標(biāo)準(zhǔn)孔板差壓流量測量裝置的校驗和評價

邵國輝　趙　越

(1.哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040；2.國家水力發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150040)

0　引言

標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置是一種歷史悠久、使用廣泛的差壓式流量計。早在上世紀(jì)初，美國就開始利用孔板測量天然氣的流量。作為應(yīng)用最普遍的節(jié)流件，其結(jié)構(gòu)易于復(fù)制、簡單、牢固，性能穩(wěn)定可靠、使用期限長、價格低廉而得到了廣泛的工程應(yīng)用。

目前國內(nèi)所使用的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量測量裝置一般采用國標(biāo)制造、安裝，不確定度在0.6%～2%之間，且一般均未經(jīng)過校驗，因此其真實的不確定度難以確定，加上制造、安裝過程中的不規(guī)范，其不確定度將遠遠超過1%～3%這一數(shù)量級，顯然這一精度無法滿足當(dāng)前嚴(yán)峻的節(jié)能形勢需要。

為了在試驗中獲取精確的流量參數(shù)值，并對校驗結(jié)果進行判定。本文將詳細介紹標(biāo)準(zhǔn)孔板流量測量裝置的校驗方法和評價，利用該方法可以方便地檢驗流量測量裝置是否滿足使用要求。

1　標(biāo)準(zhǔn)孔板的校驗

盡管標(biāo)準(zhǔn)孔板在加工時，已采取了許多措施來保證其精度。但是經(jīng)驗表明，流出系數(shù)C有時仍不能達到讓人滿意的期望值。因此孔板測量裝置在使用之前必須對其精度進行校驗，以便確定流出系數(shù)與節(jié)流孔雷諾數(shù)是否滿足要求。校驗時雷諾數(shù)Red>106，水溫和流動狀態(tài)應(yīng)盡可能接近孔板的實際使用條件。首先通過實驗室測得標(biāo)準(zhǔn)流量，通過計算公式計算得出孔板雷諾數(shù)和流出系數(shù)。

qm=ρv·qv

(1)

式中：qm為質(zhì)量流量(kg/s)；ρv為金屬量器中水的密度 (kg/m3)；qv為體積流量(m3/s)，由標(biāo)準(zhǔn)金屬量器和計時器得出。

雷諾數(shù)的計算公式如下：

(2)

式中：Red為雷諾數(shù)；V1為管路中水的平均速度(m/s)；υ1為水的運動黏度(m2/s)；β為直徑比，β=d/D；d為節(jié)流孔直徑(m)；D為工作條件下孔板流量計上游管道內(nèi)徑(m)；μ1為水的動力黏度(Pa·s)。

流出系數(shù)為通過節(jié)流裝置的實際流量值與理論流量值之比，并將它應(yīng)用到理論流量方程中以獲得實際的流量。在一定的安裝條件下，對于給定的節(jié)流裝置，流出系數(shù)的數(shù)值僅與雷諾數(shù)有關(guān)。只要節(jié)流裝置幾何相似，并且在相同雷諾數(shù)的條件下。則流出系數(shù)的數(shù)值是相同的。

流出系數(shù)C計算公式如下：

(3)

式中：Δp為差壓 (Pa)；ρ1為孔板流量計節(jié)流孔處水的密度(kg/m3)。

檢驗包括21個覆蓋大的雷諾數(shù)變化范圍的可接受的點，并且依照GB/T 2624—2006，孔板校驗結(jié)果應(yīng)滿足下列判據(jù)：對于所有三種型式的取壓口，流出系數(shù)C值的相對不確定度為：

(0.7-β)%(對于0.1≤β<0.2)

0.5%(對于0.2≤β≤0.6)

(1.667β-0.5)%(對于0.6<β≤0.75)

若D<71.12mm，上述值應(yīng)算術(shù)相加下列相對不確定度：

若β>0.5且Red<10000，上述值應(yīng)算術(shù)相加0.5%的相對不確定度。

校驗數(shù)據(jù)隨機的不確定度公式為：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Cavg為流出系數(shù)平均值；n為測量次數(shù)；Ci為流出系數(shù)的第i次測量值；Sc為流出系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差；t為學(xué)生分布數(shù)值；(eC)r為流出系數(shù)的不確定度；(fC)r95為流出系數(shù)平均值在95%置信度下的隨機不確定度。

