孔板流量計(jì)量程比不夠大的原因分析

        在流量測(cè)量?jī)x表的工業(yè)應(yīng)用中, 孔板流量計(jì)是歷史最悠久、應(yīng)用泛的儀表之一。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易, 安裝、使用和維修方便, 可靠性高等優(yōu)點(diǎn), 只要按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算、加工制作, 孔板節(jié)流裝置無(wú)需進(jìn)行實(shí)際流量標(biāo)定, 就能得到較高的測(cè)量精度。由于上述這些特點(diǎn)是其他形式的流量計(jì)所的, 因此在流量測(cè)量中孔板流量?jī)x表占有較高的比重。近年來(lái)雖然有一些新型流量?jī)x表投放市場(chǎng), 但由于其結(jié)構(gòu)、造價(jià)、使用條件等方面的原因限制, 仍未能動(dòng)搖孔板流量?jī)x表在流量測(cè)量中的地位。但是, 由于孔板節(jié)流裝置輸出的差壓信號(hào), 經(jīng)開(kāi)方后才與流量成正比關(guān)系以及流出系數(shù)受雷諾數(shù)等因素的影響, 使得流量測(cè)量量程比的提高受到制約, 因而擴(kuò)大孔板流量計(jì)量程比成為不少研究者的研究?jī)?nèi)容[ 1] 。
        孔板流量計(jì)量程比不夠大的原因分析
        1、差壓測(cè)量精確度的制約
        常用孔板流量計(jì)的量程比一般為3: 1, 這同其他類型的流量計(jì)相比較, 量程比不高。孔板流量計(jì)量程比不夠大主要受幾個(gè)因素的制約, 其一是差壓計(jì)的精確度的制約。孔板式差壓流量計(jì)輸出信號(hào)與流量之間為平方關(guān)系, 在百分率流量(相對(duì)于滿量程用百分比表
示的流量)較小時(shí), 差壓信號(hào)相對(duì)值非常小, 這就導(dǎo)致測(cè)量誤差相應(yīng)增大。例如在流量為滿量程( FS) 的20% 時(shí), 差壓信號(hào)理論值只有滿量程的4%。以精確度為1..0% 的差壓流量計(jì)分析, 在流量為30% FS 時(shí), 差壓值只為差壓上限的9%, 按GB /T2624-93 中不確定度估算方法可知, 差壓測(cè)量的不確定度取決于差壓變送器的準(zhǔn)確度等級(jí), 如果是老式的1..5級(jí)差壓流量計(jì), 則測(cè)量的不確定度更大, 因此在差壓測(cè)量精度得到充分提高以前, 要拓寬流量測(cè)量量程比是不可能的。
        2、流出系數(shù)非線性的制約
        流出系數(shù)C 的定義為通過(guò)節(jié)流裝置的實(shí)際流量值與理論流量值之比。在一定條件下, 對(duì)于給定的節(jié)流裝置, 該值僅與雷諾數(shù)有關(guān), 對(duì)于不同的節(jié)流裝置, 只要這些裝置是幾何相似, 并且在相同的雷諾數(shù)條件下, 則C 值是相同的, 流出系數(shù)C 的計(jì)算式是以大量實(shí)驗(yàn)所確定的數(shù)值為依據(jù), 并以標(biāo)準(zhǔn)的形式給出。傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)將流量計(jì)算公式中的流出系數(shù)C 當(dāng)作常數(shù)來(lái)處理, 這在當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展階段是不得已而為之。其實(shí)C 值并非常數(shù), 在一定的安裝條件下, 對(duì)于給定的節(jié)流裝置, C 值是隨雷諾數(shù)的變化而變化的。..流量測(cè)量節(jié)流裝置用孔板、噴嘴和文丘里管測(cè)量充滿圓管的流體流量.. ( GB /T2624-93)以實(shí)驗(yàn)確定的數(shù)據(jù)為依據(jù), 給出了求C 值的方程式。
C = 0..595 9+ 0..031 2 ..2..1 - 0..184 0 ..8 + 0..002 9 ..2..5 ( 106 /R e) 0..75 ( 2) 式中, C 為流出系數(shù); ..為孔板開(kāi)孔直徑和管道直徑之比; R e為雷諾數(shù), 表征流體慣性力和粘性力之比, 可用下式表示: R e= vD.. 式中, v為管道中流體的平均軸向流速, m / s; D 為管道直徑, m; ..為流體的運(yùn)動(dòng)黏度, m2 / s。在傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)算中, 要對(duì)C 值進(jìn)行修正是困難的, 為了減小C 值的影響, 常常采用下面的措施: ( 1)將差壓上限..Pmax盡可能取得大一些, 使..值小一些, 對(duì)C 值的影響盡可能小一些; ( 2) 縮小管徑, 提高流速, 從而使節(jié)流裝置在較高雷諾數(shù)條件下使用; ( 3)限制流量計(jì)的使用下限(結(jié)合差壓計(jì)精度的約束條件, 一般測(cè)量下限不低于25% FS) , 因?yàn)榱髁吭降? 雷諾數(shù)越小, C 與常用流出系數(shù)C com的差異越大, 誤差也越大。由于C 的在線修正難以實(shí)施, 所以在設(shè)計(jì)節(jié)流裝置時(shí)設(shè)法將流量測(cè)量下限對(duì)應(yīng)的C 和C com之間的偏差規(guī)定為不大于0..5%。
        3、可膨脹性系數(shù)的制約
        可膨脹性系數(shù)..是對(duì)流體流過(guò)節(jié)流件時(shí)由于密度發(fā)生變化而引起流出系數(shù)變化的修正。根據(jù)GB /T2624-93, 角接、徑距和法蘭這三種取壓方式的孔板, 可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可膨脹性系數(shù).= 1- ( 0..41+ 0..35 ..4 ) .. ..P / ( kP 1 ) ( 3) 式中, ..為工作狀態(tài)下的可膨脹性系數(shù); k 為等熵指數(shù); P 1 為工作狀態(tài)下孔板前流體的壓力, Pa。式( 3)的適用范圍為P2 /P 1 ..0..75(P 2 為工作狀態(tài)下孔板后流體的壓力, Pa)。在節(jié)流裝置前后壓差..P .. 1 kPa時(shí), 甚至對(duì)于低壓氣體, 實(shí)際的..值與1的差別很小, 因此可以取為1, 而沒(méi)有什么誤差。常用流量條件下的..已在設(shè)計(jì)節(jié)流裝置時(shí)予以解決。也就是說(shuō), 如果儀表在常用流量條件下使用, ..不會(huì)引起附加誤差。但是偏離常用流量之后, 必定引起附加誤差, 而偏離常用流量的情況經(jīng)常發(fā)生, 因而在幾年前計(jì)算機(jī)技術(shù)還不發(fā)達(dá)的時(shí)候, 常用孔板流量計(jì)的量程比一般只能達(dá)到3..1。