差壓流量計是一種很有發展前途的流量測量儀表, 它具有通用性強 、標準節流件不需實際流體標定等優點, 因此應用范圍十分廣泛。
1 差壓流量計應用現狀
工業測量和控制中, 使用的流量計種類很多, 差壓型流量計廣泛應用于工礦企業, 特別是冶金、石油、化工、天然氣、水電等部門 , 而且有很多用于貿易結算, 是流量計中使用量大、面的一種流量計 。該流量計結構簡單 、安裝方便 、歷史悠久 , 已積累大量可靠的實驗數據。
差壓流量計是一種用節流裝置或其他差壓檢測元件 (如測速管 、畢托管)與差壓計配套使用來測量流速的儀表 。該流量計是一種比較成熟的產品, 20世紀 50年代以前, 國外已廣泛應用。由于它具有結構簡單、使用壽命長 、適應性強和價格較低等優點, 因而占有的市場比例很大, 20世紀 70年代曾高達到 35 。目前*雖然有所下降, 但仍然占有大的市場。
近年來, 與節流裝置配套使用的差壓變送器發展很快, 主要在簡單 、可靠、提高精度和增加功能等方面加以研究, 主要研究方法有:
1) 盡量減少零部件的種類和數量 , 僅僅使用經過證明是可靠的零部件。
2) 采用左右對稱結構, 從本質上消除產生誤
差的因素。
3) 檢測元件使用半導體復合型傳感器, 可測量壓差、靜壓和溫度等參數。
4) 利用微處理機補償傳感器的特性 , 變送器的精確度一般可達量程的 0.1 , 可達量程的 0.075 。
5) 應用數字通信技術 , 把通信信號重疊在4 -20 mA變送器統一輸出信號上, 使用手持通信器便能遠距離地進行參數設定 (與以前相比可節省工時 96 )和自診斷 (與以前相比, 可節省故障檢查工時 85 )。這種變送器稱為智能變送器或能巧變送器 。由于智能型變送器的出現, 因而可構成全數字儀表控制系統。
此外, 目前已研發了一種新型的變送器, 即在差壓變送器的功能上附加 PID(比例 、積分 、微分) 的調節功能。由此可以實現:① 僅用該儀表就能進行分散控制 ;②用多臺儀表既能實現差壓變送器的功能, 又能實現調節器的功能 ;③ 由于不需要調節器, 因而差壓變送器與儀表控制之間無需配線, 降低了成本。
工業測量和控制中, 使用的流量計種類很多, 差壓型流量計廣泛應用于工礦企業, 特別是冶金、石油、化工、天然氣、水電等部門 , 而且有很多用于貿易結算, 是流量計中使用量大、面的一種流量計 。該流量計結構簡單 、安裝方便 、歷史悠久 , 已積累大量可靠的實驗數據。
差壓流量計是一種用節流裝置或其他差壓檢測元件 (如測速管 、畢托管)與差壓計配套使用來測量流速的儀表 。該流量計是一種比較成熟的產品, 20世紀 50年代以前, 國外已廣泛應用。由于它具有結構簡單、使用壽命長 、適應性強和價格較低等優點, 因而占有的市場比例很大, 20世紀 70年代曾高達到 35 。目前*雖然有所下降, 但仍然占有大的市場。
近年來, 與節流裝置配套使用的差壓變送器發展很快, 主要在簡單 、可靠、提高精度和增加功能等方面加以研究, 主要研究方法有:
1) 盡量減少零部件的種類和數量 , 僅僅使用經過證明是可靠的零部件。
2) 采用左右對稱結構, 從本質上消除產生誤
差的因素。
3) 檢測元件使用半導體復合型傳感器, 可測量壓差、靜壓和溫度等參數。
4) 利用微處理機補償傳感器的特性 , 變送器的精確度一般可達量程的 0.1 , 可達量程的 0.075 。
5) 應用數字通信技術 , 把通信信號重疊在4 -20 mA變送器統一輸出信號上, 使用手持通信器便能遠距離地進行參數設定 (與以前相比可節省工時 96 )和自診斷 (與以前相比, 可節省故障檢查工時 85 )。這種變送器稱為智能變送器或能巧變送器 。由于智能型變送器的出現, 因而可構成全數字儀表控制系統。
