孔板流量计提高测量精度历史状况

在孔板流量计中，流量与变量之间的关系可用式（1）表示

 

    式中：q_m— 流体的质量流量；
          C— 流出因数；
          β— 孔板开孔直径与管道内径之比；
          ε— 流束膨胀因数；
          d— 孔板开孔直径；
          △p— 差压；
          ρ₁— 节流装置人口端流体密度。

    式（1）中，d和β都是确定值。在测量过程中，ρ₁可能有变化，可以通过密度补偿的方法进行精确地修正。如果C和ε也是常数，则孔板的输出信号差压△p就能精确地代表流量q_m。

    差压由差压计测量，早期的差压计是机械式（准确度一般可达1.5%）和气压式（准确度一般为1%），精度都不高。而且因为差压信号的平方根才与流量成正比关系。以精度为1%的差压计进行分析，在流量为30%FS时（FS的含义为满刻度），差压值只为差压上限的9%，按GB/T2624-93《流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘利管测量充满圆管的流体测量》中的不确定度估算方法可知，该测量点差压测量的不确定度为流量测量值的±3.7%，即

（2）

    式中：ξ— 精度等级

    显然，信号小于30%FS时，不确定度更大，不宜使用。

    实际上，式（1）中的C和ε并非是常数，对于流体为气体和蒸汽而言，C和ε是随着流量的不同而变化的，在下面的举例中，列出了各个流量相对值所对应的C和ε值。

    但流出因数C是无法测量的量，在现场使用时，最复杂的情况出现在实际的C值与由标准确定的C值不相符合的时候。经过大量的观察和试验发现C值偏离主要是以下原因引起的：

    1）结构的偏离

    a.孔板入口直角锐利度；
    b.节流件厚度；
    c.节流件上游端面平面度；
    d.取压位置；
    e.取压口加工不规范或堵塞；
    f.管径尺寸与计算值不符；
    g.节流件附近产生台阶和错位；
    h.环室尺寸不符，产生台阶或偏心；
    i.焊接的焊缝突出；
    j.节流件偏心（不同轴度大）。

    2）管线布置的偏离

    a.阻流件靠近节流装置，阻流件类型很复杂，有单一阻流件，亦有组合阻流件；
    b.流动调整器的应用，使进入节流件的流动为充分发展管流。但随意使用流动调整器会导致流场偏倚、堵塞、高压损失等不良后果。

    3）使用偏离

    a.孔板弯曲（弯曲）；
    b.节流件上游端面沉淀脏物；
    c.节流件上游测量管沉淀脏物；
    d.孔板入口直角边缘变钝、破损；
    e.文丘利管内表面粗糙度变化。

    4）管壁粗糙度的影响

    a.管壁粗糙度增加，使流速分布曲线变陡，增大流出系数；
    b.管壁粗糙度是一个难以掌握的因数，与流体性质、管壁腐蚀、积垢等有关，随时间而变化。

    通过严谨的加工工艺保障、规范的安装和管线配置，以及定期更换变形或磨损的孔板，可以改善以上大部分状况。美国从20世纪40年代开始，一直没有停止孔板流出因数的研究。

    另一方面，可膨胀因数ε是对流体通过节流件时密度变化引起流出因数变化的修正，它的误差由两部分组成：一为常用流量下值ε的误差，即标准定值的误差；二为由于流量变化ε值将随之波动带来的误差。一般在低静压、高差压时有不可忽略的误差。当△P/P≤O.04ε时值波动的误差可忽略不计[1]。

    在传统的孔板流量计中，要对C和ε进行修正是困难的，为了减小C的影响，常常采用下面的措施：
    ① 将差压上限△P_max尽可能取得大一些，从而使β小一些；
    ② 缩小管径，提高流速，从而使节流装置在较高雷诺数条件下使用；
    ③ 限制流量计的使用下限（结合差压计精度的约束条件以及长期使用得出的经验，一般测量下限不低于25%FS），因为流量越低，雷诺数越小，C与常用流出因数C_com的差异越大。由于C的在线修正难以实施，所以在设计节流装置时设法将流量测量下限对应的C和C_com之间的偏差规定为不大于0.5%，这样，许多节流装置设计手册上对各种取压方式及不同种类的节流元件都有适用的最小的雷诺数（R_eDmin）推荐值，且对于中小口径、低流速及粘性介质，使用于R_eD≤10⁴情况下的节流元件采用特殊轮廓的形式，即1/4圆孔板、锥形入口孔板、双斜孔板、圆筒喷嘴等，以保证流出系数的稳定性；
    ④至于ε修正，修正公式早已趋于完善，但在机械式差压计和其它模拟仪表中，要实施这种补偿极其困难。