塔形流量計

塔形流量計是以變流體在管道中心收縮為管道邊璧逐漸收縮，即利用同軸安裝在管道中的塔形體（節流件），迫使流體逐漸從中心收縮到管道內邊壁而流過塔形體，通過測量塔形體前後的壓差來得到流體的流量。正是這個邊璧收縮的結構，使得塔形流量計具有了一系列其他差壓儀表無法相比的優點，徹底克服了以孔板為代表的傳統差壓儀表的諸多缺點。經過國內外10多年的套用和多次測試，已充分證明它能在極短的直管段條件下，以更寬的量程比對各種流體（包括髒污、低流速）進行更準確更有效的測量。從此揭開了差壓式流量儀表劃時代的嶄新一頁。

基本介紹

• 中文名：塔形流量計
• 外文名：V-Cone Flow Meter
• 領域：化學工程，流體力學

序言

以孔板、噴嘴和文丘里管為代表的差壓式流量計（統稱標準節流裝置）已統領流量領域近百年，其優

點是已經標準化、結構簡單牢固、易於加工製造、價格低廉、通用性強。近百年來人們從未間斷過對它們的研究和改善工作，但是由於先天結構上的缺陷，其本身固有的一些缺點，至今仍然沒能得到很好的解決。如：流出係數不穩定、線性差、重複性不高從而影響到準確度也不高。孔板入口銳角這個關鍵部位易磨損、前部易積污、量程比小、壓力損失大，特別是十分苛刻的直管段要求在實際使用中很難滿足等。為了克服上述這些不足，人們曾研製出1/4圓孔板、錐形入口孔板、圓缺孔板、偏心孔板、楔形孔板、可更換孔板、彎管等諸多的非標準節流件，試圖解決這些問題。但是這些節流件同標準孔板一樣，大都沒有突破“流體中心突然收縮”這個模式，只是或多或少改善了局部某一個問題，並沒有從根本上徹底解決所有問題, 這種改進工作到了80年代中期才有了突破性的發展：塔形流量計出現打破了沿襲近百年的模式結構，使得節流式差壓儀表發生了“質的飛躍”。塔形流量計的重大突破在於：變流體在管道中心收縮為管道邊璧逐漸收縮，即利用同軸安裝在管道中的塔形體（節流件），迫使流體逐漸從中心收縮到管道內邊壁而流過塔形體，通過測量塔形體前後的壓差來得到流體的流量。正是這個邊璧收縮的結構，使得塔形流量計具有了一系列其他差壓儀表無法相比的優點，徹底克服了以孔板為代表的傳統差壓儀表的諸多缺點。經過國內外10多年的套用和多次測試，已充分證明它能在極短的直管段條件下，以更寬的量程比對各種流體（包括髒污、低流速）進行更準確更有效的測量。從此揭開了差壓式流量儀表劃時代的嶄新一頁。可以預言，隨著人們對它逐漸認識、了解、熟悉和掌握，必將逐漸和完全取代以孔板為代表的傳統差壓儀表。

塔形流量計的結構

塔形流量計國外稱為V-CONE,國內的叫法有多種如V形（型）錐、內錐 、環孔流量計、內置文丘里等。儘管名稱各異，但原理結構都是一樣的。單就節流件來講，完全是金屬件組成，不含任何電子器件。它主要由測量管

2、塔形體6（錐形體）、低壓測量管5（兼支架）、正負測壓嘴2、3、連線法蘭1等組成（詳見下圖）。

當口徑≤N100時，塔體用負壓測量管兼作支撐，口徑≥DN150時，要在

塔體後部再加支撐管架9，並在支撐管開測量孔8。

當溫壓一體化型時，需要在後部支撐架前安裝測溫元件套管10，若採用

多參數變送器，則不再需要壓力測量點，該變送器差壓、壓力同時測量並

能接受溫度信號。

測量原理

所說的質量守恆定律（連續性方程）和能量守恆定律（伯努利方程），可以

這樣去理解：

塔形流量計剖圖

質量守恆：流體在一個封閉的管道中流動，當遇到節流件時，在節流件前後

它的質量是不變的，用公式表示為：

V1ⅩA1Ⅹρ1=V2ⅩA2Ⅹρ2（液體為： V1ⅩA1=V2ⅩA2） 能量守恆：管道中流體的壓力和流速有如下的關係：

P1+1/2Ⅹ(V1)2Ⅹρ1=P2+1/2Ⅹ(V2)2Ⅹρ2 =常數

式中： A1、A2 分別是節流件前後的截面積； V1、V2 分別是A1、A2處的流速； P1、P2 分別是A1、A2處的壓力ρ1、ρ2 分別是A1、A2處的流體密度；

根據伯努利方程：P+1/2V2ρ=常數，在截面A2處流速加快，該處的壓力必然降低，因此壓力P2的高低隨流速V2的大小而變化。而在截面A1處流速V1和壓力P1都沒有變化，只要測出P1與P2的壓力差 P=P1－P2，就可以求出流速（流量）。節流式差壓儀表正式基於了連續性方程和伯努利方程原理，在管道內設定了一個節流

件，測量其前後的壓力差而得到了流量。四、塔形流量計優越的性能（優越性能機理分析）　1、±0.5%的測量準確度，（在多數實流標定的塔形流量計中，流出係數的不確定度不超過0.3%）。這樣高的精度是孔板等傳統差呀儀表所不能比的。

