在20世纪初，孔板流量计应用于天然气流量测量，经过一个世纪的发展，它已成为全世界最主要的天然气流量计之一。近年来，尽管出现了许多新型天然气测量流量计，如超声流量计，气体涡轮流量计等，但由于孔板流量计应用历史悠久，范围广，结构简单，使用寿命长及价格低等特点，且标准型孔板流量计可以无需校准而确定信号（差压）与流量的关系，还可估算其测量误差，因此在今后相当长一个时期内，特别是由于种种因素的制约，标定不能获得妥善解决之前，孔板流量计仍是天然气计量的主要仪表。

    1 孔板流量计的测量原理

    孔板流量计是根据安装在管道中的孔板产生的差压，已知流体条件和孔板与管道的几何尺寸来测量流量。它由孔板、差压变送器和流量显示仪组成。如图1所示。当流体流经设置在管道中的节流件（孔板）时，流束将在节流件处形成局部收缩，此时流速增大，由v1增为v2，静压降低，由P1降为P2，在孔板前后产生差压；流量愈大，差压愈大，因而可根据差压来衡量流量的大小。这种测量方法以流动连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）为基础。流量qm的计算公式如下：

    qm=C（1-β4）-1/2επd2（2Δpρ）1/2/4

    式中　qm— 质量流量/（kg/s）；
    　　　C— 流出系数；
    　　　ε— 流束膨胀系数；
    　　　β— 直径比，β=d/D；
    　　　d—工作条件下节流件孔径/m；
    　　　D— 工作条件下上游管道内径/m；
    　　　△P— 节流孔前后的压差/Pa；△P=P1- P2；
    　　　ρ— 密度/（g/m3）。

    2 智能孔板流量计的特点

    由孔板流量计的测量原理可知，流量与差压为平方根关系。如果差压降低到原差压的1/9，则流量将减小到原流量的1/3，这样对于一个差压上限固定的差压变送器来说，其测量精度是下降了，这就是传统孔板流量计的量程比最大为1:4的原因。在石油天然气钻采工程领域，天然气的流量和物性参数等会随年份不同、工况条件不同有很大差异，采用传统孔板流量计测量存在测量范围窄、测量精度低以及在工况变化时，需更换不同的孔板元件等缺点。近年来，随着微电子技术、计算机技术、新材料、新工艺的迅速发展，差压变送器和流量计的性能及可靠性大大提高。仪表厂家相继开发出宽幅一体化智能孔板流量计，对原有的孔板流量计做了很大改进，表现在以下几方面：

    （1）流量测量范围扩展方式改进。在石油天然气测量中，对流量变化大的场合，传统做法是同时配备多块值不同的孔板或并列几台流量计，新型智能孔板流量计，如日本SONIC公司开发的孔板流量计，其流量比的范围可在流量计算机上进行选择，流量计算机上除设有正常流量比外，还设有2个扩展功能，如图2所示，一是为了计量小流量，可将计量范围扩大到最大可测流量的1/40。这种功能的实现，不用更换孔板和差压变送器，在流量计算机上采用扩展差压分解功能系统就可完成；另一个是大流量侧计量范围的扩展，是将差压扩大，从而使大流量侧的计量范围扩大的一种系统。另外还有超宽幅范围方式，量程比最大可达1:180，采用2台差压变送器，各自负担小流量范围和大流量范围的测量，各自独立发信号，流量计算机则把这些信号分成不同领域进行变换选择，并在各领域进行演算，从而使超宽幅范围也能保证较高的测量精度。虽然多投入了1台差压变送器，但是与并列2台流量计的设备费用相比，既提高了经济效益，又节省了来回切换的麻烦，与采用多块孔板的方法相比，避免了孔板更换，降低了生产操作难度。

    （2）孔板元件与二次仪表（差压变送器及流量计算机）一体化。传统孔板流量计在应用中，孔板与二次仪表分开，把差压信号送到中控进行流量计算，在流量变化较大的场合，还需配备多块孔板；一体化流量计完全解决了这一问题，使孔板和二次仪表成为一体，省去了引压管道，减少了故障率，改善了动态特性，方便了安装使用，且体积小，成本低，操作方便，无需现场更换孔板，只需设定量程比即可，受到用户的欢迎。

    （3）自动温压补偿功能。孔板流量计的总精度为±O.8%~5.0% ，对孔板流量计来说，密度不仅是影响流量计特性的最主要参数，而且又是温度和压力的函数，现场的温度、压力波动是不可避免的，由此引起的物性参数的变动是使用时产生附加误差的主要原因之一。在高精度测量时应特别注意，由于天然气是可压缩流体，受温度、压力的影响较大，为了保证精确度，常常采用温压补偿。新型智能孔板流量计可将温度和压力信号直接送人现场流量计算机，对流量进行温度和压力变化时的自动补偿运算，并将精确的流量值送到中控。但须注意的是，零误差的仪表是没有的。若补偿方法不当，有累积这些仪表误差的可能，增加了故障因素。所以进行补偿时须慎重考虑。另外在某些场合，当流体组分发生变化时，就不能采用温度、压力补偿，而应采用密度补偿。

    3 发展前景

    随着科学技术的不断发展，与传统孔板流量计相比，当今孔板流量计发展趋势是一体化、高精度、宽量比的新型智能流量计，拥有补偿功能完善的流量计算机，具有强大的功能软件， 同时设有RS485准计算机通信接口，可与DCS连接通信，对维护检修提供了方便，在工业生产过程中方便实用。同时，由于新颖的差压变送器可同时测量差压、静压、温度和气体质量流量，减少了独立的传感器数量，简化管道工程，降低安装费用，减少管道开孔，降低潜在泄漏点，提高整体可靠性，这些都为孔板流量计更好地应用提供了可靠的技术保证。

    参考文献

    [1] 陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册[M]，北京：化学工业出版社，2000.
    [2] 曲波，肖圣兵，吕建平，工业常用传感器选型指南[M]，北京：清华大学出版社.2002.

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