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      如何擴大孔板流量計的范圍度是很多研究者探索的科目

      作者: 來源: 發布時間:2018-03-02 11:14:56

      摘 要 在介紹了孔板流量計的歷史狀況和新的進展的基礎上指出,自從引入徽機技術以后,孔板流量計的技術水平得到了提高,表現在大幅度提高了精度和引入完善的修正技術,使該產品的流量范圍擴大到1:0 1。文中還列舉了設計示例。
          差壓式流量計是目前應用zui廣泛的流量儀表,具有結構簡單,制造容易,安裝、使用和維修都很方便,可靠性高等優點:它有悠久的使用歷史和可靠的實驗數據,只要按照國家標準計算、加工制造,標準節流裝置無需進行實流標定,就能得到較高的測量精度。
          但是,由于節流裝置輸出的差壓信號,經開方后才與流量成正比關系以及流出系數受雷諾數等因素影響,使得流量范圍度的提高受到制約,因而擴大孔板流量計的范圍度就成了不少研究者的研究內容。

      一、歷史狀況:
         在孔板流量計中,流量與自變量之間的關系可用下式表示:

      2.jpg


         P1—節流裝置人口端流體密度    式(1)中,d和a都是確定值。在測量過程中,P}可能有變化,可以通過密度補償的方法進行精確地修正。如果C和。也是常數,則孔板的輸出信號差壓卻就能精確地代表流量。差壓由差壓計測量,早期的差壓計是機械式(準確度一般可達1.5%)和氣動式(準確度一般為1% ),精度都不高。而且因為差壓信號的平方根才與流量成正比關系。以精度為1.0%的差壓計進行分析,在流量為30% F5時,差壓值只為差壓上限的9%,按GB/T2624一習3中不確定度估算方法可知,該測量點差壓測量的不確定度為流量側量值的士3.7%,即

      3.jpg



         式中—精度等級顯然,信號小于30%時,不確定度更大,不宜使用。    實際上,式(1)中的C和:并非是常數,對于流體為氣體和蒸汽而言,C和。是隨著流量的不同而變化的,在下面的舉例中,列出了各個流量相對值所對應的C和。值。
         在傳統的孔板流量計中,要對C和。進行修正是困難的,為了減小C的影響,常常采用下面的措施: 
         ①將差壓上限仰~盡可能取得大一些,從而使R小一些;
         ②縮小管徑,提高流速,從而使節流裝置在較高雷諾數條件下使用;
         ③限制流量計的使用下限(結合差壓計精度的約束條件,一般測量下限不低于2s% >,因為流量越低,雷諾數越小,c與常用流出系數c~的差異越大:在文獻中,由于c的在線修正難以實施,所以在設計節流裝置時設法將流量測量下限對應的c和C。之間的偏差規定為<0.5%一2一,這樣就產生了老版本節流
        裝置設計手冊中的m =.f(Reo)界限雷諾數圖至于:修正,修正公式早已趨于完善,但在機械式差壓計和其它模擬儀表中,要實施這種補償極其困難。

      二、新的進展:
         1.差壓計精度得到大幅度提高    自從微機技術引人儀表后,孔板流量計的技術水平得到了新的提高:例如我國三暢儀表的流量計、日本山武一霍尼韋爾公司生產的SI3000智能差壓變送器,具有0.1級的精度,而且開平方后,仍然保持0. 1級的精度,因為開平方運算是由差壓變送器中的單片機完成的。按式(2)的計算方法,在流量為lOclc FS時,其差壓測量的不確定度為流量測量值的3.310,即
       

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         2.引入完善的修正技術   
         (1)流出系數C的修正   
         為了保證lOC/eFS流量測量點的測量精度,還必須將流量公式中當作常數而實際上有一些變化的因素予以修正。國家標準GB/T 2624-93(流量測量節流裝置用孔板、噴嘴和文丘里管測量充滿圓管的流體流量》為流出系數C的修正提供了實用的方法。在下面的例子中,在整個流量測量范圍內選10個典型測量點qn,并計算出各點的雷諾數,查表得到各點的C值,然后用式(3)計算出各點的C修正系數凡:


      5.jpg

         式中Cn—各典型測量點流出系數      CO—流量計滿度流出系數然后,將兩組數據填人FC6000型智能流量演算器的菜單第55一74項,由計算機完成修正,對于9i一9 io之外的各點采用線性內插法得到凡0   
         (2)修正   
         修正在計算機中也是容易實現。在FC6000智能儀表中,根據ISO 5167規定,三種取壓方式的:計算采用式(4)::=1一(0. 41+0.353')。  (4)式中如—當前孔板輸出差壓P}  忙孔板入口端流體壓力(氣體)流體等墑指數由此計算結果并按式(5)得到流束膨脹系數的修正系數凡:
        