2、重複性±0.1%，並且具有長期的穩定性。

3、在使用安裝時，只需要極短的直管段甚至不需要，前面0（1）--3D，後面0—1D。（在調節閥後安裝時需要3D的直管段）。

4、具有極高的測量靈敏度（解析度），負壓端2.5毫米水柱（越25Pa）的壓力，就可以檢測到。因而除了測量大流量外可以測量極小的流量，如煙道氣等。

5、塔形體被設計成吹掃型結構，因而具有自清潔功能，因此不會堆積截留流體中挾帶的任何贓物、凝固體、固體、氣中液。非常適合贓污流體。

6、流體流過具有特殊形狀的塔體時，會在其節流邊緣處形成邊界層效應，因此極大地減少了它被磨損的可能性，也可以說是不磨損型的節流件。因此塔形流量計在投用後，除極特殊條件外，它的節流邊是不會被磨損的，也可以說是免拆卸標定的。

7、壓力損失小於孔板。

8、無可運動部件，不含任何電子器件，是一個純機械體，因此具有不怕振動、耐高溫、高壓、防腐等特點，又有傳統差壓式儀表所不具備的個項優越性能。

9、可以測量的流體非常廣泛，各種氣體、液體、蒸汽等都可以有效測量，使用的管徑DN15—DN3000。從適用的介質範圍和工藝管徑、工藝條件來講，目前還沒有一種流量計能與塔形流量計相比。

優越性能機理分析

高精度、高解析度、較寬的量程比

改善了速度的分布

充滿管道的流體在管道中流動時，由於流體粘性存在，流體與管壁之間有摩擦力，使得流體的流速沿管半徑方向形成一定的梯度，實際上是這樣一種狀態，在管道中心部位流速最快，越靠近管壁流速越慢，接觸管壁處接近於零。在紊流狀態下，速度分布梯度還與雷諾數及管壁粗糙程度有關，雷諾數越大，速度分布梯度越小。當流體的流動已經達到充分發展狀態時，它的速度分布也是這樣不均勻的。

大多數流量儀表在測量流量時涉及到流體流速時，都假設流體在管道中流動的流速是均等的，而不去考慮實際上流速有快慢的區別，這是受儀表的工作原理限制不得不這樣做，因為這種流量儀表無法改變流體在管道中速度分布快慢不均的狀態，其結果只能以犧牲測量精度為代價（目前多通道超音波就是試圖解決流速不均而開發出來的）。

這種流速不均的情況在塔形流量計上卻得到了很好的解決。由於塔形節流件安裝在管道中心，它直接把流體從高速流動的中心部位分開，迫使流體沿著塔體與管壁間由寬變窄的狹長環隙通道流動，使流速快的流體分別向四周流速慢的流體靠攏並拉動它們混合一起流動，這種快慢混合的結果就是：使原有的速度分布的剃度越來越小，原本流速快慢的差別消失了，當流體到達靠近塔形節流邊緣時，速度分布剃度消失，流體變成了真正的均勻流動。見圖

快慢混合後勻速流動

慢的流速

快的流速

慢的流速

流速被均勻化帶來的好處很多，由於塔形流量計使流體的流速實現了真正的均勻流動而不是假設的，所以測量準確度和量程比都得到了提高。大家知道孔板的量程比只有3:1～4:1，而塔形可達10:1～15:1，因此它 完全可以測量低壓力、低流速的微小流量。在實際生產中常常遇到低壓力和低流速流量的測量問題而難以解決。象煙道氣、低壓力、低流速的煤氣等，由於塔形流量計特有的均速作用，都可以準確的測量，而孔板等標準流裝置對於這樣的流量是無能為力的。

極強的抗旋渦流能力

我們都知道流體流動遇到阻擋物時會產生“旋渦流”，這就是著名的“卡爾曼旋渦”現象，渦街流量計就是基於這個原理工作的。同樣道理象孔板、塔形體等節流件在管道中也是阻擋物，在其後部除了產生靜壓力差外必然也會產生旋渦流。然而這個旋渦流對於渦街來講是有用的信號，對於節流式差壓計來講卻是有害的干擾。這個干擾在節流件下游會產生“信號跳動”現象，它會嚴重干擾正常信號的測量。經過大量的試驗和科學檢測證明：孔板等突然節流式節流件下游產生的是“高幅度低頻率跳動”，而塔形體下游產生的是“低幅度高頻率跳動”。

從下圖中可以明顯看出，孔板負壓端波動遠遠大於塔形流量計。如果定量來分析：二者在某一工況流量下都應該產生1kPa的壓差，孔板的高幅干擾波動可達0.5kP，而塔形僅有0.1kPa的低幅干擾波動。孔板的有效信號有50%被干擾所淹沒，塔形僅淹沒10%，這說明塔形流量計的信號噪聲遠遠低於孔板，孔板在這種情況下是不能正常工作的，而塔形流卻可以照常工作。因此正如前所述塔形流量計非常適合低密度、低流速的氣體測量，並能保持較高的準確度

塔形體抗旋渦流的機理分析

從前面試驗數據得出的圖形對比上我們知道了塔形流量計對旋渦流的抑制性能遠遠強於孔板，同樣都是節流件為什麼會產生不同的兩種結果？下面我們通過對二者工作機理的進一步分析和了解就能明了

這個問題。（見圖6、圖7）。

控板干擾流方向 塔形干擾流放向

由於孔板是基於中心突然收縮式節流工作原理，流體經過中心孔後是向四周擴展，產生的干擾旋渦流方向均從中心指向四周管壁，它的測壓點恰好也在管壁上，因此干擾直接作用在測壓點上，對靜壓的測量會產生很大的影響。

