孔板流量儀表研究現(xiàn)狀及改進分析

王利東

摘? 要：孔板流量計是工業(yè)生產中最常用的計量儀表之一。文章闡述了孔板流量儀表設備的計量原理;從孔板節(jié)流裝置、二次測量儀表和信號引線方面介紹了目前孔板流量儀表的組成和結構;分析了現(xiàn)有孔板流量儀表設備的優(yōu)缺點和安裝要點。從孔板流量儀表的整體誤差、安裝管理誤差和運行工況下的誤差分析了影響計量精度的因素。最后提出了孔板流量儀表設備的改進建議。

關鍵詞：孔板流量儀表;計量方式;計量特點

中圖分類號：TE863.1 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）26-0102-02

Abstract： Orifice flowmeter is one of the most commonly used measuring instruments in industrial production. In this paper， the measuring principle of the orifice flow meter is described; the composition and structure of the orifice flow meter are introduced from the orifice throttling device， secondary measuring instrument and signal lead; the advantages and disadvantages and installation points of the orifice flow meter are analyzed; the factors that affect the measurement accuracy are analyzed from the overall errors， installation management errors and errors under operating conditions. Finally， the improvement suggestions of the orifice flow meter equipment are put forward.

Keywords： orifice flowmeter; measurement method; measurement characteristics

1 孔板流量儀表的計量原理

當流體流經孔板流量儀表設備的孔板時，橫截面積減小，速度增加，相應的壓強減小，并且減小的程度與流動狀態(tài)的流體速度成正比。所以可以通過檢測壓差來推算流速，進而計算出流量?？装迩昂蟮膲翰钆c流量Q具有以下關系：

式中：C-流出系數(shù);d-開孔直徑;ε-可膨脹性系數(shù);β-直徑比。

2 孔板流量儀表設備的組成

孔板流量儀表設備系統(tǒng)一般包括流量儀表設備本體、二次儀表和流體組分分析系統(tǒng)，其中的流體組分分析系統(tǒng)具有檢測、計算、分析和積算等功能。國家制定了相關標準以利于保證流量計量檢測的準確性。

2.1 孔板節(jié)流裝置

孔板用以產生壓差，開孔尺寸必須嚴格按照規(guī)定，是孔板節(jié)流裝置中最重要的結構，還有負責固定孔板位置的孔板加持器和上下游直管段;此外，還需要配置引壓管、對焊法蘭和直通式截止閥。只有孔板節(jié)流裝置完全符合行業(yè)標準，才可以滿足用戶的使用要求，保證信號的準確。

2.2 二次測量儀表

二次測量儀表用于測量流體溫度、靜壓和壓差等物性參數(shù)。主要包括溫度測量儀、壓力測量儀、密度測量儀表、成分分析儀等儀表。

2.3 信號引線

信號引線不是只有電線，也可以由其他物質組成，不同物質傳遞的信號不同，控制電纜傳遞的是電信號，而壓力信號一般由無縫鋼管在二者之間傳遞。（1）電信號引線，在檢測系統(tǒng)中需要用到很多電子儀表，電信號引線的作用就是使這些電子儀表之間的信息能夠準確、及時的傳遞。電線或電纜都可以作為電信號引線的原件，不過銅芯線的效果最好。（2）引壓管線，為了使靜壓和壓差信號的折損最小，無縫鋼管的長度應該盡量縮小。DN18和DN14無縫鋼管較為常見，這種無縫鋼管可以及時響應靜壓和壓差的變化，也能減少泄露，不過對安裝技術的要求較高。

3 孔板流量儀表設備的特點及安裝要點

3.1 優(yōu)點

（1）孔板流量儀表設備的適用性比較廣，可以計量多種工況下單相流動狀態(tài)的流量。（2）孔板流量儀表設備的元件己經標準化，無須實流檢驗。（3）通過將網絡通信技術、信息傳導技術、電子測量技術、智能控制技術等新技術應用于智能變送器中，使孔板流量儀表設備的計量準確性、及時性、智能化大大提高。

3.2 缺點

（1）孔板流量儀表設備的測量量程比較窄。（2）因為壓力、溫度、長度、密度等多種因素都會影響流體流動狀態(tài)，并且孔板流量儀表設備間接測量參數(shù)動態(tài)，計測量結果存在一定誤差。（3）孔板流量計量設備的裝置安裝條件苛刻，安裝過程必須符合SY/T6143-1996標準。

3.3 安裝要點

（1）孔板流量計量設備最好安裝于水平輸送管道之上，并且與輸送管道軸線垂直;（2）需要安裝配套機械設備，來檢測孔板流量儀表設備是否安裝在管徑中心的位置;（3）在固定孔板流量儀表設備之后，需要檢測熱膨脹性能，確定熱膨脹不導致輸送管道和流量儀表設備變形;（4）孔板流量儀表設備上下游直管段的管徑應該一致，并且與流量儀表設備的管徑配套，取壓孔中心線需要與輸送管道中心線垂直，且平行于地面。

