提高孔闆流(liú)量計測量精(jīng)度研究 發布(bù)時間:2025-12-17
1概述 差(chà)壓流量計 是(shi)應用很廣泛(fàn)的一種流量(liàng)計,已經實現(xiàn)了孔闆流量(liàng)計、噴嘴🌏和文(wén)丘裏管的标(biāo)準化,隻要按(àn)照标準設⚽計(jì)、制造、檢驗、安(ān)裝和❄️使用,不(bú)經實流标定(ding)就能得到🛀規(gui)定的精度。 但(dan)該類 流量計(ji) 有一個顯著(zhe)的弱點,即量(liàng)程比不盡人(ren)意。自從20世紀(jì)80年代CPU進入工(gong)業儀表之後(hòu),情況有了改(gǎi)觀,通過引入(ru)流出系數C非(fei)線性的校正(zhèng)技術及膨脹(zhang)性系數ε的自(zi)動校正技術(shu),再加上差壓(ya)測量精度從(cong)20世紀70年代的(de)±1.5%提高到現在(zai)的±0.04%,使差壓式(shì)流量測量的(de)系統不确定(dìng)度有了顯著(zhe)❄️提高,同時量(liàng)程比也得到(dào)🤩顯著的拓展(zhan),從早先的3:1,擴(kuo)大到10:1[1-3]。 推出雙(shuāng)量程差壓流(liu)量計,即增設(shè)一太低量程(cheng) 差壓變送器(qì) 以及用HART通信(xìn)的方法傳送(song)差壓信号,可(kě)将量程比擴(kuò)大到30:1[4-6],測量精(jīng)度和量程比(bǐ)的關系問題(tí)進行分析,然(rán)後提出提高(gāo)測量精度和(hé)擴大量程比(bi)的實用方法(fǎ)。 2 3:1量程比的原(yuan)因分析 在ISO 5167-2:2003(E)Measurement of Fluid Flow by Means of Pressure Differential Devices Inserted in Circular Cross-section Conduits Running Full和(he)GB/T2624—2006《用安裝在圓(yuan)形截面管道(dào)中的差壓裝(zhuāng)置測量💞滿管(guan)流體流量》兩(liang)個标準中,并(bìng)未對标準中(zhong)所涉及的幾(jǐ)種差☂️壓裝置(zhi)能達到的量(liang)程比做出規(guī)定,隻對🈲能達(da)到的不确定(ding)度做出了規(gui)定,例如大家(jiā)所熟悉的标(biāo)準孔闆,隻要(yào)滿足50mm≤D≤1000mm,D≥12.5mm,0.2≤β≤0.6,ReD≥5000的使用(yong)條件,就能得(de)到0.5%的不确定(ding)度[7-8]。其中,D爲管(guǎn)道内徑,D爲孔(kong)闆開孔☂️直徑(jing),β爲直徑比,ReD爲(wèi)與D有關的🔞雷(léi)諾數。 所謂流(liu)量量程比就(jiù)是保證精确(què)度的最大流(liú)量qmax與最小流(liu)量qmin之☎️比[9]。在常(chang)用壓力和溫(wēn)度條件下,雷(léi)諾數與流量(liàng)成正比關系(xì)。所以,如果qmax與(yu)qmin之比爲10,就意(yì)味着ReDmax與ReDmin之比(bi)🌈爲10。而在上述(shù)标準中,ReDmax與ReDmin之(zhī)比差10倍、100倍甚(shèn)至更大的倍(bei)數💔,标準中規(guī)定的C=f(β,ReD)的模型(xing)都能達到規(gui)定的不确定(ding)度。 所以能夠(gou)做到這一點(dian)是因爲從GB/T2624—1993版(bǎn)開始,就已經(jīng)不再将流出(chu)系數C當常數(shù)來處理,而是(shì)當變量來處(chù)理。在該标準(zhun)😍中給出了C=f(β,ReD)的(de)關系式,到了(le)GB/T2624—2006,在總結了十(shí)多年的最新(xin)研究成果之(zhī)後,對該🐉模型(xíng)作了進一步(bu)完善,給出了(le)精确度更高(gāo)的關系💔式,如(ru)标準❤️孔闆(角(jiao)接取壓)的關(guan)系式如下: 将(jiang)式(1)用圖形來(lái)表示,如圖1所(suǒ)示。