塔形體是基於邊壁逐漸收縮式節流工作原理，流體流過邊壁與塔體四周間的環隙後都是由邊壁向中心擴展，產生的干擾旋渦流方向是從四周方向指向中心，因上下左右相反而互相抵消，雖然它的測壓點也在中心，但是能到達測壓點上干擾的力度經相互自行抵消已經變得很弱了，對靜壓的測量影響就變得很小了。由於塔形流量計使流體的流速實現了真正的均勻流動而不是假設的；同時它對節流式差壓儀表所共有的旋渦干擾流有獨獨特的抵抗消除功能，從而使得它的測量準確度和量程比都得到了很大提高。

大家知道孔板的測量精度一般是1.5～2.5%，量程比只有3:1～4:1，而塔形流量計測量精度可達0.5%，量程比10:1～15:1。因此它除了可測高速大流量的流體外，完全可以測量低流速、低壓力的微小流量。在實際生產中常常遇到低壓力和低流速流量的測量問題而難解決。象煙道氣、低壓力、低流速的煤氣等，由於塔形流量計特有的均速作用和極強的抗干擾能力，都可以準確的測量，而孔板等標準流裝置對於這樣的流量是無能為力的。

只需要很短的直管段

孔板等流量計直管段的困擾，從事儀表行業的人們都知道，孔板等傳統差壓式儀表在上游處必須 要加上長長的直管段（約20D到50D)，目的就是為了使流體流動狀態成為充分發展管流，以復現實驗室條件下的流動狀態。然而這種苛刻的要求常常由於現場情況的複雜而不能滿足，所帶來的結果必然是精度降低誤差增大（通常這種誤差總是引不起人們的注意）。因此象孔板這類流量計不可能在不滿足直管段條件下獲得準確測量值。特別是2003年3月國際標準化組織公布了新修訂的ISO5167新標準，其中最主要的一條變化就是對孔板等節流裝置上游最小直管段提出了全新的和加長的要求。例如如果將一個β值=0.6的孔板安裝在單個90。彎頭之後，按照舊標準前直管段最小18D，而新標準為42D。如果現場沒有那末長的位置，又不想降低測量精度，唯一的辦法就是加一個流動整流器。象這個例子需要在上游13D處加一個19管束的整流器才行。因直管段長度不符合要求而造成附加誤差的情況幾乎到處可見。這種誤差的偏差方向需視具體情況分析，但量值的大小有資料可查約在±0.5～±5%甚至更大。

對流體特有的整流的功能，孔板等傳統差壓儀表所需直管段太長，多年來一直是儀表人員最頭痛的問題。 直管段太長這個困擾流量測量領域多年的問題，在塔形流量計上的到了很好的解決。

我們從塔體結構上可以看到，流體遇到塔形體時（實際上未遇到塔體之前就已經受到塔體的作用力了）被強迫壓縮至四周逐漸變窄的狹長通道，相當流體被強行規範流動（偏流、二次流、旋渦流等各種畸變流因被強行規範而消除），這不就是一個很形象的整流過程嗎。見圖8、圖9

塔形流量計對流體的整流功能是孔板等傳統流量儀表無法相比的，正是有了這個特殊的功能，所以它只需極短的直管段甚至不要直管段也能正常工作。

有了塔形流量計我們再也不用因找不到合適的安裝流量計位置而犯難了，也不用擔心因直管段問題而影響測量準確度了。

塔形體的節流邊不會磨損

節流式差壓流量計的檢測部分是純機械結構型儀表，因此它的測量精度是靠幾何尺寸來保證的。以孔板為例其上游邊緣（通常稱為孔板前銳角）就是一個極為重要的幾何尺寸（它決定節流件的β值），按照國標規定該邊緣半徑不大於0.0004d（d:孔徑）才可以認為是尖銳的，否則測量精度就很難保證。這個0.0004d要求具體是個什麼概念，例如DN250管道使用d=135.36mm的一塊孔板，其邊緣半徑允許誤差0.054mm（還不到一根頭髮絲的直徑）。這樣嚴格的尺寸要求，即使加工能做到，在實際使用中能始終保持不變嗎？回答是否定的。

孔板尖銳角易磨損是由它的結構原理決定的（即先天不足）。實際上孔板從投入運行的第一天開始，其銳角就開始被磨損，只不過是這個過程人們不易發覺到。隨著銳角的一天天磨損導致流出係數一天天變大。在流體較髒流速較高的場合，這種變化往往是很驚人的。據有關資料介紹：有人做過專門調查，一個新製造的符合標準要求的孔板，在使用一年時間拆下來檢查發現原來尖銳的邊緣被磨鈍了；在標準中對平面度、表面粗糙度要求很高的前端面積結了許多贓物，經過檢定，原來流出係數不確定度由±0.6%增大了百分之幾。另據國外專業雜誌報導，在流體髒、流速高的現場條件下，發生流出係數增大百分之十幾的也不足為奇。

流出係數變大的後果就是流量顯示的偏低（實際的流出係數已經變大，然而儀表仍然按照原來小的係數進行計算，必然造成顯示值偏低）。由此可見孔板流量計的準確度是使用時間的函式，也就是說越用越不準，如果把它用於貿易結算上，何談公平公正的原則。因此非常有必要用更先進的節流裝置來取代它。

