摘 要:本文围绕流量测量领域中大量应用的差压式流量计,对具有代表性的孔板式流量计的测量原理及适用范围、流量范围的合理确定方法,以及有效提高其测量准确度及测量范围度的方法进行了研讨。
关键词:孔板流量计;误差;准确度;测量范围度
1 概述
孔板流量计属最常见的差压式流量计,具有结构简单,节流元件及其计算方法已经标准化等优点,并且其检定一般无需进行实流标定,采用几何法进行“干校准”。所谓“干校准”就是无须实验校准而确定差压与流量的关系,并可估算其测量误差。在积累大量实践经验的基础上,差压式流量计的最新国际标准ISO5167已于2003年3月由国际标准化组织(ISO)正式公布执行。目前在全部流量计中只有这种流量计是唯一的一种能达到此标准的流量计。该种流量计适合大多数气体和液体。值得一提的是,在大口径(DN100以上)热水及蒸汽计量领域,因其所依据的标准健全,几何法检定,地市级计量技术机构利用现有条件很容易开展检定校准工作。与其他类型流量计相比,检定成本很低,在计量仲裁检测方面易于操作,在实际量传工作中取得了良好的社会效果。目前大家已普遍认为它是一种优秀的流量仪表。随着计算机技术在流量测量领域的大量应用,高精度差压变送器的出现,过去困扰孔板流量测量的一些问题,如系统测量准确度低、测量范围度窄等难题,都会得到有效地解决。
2 测量原理及适用范围
差压式流量计成功地应用于工业流量测量,其测量原理:根据流体流动的连续性和能量守恒定律得知:流体流经节流件时,便造成流束的局部收缩,从而在该截面处使流速增加、静压力降低,在节流件前后产生静压力差,根据测量压差值来计算出流量。在已知工况条件下,节流装置式流量计瞬时流量值的计算公式:
式中:q—瞬时流量, kg/h;C—流出系数;ε—流束膨胀系数;dt—工作温度下节流件开口直径;ρ—流体的密度kg/m3;ΔP—节流件前后差压Pa;β—直径比。
孔板流量计可测量已知组分和密度的各种介质,在选用时要符合如下的基本使用条件:压力大于10kPa,低于20MPa;温度:低于700℃(物理条件);粘度:低于300Pa·s;含杂物粒径:≤2μm;含杂物粒径比率:≤30%。
在满足上述条件时,可测量各种流体介质(蒸汽、气体、液体)。需要准确地测量流量临界值时,需要用雷诺数来确定。国际上要求雷诺数在现阶段大于2000以上,但不同孔径比、不同取压方式取值有所不同。
在此之上,还规定了孔板的β值范围,约为0·2~0·8(角接取压方式)。β值是指孔板的开口直径和管线内经(流量计内径)的比值,即孔板的孔径可做到管线内径面积的20% ~80
%。
孔板有三种取压方式,法兰取压,角接取压,D—D/2径取压。取消了原有的理论取压与管接取压两种取压方式,这是为便于标准化。采用三种取压方式,依使用目的分为法兰取压,主要用于较小口径;角接取压多用于高压孔板:D—D/2径取压方式主要用于主要用于大口径方面。
所有流量计都有生产厂特定的直管段距离,对于孔板也有严格的规定,是因为过去进行了大量的实验,从而确立了流量计的前后直管段与测量准确度的密切关系,否则,便不能保证约定的测量精度。现场情况不允许时,其长度只能取允许的1/2时,则必须追加0·5%的附加不确定度,所以应尽可能地保证前后直管段长度在规定值以上。
3 流量范围的合理确定
在选用节流装置时,一般是首先以所选用流量为基准,决定流量计的口径。在以所用流量为准时,通常有如下四种选择:选取最大流量为基准;选取常用流量为基准;取最小流量为基准;仅知管网口径而不知流量时。
3·1 取最大流量为基准时
从某种角度上讲,是简便易行的方法,但这种决定往往使在设置装置参数后,小流量检测的难易决定于测量范围度。
3·2 取常用流量为基准时
这是最合理的方法,这时可以依据下式求出最大检测流量:
最大流量=常用流量/0·7
即:选用最大流量的70%作为常用流量值,在实践中此种方法最常见。
3·3 取最小流量为基准时
是最为安全的方法,这对所有流量计都适用,因为最大流量是很容易被检测的,小流量的测量是最难解决的。可靠的测量可从最大流量的5%开始至115%之间,在侧重测量小流量情况下,将其值设定在最大流量的10%附近较为理想。
3·4 已知管道口径而不知流量范围时
