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 流量计介绍
  差压式流量计 1 概 述   差压式流量计(以下简称DPF或流量计)是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。DPF由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件的型式对DPF分类,如孔扳流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计,差压变送器和流量显示及计算仪表,它已发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。差压计既可用于测量流量参数,也可测量其他参数(如压力、物位、密度等)
  DPF按其检测件的作用原理可分为节流式、动压头式、水力阻力式、离心式、动压增益式和射流式等几大类,其中以节流式和动压头式应用最为广泛。
  节流式DPF的检测件按其标准化程度分为标准型和非标准型两大类。所谓标准节流装置是指按照标准文件设计、制造、安装和使用,无须经实流校准即可确定其流量值并估算流量测量误差,非标准节流装置是成熟程度较差,尚未列入标准文件中的检测件。
  标准型节流式DPF的发展经过漫长的过程,早在20世纪20年代,美国和欧洲即开始进行大规模的节流装置试验研究。用得最普遍的节流装置--孔板和喷嘴开始标准化。现在标准喷嘴的一种型式ISA l932喷嘴,其几何形状就是30年代标准化的,而标准孔板亦曾称为ISA l932孔板。节流装置结构形式的标准化有很深远的意义,因为只有节流装置结构形式标准化了,才有可能把国际上众多研究成果汇集到一起,它促进检测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。1980ISO(国际标准化组织)正式通过国际标准ISO 5167,至此流量测量节流装置第一个国际标准诞生了。ISO 5167总结了几十年来国际上对为数有限的几种节流装置(孔板、喷嘴和文丘里管)的理论与试验的研究成果,反映了此类检测件的当代科学与生产的技术水平。但是从ISO 5167正式颁布之日起,它就暴露出许多亟待解决的问题,这些问题主要有以下几个方面。
  1)ISO 5167试验数据的陈旧性 ISO 5167中采用的数据大多是30年代的试验结果,今天无论节流装置制造技术,流量试验设备及实验技术都有巨大的进步,重新进行系统地试验以获得更高精确度及更可靠的数据是必要的。进入80年代美国和欧洲都进行大规模的试验,为修订ISO 5167打下基础。
  2) ISO 5167中关于直管段长度规定的问题 在ISO投票通过ISO 5167时,美国投了反对票,其主要原因是对直管段长度的规定有不同意见,这个问题应是ISO 5167修订的主要问题之一。
  3) ISO 5167中各项规定的科学性问题 影响节流装置流出系数的因素特别多,主要有孔径与管径的比值β、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,众多因素影响错综复杂,有的参数难以直接测量,因此标准中有些规定并非科学地确定,而是为了取得一致,不得不人为地确定。著名流量专家斯宾塞(EASpencer)提出一系列应重新检讨的问题,如孔板平直度、同心度、直角边缘尖锐度、管道粗糙度、上游流速分布及流动调整器的作用等。
  4)关于节流式DPF测量精确度提高的问题 鉴于节流式DPF在流量计中占有重要地位,提高其测量精确度意义重大。历次国际学术会议认为必须使流量测量工作者、流体力学与计算机技术工作者紧密合作共同攻关才能解决此问题。
  20世纪80年代美国和欧洲开始进行大规模的孔板流量计试验研究,欧洲为欧共体实验计划(EEC Experimental Program),美国为API实验计划(API Experimental Program)。试验的目的是用现代最新测试设备及试验数据的统计处理技术进行新一轮的范围广泛的试验研究,为修订ISO 5167打下技术基础。1999ISO发出ISO 5167的修订稿(ISOCD 5167-1-4),该文件为委员会草案,它在技术内容与编辑上都有很大改动,是一份全新的标准。本来预定于19997月在美国丹佛举行的ISOTC30SC2会议上审查通过为DIS(标准草案),但是会议认为尚有细节问题应再商榷而未能通过。新的ISO 5167标准何时正式颁布尚不得而知。ISO 5167新标准在标准的两个核心内容皆有实质性变化,一是孔板的流出系数公式,用Reader-Harris/Gallagher计算式(R-G)代替Stolz计算式,另一为节流装置上游侧直管段长度的规定以及流动调整器的使用等。
  我们通常称ISO 5167(GBT2624)中所列节流装置为标准节流装置,其他的都称为非标准节流装置,应该指出,非标准节流装置不仅是指那些节流装置结构与标难节流装置相异的,如果标准节流装置在偏离标准条件下工作亦应称为非标准节流装置,例如,标准孔板在混相流或标准文丘里喷嘴在临界流下工作的都是。
  目前非标准节流装置大致有以下一些种类:
  1)低雷诺数用 14圆孔板,锥形入口孔板,双重孔板,双斜孔板,半圆孔板等;
  2)脏污介质用 圆缺孔板,偏心孔板,环状孔板,楔形孔板,弯管节流件等;
  3)低压损用 罗洛斯管,道尔管,道尔孔板,双重文丘里喷嘴,通用文丘里管,Vasy管等;
  4)小管径用 整体(内藏)孔板;
  5)端头节流装置 端头孔板,端头喷嘴,Borda管等;
  6)宽范围度节流装置 弹性加载可变面积可变压头流量计(线性孔板)
  7)毛细管节流件 层流流量计;
  8)脉动流节流装置;
  9)临界流节流装置 音速文丘里喷嘴;
  10)混相流节流装置。
  节流式DPF现场应用的不断拓展必然提出发展非标准节流装置的要求,十余年来ISO亦在不断制订有关非标准节流装置的技术文件,在它们不能成为正式标准之前作为技术报告发表。可以预见,今后有可能若干较为成熟的非标准节流装置会晋升为标准型的。
  20世纪90年代中后期世界范围内各式DPF销售量在流量仪表总量中台数占50-60(每年约百万台),金额占30%左右。我国销售台数约占流量仪表总量(不包括家用燃气表和家用水表及玻璃管浮子流量计)35-42(每年6-7万台)
2 工作原理 2.1 基本原理
  充满管道的流体,当它流经管道内的节流件时,如图4.1所示,流速将在节流件处形成局部收缩,因而流速增加,静压力降低,于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大,产生的压差愈大,这样可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础的。压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关,例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质(密度、粘度)不同时,在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。