塔體節流邊耐磨損的特性 塔形流量 計與孔板一樣同屬於節流式流量儀表，它的測量精度也是靠幾何尺寸來保證的。那末它是否與孔板有著共同的缺點呢？下面來分析一

下。

塔形節流件決定測量精度的幾何尺寸（β值）也是節流邊緣，然而它的節流邊緣與孔板確有著本質的不同。孔板的節流銳角在節流件前面直接迎著流體方向，塔形體節流邊緣是處在節流件後面順著流體方向，而且是一個鈍角。當流體進入塔形表體時，流體被迫按照由寬逐漸變窄的流線路徑高速流動，加之該路徑與管內壁相互作用，一個二次形成的邊界層會沿著塔體周圍的區域被重新分布，該邊界層效應 （附面層效應）會使流體離開節流邊緣一個微小的距離，正是這個微小的距離保護了節流邊緣不會被磨

損，即使高速髒污的流體也不會磨損節流邊緣。因此決定塔形體測量精度的β值就能長期保持不變，所以塔形流量計投用後不用再標定也能長期穩定工作。

（註：關於邊界層效應理論可參見李詩久主編的《工程流體力學》一書。）

塔體的自清潔功能---測量孔不易堵塞

自清潔功能 節流件不積污 如前面所述，流體在管道中流動靠近管壁處的流速會變慢，這樣就會使一些髒污物或顆粒沉積在管壁上，或者如果遇到象孔板這樣的節流件，便會在其前方沉積，並堵塞取壓孔，嚴重影響測量精度。

流體在流過塔形體兩側時，由於它能迫使管壁與塔體間通道的流速加快從而形成了對管壁處和塔體表面的沖刷作用，所以根本不會產生髒污的積垢。再加上塔體近似流線的形狀，更不存在孔板那樣的積垢死角。塔形流量計這一獨特的吹掃式設計決定了它具有自潔功能，因此它可以用來測量髒污流體、濕流體而不會被堵塞（象焦油煤氣等）。

另外當流體流過塔形體時，由於流體流經支撐管時，在其前部會產生一個高壓分布區（根據伯努利定律原理：在支撐管前部的流體速度變慢甚至為零，該處的壓力會高於其周邊處）它造成該分布區的壓力稍高於其周圍區，因而阻止了顆粒等進入該區，從而不會堵塞正壓取壓孔。（負壓孔在塔體後部開孔很大不會堵塞）。

飛龍公司特有的防堵技術 前面介紹的塔形流量計原有的自潔功能（防堵），但是當被測流體太髒或含有大量雜質顆粒時 ，McCRMETER公司常規的V-CONE的防堵功能將失去應有的作用。為此我公司成功研製設計了一種專用於高爐煤氣等帶有大量顆粒、粉塵介質、焦油的塔形流量計感測器，具有極強的防堵性能，該產品目前在國內是唯一的，該產品隨時能滿足用戶的實際需要。

在節流件計算上 比孔板準確

節流件計算“不準”帶來的附加誤差 這個題目聽起來好像有點不可思議，因為現在的節流件設計都採用計算機軟體來計算，怎么會不準之說？其實這個問題在我們每個人身邊都可能發生過，只是沒引起我們的注意而已。下面以計算孔板為例來說明這個問題。

在孔板計算中用戶必須把管道直徑“D”參數提供給設計部門或生產廠家，D參數是設計孔板的一個重要數據，因此標準中對它有嚴格的規定。標準要求“在節流件前（0～0.5）D長度上，至少測量3個截面取出12個直徑測量值，然後取其平均值作為設計值”來計算孔板，然而這個規定在實際中很難做到（除非連同直管段一道購買加工）。大多數情況都是在原有的工藝管道上後加流量計，不可能為了測量D值而停車割開管道，大多數習慣上都是以公稱值報給設計部門或生產廠家。我們知道管道的尺寸通常是以公稱值來標註，而鋼管產品是按外徑和壁厚系列組織生產的。如219的鋼管標稱為DN200，但壁厚從幾個毫米到十幾毫米不等，直徑相差最大達10mm,以這樣不準確D值計算節流件，其結果就是“假值真算”，再高級的計算軟體算出來孔板也不會太準確。

例如DN200系列的管道，以D=200計算(Fmax=20t/h ΔP=40kPa d20=121.99mm)

若實際的D=206，40kPa時Fmax=19.82t/h 儀表將偏高0.9%;

若實際的D=195， 40kPa時Fmax=20.178t/h 儀表將偏低0.89%

計算的D與實際值相差越大帶來的誤差就越大，這即怪不得計算，也不能說用戶提供的不準，實際上用孔板測量流量這是很難避免的問題。

殼體是精密測量管 精密測量管式塔形流量計如下圖。它是把要求嚴格的測量管和連線法蘭整體焊接在一起的一個組 件，雖然D值的要求也很嚴格，但是這個工作是由儀表製造廠家來做的。測量管是在製造廠進行準確測量或者進行機械加工來達到所要求數值，根本不需要用戶再為管道的D值是否精確而為難。（但是用戶要把管道的壁厚系列提供給儀表廠以便選配同系列的測量管）由於塔形流量計能把管徑D值控制的十分精確，從而完全避免了象孔板等因D值難於控制而帶來的誤差。

壓力損失小於孔板

塔形流量計的結構特點是流線型節流件，採用“逐漸節流方式”工作，完全不同於孔板等傳統差壓式儀表“突然節流”的工作方式，所以它的壓力損失小。因此非常適應那些“大流量低壓力”流體流量的測量。

