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差压流量计

文章日期:2019-07-25|阅读数:



      差压流量计是一种很有发展前途的流量测量仪表, 它具有通用性强 、标准节流件不需实际流体标定等优点, 因此应用范围十分广泛。

1 差压流量计应用现状
工业测量和控制中, 使用的流量计种类很多, 差压型流量计广泛应用于工矿企业, 特别是冶金、石油、化工、天然气、水电等部门 , 而且有很多用于贸易结算, 是流量计中使用量最大、面最广的一种流量计 。该流量计结构简单 、安装方便 、历史悠久 , 已积累大量可靠的实验数据。
差压流量计是一种用节流装置或其他差压检测元件 (如测速管 、毕托管)与差压计配套使用来测量流速的仪表 。该流量计是一种比较成熟的产品, 20世纪 50年代以前, 国外已广泛应用。由于它具有结构简单、使用寿命长 、适应性强和价格较低等优点, 因而占有的市场比例很大, 20世纪 70年代曾高达到 35  。目前市场占有率虽然有所下降, 但仍然占有绝对大的市场。
近年来, 与节流装置配套使用的差压变送器发展很快, 主要在简单 、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) 尽量减少零部件的种类和数量 , 仅仅使用经过证明是可靠的零部件。
2) 采用左右对称结构, 从本质上消除产生误
差的因素。
3) 检测元件使用半导体复合型传感器, 可测量压差、静压和温度等参数。
4) 利用微处理机补偿传感器的特性 , 变送器的精确度一般可达量程的 0.1  , 最高可达量程的 0.075 。
5) 应用数字通信技术 , 把通信信号重叠在4 -20 mA变送器统一输出信号上, 使用手持通信器便能远距离地进行参数设定 (与以前相比可节省工时 96 )和自诊断 (与以前相比, 可节省故障检查工时 85  )。这种变送器称为智能变送器或能巧变送器 。由于智能型变送器的出现, 因而可构成全数字仪表控制系统。
此外, 目前已研发了一种新型的变送器, 即在差压变送器的功能上附加 PID(比例 、积分 、微分) 的调节功能。由此可以实现:① 仅用该仪表就能进行分散控制 ;②用多台仪表既能实现差压变送器的功能, 又能实现调节器的功能 ;③ 由于不需
要调节器, 因而差压变送器与仪表控制之间无需配线, 降低了成本。

2 差压流量计的特点

2.1 节流式差压流量计的优点
节流式差压流量计的主要优点表现在以下几个方面。
1) 节流件标准孔板结构易于复制、简单 、牢固 、性能稳定可靠 、使用期限长 、价格低廉 。节流式差压流量计应用范围极为广泛, 至今尚无任何类型的流量计可与之相比。
2) 检测元件与差压显示仪表可分别由不同厂家生产, 便于专业化形成规模经济生产, 它们的结合灵活、方便。
3) 检测元件 , 特别是对标准型元件的检测,是全世界通用的, 并得到国际标准化组织的认可 。对标准型检测元件进行的实验研究是国际性的, 其他流量计一般依靠个别厂家或研究群体进行, 因此, 研究的深度和广度不可同日而语 。从时间上看, 标准型检测件自 20世纪 30 年代国际标准化组织确定后始终没有改变, 其研究资料及生产实践的积累极其丰富, 应用范围广泛。
4) 标准型节流装置无需实流校准, 即可投入使用, 在流量计中也是唯一的。
2.2 节流式差压流量计的缺点
节流式差压流量计的缺点主要有:
1) 测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平, 由于众多因素的影响, 精确度难以提高。 2)范围度窄, 由于仪表信号(压差)与流量为
平方关系, 一般范围度仅为 3 ∶1 ~ 4 ∶1。
3) 现场安装条件要求高 , 如需要较长的直管段 (指孔板、喷嘴 ), 一般难满足。
4) 检测件与压差检测仪表之间引压管线为薄弱环节, 易产生泄漏、堵塞 、冻结及信号失真等故障。
5) 压力损失大 (指孔板、喷嘴)。

3 节流装置的发展状况

3.1 国外节流装置的发展状况
节流装置的发展有一个较长的历史过程, 早在 17世纪初, 卡斯特利和托里谢利提出两条基本原理 :第一 , 流速乘以管道横截面的面积等于流量;第二, 通过孔眼的流量是与压头的平方根成正比;这两条原理为节流装置奠定了理论基础。1913 年希克斯坦公布了孔板上游取压口位置设在2.5D(D指被测管的直径)处, 下游取压口位置设在 8D处的最早的实验数据 。
1912年 ~ 1916年, 托马斯·韦默思和贝利研究了用于测量天然气及蒸汽流量的法兰取压孔板 实验数据。而在欧洲对角接取压孔板进行了相同内容的研究。
1930年后, 美国煤气协会 、美国机械工程师学会 、美国国家标准局联合试验, 并确认俄亥俄州立大学的测试报告, 将测试数据拟合成一个白金汉系数方程, 使孔板的应用推进了一步。
1975年, 斯托兹提出角接取压、法兰取压、D-1/2D取压孔板的流出系数可以使用一个通用的方程式。根据逻辑法则, 利用俄亥俄州立大学的数据拟合了适合于法兰、角接和 D-1/2D取压的无量纲方程式。1980年 ISO5167采纳了斯托兹公式。
3.2 国内节流装置发展状况
1976年, 我国开始对孔板等节流装置进行试验研究, 实验研究内容包括:试验用的标准流量装置和差压测量装置的要求以及试验方法;流出系数的验证试验 ;节流装置的结构试验;节流装置的安装试验等。
1982年对 D -1 /2D取压孔板 、长径喷嘴均速管靶式流量传感器和临界流量进行试验研究, 并制定了 JG311 -83检定规程 。同时开始对
均速管靶式流量传感器和临界流测量进行实验
研究。
1988年后, 临界流流量计在气体流量测量中有较广泛的应用。
1986年开始对均速管、1/4圆孔板、锥形入口
孔板进行了研究, 并制订 JG621 -89检定规程 。 1991年起,  根据国家计量检定规程体系表的
规定, 重新制定了《差压式流量》国家计量检定规程 JG640 -94。这一标准将所有产生差压的节流装置和流量传感器归为一类,   包括配套的差压变送器。
 