第一种方法是根据管道经济流速确定相应介质的流量,再进行孔板流量设计,经实验判断孔板口径是大还是小,仅更换孔板即可满足测量。另外一种方法是,设计孔板参数时在不计较压损条件下,选取适当的差压上限,经济流量作为上限值,计算对应口径值。若实际测量实验时流量偏大或偏小,采取调整差压测量上限,改变二次流量演算仪的计算参数,也能实现在不更换孔板条件下的流量测量。此方法在实际应用中应仔细消化流量计算数学模型,保证测量准确度。
4 测量准确度及测量范围度
实现高精度流量测量是在流量计算机中(自动演算仪)进行的,并采取了一系列自动补偿措施。它的特点是:依据ISO5167: 2003(E)有关内容,根据被测介质工况变化的实际参数(压力、温度和差压)值,编制流量计算程序,在线实时跟踪计算所有的变量,对介质的密度ρ、介质粘度η、流出系数C、直径比β、雷诺数ReD等多项参数进行在线实时计算后引入公式计算实际流量,因而扩大了测量范围度。
4·1 流出系数
流出系数是孔径比、管道雷诺数等的函数,实验表明,在流量的5% ~115%范围内其数值变化不大于±0·02%,一般不做修正,将其视为常量。
4·2 流束膨胀系数
流束膨胀系数ε主要对气体介质而言,液体条件下为常数1。它是孔径比、差压值、上游压力、等熵指数的函数。下面公式应取代GB/T2624-93中的公式(19):
目前,在绝大多数工业差压式流量测量场合,都在流量演算仪中被设置为常数,根据公式,显然在小流量场合往往出现流量计算结果偏小,最高达1%。引入修正公式可有效地消除流束膨胀系数带来的系统误差,提高小信号测量能力。
4·3 开孔直径
孔径的误差取决于孔板的加工精度和介质实际工况,孔板的开口直径是在标准状况下(20℃)测量的,这是计算书中给出的。而实际上温度对孔径的影响是不该忽略的,特别是测量高温介质时。利用经验公式可将孔板开口直径、管道内径、孔径比修正到工况测量温度下的数值。
对于常温水、气体等介质,因温度只是在小范围内波动,影响量甚小,可不引入上述修正公式,不会带来附加误差。
4·4 密度补偿
密度的准确测量决定于我们对被测介质组分的详细了解和温度、压力的测量。对于水、水蒸汽、天然气等,我们能做到根据温度、压力测得值,利用相应的公式计算出工况密度,也就是工程上常提到的温压自动补偿。
温压自动补偿的目的是跟踪流体工况的偏离,以准确地测量流量。但实际应用中,往往因错误的补偿方式给流量测量带来更大的误差。所以,针对不同的介质,采用不同的补偿方式,能恰到好处地实现预期目的。如测量水等液体,温度对密度的影响大于压力对密度的影响,采用温度补偿即可;测量饱和蒸汽时,使用压力补偿方式或采用温度补偿方式均可,测量过热蒸汽则介质的温度和压力均需进行补偿。合理的补偿方式在设计阶段应给予足够的考虑。
实现上述措施,可实现10% ~115%范围内流量的测量,要进一步提高测量范围度,我们改进差压测量方式,采用两台差压变送器,分别测试小流量区域与大流量区域,分别发出独立的流量信号,流量仪识别其信号,进行区域切换,并且每个区域都进行四段运算,因此,超大范围度型流量计是用分段法进行数值运算。正是因为如此,在超大测量范围度时也可保证1·0%以上的测量准确度。
5 发展与展望
孔板流量计作为一种经典流量计量器具,它的型式和参数是随着测试技术的发展而不断优化的,全世界各国众多流量研究机构利用水、空气、油、天然气等介质不断进行实验,持续地汇集实验数据,修改各系数拟合公式,以提高测量准确度。圆缺孔板、偏心孔板、楔形孔板、耐磨孔板、环形孔板、弯管(弯头)、V内锥等非标准差压式流量计量装置又扩展了流量计量领域,如测量脏污流体的流量、测量低雷诺数流体流量。由于孔板流量计是由若干个独立单元组合在一起的,它们之间配置合理与否,安装是否规范都会直接影响整体的测量性能。所以,研制一体化孔板流量计产品,简化结构,减少运行维护量,提高性价比,是未来前景很广阔的项目,目前国内已出现此类产品。
参考文献
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[4]朱爱民·流体力学基础·中国计量出版社, 2004, 12·
作者简介:朱继光,男,高级工程师。工作单位:哈尔滨市计量检定测试所。曲毓才,哈尔滨市计量检定测试所。