塔形流量計的不足之處

1 、如果要求塔形流量計具有高於±0.5%的測量精度，對每一台流量計要求儘可能與使用條件相近

（或採取等雷諾數的原則）的標準裝置上進行實流標定它的流出係數C，因而使它的製作成本相應的增加。

2 、由於其結構上的原因，只能單方向測量流量，不能用一台表測量兩個方向的流量

※塔形流量計沒有缺點嗎？

回答是：有！

1 對每一台流量計都要實流標定它的流出係數，增加製造

成本。

2 不能測量雙向流量。

3 塔形流量計目前在尚沒有統一國家標準，各生產廠執行

自己的企業標準。

大口徑塔形流量計

生產製造、標定（檢定）的依據

塔形流量計在生產製造上，參照執行國標GB/T2624 -1993 “流量測量節流裝置用孔板、噴嘴和文丘里管測量充滿圓管的流體流量”和Q/BFL003-2004企業標準。

在實流標定中，完全執行JJG640-1994“差壓式流量計檢定規程”。

技術指標

準確度：±0.5%

重複性：±0.1%

量程比：10：1 ～ 15：1 （～20：1）

所需直管段：上游1～3D ,下游0～1D

雷諾數：8（5）Ⅹ103～1Ⅹ107

管道通徑：DN15～DN2000 (DN3000)

公稱壓力：0～20MPa

介質溫度：550℃ （可以更高）

套用範圍

氣體

煤氣（焦爐煤氣、高爐煤氣、發生爐煤氣）

天然氣，包括含濕量5%以上的天然氣

各種碳氫化合物氣體，包括含濕的HC氣體

各種稀有氣體，如氫、氦、氬、氧、氮等

濕的氯化物氣體

空氣，包括含水，含其它塵埃的空氣

煙道氣

蒸汽

飽和蒸氣

過熱蒸汽

液體

油類，包括原油（在一定的粘度下）、燃料油、含水乳化油等

水，包括淨水、污水

各種水溶液，包括鹽、鹼水溶液

含蠟、含有水

含油、含沙的水

甲苯

甲醇、乙二醇等

特殊流體

油+HC氣+沙

加氣的水，如H2+N2+空氣；H2O+CO2等六、塔形流量計與其他流量計的比較（這裡以能源三氣為例）

蒸汽流量

對於蒸汽，標準節流裝置孔板等由於其結構簡單、價格便宜、牢固結實、通用性較強，再加上百餘年套用的歷史等，所以至今在流量領域仍然占有較大的份額，特別是在較大口徑（DN1000以下）、高溫、高壓等介質上，人們心裡總是先想到用孔板。在塔形流量計問世前這樣的選擇是有一定道理的。對於蒸汽來講，電磁流量計、科里奧利（質量流量計）、渦輪、超音波、容積式、都不能測量；渦街、旋進旋渦流量計雖然可以測量，但是溫度不能超過300℃而且口徑不能太大；均速管、彎管流量計也能測量，然而不但精度差量程比小，也需要較長的直管段……在這種情況下，儘管孔板存在諸多的缺點和不足，也只能靠孔板、噴嘴這個傳統的計量手段了。

煤氣流量

對於煤氣（焦爐煤氣、高爐煤氣、發生爐煤氣、水煤氣等）流量的測量，由於煤氣中含有萘、銨的水化合物和焦油，這些組分很容易從煤氣中分離出來從而在管道內壁及流量計表體和測量元件表面上凝聚起來，造成多數流量儀表不能正常工作。可以說煤氣的輸送和計量的難點一直沒能很好地得到解決。在塔形流量計問世前，只能湊合著使用孔板。由此帶來大量的附加工作，例如要對孔板前的積污、取壓孔堵塞進行定期拆下檢查清理、因孔板的銳角磨損而定期拆下標定，這樣一來孔板的準確度就很難保證和正確的評估了。

天然氣流量

對於乾淨的天然氣的流量測量，應該沒有什麼難點，對此我國2004年重新修訂發布了：中化人民共和國石油天然氣行業標準SY/T6143-2004(代替SY/6143-1996)。標準中對用孔板測量天然氣進行了詳細的規定。但是如果在天然氣的開發、處理上存在技術欠佳，在輸送過程中管道裡面沒有處理乾淨。由此就會造成天然氣中可能含有水分、雜質、泥沙、其他污物等，由此就會給使用孔板計量天然氣帶來難以應付的困難，同時測量精度也難以保證標準中的規定（因為流體的條件已超出了標準規定的要求）。因此用何種流量儀表來測量不乾淨的天然氣也是我們必須面對的一個問題。目前我國對天然氣的計量主要還是孔板為主，多通道超音波在大口徑管道上已經使用，但是因為價格昂貴還不能普及。氣體渦輪也在乾淨的氣體上有所套用，但是對於含有污物的氣體以及渦輪的使用壽命還存在很多問題沒有解決和期待解決。

孔板計量的諸多缺點

就目前常用的十餘種流量儀表來講，對於蒸汽、煤氣、天然氣等的計量手段，孔板還是占有較大的份額，其中的原因上面已經初步進行了分析。對於孔板計量所存在的諸多的弊病，這已是儀表業內人所共知的問題。為了提高計量技術的科技水平，使計量技術更好更快的向前發展，也為了使大家對新型流量儀表的優越性能有所認識，在此有必要對孔板存在的缺點舊話重提。