 
3.3 流量测量仪表的发展方向
随着工业的发展和技术的进步, 综合控制和管理系统会越来越多 。流量测量仪表是传输现场信息的重要部分, 流量测量仪表的发展方向主要有:
1) 大量地 、准确地传输信息, 这就需要以可靠性作为首要条件的小型、轻型、低价格 、操作容易的流量测量仪表。
2) 系统实行分散化 , 将系统的一部分功能转移到流量测量仪表上, 这就需要多功能、高稳定和高精度的智能流量测量仪表。

4 差压流量计节流装置标准化研究现状

4.1 标准节流装置的研制过程
1) ISAI932喷嘴 (孔板 )。标准节流装置的发展经过漫长的过程, 早在 20世纪 20 年代, 美国和欧洲的一些国家就开始进行大规模的节流装置实验研究, 并对最普通的节流装置 (孔板和喷嘴 )的 设计实行标准化。标准孔板称为ISAI932孔板 。节流装置的标准化具有深远的意义, 只有节流装置的标准化, 才有可能把国际上众多研究成果汇集到一起, 它促进检测元件的理论和实践向深度和广度拓展, 这是其他流量计所不及的。
20世纪 50年代末, 国际标准化组织 ISO把美国与欧洲节流装置的研究数据相结合, 并于 1967 年、1968年颁布了 ISO/R541有关孔板和喷嘴的规定和 ISO/R781有关文丘里管的规定两个标准。
2) 国际标准 ISO5167。1980年 , ISO正式通过国际标准 ISO5167, 由此流量测量节流装置第一个国际标准诞生了。ISO5167 总结了几十年来国际上对为数不多的几种节流装置 (孔板、喷嘴和文丘里管)的理论与实验的研究成果, 反映该检测元件的当代科学与生产技术水平。
在此之前, 我国一直用前苏联的节流装置手册 。1976年 , 我国开始对孔板等节流装置进行试验研究 。1981 年, 我国制定了第一个节流装置国家标准 CTB2624 -81。随着科学技术的发展和检测手段的 提高, 1993 年, 修订后的 国标为GB/T2624 -1993。

4.2 ISO5167存在的问题
ISO5167从正式颁布时就暴露出许多问题,
其主要问题有:
1) ISO5167实验数据的陈旧性。ISO5167 中采用的数据大多数是 20世纪 30年代的实验结果, 而现在无论节流装置制造技术 、流量实验设备还是实验技术都有了巨大的进步, 因此重新进行系统的实验以获得更高精度的数据是必要的 。进入80年代, 美国和欧洲都进行了大规模的实验, 为修订 ISO5167打下了基础。
2) ISO5167中有关于直管段长度的规定。长
期以来这一问题一直是争论的焦点, 该问题也是
ISO5167修订的主要原因之一 。
3) ISO5167中各项规定的科学性 。影响节流装置流出系数的因素很多, 主要有孔径与管径的比值 R、取压装置、雷诺数、节流件安装偏心度、前后阻流件类型及直管段长度、孔板入口边缘尖锐度、管壁粗糙度 、流体流动湍流度等, 由于众多因素的影响, 有的参数难以直接测量, 标准中有些规定并非科学。
4) 节流装置的精确度不高。20世纪 80年代,美国和欧洲开始进行大规模的孔板流量计的实验研究, 欧洲有欧共体实验计划, 美国有 API实验计划, 实验的目的是用最新测试设备及实验数据的统计处理技术进行新一轮的范围广泛的实验研究, 为修订 ISO5167打下技术基础。1999年国际标准化组织发出 ISO5167的修订稿(ISO/CD5167
-1  ~ 4), 该文件在技术内容和编辑方面都有较大的改动, 是一份全新的标准 。原预定于 1999年7月在美国丹佛举行的 ISO/TC30 /SC2会议上审查通过为 DIS(标准草案 ), 但会议认为该文件的一些细节问题有待进一步商榷, 因此未能通过审核批准。2000年通过的 ISO/5167新标准 , 标准的两个核心内容都有了实质性的变化 :一是孔板的流出系数公式, 用 Reader-Haris/Calagher计算式 (R-G式)代替 Stolz计算式;二是节流装置
上、 下游侧直管段长度以及流动整流器的使用等有了明确的要求。


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