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差压流量计范围度问题研究

差压测量精确度的制约流出系数非线性的制约可膨胀性系数的制约节流式差压流量计的不确定度

2005年8月(1)

摘要  叙述了制约节流式差压流量计范围度扩大的3个主要因素:差压测量精确度、流出系数的非线性和可膨胀性系数变化,分析了均速管流量计的范围度,最后讨论了扩展范围度和提高系统精确度的方法。

关键词   差压流量计   均速管   范围度   不确定度    自动校正

0         引言

在流量测量仪表的工业应用中,差压流量计是历史最悠久、应用最广泛的仪表之一。其结构简单、牢固,易于复制,性能稳定可靠,使用寿命长,价格也便宜。尤其是标准节流式差压流量计无需实流校准,只要按照相关标准设计、制造、安装和使用就能得到足够的测量精确度,这在流量计中是少有的。

涡街流量计推广应用之后,差压流量计的部分领地被涡街流量计占领,但在高温、高压流体,管径较大的测量对象和环境有振动等不适合涡街流量计的场合,差压流量计仍是不可替代的,尤其是热电等行业仍然普遍使用差压流量计。

但是差压流量计也有不尽人意之处,例如范围度不够大,早期的文献资料一直认为只能达到3∶1,近十多年以来,有不少文献论述能达到10∶1。下面就这个问题发表几点看法,并介绍差压式流量计的一些新进展。

1 节流式差压流量计范围度不够大的原因

1.1  差压测量精确度的制约

    节流式差压流量计范围度不够大主要受几个因素的制约,其一是差压计精确度的制约。

    节流式差压流量计输出信号与流量之间为平方关系,在百分率流量(相对于满量程用百分比表示的流量)较小时,差压信号相对值非常小,这就导致测量误差相应增大,例如在流量为满量程的20%时,差压信号理论值只有满量程的4%。如果选用的差压变送器是0.1级精确度,则差压测量的不确定度就高达±2.5%,引入的流量测量不确定度为±1.25%。如果是老式的1.5级差压计,则测量不确定度就将大得惊人。因此在差压测量精确度得到充分提高之前,要拓宽流量测量范围度是不可能的。

1.2 流出系数非线性的制约

    传统的节流式差压流量计将流出系数C当常数来处理,这在当时的技术发展阶段时不得已而为之。其实C并非常数,对于一副具体的节流装置,其流出系数是随雷诺数的变化而变化的。

GB/T 2624-93给出了标准孔板流出系数随雷诺数变化的关系式(以角接取压为例)[1]

           (1)

 式中: 为标准孔板开孔直径与管道内径之比; 为雷诺数。为了更清楚地说明雷诺数对流量计范围度地制约,图1给出了一台DN50、 =0.6的典型标准孔板流出系数随雷诺数变化的关系曲线。从图中可清楚看出,雷诺数<10×104所对应的C值与雷诺数为1×106时的C值之差已大于0.6%,大于国标所规定的不确定度,因此,只能规定此节流装置不能在ReD>10×104的条件下使用。而如果满量程所对应的雷诺数为4×105,则仪表的范围度最大只可能为4∶1。

           图1 典型标准孔板流出系数随雷诺数变化曲线

1.3  可膨胀性系数的制约

测量蒸汽或气体流量时还要受到膨胀性系数的制约。

蒸汽和气体流过节流件时总有一定的压降,导致蒸汽和气体密度减少。可膨胀性系数 是对流体流过节流件时密度发生变化而引起的流量系数变化的修正。

常用流量条件下的 已在设计节流装置时予以解决。也就是说,如果仪表在常用流量条件下使用, 不引起附加误差。但是偏离常用流量之后,必定引起附加误差。

GB/T2624-93给出了标准孔板 关系式,即角接取压、法兰取压和径距取压时 都可用式(2)表示[1]

             (2)

式中: 为使用状态下的可膨胀性系数; 为直径比; 为差压,Pa; 为使用状态下节流件前流体绝对压力,Pa;k为等熵指数。

实际可膨胀性系数偏离设计状态可膨胀性系数时引起的附加误差可用式(3)表示

                             (3)

式中: 为偏离常用流量时 引入的附加误差; 为使用状态 值; 为设计状态(常用流量条件下) 值。

表1所列为一台DN150、0~6000kg/h、 =0.8MPa(绝压)的蒸汽流量计的各特征点 [3]。从表中可清楚地看出,如果常用流量为70%qmmax,则实际流量为40%qmmax 引起的误差已大于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时 偏大,所以引入的流量示值误差为负值。

1.4节流式差压流量计的不确定度

   节流式差压流量计的不确定度由好几个部分组成。GB/T 2624-93给出了标准节流式差压流量计不确定度公式[1]

                                                                              (4)

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