1、孔板存在著不能避免的：“銳角磨損”的問題，使它的測量精度隨著使用時間而越來越低（詳細見前面所述）。

2、孔板的量程比太小（只有3～4：1）、線性差這些缺點極大制約了孔板適應流量變化的的能力。我們都知道在實際測量中流量大小的變化範圍大多數都很大，特別是在供氣、供熱的計量上，由於用量波動很大，流量上限與下限常常超過20：1，遠遠不止孔板的3～4：1這樣小。對於孔板這類流量計，當下限流量進入到雷諾數Re<1Ⅹ104範圍內，流量係數對Re變化是非常敏感的（進入了非線性區），

註：Re=354ⅩM/(DⅩμ)

例如一個β=0.73的角接取壓孔板，假設因流量減小導致Re由5Ⅹ104降到Re=104時，這相當於流量從額定工況下降到20%額定工況下工作，而這時流出係數（或流量係數）將不會保持設計時的數值，其變化會增大2.2%，如此大的負向誤差實在令人吃驚。而在實際測量中流量在20%額定負 荷下工作是常有的情況，由此可見孔板量程比太小、線性差對流量測量精度的影響是多么大。

3 孔板等傳統差壓儀表對直管段要求太長更是令廣大的使用者最感頭痛的問題，孔板對直管段的要求大多數是很難滿足要求的，所以由此而引起測量誤差有時是相當大的（±0.5～5%）。這個問題在前面已經進行了介紹，這裡就不多講。

4 孔板是不適應在髒污、含濕流體條件下工作的，因為這些會 在孔板前面的管道及端面上堆積、附著，嚴重影響測量準確度

歷史原因的分析

標準節流裝置孔板、噴嘴、文丘里管三大節流件，由於孔板結構簡單、價格便宜、通用性較強，再加上百餘年套用的歷史等，所以至今在流量領域仍然占有較大的份額，特別是在較大口徑（DN1000以下）、高溫、高壓等介質上，由於歷史的原因人們心裡總是感到用孔板放心。在塔形流量計問世前這樣的選擇是有一定道理的。

80年代末期塔形流量計（V-CONE)的研製成功，終於使上述這種情況發生了質的變化。無論是結構原理、測量精度、量程範圍、使用條件、適用範圍、使用壽命等等方面，它的優越性都是孔板等其他節流件不能相比的。

有人可能會講：既然塔形流量計這樣好，為什麼在流量領域沒有大規模應

用？主要原因是：

1 塔形流量計時間短，在國內正式推出只有4～5年的時間，人們還不太 了解它。對一個不熟悉的儀表當然不敢貿然使用。

2 一個新型儀表的從問世到大規模套用，不管時間是長是短總要一個過 程。但是只要是好的儀表，這個過渡的時間是會很短的。

3 由於設計計算等原因，國內真正能獨立生產的廠家太少，所以在宣傳 和推廣力度上不夠，致使很多用戶對它不了解，從而在一定程度上影 響了塔形流量計的使用。

通過今天的簡單介紹，也只能是使大家對該儀表有了一個初步的認識。

我們相信隨著對塔形流量計的優越性能的逐步了解和熟悉，它取代孔板的

趨勢是不可置疑的。

孔板的 性能/價格比

與其它投資一樣，計量儀表的選擇也是資金的投入，那末一套流量儀表怎樣才能為你創造最大的效益？下面以一個例子來說明。

1、 以上我們把孔板與塔形量計進行了較全面的對比分析，二者性能的優劣大家心裡基本有了初步的認識。但是可能有人要說：以中等管徑來比，塔形流量計要比孔板價格高出近萬元，還是孔板便宜。這裡僅僅只是作了一次性投資的對比，沒有計算今後長期運行的效益的對比，是不全面的。

這裡以一套外供蒸汽的計量儀表為例，年供汽30萬噸計算，70元/噸。若用孔板計量，這裡僅以因孔板銳角磨損引起的誤差比原來增大1.5%計算（負誤差，流量偏低）。

300,000噸/年Ⅹ1.5%Ⅹ70元/噸=31.5萬元

每年30多萬元的損失與投資時多花1萬多元就可以把這30萬元找回來相比，應該選用孔板還是選用塔形流量計，答案不是很簡單嗎。這僅僅是一年的損失，這個誤差是隨著時間一點點在增大的，幾年算下來，百十萬元就會無聲無息地流失掉了。

2、上面舉了引起孔板偏低的一個例子，引起孔板誤差增大的因素諸多，其方向（也就是常說的流量偏低還是偏高）確定，因實際情況複雜還有許多不能確定，有些甚至流量界上還有爭論。下面再舉一個引起孔板偏高的一個例子。下面給出一組已有定論的由直管段不夠所帶來的誤差數據，表中凡是負值的，對測量的影響都是使流量偏高。

從表中可以看出，儀表最大偏高達到了7.5%，平均值也在1.5%左右。作為蒸汽的用戶，可以用上面的計算方法算一下因孔板偏高的因素一年給你帶來多大的損失。

在《流量測量方法和儀表的選用》中明確列出了31項引起孔板、噴嘴偏

低、偏高的各種因素，大家可以查閱。

塔形流量計的節能效果

由於塔形流量計的相對壓力損失小於孔板，這是因為塔形表的負壓端非常穩定（前面講述的抗旋渦流能力），所以在正常情況下可以選擇較大β值（較小的塔體），從而使差壓量程在較低的範圍內（零點幾千帕的量程都可以正常工作）。而孔板因為沒有抗旋渦流的能力，它的負壓端受旋渦流干擾波動太大，所以差壓量程不能選擇的太小，正常流量最小也需要十幾千帕的差壓量程。因此孔板壓力損失很大，大的壓力損失必然就要消耗能源。下面請看一個實例：

