果許多條件同時(shí)偏離，則缺少相關(guān)的資料可查。
　　2)ε 可膨脹性系數(shù)ε是對(duì)流體通過節(jié)流件時(shí)密度發(fā)生變化而引起的流出系數(shù)變化的修正，它的誤差由兩部分組成：其一為常用流量下ε的誤差，即標(biāo)準(zhǔn)確定值的誤差；其二為由于流量變化ε值將隨之波動(dòng)帶來的誤差。一般在低靜壓高差壓情況，ε值有不可忽略的誤差。當(dāng)△P／P≤0.04時(shí)，ε的誤差可忽略不計(jì)。

3 分 類

　　差壓式流量計(jì)分類如表4.1所示。

表4.1 分類表
　 分類原則 　　　　　　 分 　　類 　　類　　 型
按產(chǎn)生差壓的作用原理分類 1）節(jié)流式；2）動(dòng)壓頭式；3）水力阻力式；4）離心式；5）動(dòng)壓增益式；6）射流式
按結(jié)構(gòu)形式分類 1）標(biāo)準(zhǔn)孔板；2）標(biāo)準(zhǔn)噴嘴；3）經(jīng)典文丘里管；4）文丘里噴嘴；5）錐形入口孔板；6）1/4圓孔板；7）圓缺孔板；8）偏心孔板；9）楔形孔板；10）整體（內(nèi)藏）孔板；11）線性孔板；12）環(huán)形孔板；13）道爾管；14）羅洛斯管；15）彎管；16）可換孔板節(jié)流裝置；17）臨界流節(jié)流裝置
按用途分類 1）標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置；2）低雷諾數(shù)節(jié)流裝置；3）臟污流節(jié)流裝置；4）低壓損節(jié)流裝置；5）小管徑節(jié)流裝置；6）寬范圍度節(jié)流裝置；7）臨界流節(jié)流裝置；

3.1 按產(chǎn)生差壓的作用原理分類
　　1)節(jié)流式 依據(jù)流體通過節(jié)流件使部分壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能以產(chǎn)生差壓的原理工作，其檢測(cè)件稱
　　　之為節(jié)流裝置，是DPF的主要品種。
　　2)動(dòng)壓頭式 依據(jù)動(dòng)壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓的原理工作，如均速管流量計(jì)。
　　3)水力阻力式 依據(jù)流體阻力產(chǎn)生的壓差原理工作，檢測(cè)件為毛細(xì)管束，又稱層流流量計(jì)，一
　　　般用于微小流量測(cè)量。
　　4)離心式 依據(jù)彎曲管或環(huán)狀管產(chǎn)生離心力原理形成的壓差工作，如彎管流量計(jì)，環(huán)形管流量
　　　計(jì)等。
　　5)動(dòng)壓增益式 依據(jù)動(dòng)壓放大原理工作，如皮托-文丘里管。
　　6)射流式 依據(jù)流體射流撞擊產(chǎn)生原理工作，如射流式差壓流量計(jì)。

3.2 按結(jié)構(gòu)形式分類
　　1) 標(biāo)準(zhǔn)孔板 又稱同心直角邊緣孔板，其軸向截面如圖4.2所示?？装迨且粔K加工成圓形同心的具有銳利直角邊緣的薄板?？装彘_孔的上游側(cè)邊緣應(yīng)是銳利的直角。標(biāo)準(zhǔn)孔板有三種取壓方式：角接、法蘭及D-D/2取壓；如圖4.3所示。為從兩個(gè)方向的任一個(gè)方向測(cè)量流量，可采用對(duì)稱孔板，節(jié)流孔的兩個(gè)邊緣均符合直角邊緣孔板上游邊緣的特性，且孔板全部厚度不超過節(jié)流孔的厚度。


圖4.2 標(biāo)準(zhǔn)孔板

圖4.3 孔板的三種取壓方式
　　2) 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴 有兩種結(jié)構(gòu)形式：ISA 1932噴嘴和長(zhǎng)徑噴嘴。
　　a. ISA 1932噴嘴（圖4.4） 上游面由垂直于軸的平面、廓形為圓周的兩段弧線所確定的收縮段、圓筒形喉部和凹槽組成的噴嘴。ISA 1932噴嘴的取壓方式僅角接取壓一種。


圖4.4 ISA 1932噴嘴
　　b. 長(zhǎng)徑噴嘴（圖4.5） 上游面由垂直于軸的平面、廓形為1/4橢圓的收縮段、圓筒形喉部和可能有的凹槽或斜角組成的噴嘴。長(zhǎng)徑噴嘴的取壓方式僅D-D/2取壓一種。
　　3） 經(jīng)典文丘里管 由入口圓筒段A、圓錐收縮段B、圓筒形喉部C和圓錐擴(kuò)散段E組成，如圖4.6 所示。根據(jù)不同的加工方法，有以下結(jié)構(gòu)形式：①具有粗鑄收縮段的；②具有機(jī)械加工收縮段的；③具有鐵板焊接收縮段的。不同結(jié)構(gòu)形式的L1、L2、R1、R2與D、d的關(guān)系如表4.2所示。
　　4）文丘里噴嘴 由進(jìn)口噴嘴、圓筒形喉部及擴(kuò)散段組成，如圖4.7所示。
　　5）錐形入口孔板 錐形入口孔板與標(biāo)準(zhǔn)孔板相似，相當(dāng)于一塊倒裝的標(biāo)準(zhǔn)孔板，其結(jié)構(gòu)如圖4 . 8所示，取壓方式為角接取壓。



表4.2 L1、L2、R1、R2與D、d關(guān)系
注 粗 鑄 入 口 機(jī)械加工的入口 粗焊的鐵板入口
1 ±0.25D(100mm＜D＜150mm)
L1=0.5D±0.05D L1=0.5D±0.05D
2 L2=1D或0.25D+250mm兩個(gè)量中的小者 L2≥D(入口直徑) L2≥D(入口直徑)
3 R1=1.375D+20% R1＜0.25D R1=0,焊縫除外
4 R2=3.625d至3.8d R2＜0.25D R2=0,焊縫除外




圖4.6 經(jīng)典文丘里管

圖4.7 文丘里噴嘴

圖4.8 錐形入口孔板
1一環(huán)隙；2-夾持環(huán)；3一上游端面A；4-下游端面B；
5-軸線；6-流向；7-取壓口；8-孔板；
X-帶環(huán)隙的夾持環(huán)；Y-單獨(dú)取壓口