張憲 劉鋼

摘 ?????要： 為研究一種新型孔板式差壓流量計(jì)的流出系數(shù)，提高流量計(jì)的使用精度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析在不同流量下孔板式差壓流量計(jì)內(nèi)部場(chǎng)流速和壓力的變化趨勢(shì);在流量變化范圍內(nèi)選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過(guò)傳感器采集流量計(jì)內(nèi)部瞬時(shí)流速及壓力數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在經(jīng)過(guò)流量計(jì)節(jié)流孔后會(huì)出現(xiàn)流速劇增，節(jié)流孔出口端壓力驟降的現(xiàn)象;通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與ISO經(jīng)驗(yàn)公式分別計(jì)算流量計(jì)的流出系數(shù)后，經(jīng)對(duì)比最大誤差僅為5%。

關(guān) ?鍵 ?詞：孔板流量計(jì);流場(chǎng);流出系數(shù);標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH 715 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）06-1217-04

Abstract： In order to study the hydraulic characteristics of a new orifice plate type differential pressure flowmeter to improve the accuracy of the flowmeter， the variation trend of internal field flow velocity and pressure in the orifice-type differential pressure flowmeter under different flow rates was analyzed through physical experiments and numerical simulations. In the range of flow change， instantaneous flow rate and pressure data in the flowmeter were obtained by the sensors. Experimental data showed that after the fluid passing through the orifice of the flowmeter， there was a sudden increase in the flow rate and a sudden drop in the pressure at the outlet end of the orifice; The numerical simulation data and the ISO empirical formula were used to calculate the outflow coefficient of the flowmeter ，and the maximum error was only 5%.

Key words： Orifice flowmeter; Flow field; Outflow coefficient; Calibration experiment

在封閉管道內(nèi)流量是一個(gè)動(dòng)態(tài)值，測(cè)量流量的儀器稱(chēng)為流量計(jì)。典型的流量計(jì)有：差壓式流量計(jì)、電磁流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)、渦街流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等[1]，而差壓式流量計(jì)又以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低廉及使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)得到了最廣泛的使用[2]。

差壓式流量計(jì)以孔板式流量計(jì)為代表，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的主流流量計(jì)。目前孔板式流量計(jì)在國(guó)外的使用率約為60%，而我國(guó)對(duì)流量計(jì)的研究起步較晚，對(duì)孔板流量計(jì)的依賴(lài)較嚴(yán)重，使用占比達(dá)到約90%[3，4]。

英國(guó)的M J Reader-Harris和 Kim[5，6] 對(duì)孔板上游有臺(tái)階時(shí)對(duì)孔板流出系數(shù)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)對(duì)孔板流量計(jì)的安裝條件也進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究[7]，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)制定了國(guó)標(biāo)GB/T2624.2。

劉華等[8]對(duì)孔板流場(chǎng)通過(guò)數(shù)值模擬，得到流速分布和流量系數(shù)，利用模型實(shí)驗(yàn)對(duì)低流速孔板的流量系數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，兩者結(jié)果完全一致; 程勇等[9]計(jì)算了流體流過(guò)孔板的流場(chǎng)分布。計(jì)算了β=d·D=0.5時(shí)的流出系數(shù)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果擬合出流出系數(shù)與Re的關(guān)系式。

目前對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)式孔板差壓流量計(jì)[10]的研究較少，且多為純數(shù)值模擬，工況代表性不足;因此將采用實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)一種非標(biāo)準(zhǔn)孔板差壓流量計(jì)的12個(gè)流量下的工況進(jìn)行分析，從而對(duì)流量計(jì)流出系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)的探究分析。

1 ?流出系數(shù)計(jì)算方法

管道內(nèi)的流體介質(zhì)經(jīng)過(guò)測(cè)量管段內(nèi)的節(jié)流裝置，流體束在節(jié)流處形成局部收縮，管徑急劇減小從而導(dǎo)致流速增加，靜壓力降低。在節(jié)流前后產(chǎn)生一個(gè)靜壓力差。流量計(jì)在節(jié)流前后開(kāi)有測(cè)壓孔，通過(guò)測(cè)量壓差可以計(jì)算出通過(guò)節(jié)流裝置的流量。

1.1 ?流出系數(shù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算方法

孔板流量計(jì)質(zhì)量流量與壓力差的關(guān)系為：

1.2 ?ISO經(jīng)驗(yàn)公式

除數(shù)值模擬方法外，還可以采用ISO公式計(jì)算流出系數(shù)（里德-哈利斯/加拉赫公式），該公式為經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的半經(jīng)驗(yàn)公式。

2 ?實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.1 ?實(shí)驗(yàn)部分

選用靜態(tài)質(zhì)量標(biāo)定方法，搭建試驗(yàn)臺(tái)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，靜態(tài)質(zhì)量標(biāo)定裝置主要包括控制終端、水泵、管路、閥門(mén)、稱(chēng)量裝置、水池等。系統(tǒng)示意圖如圖1。