假設永久損失孔板比塔形僅僅大4KPa，蒸汽流量為：50 t / h，密度為:10kg/m3，換算到體積流量為5000m3/h。計算一下因壓力損失的原因採用塔形流量計比孔板運行一年節約多少資金？

功耗損失=體積流量Ⅹ壓損

=5000（m3/h）Ⅹ4(KPa)

=1.388(m3/s)Ⅹ4000(Pa) 體積流量化為m3/s

=1.388(m3/s)Ⅹ4000(N/m2) ( 1Pa=1N/m2 )

=5552（Nm/s)

=5552（Nm/s)÷9.8Nm

=567（Kgf.m/s) (1 Kgf.m/s=9.8Nm)

=5560（w) (1 Kgf.m/s=9.80665w)

如果工業用電0.5元/度，運行一年（365天）

5560（w）Ⅹ24小時Ⅹ365天÷1000（Kw.h)Ⅹ0.5元/度=24,353(元)即採用塔形流量計比孔板一年可以節約電費2.4萬元之多，運行4年就可節約10萬元。

與彎管的比較

彎管流量計雖然距今已有90多年的歷史，但是只是近十餘年來在我國才有了套用。其優點是：無壓力損失，可測氣體、液體和蒸汽，無可動部件，堅固結實，耐壓耐溫也較高。但是對於測量的準確度及可用性，我想提出幾點看法。

1、提到彎管流量計我們要說的是，彎管的可用性（保證精度下）目前在流量界還是有相當大的分歧的，因此彎管流量計在保證精度下的可用性可以說還有很大的不確定性。但是有一點是肯定的，無論從測量原理的成熟性還是儀表結構特點上，它的各項性能、可用性及準確度是遠低於塔形流量計的。

2、另據相關資料中講到，彎管在測量蒸汽時，要求蒸汽的流速不能低於7m/S，否則會引起較大誤差。這個7m/s的概念，可用流速與流量的關係式來表明對流量測量的影響多大。

根據 V=（354ⅩQ）÷D2

則 Q=(VⅩ D2 )÷354

式中 V: m/s Q: m3/h D: m m

若是DN100的管徑，流量低於198m3/h時，彎管就不能測量。

若是DN200的管徑，流量低於791m3/h時，彎管就不能測量。

假如蒸氣密度10kg/m3,上述流量下限分別是：1.98t/h和7.91t/h，對應的雷諾數Re為4.7Ⅹ105和9.4Ⅹ105。若密度為4.510kg/m3,對應的下限雷諾數Re是2.1Ⅹ105和4.2Ⅹ105,也相當高（塔形流量計的下限雷諾數Re是8Ⅹ103）。這表明彎管只能工作在高雷諾數區域內，從而說明彎管流量計測量的範圍較窄，測量小流量的能力差。

3、在國際、國內所有的著書立學中（除了彎管的生產廠外），凡是提到彎管流量計時都一致指出它的測量精度太低，如《流量測量節流裝置設計手冊》中明確指出：在R/D≥1.25,Re>104時彎管流量計的流出係數相對不確定度為±4%（169頁）。對此我們也查了大量的資料，得到的結果是：幾乎所有國內、國外的專家、學者在所推薦的彎管流量計在其可以保證測量精度上幾乎不能為使用者所接受。

面對流量界關於彎管流量計上的技術分歧，還有待於廣大用戶和實踐來檢驗和判斷。

4、彎管流量計在對其測量原理的分析中，把流體在管道中流動認定為是齊頭並進流動的（認為是均速流動），實際上流體在管道中流動的速度是沿著管半徑方向形成一定的梯度的。管中心流速最快，越接近管壁速度越慢，接觸管壁處速度接近零。把不是平均流速的流體當成平均流速的流體來進行理論分析，對流量計的測量精度肯定要帶來一定的影響。具體影響的大小還缺少相關的數據。

5、彎管處於管道的拐彎處，等同於一個脹力彎，管道冬、夏的熱脹冷縮對彎管的彎徑比R/D肯定有影響，而R/D又是決定測量精度極為重要的參數，因此對R/D應當嚴格控制，若不能嚴格對應，則會產生大於5%的誤差。那末脹力對彎管的R/D影響到底有多大。同樣也缺少相關的數據。

6、在描述彎管流量計時，有人認為“並且彎管流量計可以近似看作是一種整流裝置”，並依據這個理論確認彎管流量計對前後直管段長度要求可以降低，對於這一點也缺乏可靠的數據。因為流體流經彎頭後必將產生干擾流，因此必須要加長直管段來消除這個干擾。如果彎頭能起到對流體的整流作用，那末國際ISO5167標準、國家GB/T2624-1993標準的相關規定就不好解釋了。(關於流體流經彎管時產生干擾流的詳細分析及圖示說明，可查閱《流量測量節流裝置設計手冊》第66頁。

7、彎管流量計早在1911年就已開始在流量領域使用，這樣長時間之所以沒有得到大量套用，是否因為它除了壓力損失極小的優點外，再沒有其他的什麼優點有關呢？

與電磁、渦街流量計的比較與選擇

電磁流量計的優缺點

優點：無壓損失;可測含有固體顆粒或纖維的液固兩相流體,如紙漿礦漿等不易堵塞;可

測含有腐蝕性流體;量程比大(20～50：1;直管段 要求較 低;口徑範圍大(幾毫米～3m);

