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多孔板流量测量的实验研究

时间:2021-08-02 21:21:46 来源:未知 点击:

1 引言

    在流量测量领域,差压式流量计占流量计总数的1/3以上[1]。传统的标准孔板具有结构简单,易于加工制造,价格相对低廉等优点被广泛应用。但是,在一些特殊场合中,标准孔板的测量则存在较大误差。近年来,很多学者对槽式孔板进行了广泛的研究[2~5],该孔板既具有传统标准孔板的优良特性,又克服了标准孔板的缺点。但是,由于槽式孔板不容易加工,导致制造工艺成本较高。因此,本文提出了一种新型流量测量元件多孔板的设计,并通过实验研究了多孔板的流量测量特性。    

    2 多孔板结构简介

    多孔板由两圈(或单圈或多圈)系列圆孔组成,小孔沿管道轴心对称分布,使工质通过多孔板后流速均匀分布,结构如图1所示。

    多孔板结构虽然与标准孔板有所不同,但仍可视为节流元件。流量计算依旧可采用单相流体通过标准孔板的经典计算式[6],即:    

 

 

图1 多孔板结构示意图

式中,β为当量孔径比;A0为小孔流通面积的总和,m2;A为管道流通面积,m2;qv为流体的体积流量,m3·s-1;C为流出系数;ε为膨胀系数;Δp为孔板前后压差,Pa;ρ为被测介质密度,kg•m-3。    

    流出系数的稳定性是衡量孔板流量计的重要指标之一,高性能的孔板流量计必须具有稳定的流出系数。因此,研究流出系数的稳定性对提高测量精度有着重要意义[7]。

    3 实验系统

    实验为3个多孔板和3个标准孔板。多孔板的小孔直径均为5mm,厚度为12mm;两种孔板都取3个不同的β值0.42、0.59、0.65。实验管道为透明有机玻璃管,内径为30mm;系统所用工质为自来水。图2为实验系统示意图。由图2可见,自来水经潜水泵进入实验管道,通过旁路和主管路阀门调节流量。流量从小到大逐渐调节,当系统稳定后,每隔0.1m3·h-1测量1个流量数据。实验中的采样频率为2kHz,采样时间为3s,取3s内的平均值作为测量值。

 

图2 实验系统示意图

    所用的流量计为电磁流量计,测量精度为±0.5%;差压信号由差压变送器测量,测量精度为±0.1%;所有采样程序和控制命令均是以LABVIEW7.0版本为平台开发的。数据采集板为NI公司的NI6023E高速数据采集卡,采样精度为12位。

    4 实验结果与分析

    4.1 流出系数的对比

    图3给出了3种β值下,C与Re的关系。从图3可以看出,多孔板流出系数随雷诺数的变化全过程可分为非平稳区和平稳区。在雷诺数较低时,多孔板与标准孔板流出系数均表现出急剧变化的现象;多孔板流出系数随雷诺数的增大而迅速增加;而标准孔板流出系数随雷诺数的增加迅速减小。对于β为0.42的多孔板,Re>8000时为平稳区;β为0.59时,Re>10000为平稳区;β为0.65时,Re>11000为平稳区。在非平稳区内,雷诺数较小,影响流出系数的因素较多,平稳性及重复性都很差,因此,流出系数表现出不稳定的现象[8]。在平稳区内,多孔板流出系数明显高于标准孔板,对于β为0.42、0.59、0.65的多孔板流出系数,分别比相同β标准孔板高出25.6%、25.2%、22.5%。随着β值的增加,多孔板流出系数达到稳定时的Re也向后推移。在平稳区,2种孔板流出系数趋于稳定,变化范围很小,但标准孔板的流出系数有缓慢下降的趋势,多孔板流出系数基本上趋于定值。    

 

图3 流出系数与Re的关系

    为了定量比较流出系数的稳定性,引入4个流出系数的评价指标,分别是标准差(Sp)、线性度(Lc)、流出系数随雷诺数的变化率(Kcr)和相对变化范围(S),分别定义为:

    

    式中,Ci为第i个实验点所测量出的流出系数;n为实验点的个数;C为流出系数平均值。

    以上4个指标的作用是:①SP用来衡量流出系数相对于平均值的离散程度;②Lc用来描述流出系数平稳性,③Kcr用来反映流出系数随雷诺数的变化率;④S用来反映流出系数不稳定性对测量精度的影响。

    孔板流量计一般是工作在平稳区,流出系数通常取定值,因此,评价平稳区内的流出系数稳定性具有实际工程应用价值。

    从表1可以看出,在相同的β值下,多孔板的4种评价指标值均小于标准孔板的值,说明多孔板的流出系数稳定性比标准孔板好。其中,多孔板的SP小于标准孔板的SP,说明多孔板流出系数相对平均值要比标准孔板集中,分散程度小;多孔板的Lc小于标准孔板的Lc,表明多孔板的流出系数总体变化范围小,仅在小范围内波动;多孔板的Kcr小于标准孔板的Kcr,表明雷诺数对多孔板流出系数影响较小,即多孔板流出系数对雷诺数的变化不敏感;多孔板的S小于标准孔板的S,说明多孔板在测量时因流出系数波动所产生的偏差小于标准孔板。β为0.42、0.59、0.65的多孔板流出系数相对变化范围分别比标准孔板低0.83%、2.02%、1.67%。

