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標準孔板流量計采用3:1量程比的原因分析

作者: 來源: 發布時間:2017-10-08 12:37:48
 
 
        差壓流量計是應用很廣泛的一種流量計,已經實現了標準孔板流量計、噴嘴和文丘里管的標準化,只要按照標準設計、制造、檢驗、安裝和使用,不經實流標定就能得到規定的準確度。
 
        但該類流量計有一個顯著的弱點,即量程比不盡人意。自從20世紀80年代CPU進入工業儀表之后,情況有了改觀,通過引入流出系數C非線性的校正技術及膨脹性系數ε的自動校正技術,再加上差壓測量精確度從20世紀70年代的±1.5%提高到現在的±0.04%,使差壓式流量測量的系統不確定度有了顯著提高,同時量程比也得到顯著的拓展,從早先的3∶1,擴大到10∶1。
 
        后來有的儀表公司推出了雙量程差壓流量計,即增設了1臺低量程差壓變送器以及用Hart通信的方法傳送差壓信號,可將量程比擴大到30∶1,筆者就測量精確度和量程比的關系問題進行分析,然后提出提高測量精確度和擴大量程比的實用方法。
 
2、3∶1量程比的原因分析
 
        流量》兩個標準中,并未對標準中所涉及的幾種差壓裝置能達到的量程比做出規定,只對能達到的不確定度做出了規定,例如大家所熟悉的標準孔板流量計,只要滿足50mm≤D≤1 000mm,d≥12.5mm,0.2≤β≤0.6,ReD≥5 000的使用條件,就能得到0.5%的不確定度。其中,D為管道內徑,d為孔板流量計開孔直徑,β為直徑比,ReD為與D有關的雷諾數。
 
        所謂流量量程比就是保證精確度的zui大流量qmax與zui小流量qmin之比。在常用壓力和溫度條件下,雷諾數與流量成正比關系。所以,如果qmax與qmin之比為10,就意味著ReDmax與ReDmin之比為10。而在上述標準中,ReDmax與ReDmin之比差10倍、100倍甚至更大的倍數,標準中規定的C=f(β,ReD)的模型都能達到規定的不確定度。
 
        所以能夠做到這一點是因為從GB/T 2624—1993版開始,就已經不再將流出系數C當常數來處理,而是當變量來處理。在該標準中給出了C=f(β,ReD)的關系式,到了GB/T 2624—2006,在總結了十多年的zui新研究成果之后,對該模型作了進一步完善,給出了精確度更高的關系式,如標準孔板流量計(角接取壓)的關系式如下:
標準孔板流量計(角接取壓)的關系式
        將式(1)用圖形來表示,如圖1所示。從圖1可看出,當ReD較大時,C近似成水平線,即C為常數;但隨著ReD的減小,C逐漸增大。若將β和ReD代入式(1)計算出C,可基本消除ReD對C的影響,保證了0.5%的不確定度。
 典型標準孔板流出系數隨雷諾數 變化曲線( β =0. 6 )
 
        通常情況下差壓裝置制造廠提供的設計計算書中都規定了3∶1的量程比,原因是制造廠無法確定用戶將差壓裝置買回去是否進行C的非線性補償,而且制造廠無法進行C的非線性補償。而在該計算書中,需要提供產品的不確定度,如果zui小流量太小,將會導致不確定度嚴重惡化。
 
        孔板流量計制造廠解決該問題的方法之一是縮小量程比,傳統方法是將量程比定為3∶1,這時提供給用戶的C是常用流量對應的C。按照國家相關標準的規定,這一點的不確定度是比較小的,而偏離常用流量之后,例如在30%qmax點或100%qmax點,不確定度將顯著增大。
 
        該方法使用了幾十年,而且在GB 2624—1981中用標準的形式固定下來。用標準圖形來表示標準孔板流量計β與ReD的關系,這是節流裝置設計計算中必用的工具。在該標準中,不使用C而采用流量系數a。a也不是按照公式計算出來的,而是查圖得到的。a與β2和管徑D的關系如圖2所示[11]。由圖2可知,a不僅與β有關,而且與D有關,這反映了管道內壁絕對粗糙度相同的前后直管段,由于管道內徑不同,其速度分布也不同,所以β雖相同,而流量系數卻不同。圖2中還反映出一個問題,即流量系數與雷諾數沒有關系。即在實際雷諾數大于界限雷諾數之后,C=f(β,ReD)曲線已經接近水平,所以忽略了ReD的影響。
流量系數 a 與 β 2 的關系
        目前,隨著儀表技術的飛速發展,實時計算C已變得簡單,C的非線性在線補償較容易實現。因此,對于差壓裝置制造廠來說,量程比不再受孔板流量計的約束。

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