1、经典节流装置不再辉煌

早于1890年，在美国俄亥俄州已开始试用孔板测流量。1912、1913、1916年T.R.韦默思;E.O.希克斯坦;E.G.贝利等人相继发表了有关孔板的制造、应用的相关数据，开启了长达百年顽强、艰苦的研究历程，使其成为流量测量中软实力最强的仪表*1*2，由于以下优点，曾取得占节流装置市场70%以上的骄人业绩;但也存在一些难以逾越的缺点。

(1)优点

①强大的软实力 积累了超过百年丰富的科研数据，使用经验，在此基础上制定了标准，并不断修改完善。使制造、应用有据可查，有法可依。

②无需标定 有成熟的标准，制造厂只需按标准生产，可无需标定，就可知流量系数等相关数据，节约了生产成本和周期。

③可承受恶劣工况 经典流量节流装置，一、二次表分离，较许多新型节流装置可耐恶劣工况，如：高温、高压、粉尘、振动、噪声、电辐射等。

(2)缺点

①易于堵塞 ;② 准确度难以维持 ;③压损较大 ;④前安装直管段太长根据ISO5167-2003新标准 ，经典流量节流装置的前安装直管段长度需30~40D。

(3)软实力无法提高准确度*3

百年来积累了大量流量节流装置的数据，虽然可对偏离标准的影响进行估算。但这种估算十分繁琐，又只是增加计量的不确定度，无益于准确度的提高。

(4)新型流量节流装置应运而生

面对资源匮乏、节能减排的新形势，市场迫切需要一种既可耐恶劣工况，价格适中，对安装直管段长度不高，而又能维持较高准确度的新型流量节流装置。我国近十年对其研发异常活跃，正有逐步取代经典流量节流装置之势，推广宣传应实事求是，稳步推进，完善、取代应是一个渐进过程。

2、新型流量节流装置的原理

虽然差压节流装置可达几十种，但万变不离其宗，其原理都基于能量守恒(公式1)与质量守恒(公式2)这两个物理公式，即由于流体流通的横截面积和/或流动通道的变化所引发的差压是流体流速、流体通道和流体特性的函数。

u1A1=u2A2= qm(t)

上式中，p：流体压力; ：流体流速 ρ：流体密度;A：流通截面面积。如果流速不高，密度ρ可视为常数;公式将变得十分简单，运用上式，通过节流增加流速，降低压力(位能);管道中的流体因节流流通面积减小而加速，因能量守恒促使压力降低，通过测差压可知流速来推算流量大小。任何节流件都会造成压力损失，压力不可能恢复到节流前的数值，这个差值即永久压损。当然，不同结构的节流器件所引起的压力损失是不相同的。这类节流装置可分为以下三大类：

(1) 孔板(同心单孔，偏心、圆缺、多孔等);

(2) 环形通道(V锥、环形孔板、槽道、内文丘利、梭式等);

(3) 文丘里(文丘里管、道尔管、罗洛斯管、环楔等)。

3 差压节流装置的类型

(1)孔板

孔板是最普遍、最悠久的一种经典流量节流装置，曾长期占据节流装置市场的魁首。但目前现场已无法满足它所要求现场直管段长度，制约了其应用。

(2)多孔孔板

多孔孔板与经典孔板相比较最大的特点是：多孔孔板的节流件除了节流还有整流的作用，它解决了工业现场的直管段长度不长又要求必要的准确度的矛盾。在直管段长度较短(5~10D)的情况下，仍可达到士1%的准确度，值得关注。

①发展历程

2002年，由美国Rosemount推出的调整孔板*4*5，(图1)首创了这类流量节流装置，据该公司称：前直管段长度大于5D情况下，可保持±1%准确度。2004年美国A+Flowtek公司推出了平衡式节流装置(图2B)，2007年进入中国;2008年我国天津某公司推出了结构不同于美国A+Flowtek的整流式节流装置(图2A、C)。而测试数据表明，在前直管段仅2D时，准确度可达±1%，为5D时，准确度可达±0.3%，β值建议取0.5～0.65之间。在前直管段长度约30D的条件下，对图2所示的三种结构进行了流出系数的重复性、不确定度、线性度的测试比较，技术性能难分伯仲。

②多孔孔板的计算

与孔板类似，区别仅在于如何计算β值。首先需算出它的流通面积Aef ：

流通面积 Aef=∑niπdi2/4 (5)

当量直径 def =[4 Aef /π]1/2 (6)

直径比 βD=def /D (7)

