差压式流量计选型科普
SH/T 3005—2016 · 选型通俗读本
差压式流量计
选 型 科 普
读懂《石油化工自动化仪表选型设计规范》
里的差压式流量计
石油化工装置里测流量，差压式是用得最早、也最多的一类。它没有转动部件，靠一块挡在管道里的节流件就能把流量量出来，结构简单、皮实耐用、选型成熟，国标体系也最齐全。这篇把规范里差压式这一节捋一遍，从原理到选型，讲清楚什么工况该挑哪种节流件。
一 它靠什么测流量？
在管道里放一个让流道变窄的节流件——孔板、喷嘴或文丘里管。流体挤过这道窄口时流速加快、压力下降，于是节流件上游和下游之间就出现了一段压力差。这段差压用差压变送器一测、再开个方，就能换算出流量。差压式量的不是流速，而是这段被挤出来的差压。
图1 差压式流量计工作原理
原理 为什么差压能换算成流量？ 这背后是流体的能量守恒：流道变窄，流速必然加快，而流速一快、压力就掉下来——快的地方压力低、慢的地方压力高，这是伯努利方程的直接结果。 流量越大，挤过窄口时流速差越悬殊，上下游压差也就越大。两者不是线性关系，而是流量正比于差压的平方根——所以变送器测到差压后要开方才能得到流量。这也解释了它一个固有的短板：流量小的时候差压更小，开方后误差被放大，所以差压式的量程下限做不太低，范围度有限。 |
参见 7.2.1 条
二 三件套：孔板、喷嘴、文丘里
规范里的标准节流装置就三类：孔板、喷嘴和文丘里喷嘴、文丘里管。它们都有成熟的国标（GB/T 2624 系列）撑腰，只要管径、直径比 β、雷诺数落在规定范围内，不用实流标定就能直接用——这是标准二字的含金量所在。
图2 标准节流装置三件套
原理 为什么孔板最常用，压损却最大？ 孔板就是一块开了孔的金属板，加工最简单、最便宜，安装维护也方便，所以是一般流体测流量的首选。 但流体猛地挤过那个锐边小孔、又在孔后突然散开，这一缩一放会把不少能量白白耗成湍流和热——这部分压力是永久回不来的，所以孔板的永久压损最大。 文丘里管正相反：它用平缓的渐缩渐扩流道引导流体，几乎不产生突然的扩散损失，永久压损最低、精度也更高，代价是体积大、造价高。喷嘴则介于两者之间。一句话：压损和成本，往往是反着来的。 |
参见 7.2.1 条 a～c 款
三 标准件不够用？还有非标准节流装置
三件套虽好，却挑工况——脏的、黏的、带固体颗粒的、管子太小或太大的，标准件就力不从心了。这时候就轮到非标准节流装置上场，它们针对各种刁钻工况各有专长，但都得按制造厂标准选，并且用于流量测量前要做实流标定。
图3 非标准节流装置对症选用
原理 为什么偏心、圆缺孔板要把孔挪到一边？ 普通孔板的孔在正中间，介质里的固体颗粒、沉淀物或者气泡、凝液，容易卡在孔板根部积存下来，越积越多就把测量搅乱了。 偏心孔板把孔挪到管子底边，让沉渣顺着管底排走；圆缺孔板把孔做成弓形缺口，方便气体从顶上跑、凝液从底下流。说到底，都是给会捣乱的东西留一条通道，别让它们堵在节流件跟前。 |
参见 7.2.2 条
四 配套差压变送器：量程怎么定
节流件只负责造出差压，真正把差压变成信号的是差压变送器。变送器宜选二线制 4～20mA 带 HART 协议的智能型；量程从 6、10、16、25、40、50kPa 这几档里挑，在能满足测量要求的前提下首选 25kPa。
差压式有个别处少见的讲究——量程要分方根还是线性，而且气体蒸汽和液体的选法正好相反。
图4 配套差压变送器与量程选择
原理 为什么气体选方根、液体选线性？ 本质上流量都正比于差压的平方根，区别在这个方在哪里开。 测气体、蒸汽时密度会随温度压力变化，还要做温度压力补偿，运算复杂，干脆把开方和补偿都放到控制系统或流量计算机里统一算——所以变送器输出原始的方根量程信号。 测液体时密度基本稳定，不需要温度压力补偿，运算简单，就让变送器自己把方开掉，直接输出和流量成正比的线性信号，下游拿到的就是干净的流量值，省事。 |
参见 7.1.2、7.2.3 条
小结
差压式流量计靠一个节流件逼出差压、再开方算流量，没有运动部件、结实成熟、国标齐全，是石化测流量的主力。选型时先看工况是否干净：干净流体在孔板、喷嘴、文丘里这三件套里挑——一般流体用孔板，压损要求低用喷嘴或文丘里；脏的、黏的、带颗粒的、或管径过大过小的，就到偏心圆缺孔板、平衡、楔形、均速管等非标准件里对症选。最后配上差压变送器，量程首选 25kPa，测气体蒸汽走方根加补偿、测液体走线性，一套靠谱的差压流量测量就成了。
本文内容均整理自 SH/T 3005—2016《石油化工自动化仪表选型设计规范》（第 7.1～7.2 条）