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孔板流量计扩大范围度的一种方法


文章日期:2018-03-01|阅读数:


摘 要 在介绍 了孔板流量 计 的 历 史状况 和**新的 进展的 基础 上 指 出,自从引 入徽机技 术 以后,孔板 流量计的 技术 水平得到 了提 高,表现在大幅 度提 高 了精 度和 引入 完 善的修正技术,使该 产品 的浏 童范 围扩 大到 1:0 1。文 中还 列举 了设计 示例。
    差压式流量计是目前应用***广泛的流量仪表,具有结构简单,制造容易,安装、使用和维修都很方便,可靠性高等优点:它有悠久的使用历史和可靠的实验数据,只要按照标准计算、加工制造,标准节流装置无需进行实流标定,就能得到较高的测量精度。
    但是,由于节流装置输出的差压信号,经开方后才与流量成正比关系以及流出系数受雷诺数等因素影响,使得流量范围度的提高受到制约,因而扩大孔板流量计的范围度就成了不少研究者的研究内容。

一、历史状况:
   在孔板流量计中,流量与自变量之间的关系可用下式表示:
计算公式

      P1—节流装置人口端流体密度    式(1)中,d和a都是确定值。在测量过程中,P}可能有变化,可以通过密度补偿的方法进行地修正。如果C和。也是常数,则孔板的输出信号差压却就能地代表流量‘。    差压由差压计测量,早期的差压计是机械式(准确度一般可达1.5%)和气动式(准确度一般为1% ),精度都不高。而且因为差压信号的平方根才与流量成正比关系。以精度为1.0%的差压计进行分析,在流量为30% F5时,差压值只为差压上限的9%,按GB/T2624一习3中不确定度估算方法可知,该测量点差压测量的不确定度为流量侧量值的士3.7%,即
计算公式

式中—精度等级显然,信号小于30%时,不确定度更大,不宜使用。    实际上,式(1)中的C和:并非是常数,对于流体为气体和蒸汽而言,C和。是随着流量的不同而变化的,在下面的举例中,列出了各个流量相对值所对应的C和。值。
    在传统的孔板流量计中,要对C和。进行修正是困难的,为了减小C的影响,常常采用下面的措施:  
   ①将差压上限仰~尽可能取得大一些,从而使R小一些;
   ②缩小管径,提高流速,从而使节流装置在较高雷诺数条件下使用;
   ③限制流量计的使用下限(结合差压计精度的约束条件,一般测量下限不低于2s% >,因为流量越低,雷诺数越小,c与常用流出系数c~的差异越大:在文献中,由于c的在线修正难以实施,所以在设计节流装置时设法将流量测量下限对应的c和C。之间的偏差规定为<0.5%一2一,这样就产生了老版本节流
  装置设计手册中的m =.f(Reo)界限雷诺数图至于:修正,修正公式早已趋于完善,但在机械式差压计和其它模拟仪表中,要实施这种补偿极其困难。

二、新的进展:
   1.差压计精度得到大幅度提高    自从微机技术引人仪表后,孔板流量计的技术水平得到了新的提高:例如美国霍尼韦尔公司、日本山武一霍尼韦尔公司生产的SI3000智能差压变送器,具有0.1级的精度,而且开平方后,仍然保持0. 1级的精度,因为开平方运算是由差压变送器中的单片机完成的。按式(2)的计算方法,在流量为lOclc FS时,其差压测量的不确定度为流量测量值的3.310,即
计算公式

    2.引入完善的修正技术    (1)流出系数C的修正    为了保证lOC/eFS流量测量点的测量精度,还必须将流量公式中当作常数而实际上有一些变化的因素予以修正。标准GB/T 2624-93(流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量》为流出系数C的修正提供了实用的方法。在下面的例子中,在整个流量测量范围内选10个典型测量点qn,并计算出各点的雷诺数,查表得到各点的C值,然后用式(3)计算出各点的C修正系数凡:
计算公式
式中Cn—各典型测量点流出系数      CO—流量计满度流出系数然后,将两组数据填人FC6000型智能流量演算器的菜单第55一74项,由计算机完成修正,对于9i一9 io之外的各点采用线性内插法得到凡0    (2)。的修正    。的修正在计算机中也是容易实现。在FC6000智能仪表中,根据ISO 5167规定,三种取压方式的:计算采用式(4)::=1一(0. 41+0.353')。  (4)式中如—当前孔板输出差压P}  忙孔板入口端流体压力(气体)流体等墒指数由此计算结果并按式(5)得到流束膨胀系数的修正系数凡:
计算公式

