差壓流量計
差壓流量計是一種很有發(fā)展前途的流量測量儀表, 它具有通用性強 、標準節(jié)流件不需實際流體標定等優(yōu)點, 因此應用范圍十分廣泛。
工業(yè)測量和控制中, 使用的流量計種類很多, 差壓型流量計廣泛應用于工礦企業(yè), 特別是冶金、石油、化工、天然氣、水電等部門 , 而且有很多用于貿易結算, 是流量計中使用量最大、面最廣的一種流量計 。該流量計結構簡單 、安裝方便 、歷史悠久 , 已積累大量可靠的實驗數據。
差壓流量計是一種用節(jié)流裝置或其他差壓檢測元件 (如測速管 、畢托管)與差壓計配套使用來測量流速的儀表 。該流量計是一種比較成熟的產品, 20世紀 50年代以前, 國外已廣泛應用。由于它具有結構簡單、使用壽命長 、適應性強和價格較低等優(yōu)點, 因而占有的市場比例很大, 20世紀 70年代曾高達到 35
。目前市場占有率雖然有所下降, 但仍然占有絕對大的市場。近年來, 與節(jié)流裝置配套使用的差壓變送器發(fā)展很快, 主要在簡單 、可靠、提高精度和增加功能等方面加以研究, 主要研究方法有:
1) 盡量減少零部件的種類和數量 , 僅僅使用經過證明是可靠的零部件。
2) 采用左右對稱結構, 從本質上消除產生誤
差的因素。
3) 檢測元件使用半導體復合型傳感器, 可測量壓差、靜壓和溫度等參數。
4) 利用微處理機補償傳感器的特性 , 變送器的精確度一般可達量程的 0.1
, 最高可達量程的 0.075 。5) 應用數字通信技術 , 把通信信號重疊在4 -20 mA變送器統(tǒng)一輸出信號上, 使用手持通信器便能遠距離地進行參數設定 (與以前相比可節(jié)省工時 96
)和自診斷 (與以前相比, 可節(jié)省故障檢查工時 85 )。這種變送器稱為智能變送器或能巧變送器 。由于智能型變送器的出現, 因而可構成全數字儀表控制系統(tǒng)。此外, 目前已研發(fā)了一種新型的變送器, 即在差壓變送器的功能上附加 PID(比例 、積分 、微分) 的調節(jié)功能。由此可以實現:① 僅用該儀表就能進行分散控制 ;②用多臺儀表既能實現差壓變送器的功能, 又能實現調節(jié)器的功能 ;③ 由于不需要調節(jié)器, 因而差壓變送器與儀表控制之間無需配線, 降低了成本。
2 差壓流量計的特點
2.1 節(jié)流式差壓流量計的優(yōu)點
節(jié)流式差壓流量計的主要優(yōu)點表現在以下幾個方面。
1) 節(jié)流件標準孔板結構易于復制、簡單 、牢固 、性能穩(wěn)定可靠 、使用期限長 、價格低廉 。節(jié)流式差壓流量計應用范圍極為廣泛, 至今尚無任何類型的流量計可與之相比。
2) 檢測元件與差壓顯示儀表可分別由不同廠家生產, 便于專業(yè)化形成規(guī)模經濟生產, 它們的結合靈活、方便。
3) 檢測元件 , 特別是對標準型元件的檢測,是全世界通用的, 并得到國際標準化組織的認可 。對標準型檢測元件進行的實驗研究是國際性的, 其他流量計一般依靠個別廠家或研究群體進行, 因此, 研究的深度和廣度不可同日而語 。從時間上看, 標準型檢測件自 20世紀 30 年代國際標準化組織確定后始終沒有改變, 其研究資料及生產實踐的積累極其豐富, 應用范圍廣泛。
4) 標準型節(jié)流裝置無需實流校準, 即可投入使用, 在流量計中也是唯一的。
2.2 節(jié)流式差壓流量計的缺點
節(jié)流式差壓流量計的缺點主要有:
1) 測量的重復性、精確度在流量計中屬于中等水平, 由于眾多因素的影響, 精確度難以提高。 2)范圍度窄, 由于儀表信號(壓差)與流量為