2　校驗數(shù)據(jù)評價實例

下面是一組實驗室通過校驗得出的某標(biāo)準(zhǔn)孔板檢驗數(shù)據(jù)，可以很直觀地判定出該標(biāo)準(zhǔn)孔板是否符合使用要求。校驗包含21個可接受的點，雷諾數(shù)變化范圍從1.009×106到2.754×106。該孔板流量計對有效測壓孔的校驗結(jié)果如表1所示。

表1　校驗結(jié)果

圖1　測壓孔校驗數(shù)據(jù)

根據(jù)GB/T 2624—2006對校驗數(shù)據(jù)的評定標(biāo)準(zhǔn)，則此校驗孔板的流出系數(shù)C的相對不確定度為：

(1.667β-0.5)%=0.542%

從圖1的校驗數(shù)據(jù)分析，測壓孔1#、2#的結(jié)果來看，流出系數(shù)C的值不隨Red的變化而變化，符合GB/T 2624—2006對孔板的評定標(biāo)準(zhǔn)。

3　存在的問題及建議

在低的雷諾數(shù)下，標(biāo)準(zhǔn)孔板表面邊界層的流動狀態(tài)為層流，雷諾數(shù)對流出系數(shù)的影響較顯著，理論計算值與實驗值隨雷諾數(shù)的減小而逐漸偏移直至完全背離。在高的雷諾數(shù)下，邊界層的流動狀態(tài)為紊流，雷諾數(shù)對流出系數(shù)的影響很小，理論及計算值與實驗值十分接近。在兩者之間的雷諾數(shù)則為處于由層流向紊流過渡的漸變區(qū)，這時孔板會受到表面邊界層流動狀態(tài)改變的影響。要使流量測量有較高的準(zhǔn)確度，標(biāo)準(zhǔn)孔板應(yīng)在高雷諾數(shù)范圍內(nèi)用于流量測量。

因此建議將標(biāo)準(zhǔn)孔板設(shè)計成盡可能在較高雷諾數(shù)下運行以避開漸變區(qū)的影響，同時孔板校驗時也應(yīng)盡量避開該區(qū)域。

由式(2)可以看出，當(dāng)孔板的節(jié)流孔直徑d給定時，雷諾數(shù)Red由通過孔板的流量qm和水的動力黏度μ1決定。對于不可壓縮流體，流量qm主要由差壓決定，動力黏度則主要與流體的溫度有關(guān)(水溫越高，其動力黏度越小)，因此在孔板校驗過程中為避開漸變區(qū)而提高雷諾數(shù)Red的方法可通過提高節(jié)流孔流量(前后差壓)和流體的溫度的方法來實現(xiàn)。

當(dāng)采用提高流量的方法來提高孔板的雷諾數(shù)時，由于節(jié)流作用，流量越大節(jié)流孔前后的差壓也越大，流量增加到一定程度后，節(jié)流孔后將會形成一個局部負壓區(qū)(壓力低于大氣壓力，該區(qū)域后壓力會得到一定程度的恢復(fù))，在該區(qū)域可能汽化，造成嚴(yán)重的水擊現(xiàn)象，使整個管路發(fā)生強烈的震動，嚴(yán)重威脅校驗裝置的運行安全，因此通過提高流量來增大雷諾數(shù)的方法將受到一定的限制。

因此，國際上高雷諾數(shù)水力試驗臺均采用提高水溫來提高雷諾數(shù)，但這需要一套大功率的加熱裝置。為了彌補國內(nèi)對于高精度、大流量校驗方面存在的不足，建設(shè)一套高雷諾數(shù)水力試驗臺十分必要。

4　結(jié)論

通過介紹標(biāo)準(zhǔn)孔板差壓流量測量裝置的校驗方法，可以有效地確定流量測量裝置是否滿足使用要求。同時探討了雷諾數(shù)對標(biāo)準(zhǔn)孔板流量測量精度的影響。

[1]GB/T 2624—2006用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量[S]. 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007

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