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标准孔板流量计采用3:1量程比的原因分析

作者: 来源: 发布时间:2017-10-08 12:37:48
 
 
        差压流量计是应用很广泛的一种流量计,已经实现了标准孔板流量计、喷嘴和文丘里管的标准化,只要按照标准设计、制造、检验、安装和使用,不经实流标定就能得到规定的准确度。
 
        但该类流量计有一个显著的弱点,即量程比不尽人意。自从20世纪80年代CPU进入工业仪表之后,情况有了改观,通过引入流出系数C非线性的校正技术及膨胀性系数ε的自动校正技术,再加上差压测量精确度从20世纪70年代的±1.5%提高到现在的±0.04%,使差压式流量测量的系统不确定度有了显著提高,同时量程比也得到显著的拓展,从早先的3∶1,扩大到10∶1。
 
        后来有的仪表公司推出了双量程差压流量计,即增设了1台低量程差压变送器以及用Hart通信的方法传送差压信号,可将量程比扩大到30∶1,笔者就测量精确度和量程比的关系问题进行分析,然后提出提高测量精确度和扩大量程比的实用方法。
 
2、3∶1量程比的原因分析
 
        流量》两个标准中,并未对标准中所涉及的几种差压装置能达到的量程比做出规定,只对能达到的不确定度做出了规定,例如大家所熟悉的标准孔板流量计,只要满足50mm≤D≤1 000mm,d≥12.5mm,0.2≤β≤0.6,ReD≥5 000的使用条件,就能得到0.5%的不确定度。其中,D为管道内径,d为孔板流量计开孔直径,β为直径比,ReD为与D有关的雷诺数。
 
        所谓流量量程比就是保证精确度的zui大流量qmax与zui小流量qmin之比。在常用压力和温度条件下,雷诺数与流量成正比关系。所以,如果qmax与qmin之比为10,就意味着ReDmax与ReDmin之比为10。而在上述标准中,ReDmax与ReDmin之比差10倍、100倍甚至更大的倍数,标准中规定的C=f(β,ReD)的模型都能达到规定的不确定度。
 
        所以能够做到这一点是因为从GB/T 2624—1993版开始,就已经不再将流出系数C当常数来处理,而是当变量来处理。在该标准中给出了C=f(β,ReD)的关系式,到了GB/T 2624—2006,在总结了十多年的zui新研究成果之后,对该模型作了进一步完善,给出了精确度更高的关系式,如标准孔板流量计(角接取压)的关系式如下:
标准孔板流量计(角接取压)的关系式
        将式(1)用图形来表示,如图1所示。从图1可看出,当ReD较大时,C近似成水平线,即C为常数;但随着ReD的减小,C逐渐增大。若将β和ReD代入式(1)计算出C,可基本消除ReD对C的影响,保证了0.5%的不确定度。
 典型标准孔板流出系数随雷诺数 变化曲线( β =0. 6 )
 
        通常情况下差压装置制造厂提供的设计计算书中都规定了3∶1的量程比,原因是制造厂无法确定用户将差压装置买回去是否进行C的非线性补偿,而且制造厂无法进行C的非线性补偿。而在该计算书中,需要提供产品的不确定度,如果zui小流量太小,将会导致不确定度严重恶化。
 
        孔板流量计制造厂解决该问题的方法之一是缩小量程比,传统方法是将量程比定为3∶1,这时提供给用户的C是常用流量对应的C。按照国家相关标准的规定,这一点的不确定度是比较小的,而偏离常用流量之后,例如在30%qmax点或100%qmax点,不确定度将显著增大。
 
        该方法使用了几十年,而且在GB 2624—1981中用标准的形式固定下来。用标准图形来表示标准孔板流量计β与ReD的关系,这是节流装置设计计算中必用的工具。在该标准中,不使用C而采用流量系数a。a也不是按照公式计算出来的,而是查图得到的。a与β2和管径D的关系如图2所示[11]。由图2可知,a不仅与β有关,而且与D有关,这反映了管道内壁绝对粗糙度相同的前后直管段,由于管道内径不同,其速度分布也不同,所以β虽相同,而流量系数却不同。图2中还反映出一个问题,即流量系数与雷诺数没有关系。即在实际雷诺数大于界限雷诺数之后,C=f(β,ReD)曲线已经接近水平,所以忽略了ReD的影响。
流量系数 a 与 β 2 的关系
        目前,随着仪表技术的飞速发展,实时计算C已变得简单,C的非线性在线补偿较容易实现。因此,对于差压装置制造厂来说,量程比不再受孔板流量计的约束。

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