上式中：ni 单元节流孔的个数; di 单元节流孔的直径; D 管道内径

(3)环形通道节流装置*6(图3)。

①环形通道的整流作用

流体是通过锥体与管壁形成的环形通道，而不是中心孔进行节流的。有的文献称这类传感器为边壁收缩，而偏心、圆缺孔板，楔形节流装置均属边壁收缩，但仍要求有较长的安装直管段长度，真正具有整流作用的应是环形通道。

这种环形通道节流方式可在确保较高准确度的前提下，对前直管段长度的要求较孔板低得多。美国科罗拉多工程实验室(CEESI)，对其多种型式进行了测试，公布在APIMPMS22.2中，测试报告宣称不仅直管段要求短，而且压损也较孔板低一些。

②环形通道节流装置β值的计算

首先需通过流通面积A来计算当量直径dV ，然后再计算β值。

流通面积 A=π(D2- DC2) /4 ( 8)

式中DC为内锥的最大横截面直径。

当量直径 dV=( D2- DC2)1/2 (9)

直径比 βV=dV /D= (D2- DC2) 1/2 /D (10)

③环形通道节流装置的类型

ⅰ内锥节流装置

美国Mccrometer公司推出了内锥式(V-cone)流量计(图3)。这种流量计的节流件是一个悬挂在管道中央的锥形体，它具有以下优点：锥体可改善流场，在前直管段仅5~10D的情况下可具有±0.5~1%的准确度，此外，它的锥体边缘比孔板耐磨，可以测比较脏污的流体;但是在结构上存在的三个缺点：单臂支撑锥体，力学结构不合理;后取压点易于堵塞;压损大，仅次于孔板。

在我国21世纪初期，在缺乏充分研究、测试，没有标准、规程的情况下，宣传过热，不分场合到处滥用，造成多起严重事故。一个新传感器的研发、推出，必须在应用过程中，不断完善，切忌急于推广。对其评估也应依据科学试验的数据。为改进内锥节流装置的不足，我国近几年相继推出了槽道、内文丘利、梭式等节流装置。

ⅱ槽道节流装置*7

节流件为一纺锤体(参见图4)，具有较长的中段，用4个导流片来固定节流件，从力学角度看较内锥安全、可靠。但作为节流件的纺锤体过长，不仅加大了加工成本，也增大了摩阻，压力损失在相同的β值下，约为内锥的2/3。如维持±1%精确度，前直段不得小于5D。

ⅲ梭式节流装置 *8

结构及原理如图5所示，梭形节流件用3个支杆固定在管道中。总压取自前锥体的中央，而静压(低压)则取自环形通道最窄处的管壁上，位于两个支杆之间，相距约60°;梭式节流装置的尾部可使加速的流体在扩张的通道中，不分离的条件下减速增压，动能逐步转化为位能。样机初测表明：β=0.64时，流出系数误差为±0.3%，压损为槽道的2/3，内锥的1/3。

ⅳ内文丘里管(图6)

内文丘里管如图6所示，从流体力学角度来看，它的节流件很类似，都只是一个后锥角很大的锥体，没有像文丘里管让流体动能转换为位能的扩张段。严格的来说不宜命名内文丘里管，而上述的槽道、

梭式节流装置均有类似的扩张段，所以压损会比内锥、内文丘里管小。但是内文丘里管改善了内锥的支撑结构，消除了内锥节流装置的安全隐患，还是应充分肯定。

4 新型节流装置的技术性能*9

(1)科学试验是评估技术性能的唯一手段

近年来，面临工程中提出的一些新课题，我国流量业界比较活跃，引进或开发了不少新型节流装置，在推广应用中必然会面临一些问题，血的教训说明必须慎言缓行，切忌高歌猛进。怎样评估新型节流装置的技术性能?不是引用国外公司、文献的数据，或故弄玄虚的“理论”，唯一可行的只有科学试验。在这个过程中将积累成千上万的数据，并对这些数据认真整理，去伪存真。必要时对有疑惑的数据还应重新测试予以核实、印证。在此基础上归纳、整理、总结、为标准。这样的标准才有实用、推广价值，使生产厂家有数可依，使用者有据可查。

标准是测试数据的升华与提高;而一个切实可行的标准也必须建立在大量严谨可靠的测试数据上。

(2)流量测量标准装置的等级

新型节流装置的技术性能只能由流量标准试验装置确定，由于新型节流装置的准确度只能在流量测量试验装置上确定， 新型节流装置的准确度应包含标准流量试验装置的不确定度。因此，测试应选择不确定度较小、有资质的试验装置上进行。国家级的流量标准试验装置的不确定度气体不宜低于0.2%;液体不宜低于0.1%。地区(或省级)不确定度气体不宜低于0.5%;液体不宜低于0.2%。

(3)流量测量试验装置的种类：

①常规流量标准试验装置

所谓常规流量标准节流装置是具有不小于30D长度直管段，以保证有充分发展紊流的流量试验室。新型流量节流装置在此测试所得到的技术数据，是评估流量仪表技术性能最基本的依据。