4 孔板流量計量設備的計量誤差分析

4.1 孔板流量儀表設備總體的誤差分析

在實際測量中，孔板流量儀表設備測量誤差與隨機誤差、未定系統(tǒng)誤差和已定系統(tǒng)誤差關聯(lián)較為緊密。既可以通過修正系數(shù)來減弱隨機誤差同時也可以運用多次測量取平均值的方式做出改善，可以在很大程度上減弱。所以一般僅考慮未定系統(tǒng)誤差?？装辶髁績x表設備計量誤差的主要因素是流出系數(shù)C所引起的，在設計、制造、安裝和使用過程中會造成流出系數(shù)C產生偏差，并且這種偏差不能通過測量得到。在密度、壓力等參數(shù)不變的情況下，孔板流量儀表設備計量精度主要取決于流出系數(shù)C。所以，國內外學者對于流出系數(shù)做了大量研究。如輸送管道形狀、內壁粗糙度、圓度、節(jié)流件位置、輸送管道的幾何形狀、流體流動狀態(tài)等因素都會影響流出系數(shù)C的大小。

4.2 安裝管理的誤差分析

孔板流量儀表設備的設計和制造都嚴格執(zhí)行國家標準，計量精度基本能夠滿足目前生產和生活的需要。如果安裝和維修等措施不當，會大大降低孔板流量儀表設備的計量進度。一般影響精度的安裝情況主要有以下幾種：（1）孔板經過較長時間的使用之后，入口的銳利度可能會發(fā)生改變，這會對計量精確度造成很大影響，另外隨著不斷地使用，入口直角也會被磨損的十分嚴重，這些因素綜合起來會很大程度影響測量結果，甚至可以達到79%;（2）構件的尺寸誤差也會對測量結果造成較大影響，例如輸送管道的實際尺寸和計算所用的尺寸有較大出入，流量計量設備和輸送管道存在偏心、臺階，前后流量計量設備尺寸不統(tǒng)一等因素。（3）安裝位置和加工精度存在不足，例如取壓的位置不對，焊縫突出，孔板彎曲，輸送管道粗糙度影響;（4）雜物阻塞取壓管，沉積物堆積在上流測量管和端面上;（5）計量結果會被不同類型的測量儀表和不同的管路配置影響，如果系統(tǒng)存在漏氣問題，則會使傳入變送器的壓差減小，使儀表的示數(shù)顯示減小，導致流量值偏小。而流量計量設備本體和下游導壓管之間如果存在這些情況，則會導致流量值偏大;（6）影響孔板流量儀表設備工作質量的重要因素是信號管路和壓差變送器，當壓差變送器或者信號管路的精度較高時，就能大大提高測量精度。但是當上述條件不能滿足時，流量測量結果的誤差就會非常大。

4.3 運行工況條件下的誤差

由于存在擾動和脈動、外界震動等不可控因素，在很多應用條件下，孔板流量儀表設備的使用不符合使用條件時，就會引起流體流動狀態(tài)的改變，進而引發(fā)孔板流量儀表設備運行工況下的誤差。（1）短時間內，當流體流速變化幅度較小時，不會引起脈動流。選用的儀表的測量量程如果在短時間內變化不明顯，就容易產生誤差。但是在比較長的測量時間內影響卻可以忽略不計，當測量參數(shù)超過流量計量設備的量程時，測量誤差就會大大增加。（2）脈動流是指流體的流速和壓力突然改變，會使壓差產生波動。輸氣輸送管道的積液、壓縮機的使用和調節(jié)閥的突然開關都可能導致脈動流的產生。脈動流對測量精度的影響包括原理導致的不準確的根本因素和脈動流產生額外壓差的條件因素。

5 孔板流量計量設備的改進方法

影響孔板流量儀表設備計量精度的因素較多，這些影響因素可以消除或減弱。根據(jù)實際應用情況，提出如下的孔板流量儀表設備改進措施。

5.1 孔板的取壓方式

采用角接取壓法，角接取壓的量程是指上下游取壓中心到孔板前后端距離的二倍等于取壓孔直徑。角接取壓法的特點如下：（1）采用環(huán)室測量的方式進行測量;（2）在開口尺寸確定時，流量系數(shù)不會發(fā)生變化，使流量值和壓差具有恒定的關系;（3）可以減小磨損所造成的測量誤差;（4）在實際使用過程中，若沒能正確地確定取壓位置，會導致測量誤差的產生。

5.2 孔板流量儀表設備的標定

將孔板流量儀表設備與標定裝置連接，針對相應的裝置分別進行標定，只有做好裝置的標定，獲取的數(shù)據(jù)才具有可靠性和真實性，以備使用。因此，做好孔板流量儀表設備的標定是后續(xù)計量環(huán)節(jié)的基礎。當孔板流量儀表設備進行標定時，測點應該不小于10個，且測量結果不少于3次，然后取平均值。以測量數(shù)據(jù)為準，在雙對數(shù)坐標軸中標注出數(shù)據(jù)點，然后作壓差——流量曲線。

5.3 脈動流的改善措施

（1）應該盡量選擇小口徑的直管段，使Δp、β的雷諾數(shù)保持較高的數(shù)值。

（2）為了減小輸送阻力，應該使引壓管線盡量短，同時，為了防止產生諧振和壓力脈動，應該使上下游直管段的長度相等。

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