從圖1可看(kàn)出,當ReD較大時(shí),C近似成水平(ping)線,即C爲常數(shu);但随着ReD的減(jian)小,C逐漸增大(dà)。若将β和ReD代入(ru)式(1)計💘算出C,可(ke)基本消除ReD對(dui)C的影響,保證(zhèng)了0.5%的不确定(dìng)度。 通常情況(kuang)下差壓裝置(zhi)制造廠提供(gòng)的設計計算(suàn)書中都規定(dìng)了🔱3:1的量程比(bǐ),原因是制造(zao)廠無法确定(dìng)用戶将差壓(yā)裝置買回去(qu)是否進行C的(de)非線性補償(chang),而且制造🏃廠(chang)無法進行C的(de)非線性⚽補償(chang)。而在該計算(suàn)書💃中,需要提(tí)供産品的不(bu)确定度,如果(guǒ)最小流量太(tài)小📱,将會導緻(zhi)不确定度嚴(yan)重❗惡化。 孔闆(pǎn)制造廠解決(jué)該問題的方(fang)法之一是縮(suō)小量程比⛷️,傳(chuán)統🙇♀️方⭕法是将(jiang)量程比定爲(wèi)3:1,這時提供給(gei)用戶的C是常(cháng)🚶♀️用流⁉️量對應(yīng)的C。按照國家(jia)相關标準的(de)規定,這一點(diǎn)的不确定度(du)是比較小的(de),而偏離常用(yong)流量之後,例(lì)如在30%qmax點或100%qmax點(diǎn),不✉️确定度将(jiāng)顯著增大。 該方法使(shǐ)用了幾十年(nián)[10],而且在GB2624—1981中用(yòng)标準的形式(shi)固定下🔴來。用(yong)标♋準圖形來(lai)表示标準孔(kong)闆β與ReD的關系(xì),這是節流裝(zhuāng)置設計計算(suan)中必用的工(gong)具。在該标準(zhun)中,不使用C而(er)采用🌈流量系(xì)數a。a也不是按(àn)照公式計算(suàn)出來的,而是(shi)查圖得到的(de)。a與β2和管徑D的(de)關系🔞如圖2所(suǒ)示[11]。由圖2可知(zhī),a不僅與β有關(guān),而且與D有關(guān),這反映了管(guǎn)道🤟内壁絕對(dui)粗🔅糙度相同(tóng)的前後直管(guan)段,由于管🚶♀️道(dào)内👈徑不同,其(qí)速度分布也(ye)不⁉️同,所以β雖(sui)相同,而流量(liàng)系數卻不同(tóng)。圖2中還反🛀🏻映(ying)出一個問題(ti),即流量系數(shu)與雷諾數沒(mei)有關系。即在(zài)👄實際雷諾數(shu)大于界限雷(lei)諾數之後,C=f(β,ReD)曲(qu)線已經接近(jìn)水平,所以忽(hū)略了ReD的影響(xiǎng)。 目前,随(sui)着儀表技術(shù)的飛速發展(zhǎn),實時計算C已(yǐ)變得⭐簡單,C的(de)非線性在線(xiàn)補償較容易(yi)實現。因此,對(duì)于差壓裝置(zhi)制🈲造廠來說(shuō),量程比不再(zai)受孔闆的約(yue)束。 3差壓流量(liàng)計的開發 差(cha)壓流量計開(kāi)發的目标有(you)兩個:提高系(xi)統精度;保證(zhèng)準确率所☂️對(dui)應的量程比(bi)擴大。 3.1雙量程(chéng)差壓流量計(jì) 雙量程孔闆(pan)流量計 不确(que)定度達到1.5%且(qie)量程比達到(dào)30:1的實現方法(fǎ)。其中,所🏃用的(de)差壓變送器(qi)的精度等級(ji)ξ爲0.065%,而目前差(cha)壓變送器精(jing)🆚度等💃🏻級已經(jing)提高到0.04%,将該(gāi)值代入差壓(yā)測量不确定(dìng)度計算公式(shì)[6]: 式中:Δpmax———差壓上(shàng)限,Kpa;Δp———常用流量(liang)對應的差壓(ya),Kpa。 由式(2)可知,δΔp/Δp減(jiǎn)小到原來的(de)61.5%,将該值代入(rù)式(3)就可計算(suan)流量不🌈确定(ding)度,從而使系(xì)統不确定度(du)顯著減小: 式(shì)中:δqm/qm———流量測量(liang)不确定度;δC/C———流(liú)出系數不确(què)定度;δε/ε———可膨脹(zhang)性📧系數🙇♀️不确(què)定度;δD/D———管道内(nei)徑不确定度(du);δD/D———孔闆開孔直(zhí)徑不确定度(dù);δΔp/Δp———差壓🐕測量不(bú)确定度;δρ1/ρ1———孔闆(pǎn)正端取壓口(kou)處流體密度(du)不确定度。 