4.1 孔板附近的流速和压力分布

2.2
流量方程

 
式中 qm--质量流量,kg/s;
   qv--体积流量,m3/s;
   C--流出系数;
   ε--可膨胀性系数;
   β--直径比,β=d/D;
   d--工作条件下节流件的孔径,m
   D--工作条件下上游管道内径,m
   △P--差压,Pa
   ρl--上游流体密度,kg/m3
  由上式可见,流量为Cεdρ△Pβ(D)6个参数的函数,此6个参数可分为实测量[dρ△Pβ(D)]和统计量(Cε)两类。
  (1)实测量
  1)dD (41)d与流量为平方关系,其精确度对流量总精度影响较大,误差值一般应控制在±005%左右,还应计及工作温度对材料热膨胀的影响。标准规定管道内径D必须实测,需在上游管段的几个截面上进行多次测量求其平均值,误差不应大于±03%。除对数值测量精度要求较高外,还应考虑内径偏差会对节流件上游通道造成不正常节流现象所带来的严重影响。因此,当不是成套供应节流装置时,在现场配管应充分注意这个问题。
  2)ρ ρ在流量方程中与△P是处于同等位置,亦就是说,当追求差压变送器高精度等级时,绝不要忘记ρ的测量精度亦应与之相匹配。否则△P的提高将会被ρ的降低所抵消。
  3)△P 差压△P的精确测量不应只限于选用一台高精度差压变送器。实际上差压变送器能否接受到真实的差压值还决定于一系列因素,其中正确的取压孔及引压管线的制造、安装及使用是保证获得真实差压值的关键,这些影响因素很多是难以定量或定性确定的,只有加强制造及安装的规范化工作才能达到目的。
  (2)统计量
  1)C 统计量C是无法实测的量(指按标准设计制造安装,不经校准使用),在现场使用时最复杂的情况出现在实际的C值与标准确定的C值不相符合。它们的偏离是由设计、制造、安装及使用一系列因素造成的。应该明确,上述各环节全部严格遵循标准的规定,其实际值才会与标准确定的值相符合,现场是难以完全满足这种要求的。
  应该指出,与标准条件的偏离,有的可定量估算(可进行修正),有的只能定性估计(不确定度的幅值与方向)。但是在现实中,有时不仅是一个条件偏离,这就带来非常复杂的情况,因为一般资料中只介绍某一条件偏离引起的误差。如果许多条件同时偏离,则缺少相关的资料可查。
  2)ε 可膨胀性系数ε是对流体通过节流件时密度发生变化而引起的流出系数变化的修正,它的误差由两部分组成:其一为常用流量下ε的误差,即标准确定值的误差;其二为由于流量变化ε值将随之波动带来的误差。一般在低静压高差压情况,ε值有不可忽略的误差。当△PP≤0.04时,ε的误差可忽略不计。

