要：流量仪表是生产、生活中经常使用的计量仪表。流量仪表的种类很多，随着科学技术的进步和生产需求的增长，流量仪表的应用范围日益扩大。本文介绍了两种流量仪表的原理和安装时应注意的问题，分别是差压流量计和超声波流量计。其中差压流量计是具有压力损失的仪表中最常见的一种，超声波流量计是不存在压力损失的仪表中常见的一种。关键词：差压流量计；超声波流量计第一章差压流量计的原理及安装1.1差压流量计的工作原理差压流量计由节流装置和差压流量变送器组成，他们之间用引压管连通。差压流量计的节流装置有标准节流装置和其它形式的节流装置。标准节流装置有标准孔板、标准喷嘴和文丘里管，其它形式的节流装置有圆缺孔板、1/4圆喷嘴、双重孔板等。节流装置的取压方式一般采用角接取压或法兰取压，根据使用条件也可采用径距取压或其它取压方式。节流装置既是取源部件，也是节流部件。它的工作原理是当流体在流动过程中遇到局部阻力时，流体为了克服局部阻力，流体的能量形式会发生转换，即势能与动能间的转换。节流装置通过缩小流通截面产生了局部阻力。在节流装置上游，流体在直管段平稳流动，流束线平行于管壁；当流体流到节流装置前端时，通道截面突然变小，流束遇到阻碍，后续流束仍在向前流动，此时流体流束受到挤压，流束线被挤压成曲线。流体用其内部能量克服局部阻力，保持管路内任何截面处的流量相等。在节流装置前方的直管段内，管道内壁周边流体因受挤压，势能升高，动能减小。节流装置孔前的流束急剧收缩，流速加快，管道中心部位流体随着流速加快动能升高，势能降低，管壁上的压力分布发生畸变，如图1-1所示。流体流过节流孔后，流通截面突然增大，但流束因惯性作用不会马上扩散，加速冲出一段距离后，随着流体能量的自衡，动能逐渐向势能转换，流速逐渐下降，直到恢复到动、势能平衡。这一过程决定了节流装置上下游侧必须有直管段。上游侧直管段的作用是调整流体流速分布的对称性，下游侧直管段的作用是给流体提供动、势能进行自衡调整缓冲区段。在节流装置前端，因势能上升，反映势能大小的管内周边压力也随之增大。当管道中心部位的流体流过节流孔后，静压能下降，同时，管中心流束的运动带动后面周边区滞留物料，形成涡流，涡流消耗能量，也就是常说的压力损失，压力损失的大小与节流元件的孔径d与工艺管道内径D的比值有关，比值越大，压力损失越小。因此，节流元件的前后产生差图1-1孔板压力、流速分布图由图1-1可知节流元件后的静压力P2始终低于节流元件前的静压力P1。差压流量计将差压信号（=P1-P2）转换成流量值，数学表达式为：为质量流量，C为流出系数，为可膨胀性系数，d为节流元件开孔直为工艺管道内径，为被测液体的密度，从式中可以看出流量和差压间的关系是平方根关系。差压流量变送器的基本原理是：将一个空间用敏感元件分割成两个腔室，分别向两个腔室引入压力，传感器中的弹性元件在两方压力共同作用下产生正比于差压的位移，这个位移量决定了传感部分输出电信号的大小。这个电信号经过放大电路，转换成可以反映差压大小的信号。最终依据差压与流量的计算公式，差压信号经运算处理转换为流量信号。差压流量变送器主要有电阻式差压变送器、电感式差压变送器、电容式差压变送器、谐振式差压变送器等种类。以电容式差压变送器为例，此类变送器的传感室结构如图1-2所示图1-2差压流量变送器传感室结构图当正负压力由正负压导压口加到隔离膜片上时，通过腔室内硅油液体传递到中心测量膜片上，测量膜片产生位移，使可动极板和左右两个极板之间的间距发生变化，从而使电容值改变，电容的变化值与被测压力成正比。通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。此信号经变送器内的放大、运算电路处理后，转换成正比于流量的标准信号。流量变送器根据用户需要在满足远传信号的同时也可实现就地显示功能。1.2差压流量计的安装原则节流装置上、下游直管段长度的确定原则是：当设计图纸有明确规定时，应遵照设计规定执行；当设计无规定时，应按现行施工及验收规范中有关孔板、喷嘴和文丘里管上、下游侧直管段的最小长度执行。如果工艺直管段长度不能满足规范所规定的直管段的最小长度要求，应按前8D后5D的经验做法。夹持节流件用的法兰与工艺管道焊接时，法兰密封面与管道轴线应垂直，且法兰轴线与管道轴线重合。节流件轴线与管道轴线度。节流件轴线与上、下游管道轴线之间的误差应满足下式的规定：其中D为管道内径，为节流件的内径与管道内径之比。ex法兰密封面管口焊接处不允许有凸起焊肉，应打磨平整。采用对焊法兰，法兰内径应与工艺管道内径相等，管口对齐，焊缝内不允许有焊接残留物，宜采用氩弧焊焊接底口。工艺法兰密封垫片的内径不应小于工艺管道内径，垫片应与管道同轴，不可偏置。节流装置在水平或倾斜的工艺管道上安装时，取压口的方向应符合以下规定：当测量气体流量时，应在管道中心线用于测气体流量的取压口当测量蒸汽流量时，应在管道上半部与管道水平线夹角的范围内，一般情况下取压口方向为水平，以便安装冷凝器；当测量液体流量时，在工艺管道下半部与水平方向成0～45夹角的范围内。