可測雙向流;精度高(0.5%)；安裝使用較為簡單等。

缺點：不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體;只能測量液體而且對液體的電導

率有要求;流體的溫度不能太高（<120℃）；易受電磁場干擾等。

渦街流量計的優缺點

優點：可測種類多如液體、氣體、蒸汽和部分混相流；量程比較高10～20：1；壓力

損失小（約為孔板的1/4)；安裝維護方便；精度較高1.0%（與孔板、浮子式比）；在

一定的雷諾數範圍內輸出信號不受流體的物性（密度、粘度）影響，因此可以在一種

介質中標定係數而用於其他介質；安裝使用較為簡單等。

缺點：不適用低雷諾數測量，所以高粘度、低流速流體受限；口徑不能太大<DN300～

400；測蒸汽溫度不能高於300℃；直管段要求較長；受震動影響大等。

通過以上對電磁和渦街流量計性能優劣的簡單介紹，在這裡我們建議：在口徑

≤DN100液體測量時，選擇電磁流量計較好。在口徑≤DN100氣體測量時，選擇渦街流

量計較好，特別是要求就地顯示的情況下，渦街流量計是首選。除此之外，塔形流量

計是最好的選擇。

由於工作原理所決定，孔板系統的溫度、壓力測量點安裝是有規定的，位置只能如圖所示。因此需要三台儀表才能完成，相應的輔助件也多。不僅增加了密封點也增加了日常的維護工作量。

塔形流量計它的測量原理決定了它允許測溫元件直接安裝在塔體上，又選用了多參數變送器，差壓、壓力、溫度在一台變送器上測量運算，直接輸出補償後的信號。大大減少了密封點和日常的維護工作量

最後的結論

凡是要求測量任何氣體、液體、蒸汽的場合都可以使用塔形流量計，在要求穩定性很高的過程控制中，塔形流量計更是能勝任。如果某場合要求有更高的耐用性、堅固和有長期的使用壽命，塔形流量計應該是首選的儀表。從本質上講塔形流量計是免維護的，因為它不需要進行定期的重新校準。只有在極端的工作條件下時，才有必要對它進行定期檢查。同其它任何一次節流裝置一樣，必須配套使用較高質量的差壓變送器以及二次儀

表後才能獲得整體的優異的系統性能。因此應該按照廠家的要求，定期對差壓變送器及二次儀表進行校準。

塔形流量計雖然同屬於節流式差壓流量計，但是它獨特的結構、原理使得它不但測量準確度高，而且不存在孔板的磨損與積污問題。實流標定出來的流出係數不但可以在現場準確復現（孔板計算出的流出係數很難在現場準確復現），而且可以長期保持不變。再髒的氣體也不會使取壓孔堵塞，因此可以測量煤氣等髒污的流體。它的量程比可以做到15：1。對安裝直管段要求只有1到3D（在調節閥後3D）。它的壓損小，可以在低靜壓、低流速的流體中有效的進行測量。塔形流量計的優良性能使得它適宜用作其他儀表不宜的環境監測中的流量儀表，如監測煙道氣的流量、監測各種污染物的排放量等。

就測量精度而言，它與多聲道超音波、精密氣體渦輪、電磁（液體）等可屬於同一檔次的儀表，其次為渦街、旋進旋渦、均速管等。因此在天然氣、供熱蒸汽、污水等的計量上完全可以用於貿易結算。但就抗髒污能力和工作穩定性而言，唯有塔形流量計性能最佳。就量程比而言，雖然不及超音波、電磁那樣寬，但是15：1用於工業測量已足夠。特別是塔形可以測小雷諾數（低流速）的特性，比一般的量程比寬更有實用意義。塔形流量計是基於非常成熟的原理工作的，它為差壓式流量計揭開了嶄新的一頁。

塔形流量計安裝注意事項

節流式差壓流量儀表的安裝要求包括管件條件、管道連線情況、取壓口結構以及差壓信號管路的敷設情況等。

安裝要求必須按照規範施工，偏離要求產生的測量誤差，雖然有可能可以修正，但大部分無法定量確定的，因此現場的安裝應嚴格按照標準的規定執行，否則產生的測量誤差甚至無法定性確定。

渦街流量計

流量計發展

流量測量的發展可追溯到古代的水利工程和城市供水系統。古羅馬凱撒時代已採用孔板測量居民的飲用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法測量尼羅河的流量。我國著名的都江堰水利工程套用寶瓶口的水位觀測水量大小等等。17世紀托里拆利奠定差壓式流量計的理論基礎，這是流量測量的里程碑。自那以後，18、19世紀流量測量的許多類型儀表的雛形開始形成，如堰、示蹤法、皮托管、文丘里管、容積、渦輪及靶式流量計等。20世紀由於過程工業、能量計量、城市公用事業對流量測量的需求急劇增長，才促使儀表迅速發展，微電子技術和計算機技術的飛躍發展極大地推動儀表更新換代，新型流量計如雨後春筍般湧現出來。至今，據稱已有上百種流量計投向市場，現場使用中許多棘手的難題可望獲得解決。

我國開展近代流量測量技術的工作比較晚，早期所需的流量儀表均從國外進口。

流量測量是研究物質量變的科學，質量互變規律是事物聯繫發展的基本規律，因此其測量對象已不限於傳統意義上的管道液體，凡需掌握量變的地方都有流量測量的問題。流量和壓力、溫度並列為三大檢測參數。對於一定的流體，只要知道這三個參數就可計算其具有的能量，在能量轉換的測量中必須檢測此三個參數。能量轉換是一切生產過程和科學實驗的基礎，因此流量和壓力、溫度儀表一樣得到最廣泛的套用。