3
分 类

  差压式流量计分类如表4.1所示。

4.1 差压式流量计分类表
  分类原则        分   类   类   型
按产生差压的作用原理分类 1)节流式;2)动压头式;3)水力阻力式;4)离心式;5)动压增益式;6)射流式
按结构形式分类 1)标准孔板;2)标准喷嘴;3)经典文丘里管;4)文丘里喷嘴;5)锥形入口孔板;61/4圆孔板;7)圆缺孔板;8)偏心孔板;9)楔形孔板;10)整体(内藏)孔板;11)线性孔板;12)环形孔板;13)道尔管;14)罗洛斯管;15)弯管;16)可换孔板节流装置;17)临界流节流装置
按用途分类 1)标准节流装置;2)低雷诺数节流装置;3)脏污流节流装置;4)低压损节流装置;5)小管径节流装置;6)宽范围度节流装置;7)临界流节流装置;

3.1
按产生差压的作用原理分类
  1)节流式 依据流体通过节流件使部分压力能转变为动能以产生差压的原理工作,其检测件称
   之为节流装置,是DPF的主要品种。
  2)动压头式 依据动压转变为静压的原理工作,如均速管流量计。
  3)水力阻力式 依据流体阻力产生的压差原理工作,检测件为毛细管束,又称层流流量计,一
   般用于微小流量测量。
  4)离心式 依据弯曲管或环状管产生离心力原理形成的压差工作,如弯管流量计,环形管流量
   计等。
  5)动压增益式 依据动压放大原理工作,如皮托-文丘里管。
  6)射流式 依据流体射流撞击产生原理工作,如射流式差压流量计。
3.2 按结构形式分类
  1) 标准孔板 又称同心直角边缘孔板,其轴向截面如图4.2所示。孔板是一块加工成圆形同心的具有锐利直角边缘的薄板。孔板开孔的上游侧边缘应是锐利的直角。标准孔板有三种取压方式:角接、法兰及D-D/2取压;如图4.3所示。为从两个方向的任一个方向测量流量,可采用对称孔板,节流孔的两个边缘均符合直角边缘孔板上游边缘的特性,且孔板全部厚度不超过节流孔的厚度。


4.2 标准孔板


4.3 孔板的三种取压方式
  2) 标准喷嘴 有两种结构形式:ISA 1932喷嘴和长径喷嘴。
  a. ISA 1932喷嘴(图4.4) 上游面由垂直于轴的平面、廓形为圆周的两段弧线所确定的收缩段、圆筒形喉部和凹槽组成的喷嘴。ISA 1932喷嘴的取压方式仅角接取压一种。


4.4 ISA 1932喷嘴
  b. 长径喷嘴(图4.5)上游面由垂直于轴的平面、廓形为1/4椭圆的收缩段、圆筒形喉部和可能有的凹槽或斜角组成的喷嘴。长径喷嘴的取压方式仅D-D/2取压一种。
  3) 经典文丘里管 由入口圆筒段A、圆锥收缩段B、圆筒形喉部C和圆锥扩散段E组成,如图4.6 所示。根据不同的加工方法,有以下结构形式:①具有粗铸收缩段的;②具有机械加工收缩段的;③具有铁板焊接收缩段的。不同结构形式的L1L2R1R2Dd的关系如表4.2所示。
  4)文丘里喷嘴 由进口喷嘴、圆筒形喉部及扩散段组成,如图4.7所示。
  5)锥形入口孔板 锥形入口孔板与标准孔板相似,相当于一块倒装的标准孔板,其结构如图4 . 8所示,取压方式为角接取压。

