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孔板流量计的原理与测量误差成因分析
发布日期:2018/10/7 9:50:53
孔板流量计是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸汽流量的常用的流量仪表。这是因为孔板流量计结构简单、工作可靠、成本低廉、又具有一定准确度, 能满足工程测量的需要,而且设计加工已经标准化。
按标准加工安装的孔板流量计不需要进行标定也能在已知的不确定度范围内进行流量测量。但是, 在实际的使用过程中, 孔板流量计的测量误差往往比计算所得的误差大, 有时甚至达到不能允许的程度。
为了弄清楚误差增大的原因, 我们就孔板流量计的结构原理, 使用条件和测量误差的产生等方面作一简要介绍。
孔板流量计是利用流体流过孔板时在孔板前后产生的差压来测量流量的一种流量仪表。主要由孔板(节流件)、取压装置、信号管路、差压变送器以及显示仪表组成。
当流体以一定流速流过孔板时,如图所示,在孔板的前后将产生差压Δp。实践证明,Δp与通过孔板的流量qm之间满足关系式:qm = CA(Δpρ)1/2 式中C为比例系数;ρ为流体密度;A为孔板的流通面积。信号Δp由差压变送器测量并由显示仪表处理并显示流量值。
只要保持比例系数C为常数, 则流量qm与信号Δp之间有确定的一一对应关系。只要差压变送器能正确测量信号差压Δp, 我们就能得到比较正确的流量测量结果。所以, 如何保证流量测量中C为一常数就成了使用孔板流量计的关键。
为了保证上述的C基本为一常数, 先必须保证被测介质为无旋的单相定常流。也就是从原理上讲,孔板流量计并不适合于测量两相流(如饱和蒸汽)。其次是孔板流量计的管道条件,上述公式是基子孔板上游的流体已形成一种特定的流速分布这样一个事实才成立的。
所以任何诸如直管段长度太短、安装不符合标准、偏心、垫片凸入管道内等因素都将会造成C的较大变化,从而增加测量误差。所以,足够长的直管段和按照标准精心安装, 对于正确使用孔板流量计来说是非常必要的。
第三, 小雷诺数的限制,公式中的比例系数C 只在一定的雷诺数范围内才基本为一常数。当流量较小的时候, 系数C将会在较大的范围内变化。
为了减小由于C变化带来的误差, 标准中对每只孔板流量计都规定有小雷诺数 , 实际使用时应该保证所测流量在该小流量以上才不致于引起误差的增加。
后,使用中的信号管路和差压变送器也是使孔板正常工作的重要环节。为了提高孔板流量计的测量准确度,应该配有较高准确度的差压变送器或差压计。
但如果信号管路安装不正确, 或存在上述使用条件的缺陷, 则不论配置多高准确度的差压变送器, 也得不到高准确度的流量测量结果。因为高准确度的差压变送器只能客观地反映所测差压的大小,而该差压与流量之间的具体关系还得取决于公式中系数C的变化情况。
公式中系数C一般是通过查表得到的,表列数据都是大量试验总结的结果,必然存在表列值误差。流通面积A,差压Δp等都是测量得到的, 根据测量设备的准确度可以估计这些测量误差的大小。
所以说, 即使孔板流量计在设计、制造和安装使用中完全遵守国家标准的规定, 根据公式得到的流量测量结果也存在一定的误差。这项误差是孔板流量计的基本误差, 可以根据其设计情况进行计算,制造厂给出的也是这项基本误差。
但是当流量计投入现场使用时, 由于安装、使用以及流动条件发生了变化, 孔板流量计的测量误差往往远大于计算所得的误差。也就是说, 除了上述的基本误差外, 孔板流量计还存在由于工作条件的变化而产生的附加误差。
值得注意的是, 附加误差的估计非常复杂,目前能够估计的只是其中的一小部分。它们基本上可以分成两大类。是由于节流装置不符合标准要求时产生的附加误差。
第二是由于流动情况不符合标准要求时产生的附加误差。为了尽量减小孔板流量计的附加误差, 设计使用时应尽量注意避免上述两个方面不符合标准的情况。具体表现在:
孔板入口边缘不尖锐将使流量系数增大。所以, 如果孔板入口长期磨损而不作修正,将会使测量值小于实际值, 磨损越利害, 误差也越大。
孔板太厚将使流量系数减小,减小的幅度随孔径比声和孔板的厚度而变化。小管径时( 如D = 5 0 ~ 6 0 m m ) 常会发生这种情况。
孔板上开有疏水孔或疏气孔时, 总使流量系数增大。实际上疏水孔或疏气孔相当于增加了孔板的流通面积, 如不作修正也将产生一定的误差。
除此之外, 孔板开孔圆筒形部分的长度太长, 角接取压的取压孔与孔板端面跟离太远等都是孔板流量计制造和安装时应予避免的。一般, 这些因素都将造成流量系数的增大。以上这些不符合标准规定的因素尚可对流量系数进行修正。
但即使进行了修正, 由于这些因素的存在, 孔板流量计的误差应在基本误差的基础上再分别算术相加或儿何相加这些因素引起的附加误差, 幅度为±0.25 一±l % 不等。如果不对这些因素进行修正, 则引起的附加误差根据偏离标准的程度可达±(5 ~ 7) %,严重时甚至无法估计。
流动情况不符合标准要求的主要表现在孔板上、下游的直管段有管径突变, 取压环的开孔直径超出规定, 孔板安装与管道偏心等。这些因素都将造成孔板流量计的附加误差增加。
所以. 诸如安装不当, 取压环环室结垢受堵,甚至法兰垫片凸入管道等都是使用孔板中应该避免的。尤其是垫片凸入管道的情况将严重扰乱管内流场, 造成的测量误差的增加将无法估计。
综上所述,孔板流量计的测量误差由基本误差和附加误差组成, 其中附加误差的大小在很大程度上决定于使用情况。从中我们可以看到正确使用孔板的重要性。