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：
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