在(zài)利用式(3)對流(liú)量不确定度(du)進行估算時(shí),δD/D和δD/D一般可✨以(yǐ)忽略,δρ1/ρ1作用♻️也(ye)很小[6],其餘3個(ge)因子起關鍵(jiàn)作用。其中δC/C對(dui)于标準孔闆(pǎn)來說,常取值(zhí)爲0.5%,按照GB/T2624—2006,δε/ε用下(xia)式計算: 式中(zhong):p1———節流件正端(duān)取壓口處常(cháng)用壓力,Kpa;κ———等熵(shang)指數。 因此,求(qiu)得δΔp/Δp和δε/ε後,就可(ke)計算δqm/qm。 下面是(shì)各特征點關(guan)鍵因子δΔp/Δp,δε/ε的計(ji)算結果并将(jiang)其代入流量(liang)不确定度δqm/qm計(ji)算公式,然後(hòu)得到的系統(tong)不确定值,其(qi)中差壓裝置(zhì)流出系統不(bú)确定度仍保(bao)持0.5%。 3.2雙量程孔(kǒng)闆流量計不(bu)确定度曲線(xian)的繪制 将上(shang)述各特征點(dian)不确定度計(jì)算結果,繪制(zhi)成不确定度(du)曲線,如圖3所(suǒ)示。 3.3單量程孔(kong)闆流量計不(bú)确定度的估(gū)算及曲線 上(shang)面計算的是(shi)雙量程孔闆(pǎn)流量計,如果(guǒ)不設低量程(chéng)差壓變送器(qì),則在滿量程(chéng)的3%~17.32%,不确定度(du)就要大幅增(zeng)大,這時隻要(yào)㊙️将滿量程🤞内(nei)10%和3%流量點的(de)δqm/qm計算出來,就(jiu)可繪制不确(què)定度曲🏃🏻線。 3.3.1滿(man)量程内10%流量(liàng)點不确定度(du)估算 用1台差(cha)壓變送器測(ce)量時,在滿量(liang)程内10%流量點(dian),參照上述計(ji)算方法計算(suan)可得到: 3.3.2滿量(liang)程内3%流量點(dian)不确定度估(gu)算 在滿量程(chéng)内3%流量點,參(cān)照上述計算(suàn)方法計算可(kě)得到: 3.3.3不确定(dìng)度曲線 單量(liàng)程差壓流量(liang)計的系統不(bú)确定度随流(liú)量變化的關(guān)系曲♊線如圖(tu)4所示。 4結束語(yu) 1)20世紀80年代,标(biao)準差壓流量(liàng)計的差壓裝(zhuang)置C是作爲常(chang)數來處理。由(you)于實際的C是(shì)受雷諾數影(yǐng)響的,所以會(huì)帶來較大誤(wù)差,在常🔴用流(liu)量點,流量系(xì)統不确定度(du)也隻能達到(dào)2%,而且可使用(yong)的流量測量(liang)範圍也隻能(neng)達到3:1。 2)GB/T2624—1993标準發(fā)布後,引入了(le)ReD影響校正和(he)ε校正,從而使(shi)标準差壓裝(zhuāng)✌️置不受量程(cheng)比約束。 3)差壓(ya)測量儀表的(de)進步,爲提高(gāo)系統不确定(ding)度創造🐪了條(tiao)件。采💃🏻用0.04%精确(què)度等級的差(chà)壓變送器與(yu)标準孔闆組(zu)成的一體⭐化(hua)标準孔闆流(liu)量計,用來測(cè)量氣體和蒸(zheng)汽流量時,不(bú)經實流标定(ding),系統不确定(dìng)度就能達到(dao)1.0%,對應的流量(liang)量程比爲10:1;而(er)如果增設1台(tai)低量程💯差壓(ya)變送器,則量(liàng)程比可擴大(dà)到30:1。 4)不确定度(du)曲線能将流(liú)量系統不确(que)定度與量程(chéng)比的關系表(biao)🌈達⛱️得更直觀(guan)、清晰。技術的(de)進步,甩掉了(le)标準孔闆流(liu)㊙️量計“誤差大(da)”、“量程窄”的帽(mào)子,從而以新(xīn)的♊面貌赢得(de)市場認可。
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