此外, 目前已研發了一種新型的變送器, 即在差壓變送器的功能上附加 PID(比例 、積分 、微分) 的調節功能。由此可以實現:① 僅用該儀表就能進行分散控制 ;②用多臺儀表既能實現差壓變送器的功能, 又能實現調節器的功能 ;③ 由于不需要調節器, 因而差壓變送器與儀表控制之間無需配線, 降低了成本。
2 差壓流量計的特點
2.1 節流式差壓流量計的優點節流式差壓流量計的主要優點表現在以下幾個方面。
1) 節流件標準孔板結構易于復制、簡單 、牢固 、性能穩定可靠 、使用期限長 、價格低廉 。節流式差壓流量計應用范圍極為廣泛, 至今尚無任何類型的流量計可與之相比。
2) 檢測元件與差壓顯示儀表可分別由不同廠家生產, 便于專業化形成規模經濟生產, 它們的結合靈活、方便。
3) 檢測元件 , 特別是對標準型元件的檢測,是*通用的, 并得到標準化組織的認可 。對標準型檢測元件進行的實驗研究是性的, 其他流量計一般依靠個別廠家或研究群體進行, 因此, 研究的深度和廣度不可同日而語 。從時間上看, 標準型檢測件自 20世紀 30 年代標準化組織確定后始終沒有改變, 其研究資料及生產實踐的積累極其豐富, 應用范圍廣泛。
4) 標準型節流裝置無需實流校準, 即可投入使用, 在流量計中也是的。
2.2 節流式差壓流量計的缺點
節流式差壓流量計的缺點主要有:
1) 測量的重復性、精確度在流量計中屬于中等水平, 由于眾多因素的影響, 精確度難以提高。 2)范圍度窄, 由于儀表信號(壓差)與流量為
平方關系, 一般范圍度僅為 3 ∶1 ～ 4 ∶1。
3) 現場安裝條件要求高 , 如需要較長的直管段 (指孔板、噴嘴 ), 一般難滿足。
4) 檢測件與壓差檢測儀表之間引壓管線為薄弱環節, 易產生泄漏、堵塞 、凍結及信號失真等故障。
5) 壓力損失大 (指孔板、噴嘴)。
3 節流裝置的發展狀況
3.1 國外節流裝置的發展狀況節流裝置的發展有一個較長的歷史過程, 早在 17世紀初, 卡斯特利和托里謝利提出兩條基本原理 : , 流速乘以管道橫截面的面積等于流量;第二, 通過孔眼的流量是與壓頭的平方根成正比;這兩條原理為節流裝置奠定了理論基礎。1913 年希克斯坦公布了孔板上游取壓口位置設在2.5D(D指被測管的直徑)處, 下游取壓口位置設在 8D處的早的實驗數據 。
1912年 ～ 1916年, 托馬斯·韋默思和貝利研究了用于測量天然氣及蒸汽流量的法蘭取壓孔板 實驗數據。而在歐洲對角接取壓孔板進行了相同內容的研究。
1930年后, 美國煤氣協會 、美國機械工程師學會 、美國國家標準局聯合試驗, 并確認俄亥俄州立大學的測試報告, 將測試數據擬合成一個白金漢系數方程, 使孔板的應用推進了一步。
1975年, 斯托茲提出角接取壓、法蘭取壓、D-1/2D取壓孔板的流出系數可以使用一個通用的方程式。根據邏輯法則, 利用俄亥俄州立大學的數據擬合了適合于法蘭、角接和 D-1/2D取壓的無量綱方程式。1980年 ISO5167采納了斯托茲公式。
3.2 國內節流裝置發展狀況
1976年, 我國開始對孔板等節流裝置進行試驗研究, 實驗研究內容包括:試驗用的標準流量裝置和差壓測量裝置的要求以及試驗方法;流出系數的驗證試驗 ;節流裝置的結構試驗;節流裝置的安裝試驗等。
1982年對 D -1 /2D取壓孔板 、長徑噴嘴均速管靶式流量傳感器和臨界流量進行試驗研究, 并制定了 JG311 -83檢定規程 。同時開始對
均速管靶式流量傳感器和臨界流測量進行實驗
研究。
1988年后, 臨界流流量計在氣體流量測量中有較廣泛的應用。
1986年開始對均速管、1/4圓孔板、錐形入口
孔板進行了研究, 并制訂 JG621 -89檢定規程 。 1991年起, 根據國家計量檢定規程體系表的
規定, 重新制定了《差壓式流量》國家計量檢定規程 JG640 -94。這一標準將所有產生差壓的節流裝置和流量傳感器歸為一類, 包括配套的差壓變送器。
3.3 流量測量儀表的發展方向