图1-4用于测蒸气流量的取压口环室的安装方向，环室上有“+”号的一侧应装在节流件的上游侧，当环室上有箭头标识流向时，箭头指向应与被测介质流向一致。当这两种标志都不存在时，应以环室凸凹密封面结构来分辨，凸面应在节流件上游侧，凹面在下游侧。节流元件孔板孔板的锐边或喷嘴的圆弧面应迎着被测液体的流向。安装在垂直工艺管道上的节流装置节流元件孔板孔板的锐边或喷嘴的圆弧应迎着自下而上的液体的流向。节流元件安装后，通常是先试压后吹扫，个别情况也有先吹扫后试压。吹扫之前应将节流元件拆卸下来，等吹扫合格后再装上，第二次复位时，应认真检查其安装方向，确保无误。差压流量变送器安装时需注意以下几点：安装位置的选择变送器的安装位置应选择靠近节流装置，便于安装、维护和观测的地方；不影响操作人员通行的地方；无强烈震动、高温、腐蚀、强电磁干扰的地方。安装标高的确定测量管道和变送器测量室内介质应为单一物相，不允许混相。当被测流体为液体时，变送器的安装标高应低于节流装置，以便于液体内气泡排除，使测量管内无气体积存；当被测流体为气体时，变送器安装标高应高于节流装置，以便于冷凝液回流到工艺管道，无冷凝液积存在测量管内；当被测流体为蒸汽时，变送器安装标高应低于节流装置，以利于测量管和变送器测量室内只有冷凝液存在，无气体积存于内。如现场施工条件无法满足上述要求，可按特殊情况处理。如结构条件允许，可制作安装平台，如没有制作平台的可能，则只能以现场条件来确定安装位置。如果测量气体的变送器安装高度低于节流装置，应在测量管最低处增设集液器，以便于气液分离。当测量液体的变送器安装高度高于节流装置时，应在测量管的最高处增设集气器和排气阀。其它注意事项变送器可在保温箱内安装，也可在柱形支架上安装，无论何种形式，变送器应垂直安装。仪表中心距地面高度应为1.2～1.5米，仪表显示屏应朝向便于观 察的方向。 安装在金属结构上或工艺管廊柱体上的仪表支架预制，应了解装置区的防火 要求。如工程设计有防火方面的内容，依照金属结构或立柱涂抹耐火层的厚度， 支架预制尺寸应预留出一定的长度。 地坪上安装的支架，其基础应以不沉降、 不变形为原则，以混凝土基础预埋金属件为最好，其基础深度宜大于0.8 北方地区其深度已超过冻土层为好。图1-5 仪表支架基础 第二章 超声波流量计的原理及安装 2.1 超声波流量计的工作原理 超声波流量计大多用于非接触式流量测量，特点是无压力损失，不受被测流 体理化性质的限制。对于其它仪表不可测量的特殊介质，如强腐蚀、高粘度、非 导电、易燃易爆等特性的流体，都可以选用超声波流量计。 超声波流量计主要由安装在测量管道上的换能器和转换器组成。其检测原理 多种多样，主要有时差法、频差法、多普勒效应法等。以下以时差法为例介绍其 工作原理。 超声波在流动介质中的传播速度与在静止介质中的传播速度不相等，类似于 顺水行舟和逆水行舟的航速关系。换能器由超声波发生器和接收器两部分组成， 分别安装在管道外壁的两侧。两只发生器 SA SB交替发出脉冲超声波。当 SA 发出超声波后，RA 接收穿过流体的超声波，下一个周期，SB 发出超声波，RB 收。设静止介质中超声波的速度为c，流体流速为v，从SA发出到达RA 的超声 波速度为 c+vcosθ ，所用时间为 t1；从 SB 发出到达 RB 的超声波速度为 c-vcos ，所用时间为t2。Δt=t2-t1。时间差和流速的关系式为： 在上式中，时间差Δ 是反映流体流速的唯一变量，与流速成正比。换能器输出的信号经由转换器转换为标准信号输出。 2.2 超声波流量计的安装原则 超声波流量计的换能器可安装在水平、倾斜管道上，也可安装在流体自下而 上的垂直管道上。工艺管道上要有一定的直管段长度，原则上应按设计要求施工， 有的制造厂提出上游最短直管段长度为 10D,下游最短长度为 5D。在水平管道上 安装的换能器，其方向应在与工艺管道水平方向成 45夹角的范围内，不应在 管道顶部或底部，因管道的顶部易存气泡，底部易产生结垢层，影响测量精确度。 安装前，应除净安装管段处的保温层，将管壁表面打磨干净，换能器和管壁 之间应涂抹足够的耦合剂。 装换器和换能器之间电缆的长度不可过长或过短，电缆过短不利于反射噪声 的衰减，电缆过长对信号的衰减过多，都会影响仪表的正常工作。同一台仪表所 有换能器的电缆长度应相同。 图2-1 接触式超声波流量计 总结流量仪表是石油化工领域十分常见的仪表类型，本文简要介绍了两种流量仪 表的原理和安装原则。理论是有限的，实践是无限的，在实际施工过程中，经常 会碰到一些规范没有明确规定但又必须解决的问题，这就需要施工人员有足够的 经验，丰富的知识以及果断的决策能力。认真学习，勤于观察，乐于总结，才能 成为一名合格的仪表技术员。 参考文献：《石油化工仪表工程施工技术规程》 SH/T 3521-2013 《自动化仪表工程施工及质量验收规范》 GB 50093-2013