式中。d—设计状态气体流束膨胀系数    具体操作时,将R"JPY"Pi,k和。‘填入菜单,通过面板操作写人FC6001〕的内存中,仪表每个采样周期将采得的差压信号(相对值)与如~相乘得到如,进而计算出:和长.并在副数据第09项中显示出来二下面举例中的长就是从FC600}0中调出的数据。    (3)密度P,的修正    在被测流体为气体或蒸汽时,Pi的修正是极为重要的。在FC6000中,水蒸气的密度是将密度表装人内存,通过查表可以准确地得到Pi值,对于差压式流量计,按下式进行密度修正:
计算公式
式中KP—密度修正系数      Pd—设计状态介质密度    (4)压缩系数Z的修正    对于一般气体来说,Z有时不为1,所以FC6000中引人了Z的修正。

三、流量测量总不确定度的讨论:
    孔板流量计总不确定度,GB/T 2624-93采用下式估算:
计算公式
    在本例中,    ①式(7中的项是流出系数引人的不确定度估算。由于c已进行雷诺数修正,所以按照GB/T2624-93规定,取                  灸/C=土0. 6}c    ②第二项为。不确定度影响估算,由于。已进行在线修正,故sE/:忽略不计。    ③第三项为管道内径实际尺寸偏离设计值引人的不确定度估算,由于前后直管管道内壁经幢削加工,故管径误差影响忽略不计。    ④第六项是流体密度偏离设计值引人的不确定度估算。由于P;已进行在线补偿,而且补偿精度较高,故此项也可忽略不计:
    ⑤第四项是孔板开孔直径尺寸偏离设计值引人的不确定度估算。根据有关标准,取兔/d= 10.07%,当月= 0. 5时,第四项为(0.15%    ⑥第五项是差压变送器引人的不确定度估算。在10% F5测量点,按前面的计算得:
计算公式
换算到引用误差即为士0. 336% FS}    ⑦除了上述各项之外,还得考虑流量二次仪表的不确定度。根据上海宝科自动化仪表研究所说明书,F'C6000型智能流量演算器误差限为土0. 2%巧,按均方差方法计算系统不确定度为:
计算公式
显然,这样大的不确定度是可以接受的。

四、设计举例:
1.已知条件被测流体名称:饱和水蒸气***大流量:qmm} = 1. 750 0娜S***小流量:qmrsmi = 0. 175 0娜S工作压力:p, = 6. 906 6 x lOSPa工作温度:t,二170工作状态下被测流体相对湿度:t} = 0"/c当地大气压:pa = 101. 33kPa20℃时管道内径:D= 150mm管道材质:}Oa钢差压计差压上限:却~= 40kPa节流装置的取压方式:角接取压管道材质的线膨胀系数:ap=12.3x10/孔板材质的线膨胀系数:ad二16 x 10-6/}2.求孔板开孔直径d(1)工作状态下管道内径    D=Due[ 1+aD(ti一20)_      !150 x〔1+12. 3 x 10一“x (170一20)〕      =150. 28 ( mm )(2)工作状态下水蒸气的粘度:              p=14. 97 x 10一6(3)工作状态下水蒸气的密度:            P=4.123k岁m(4)工作状态下水蒸气的等嫡指数:
计算公式
    3.求各典型测f点流出系数的修正系数凡和膨胀系数的修正系数凡(1)按式(8)计算各典型测量点雷诺数;
    (2)按式(11)中的a值和各典型测量点雷诺数,分别代人式(1o>,得到各点C,并按式(3)计算凡;    (3)将各典型测量点对应的差压如分别代入式(4)得到各点。值,并按式(5)计算人。    以上计算结果列于表1.
表1数据表
表1数据表

五、结束语:
   ①在孔板流量计中,由于差压计精度的提高和智能流量仪表对制约孔板流量计范围度扩大的几个因素的准确的修正,不仅能大幅度提高流量测量的准确度,而且能使范围度扩大到10:10。
   ②C和。的实际修正系数表明,进行这两项修正是必要的。如果不进行修正,流量为30 % FS时,示值将会产生一1.95%(读数)的误差。流量为10 % FS时,示值将会产生一2.4%(读数)的误差。
   ③用上述方法配置的孔板流量计20多套,在现场运行两年多,稳定可靠,故障率很低,计量精度高,而且操作使用和维护都很方便,收到良好效果。


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