隨著工業的發展和技術的進步, 綜合控制和管理系統會越來越多 。流量測量儀表是傳輸現場信息的重要部分, 流量測量儀表的發展方向主要有:
1) 大量地 、準確地傳輸信息, 這就需要以可靠性作為首要條件的小型、輕型、低價格 、操作容易的流量測量儀表。
2) 系統實行分散化 , 將系統的一部分功能轉移到流量測量儀表上, 這就需要多功能、高穩定和高精度的智能流量測量儀表。
4 差壓流量計節流裝置標準化研究現狀
4.1 標準節流裝置的研制過程1) ISAI932噴嘴 (孔板 )。標準節流裝置的發展經過漫長的過程, 早在 20世紀 20 年代, 美國和歐洲的一些國家就開始進行大規模的節流裝置實驗研究, 并對普通的節流裝置 (孔板和噴嘴 )的 設計實行標準化。標準孔板稱為ISAI932孔板 。節流裝置的標準化具有深遠的意義, 只有節流裝置的標準化, 才有可能把上眾多研究成果匯集到一起, 它促進檢測元件的理論和實踐向深度和廣度拓展, 這是其他流量計所不及的。
20世紀 50年代末, 標準化組織 ISO把美國與歐洲節流裝置的研究數據相結合, 并于 1967 年、1968年頒布了 ISO/R541有關孔板和噴嘴的規定和 ISO/R781有關文丘里管的規定兩個標準。
2) 標準 ISO5167。1980年 , ISO正式通過標準 ISO5167, 由此流量測量節流裝置個標準誕生了。ISO5167 總結了幾十年來上對為數不多的幾種節流裝置 (孔板、噴嘴和文丘里管)的理論與實驗的研究成果, 反映該檢測元件的當代科學與生產技術水平。
在此之前, 我國一直用前蘇聯的節流裝置手冊 。1976年 , 我國開始對孔板等節流裝置進行試驗研究 。1981 年, 我國制定了個節流裝置國家標準 CTB2624 -81。隨著科學技術的發展和檢測手段的 提高, 1993 年, 修訂后的 國標為GB/T2624 -1993。
4.2 ISO5167存在的問題
ISO5167從正式頒布時就暴露出許多問題,
其主要問題有:
1) ISO5167實驗數據的陳舊性。ISO5167 中采用的數據大多數是 20世紀 30年代的實驗結果, 而現在無論節流裝置制造技術 、流量實驗設備還是實驗技術都有了巨大的進步, 因此重新進行系統的實驗以獲得更高精度的數據是必要的 。進入80年代, 美國和歐洲都進行了大規模的實驗, 為修訂 ISO5167打下了基礎。
2) ISO5167中有關于直管段長度的規定。長
期以來這一問題一直是爭論的焦點, 該問題也是
ISO5167修訂的主要原因之一 。
3) ISO5167中各項規定的科學性 。影響節流裝置流出系數的因素很多, 主要有孔徑與管徑的比值 R、取壓裝置、雷諾數、節流件安裝偏心度、前后阻流件類型及直管段長度、孔板入口邊緣尖銳度、管壁粗糙度 、流體流動湍流度等, 由于眾多因素的影響, 有的參數難以直接測量, 標準中有些規定并非科學。
4) 節流裝置的精確度不高。20世紀 80年代,美國和歐洲開始進行大規模的孔板流量計的實驗研究, 歐洲有歐共體實驗計劃, 美國有 API實驗計劃, 實驗的目的是用測試設備及實驗數據的統計處理技術進行新一輪的范圍廣泛的實驗研究, 為修訂 ISO5167打下技術基礎。1999年標準化組織發出 ISO5167的修訂稿(ISO/CD5167
-1 ～ 4), 該文件在技術內容和編輯方面都有較大的改動, 是一份全新的標準 。原預定于 1999年7月在美國丹佛舉行的 ISO/TC30 /SC2會議上審查通過為 DIS(標準草案 ), 但會議認為該文件的一些細節問題有待進一步商榷, 因此未能通過審核批準。2000年通過的 ISO/5167新標準 , 標準的兩個核心內容都有了實質性的變化 :一是孔板的流出系數公式, 用 Reader-Haris/Calagher計算式 (R-G式)代替 Stolz計算式;二是節流裝置
上、 下游側直管段長度以及流動整流器的使用等有了明確的要求。