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         式中。d—設計狀態氣體流束膨脹系數    具體操作時,將R"JPY"Pi,k和。‘填入菜單,通過面板操作寫人FC6001〕的內存中,儀表每個采樣周期將采得的差壓信號(相對值)與如~相乘得到如,進而計算出:和長.并在副數據第09項中顯示出來二下面舉例中的長就是從FC600}0中調出的數據。   
         (3)密度P,的修正    在被測流體為氣體或蒸汽時,Pi的修正是極為重要的。在FC6000中,水蒸氣的密度是將密度表裝人內存,通過查表可以準確地得到Pi值,對于差壓式流量計,按下式進行密度修正:
       

      7.jpg

         式中KP—密度修正系數      Pd—設計狀態介質密度    (4)壓縮系數Z的修正    對于一般氣體來說,Z有時不為1,所以FC6000中引人了Z的修正。

      三、流量測量總不確定度的討論:
         孔板流量計總不確定度,GB/T 2624-93推薦采用下式估算:

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         在本例中,    ①式(7中的較前項是流出系數引人的不確定度估算。由于c已進行雷諾數修正,所以按照GB/T2624-93規定,取灸/C=土0. 6}c    ②第二項為。不確定度影響估算,由于。已進行在線修正,故sE/:忽略不計。    ③第三項為管道內徑實際尺寸偏離設計值引人的不確定度估算,由于前后直管管道內壁經幢削加工,故管徑誤差影響忽略不計。    ④第六項是流體密度偏離設計值引人的不確定度估算。由于P;已進行在線補償,而且補償精度較高,故此項也可忽略不計:
         ⑤第四項是孔板開孔直徑尺寸偏離設計值引人的不確定度估算。根據有關標準,取兔/d= 10.07%,當月= 0. 5時,第四項為(0.15%    ⑥第五項是差壓變送器引人的不確定度估算。在10% F5測量點,按前面的計算得:


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         換算到引用誤差即為士0. 336% FS}    ⑦除了上述各項之外,還得考慮流量二次儀表的不確定度。根據上海寶科自動化儀表研究所說明書,F'C6000型智能流量演算器誤差限為土0. 2%巧,按均方差方法計算系統不確定度為:


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         顯然,這樣大的不確定度是可以接受的。

      四、設計舉例:
         1.已知條件被測流體名稱:飽和水蒸氣zui大流量:qmm} = 1. 750 zui小流量:qmrsmi = 0. 175 工作壓力:p, = 6. 906 6 x lOSPa工作溫度:t,二170工作狀態下被測流體相對濕度:t} = 0"/c當地大氣壓:pa = 101. 33kPa20℃時管道內徑:D= 150mm管道材質:}Oa鋼差壓計差壓上限:卻~= 40kPa節流裝置的取壓方式:角接取壓管道材質的線膨脹系數:ap=12.3x10/孔板材質的線膨脹系數:ad二16 x 10-6/}2.求孔板開孔直徑d(1)工作狀態下管道內徑    D=Due[ 1+aD(ti一20)150 x〔1+12. 3 x 10一“x (170一20)〕=150. 28 ( mm )(2)工作狀態下水蒸氣的粘度:p=14. 97 x 10一6(3)工作狀態下水蒸氣的密度:P=4.123k歲m(4)工作狀態下水蒸氣的等嫡指數:
       

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          3.求各典型測f點流出系數的修正系數凡和膨脹系數的修正系數凡(1)按式(8)計算各典型測量點雷諾數;
          (2)按式(11)中的a值和各典型測量點雷諾數,分別代人式(1o>,得到各點C,并按式(3)計算凡;    (3)將各典型測量點對應的差壓如分別代入式(4)得到各點。值,并按式(5)計算人。    以上計算結果列于表1.


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      五、結束語:
         ①在孔板流量計中,由于差壓計精度的提高和智能流量儀表對制約孔板流量計范圍度擴大的幾個因素的準確的修正,不僅能大幅度提高流量測量的準確度,而且能使范圍度擴大到10:10。
         ②C和的實際修正系數表明,進行這兩項修正是必要的。如果不進行修正,流量為30 % FS時,示值將會產生一1.95%(讀數)的誤差。流量為10 % FS時,示值將會產生一2.4%(讀數)的誤差。
         ③用上述方法配置的孔板流量計20多套,在現場運行兩年多,穩定可靠,故障率很低,計量精度高,而且操作使用和維護都很方便,收到良好效果。

       

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