 

    4.2 压力损失特性

    在管道上加节流件,不可避免将带来一定的压力损失。一般情况下,应尽可能降低不可恢复压力损失;在特定场合,有压力损失限制要求,以减少能量消耗[9]。因此,在选择流量计时,必须考虑节流件带来的压力损失,以及压力损失所带来的影响。因此,压力损失也是衡量孔板流量计的一个重要指标,在相同的测量精度下,即可能选择压力损失较小的流量计,以减小管道的能量损失。在实验过程同时测量了多孔板和标准孔板的压力损失。将孔板前1D(D为管道直径)处和孔板后6D处的压力差作为孔板的压力损失[7],使用差压变送器测量多孔板和标准孔板压力损失的大小。

    工程实际应用中,常以永久性压力损失比来衡量孔板压力损失的大小,永久性压力损失比K定义为:

      (6)

    式(6)中,Δω为永久压力损失,Pa。以β为0.42、0.59、0.65的多孔板和标准孔板为实验对象,实验结果见表2。

 

    在表2中,β为0.42时,多孔板永久性压力损失与孔板基本相等;β为0.59和0.65时,标准孔板永久性压力损失略小于多孔板。该表还显示了永久性压力损失比随β值的变化趋势。

    5 上游旋流对孔板流出系数的影响

    在ISO5167和GB/T2624中,孔板的适用条件为满管的亚音速单相流,不适用于脉动、有旋转的流动。虽然在孔板前后均要求有直管段,但实际工况下还是有一定的旋流存在,研究这些旋流对测量精度的影响,具有十分重要的实际工程应用价值[10~12]

    制做一个长为12cm的旋流叶片(图4)作为旋流器,安装在管道内。安装在距离孔板上游分别为15D、10D、5D处,研究旋流对孔板的影响大小。实验结果见表3。

 

 

图4 旋流叶片

    由表3可以看出,在旋流的影响下,多孔板流出系数减小,标准孔板流出系数增大。因此,在有旋流的工况下,用标准孔板测量流量比实际流量偏大,而用多孔板则稍微偏小一些,说明旋流对多孔板和标准孔板的影响是不同的。当β=0.42时,多孔板流出系数变化率明显小于标准孔板,表明多孔板的流出系数对旋流影响不敏感。因此,β较小时多孔板比标准孔板更适合于有旋流动的场合,其抗干扰性能更好些。然而,对于β=0.65的多孔板,其抗扰流性能则不如标准孔板,这说明多孔板的抗旋流能力受β值的制约。

    6 结论

    (1)多孔板流出系数比标准孔板更稳定。在本实验范围内,β为0.42、0.59、0.65时,多孔板流出系数变化幅度比标准孔板分别低0.83%、2.02%、1.67%。

    (2)多孔板永久性压力损失比与标准孔板相当,永久性压力损失比随β值的增大而减小。    

    (3)β较低时(β=0.42),多孔板抗旋流能力优于标准孔板,β较高时(β=0.65),情况刚好相反。在有旋流存在时,多孔板流出系数会减小,测量的流量值偏大;而标准孔板流出系数会增大,流量值偏小。

    参考文献:

    [1]程跃.智能孔板流量计的设计与研究[D].重庆:西南大学硕士学位论文,2006(10):10~13.
    [2]MorrisonGL,HallKR,HolsteJC.ComparisonofOrificeandSlottedPlateFlowmeters[J].FlowMeas-urementandInstrumentation,1994,5:71~77.
    [3]MorrisonGL,TerracinaD,BrewerC,etal.ResponseofaSlottedOrificeFlowMetertoanAir/WaterMixture[J].FlowMearsurementandInstrumentation,2001,12:175~180.
    [4]GengYanfeng,ZhengJiwu,ShiTianming.StudyontheMeteringCharacteristicsofaSlottedOrificeforWetGasFlow[J].FlowMeasurementandInstrumentation,2006,17:123~128.
    [5]耿艳峰,冯叔初,郑金吾.槽式孔板的气液两相压降背率特性[J].化工学报,2006,57(5):1138~1142.
    [6]梁国伟.差压式流量计测量不确定度的经验估计[J].计量技术,2000,5:23~25.
    [7]GB/T2624.2-2006用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量[S].
    [8]程勇,汪军,蔡小舒.低雷诺数的孔板计量数值模拟及其应用[J].计量学报,2005,26(1):57~59.
    [9]蔡武昌,孙淮清,纪纲.流量测量方法和仪表的选用[M].北京:化学工业出版社,2001.
    [10]孙淮清,王建中.流量测量装置设计手册[M].北京:化学工业出版社,2005.
    [11]孙静.基于CFD的槽式孔板结构设计[D].中国石油大学(华东)硕士学位论文,2007.
    [12]梁法春.气液两相流体取样分配器及其在流量测量中的应用[D].西安交通大学博士学位论文,2006.

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