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差壓流量計范圍度問題研究

差壓測量精確度的制約流出系數非線性的制約可膨脹性系數的制約節流式差壓流量計的不確定度

2005年8月(1)

摘要  敘述了制約節流式差壓流量計范圍度擴大的3個主要因素:差壓測量精確度、流出系數的非線性和可膨脹性系數變化,分析了均速管流量計的范圍度,最后討論了擴展范圍度和提高系統精確度的方法。

關鍵詞   差壓流量計   均速管   范圍度   不確定度    自動校正

0         引言

在流量測量儀表的工業應用中,差壓流量計是歷史最悠久、應用最廣泛的儀表之一。其結構簡單、牢固,易于復制,性能穩定可靠,使用壽命長,價格也便宜。尤其是標準節流式差壓流量計無需實流校準,只要按照相關標準設計、制造、安裝和使用就能得到足夠的測量精確度,這在流量計中是少有的。

渦街流量計推廣應用之后,差壓流量計的部分領地被渦街流量計占領,但在高溫、高壓流體,管徑較大的測量對象和環境有振動等不適合渦街流量計的場合,差壓流量計仍是不可替代的,尤其是熱電等行業仍然普遍使用差壓流量計。

但是差壓流量計也有不盡人意之處,例如范圍度不夠大,早期的文獻資料一直認為只能達到3∶1,近十多年以來,有不少文獻論述能達到10∶1。下面就這個問題發表幾點看法,并介紹差壓式流量計的一些新進展。

1 節流式差壓流量計范圍度不夠大的原因

1.1  差壓測量精確度的制約

    節流式差壓流量計范圍度不夠大主要受幾個因素的制約,其一是差壓計精確度的制約。

    節流式差壓流量計輸出信號與流量之間為平方關系,在百分率流量(相對于滿量程用百分比表示的流量)較小時,差壓信號相對值非常小,這就導致測量誤差相應增大,例如在流量為滿量程的20%時,差壓信號理論值只有滿量程的4%。如果選用的差壓變送器是0.1級精確度,則差壓測量的不確定度就高達±2.5%,引入的流量測量不確定度為±1.25%。如果是老式的1.5級差壓計,則測量不確定度就將大得驚人。因此在差壓測量精確度得到充分提高之前,要拓寬流量測量范圍度是不可能的。

1.2 流出系數非線性的制約

    傳統的節流式差壓流量計將流出系數C當常數來處理,這在當時的技術發展階段時不得已而為之。其實C并非常數,對于一副具體的節流裝置,其流出系數是隨雷諾數的變化而變化的。

GB/T 2624-93給出了標準孔板流出系數隨雷諾數變化的關系式(以角接取壓為例)[1]

           (1)

 式中: 為標準孔板開孔直徑與管道內徑之比; 為雷諾數。為了更清楚地說明雷諾數對流量計范圍度地制約,圖1給出了一臺DN50、 =0.6的典型標準孔板流出系數隨雷諾數變化的關系曲線。從圖中可清楚看出,雷諾數<10×104所對應的C值與雷諾數為1×106時的C值之差已大于0.6%,大于國標所規定的不確定度,因此,只能規定此節流裝置不能在ReD>10×104的條件下使用。而如果滿量程所對應的雷諾數為4×105,則儀表的范圍度最大只可能為4∶1。

           圖1 典型標準孔板流出系數隨雷諾數變化曲線

1.3  可膨脹性系數的制約

測量蒸汽或氣體流量時還要受到膨脹性系數的制約。

蒸汽和氣體流過節流件時總有一定的壓降,導致蒸汽和氣體密度減少??膳蛎浶韵禂? 是對流體流過節流件時密度發生變化而引起的流量系數變化的修正。

常用流量條件下的 已在設計節流裝置時予以解決。也就是說,如果儀表在常用流量條件下使用, 不引起附加誤差。但是偏離常用流量之后,必定引起附加誤差。

GB/T2624-93給出了標準孔板 關系式,即角接取壓、法蘭取壓和徑距取壓時 都可用式(2)表示[1]

             (2)

式中: 為使用狀態下的可膨脹性系數; 為直徑比; 為差壓,Pa; 為使用狀態下節流件前流體絕對壓力,Pa;k為等熵指數。

實際可膨脹性系數偏離設計狀態可膨脹性系數時引起的附加誤差可用式(3)表示

                             (3)

式中: 為偏離常用流量時 引入的附加誤差; 為使用狀態 值; 為設計狀態(常用流量條件下) 值。

表1所列為一臺DN150、0~6000kg/h、 、 =0.8MPa(絕壓)的蒸汽流量計的各特征點 [3]。從表中可清楚地看出,如果常用流量為70%qmmax,則實際流量為40%qmmax 引起的誤差已大于0.6%。

表1 各特征

% qmmax                

% qmmax                

0                                                                              1.00000

10                     0.999805183

20                     0.999220732

30                     0.998246648

40                     0.996882930

50                     0.995129578

60                     0.992986592

70                     0.990453973

80                     0.987531720

90                     0.984219833

100                    0.980518313

在流量小于常用流量時 偏大,所以引入的流量示值誤差為負值。

1.4節流式差壓流量計的不確定度

   節流式差壓流量計的不確定度由好幾個部分組成。GB/T 2624-93給出了標準節流式差壓流量計不確定度公式[1]

                                                                              (4)

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