1—水池;2—水泵;3—電磁閥門(mén);4—穩(wěn)壓罐;5—待測(cè)流量計(jì);6—稱(chēng)重罐;7—稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng);8—標(biāo)定系統(tǒng)控制終端。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制終端調(diào)整水泵以及電磁閥門(mén)的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)測(cè)試管路內(nèi)不同流量的轉(zhuǎn)換，水經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓罐后流經(jīng)待測(cè)試的流量計(jì)，進(jìn)入管路末端的稱(chēng)重罐，與稱(chēng)重罐相連的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出運(yùn)行時(shí)間內(nèi)罐內(nèi)質(zhì)量的變化即為此時(shí)間內(nèi)流過(guò)流量計(jì)的流量，最后通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)流量計(jì)的參數(shù)進(jìn)行修正調(diào)整。

表1是標(biāo)定實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)，圖2是數(shù)據(jù)擬合曲線，擬合結(jié)果表明，在流量計(jì)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，其測(cè)得壓差與流量呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著壓差增大代表流量也隨之升高且升高速率逐漸變大。

在流量計(jì)標(biāo)定完成后，在流量計(jì)筒壁安置多個(gè)傳感器，利用標(biāo)定系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量，通過(guò)傳感器檢測(cè)不同流量下，流量計(jì)內(nèi)部的流速壓力情況。表2為實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)的壓力分布情況。進(jìn)行壓力測(cè)試后，在相同位置替換為流速傳感器，檢測(cè)與表2中相同的各種流量下流量計(jì)內(nèi)部流速的變化情況，檢測(cè)結(jié)果為表3。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制折線圖3與圖4，在不同流量工況下，流量計(jì)內(nèi)部壓力的變化趨勢(shì)相同。

圖3表明，流量計(jì)內(nèi)部壓力經(jīng)過(guò)節(jié)流孔在孔末端出現(xiàn)驟降，且流量愈大降幅越大，當(dāng)流量為152.11 m3/h時(shí)壓力在節(jié)流孔末端降至負(fù)壓，而后壓力延中軸線緩慢回升。

圖4表明流經(jīng)節(jié)流孔后，流速會(huì)急劇增大，且流量越大流速增量也就越大。

3 ?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)公式誤差對(duì)比

流量計(jì)的流出系數(shù)通過(guò)兩方面進(jìn)行求解，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入計(jì)算公式求解可以得到實(shí)際情況下流量計(jì)的流出系數(shù)C0，根據(jù)流量計(jì)的尺寸參數(shù)帶入ISO（6）求解理論流出系數(shù)C，實(shí)驗(yàn)與理論公式的計(jì)算對(duì)比結(jié)果如表4。

根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果，理論流出系數(shù)C與實(shí)驗(yàn)計(jì)算流出系數(shù)C0對(duì)比，二者吻合情況較好，相對(duì)誤差保持在5%以下，經(jīng)驗(yàn)公式為大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)而成的理論公式，不一定適合每一種孔板式流量計(jì)，且理論和實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中均存在影響因素和實(shí)驗(yàn)誤差，但通過(guò)相互對(duì)比驗(yàn)證可以證明實(shí)驗(yàn)的可靠性。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)將流量計(jì)入口流速作為參考標(biāo)準(zhǔn)繪制數(shù)理論公式及經(jīng)驗(yàn)公式求得流出系數(shù)的折線圖如圖5。

根據(jù)圖5可以得到流量計(jì)通過(guò)的流量對(duì)流出系數(shù)的影響，在流量較小時(shí)，且在0.19 m3/h到0.95 m3/h區(qū)間內(nèi)，C值隨著流量的增大逐漸增大，而C0則相反，在0.95 m3/h到7.61 m3/h區(qū)間內(nèi)，C與C0均隨著流量增大而增大，在流量大于9.51 m3/h時(shí)，二者趨于平緩且沒(méi)有較大變化。

4 ?結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算對(duì)一種新型孔板式差壓流量計(jì)的流出系數(shù)進(jìn)行研究分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

利用靜態(tài)質(zhì)量法對(duì)流量計(jì)不同工況進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出了流量計(jì)壓差與流量的冪函數(shù)關(guān)系。

在流量計(jì)筒體內(nèi)部相同位置分別安裝速度與壓力傳感器，將管路流量從0調(diào)整至160 m3/h，通過(guò)數(shù)據(jù)終端選取11個(gè)流量點(diǎn)，對(duì)流速、壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

在流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)，壓力先驟降108%后緩慢回升;流速先劇增至183%而后逐漸下降。由流量計(jì)實(shí)際情況的數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)分別計(jì)算出相應(yīng)的流出系數(shù)并進(jìn)行誤差對(duì)比，最大誤差達(dá)到5%，分析流出系數(shù)的影響因素及變化趨勢(shì)。

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