②阻力件流量标准节流装置*10(安装条件)

新型流量节流装置都宣称具有安装直管段短而确保准确度高的性能，只有测试数据而不是炒作才能令人信服。主要有以下两种：

◆上游干扰 将各种不同的阻力件安装在新型流量节流装置的上游，距离不少于五种(如：1、2、4、6、10D),通过测试数据了解新型流量节流装置的抗干扰能力。流经阻力件的的流动应具有对称性且无漩涡。

◆下游干扰 经验证明下游干扰对节流装置准确度的影响次于上游干扰，如厂商宣称下游安装直管段仅需ND,仍需有效的测试数据予以确认。

(3)三个基本阻力件

现场的情况虽十分复杂，建议先进行以下三个基本阻力件影响测试：

①两个900弯头

这种阻力件由处于两个垂直平面的900弯头组成(图7)，两个弯头紧密连接，相距不超过2D,它安装在新型流量节流装置的上游，将产生适度的漩涡及不对称流速分布。

②半月形孔板(图8)，其形似1/4圆缺孔板。

它将产生极不对称的流速分布，如改变不同的安装方位，可产生各种不同方位的不对称流，以考察新型流量节流装置应对不对称流动的适应能力。一个仅1/4开度的闸阀原则上可作为替代品。

③漩涡发生器

结构类似于涡轮节流装置的转子，此处应用将其固定不产生旋转。流体通过它时将发生漩涡角不小于240的强烈漩涡，用它来考核新型流量节流装置对漩涡的适应能力。

5、 结论

(1)从中天之日到夕阳西下

经典流量节流装置问世已有百余年的历史，曾取得占有70%左右的节流装置市场的骄人业绩。但其致命的弱点是必需具有30~40D的安装直管段长度，才可能保证有±1%的准确度。对于规模日益增大的现代化工业，完全无法满足这么苛刻的条件，只能是无可奈何花落去了。

(2)初露锋芒但并不完美

为应对经典流量节流装置的不足，几十年以来研发了不少新型流量节流装置，特别是近十年推出了以缩短安装直管段长度而确保准确度为特点的环形通道、多孔孔板----等，初露锋芒即有令人瞩目的表现。但它与经典流量节流装置相比，还是比较稚嫩，在应用中必然会产生这样或那样的问题，如果在条件尚不成熟就不顾后果，就要全面、大力推广，必将适得其反，2008年内锥发生严重事故后，即遭到石化行业全面封杀*11。

(3)科学试验与建立标准

为什么经典流量节流装置能经历百余年辉煌的历史，靠的是反复认真进行科学试验，再将试验结果用于现场进行验证，如此不断地测试、提升。将这些成果总结成为标准，才有稳固的基础。令制造有法可依，使用有据可查。

(4)阻力件试验势在必行

新型流量节流装置的一个突出特点在于无需较长的直管段长度，即可维持较高的准确度，这个特点必须厂家用科学的试验数据予以验证，且由第三方予以证明，而不能只是引经据典，用别人的实验数据来证明自己产品的技术性能;也别拿国外的数据来唬人，经验证明国外的有些数据也未必名副其实，不少有夸大之嫌，或有意给出虚假数值，以保护商业利益。要创立民族的品牌，没有捷径可走，必须脚踏实做实验，一丝不苟测数据。要研发新型流量节流装置，阻力件试验势在必行，建立相应的试验室迫在眉睫。

参考文献

[1]Thomas Stauss. Flow Handbook. Endress +Hauser, 2004.

[2]R.W.Miller. Flow Measurement Engineering Handbook.1983.

[3]孙淮清, 王建中.流量测量节流装置设计手册. 化工出版社, 2000.

[4]Emerson Co.. Conditioning Orifice Plate Technology Taking the Standard to a New Level of Capability.Emerson Technical Note 1595-2-01-AA, July 2004.

[5]于杰.多孔平衡节流装置应用特点及工程改造. 医药工程设计, 2008年29卷5期.

[6]毛新业.用测试数据评估环形通道流量仪表.世界仪表与自动化, 2009-1.

[7]熊兆洪,王德国.气体槽道流量计的实验测试与评价.工业计量. 2008- 2.

[8]毛新业.梭式流量计专利说明书.知识产权出版社.

[9]Casey .Hodges. New differential producing meters--Ideas, Implement, and issues. 15th FLOWEKO, 2010 Taipe.

[10]API MPMS 22.2. 差压式流量仪表测试备忘录.美国石油学会, 2005-8.

[11]V型内锥流量计2008年9月12日严重事故报告 大连石化分公司 2008年 9月