0 引言
在流量测量仪表的工业应用中差压流量计是历史悠久、应用广泛的仪表。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是不得已而为之。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/T2624-93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]
式中:β为标准孔板开孔直径与管道内径之比;ReD为雷诺数。为了更清楚地说明雷诺数对流量计范围度的制约图1给出了一台DN50、β=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后所对应的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则仪表的范围度大只可能为4∶1。
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有一定的压降导致蒸汽和气体密度减小。可膨胀性系数ε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ε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ε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ε关系式即角接取压、法兰取压和径距取压时ε都可用式(2)表示[1]
式中:ε1为使用状态下的可膨胀性系数;β为直径比;ΔP为差压Pa;p1为使用状态下节流件前流体压力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
式中:δε1/ε1d为偏离常用流量时ε1引入的附加误差;ε1f为使用状态ε1值;ε1d为设计状态(常用流量条件下)ε1值。
表1所示为一台DN150、0~6000kg/h、ΔP=40kPa、p1=0.8MPa(绝压)的蒸汽流量计的各特征点ε值[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时ε引起的误差已大于0.6%。
在流量小于常用流量时ε1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/T2624-93给出了标准节流式差压流量计不确定度公式[1]
式中:δC/C为流出系数不确定度;δε1/ε1为可膨胀性系数不确定度;β为直径比;δD/D为管道内径的不确定度;δd/d为节流件开孔直径的不确定度;δΔΡ/ΔP为差压计的不确定度;δρ1/ρ1为流体密度测量的不确定度。
上面的讨论仅仅涉及到式(4)中的C、ε1和ΔP从数据分析的结果可清楚地看出被测流量偏离常用流量后从测量原理来说就将引起附加误差而且百分率流量越小附加误差越大因而仪表范围度受到制约。