平方關系, 一般范圍度僅為 3 ∶1 ～ 4 ∶1。
3) 現場安裝條件要求高 , 如需要較長的直管段 (指孔板、噴嘴 ), 一般難滿足。
4) 檢測件與壓差檢測儀表之間引壓管線為薄弱環(huán)節(jié), 易產生泄漏、堵塞 、凍結及信號失真等故障。
5) 壓力損失大 (指孔板、噴嘴)。
3 節(jié)流裝置的發(fā)展狀況
3.1 國外節(jié)流裝置的發(fā)展狀況
節(jié)流裝置的發(fā)展有一個較長的歷史過程, 早在 17世紀初, 卡斯特利和托里謝利提出兩條基本原理 :第一 , 流速乘以管道橫截面的面積等于流量;第二, 通過孔眼的流量是與壓頭的平方根成正比;這兩條原理為節(jié)流裝置奠定了理論基礎。1913 年希克斯坦公布了孔板上游取壓口位置設在2.5D(D指被測管的直徑)處, 下游取壓口位置設在 8D處的最早的實驗數據 。
1912年 ～ 1916年, 托馬斯·韋默思和貝利研究了用于測量天然氣及蒸汽流量的法蘭取壓孔板 實驗數據。而在歐洲對角接取壓孔板進行了相同內容的研究。
1930年后, 美國煤氣協會 、美國機械工程師學會 、美國國家標準局聯合試驗, 并確認俄亥俄州立大學的測試報告, 將測試數據擬合成一個白金漢系數方程, 使孔板的應用推進了一步。
1975年, 斯托茲提出角接取壓、法蘭取壓、D-1/2D取壓孔板的流出系數可以使用一個通用的方程式。根據邏輯法則, 利用俄亥俄州立大學的數據擬合了適合于法蘭、角接和 D-1/2D取壓的無量綱方程式。1980年 ISO5167采納了斯托茲公式。
3.2 國內節(jié)流裝置發(fā)展狀況
1976年, 我國開始對孔板等節(jié)流裝置進行試驗研究, 實驗研究內容包括:試驗用的標準流量裝置和差壓測量裝置的要求以及試驗方法;流出系數的驗證試驗 ;節(jié)流裝置的結構試驗;節(jié)流裝置的安裝試驗等。
1982年對 D -1 /2D取壓孔板 、長徑噴嘴均速管靶式流量傳感器和臨界流量進行試驗研究, 并制定了 JG311 -83檢定規(guī)程 。同時開始對
均速管靶式流量傳感器和臨界流測量進行實驗
研究。
1988年后, 臨界流流量計在氣體流量測量中有較廣泛的應用。
1986年開始對均速管、1/4圓孔板、錐形入口
孔板進行了研究, 并制訂 JG621 -89檢定規(guī)程 。 1991年起, 根據國家計量檢定規(guī)程體系表的
規(guī)定, 重新制定了《差壓式流量》國家計量檢定規(guī)程 JG640 -94。這一標準將所有產生差壓的節(jié)流裝置和流量傳感器歸為一類, 包括配套的差壓變送器。
3.3 流量測量儀表的發(fā)展方向
隨著工業(yè)的發(fā)展和技術的進步, 綜合控制和管理系統(tǒng)會越來越多 。流量測量儀表是傳輸現場信息的重要部分, 流量測量儀表的發(fā)展方向主要有:
1) 大量地 、準確地傳輸信息, 這就需要以可靠性作為首要條件的小型、輕型、低價格 、操作容易的流量測量儀表。
2) 系統(tǒng)實行分散化 , 將系統(tǒng)的一部分功能轉移到流量測量儀表上, 這就需要多功能、高穩(wěn)定和高精度的智能流量測量儀表。
4 差壓流量計節(jié)流裝置標準化研究現狀
4.1 標準節(jié)流裝置的研制過程
1) ISAI932噴嘴 (孔板 )。標準節(jié)流裝置的發(fā)展經過漫長的過程, 早在 20世紀 20 年代, 美國和歐洲的一些國家就開始進行大規(guī)模的節(jié)流裝置實驗研究, 并對最普通的節(jié)流裝置 (孔板和噴嘴 )的 設計實行標準化。標準孔板稱為ISAI932孔板 。節(jié)流裝置的標準化具有深遠的意義, 只有節(jié)流裝置的標準化, 才有可能把國際上眾多研究成果匯集到一起, 它促進檢測元件的理論和實踐向深度和廣度拓展, 這是其他流量計所不及的。
20世紀 50年代末, 國際標準化組織 ISO把美國與歐洲節(jié)流裝置的研究數據相結合, 并于 1967 年、1968年頒布了 ISO/R541有關孔板和噴嘴的規(guī)定和 ISO/R781有關文丘里管的規(guī)定兩個標準。
2) 國際標準 ISO5167。1980年 , ISO正式通過國際標準 ISO5167, 由此流量測量節(jié)流裝置第一個國際標準誕生了。ISO5167 總結了幾十年來國際上對為數不多的幾種節(jié)流裝置 (孔板、噴嘴和文丘里管)的理論與實驗的研究成果, 反映該檢測元件的當代科學與生產技術水平。
在此之前, 我國一直用前蘇聯的節(jié)流裝置手冊 。1976年 , 我國開始對孔板等節(jié)流裝置進行試驗研究 。1981 年, 我國制定了第一個節(jié)流裝置國家標準 CTB2624 -81。隨著科學技術的發(fā)展和檢測手段的 提高, 1993 年, 修訂后的 國標為GB/T2624 -1993。
4.2 ISO5167存在的問題
ISO5167從正式頒布時就暴露出許多問題,
其主要問題有:
1) ISO5167實驗數據的陳舊性。ISO5167 中采用的數據大多數是 20世紀 30年代的實驗結果, 而現在無論節(jié)流裝置制造技術 、流量實驗設備還是實驗技術都有了巨大的進步, 因此重新進行系統(tǒng)的實驗以獲得更高精度的數據是必要的 。進入80年代, 美國和歐洲都進行了大規(guī)模的實驗, 為修訂 ISO5167打下了基礎。
2) ISO5167中有關于直管段長度的規(guī)定。長
期以來這一問題一直是爭論的焦點, 該問題也是
ISO5167修訂的主要原因之一 。
3) ISO5167中各項規(guī)定的科學性 。影響節(jié)流裝置流出系數的因素很多, 主要有孔徑與管徑的比值 R、取壓裝置、雷諾數、節(jié)流件安裝偏心度、前后阻流件類型及直管段長度、孔板入口邊緣尖銳度、管壁粗糙度 、流體流動湍流度等, 由于眾多因素的影響, 有的參數難以直接測量, 標準中有些規(guī)定并非科學。
4) 節(jié)流裝置的精確度不高。20世紀 80年代,美國和歐洲開始進行大規(guī)模的孔板流量計的實驗研究, 歐洲有歐共體實驗計劃, 美國有 API實驗計劃, 實驗的目的是用最新測試設備及實驗數據的統(tǒng)計處理技術進行新一輪的范圍廣泛的實驗研究, 為修訂 ISO5167打下技術基礎。1999年國際標準化組織發(fā)出 ISO5167的修訂稿(ISO/CD5167
-1 ～ 4), 該文件在技術內容和編輯方面都有較大的改動, 是一份全新的標準 。原預定于 1999年7月在美國丹佛舉行的 ISO/TC30 /SC2會議上審查通過為 DIS(標準草案 ), 但會議認為該文件的一些細節(jié)問題有待進一步商榷, 因此未能通過審核批準。2000年通過的 ISO/5167新標準 , 標準的兩個核心內容都有了實質性的變化 :一是孔板的流出系數公式, 用 Reader-Haris/Calagher計算式 (R-G式)代替 Stolz計算式;二是節(jié)流裝置
上、 下游側直管段長度以及流動整流器的使用等有了明確的要求。