4.2 L1L2R1R2Dd关系
粗 铸 入 口 机械加工的入口 粗焊的铁板入口
1 ±0.25D(100mmD150mm)   L1=0.5D±0.05D L1=0.5D±0.05D
2 L2=1D0.25D+250mm两个量中的小者 L2D(入口直径) L2D(入口直径)
3 R1=1.375D+20% R10.25D R1=0,焊缝除外
4 R2=3.625d3.8d R20.25D R2=0,焊缝除外


4.6 经典文丘里管

4.7 文丘里喷嘴

4.8 锥形入口孔板
1
一环隙;2-夹持环;3一上游端面A4-下游端面B
5-
轴线;6-流向;7-取压口;8-孔板;
X-
带环隙的夹持环;Y-单独取压口
6)1/4圆孔板 1/4圆孔板与标准孔板相比只是孔口形状不同,它的外形轮廓由一个与轴线垂直的端面,半径r1/4圆构成的入口截面及喷嘴出口端面组成,如图4.9所示。管径小于DN40为角接取压,大于DN40为角接取压或法兰取压。   7) 圆缺孔板 其开孔为一个圆的一部分(圆缺部分),这个圆的直径为管道直径的98%,开孔的圆弧部分的圆心应精确定位,使其与管道同心,这样可保证开孔不会被连接的管道或两端的垫片所遮盖,其结构如图4.10所示。取压方式为法兰取压和缩流取压(或称理论取压)
4.10 圆缺孔板
  8) 偏心孔板 这种孔板的孔是偏心的,它与管道同心的圆相切,这个圆的直径等于管道直径的98%。安装这种孔板必须保证它的孔不会被法兰或垫片遮盖住,其结构如图4.11所示。它采用法兰取压和缩流取压。
4.11 偏心孔板
1-
孔板开孔;2-管道内径;3-孔板开孔另一位置;4-孔板外径;5-孔板厚度E
6-
上游端面A7-下游端面B8-孔板开孔厚度e9-孔板轴线;10-斜角F
11-
孔板开孔轴线;12-流向;13-上游边缘G14-下游边缘HI
   9) 楔形孔板 楔形孔板的结构如图4.12所示。其检测件为V形,设计合适时节流件上下游无滞流区,不会使管道堵塞,取压方式未标准化。
4.12 楔形流量计
1-
高压取压口;2-低压取压口;3-测量管;4-楔形孔板;5-法兰
  10) 整体(内藏)孔板 管径小于DN50孔板可以有多种结构形式,图4.13所示为内藏孔板结构,当管径较小时孔板入口边缘锐利度及管道糙度等对流出系数有显著影响,因此按结构几何形状及尺寸难以确定流出系数,小管径孔板一般皆需个别校准才能准确确定流出系数。
4.13 整体(内藏)孔板
(a)
直通式;(bU形弯管式
11)线性孔板 又称弹性加载可变面积可变压头孔板,如图4.14所示。其孔隙面积随流量大小而自动变化,曲面圆锥形塞子在差压和弹簧力的作用下来回移动,孔隙的变化使输出信号(差压或位移)与流量成线性关系,并极大地扩大范围度。
4.14 线性孔板(GILFLO型节流装置)
1-
稳定装置;2-纺锤形活塞;3-固定孔板;4-排气孔;5-标定和锁定蜗杆装置;
6-
轴支撑;7-低压侧差压检出接头;8-高张力精密弹簧;9-排水孔;10-高压侧差压检出接头
  12)环形孔板 环形孔板的结构如图4.15所示。它由一个被同心固定在测量管中的圆板、三脚支架和中心轴管组成,中心轴管将上下游压力传送到差压变送器。环形孔板的优点是既能疏泄管道底部的较重物质又能使管道中气体或蒸气沿管道顶部通过。
4.15 环形孔板
  13)道尔管 道尔管结构如图4.16所示。它由40o入口锥角和15o扩散管组成。流体首先碰到a上,再经短而陡的锥体,到达喉部槽两边的两个圆筒形部分,通过短的锥体后在f处,突然扩大到管道中,整个长度仅是管径的1.5-2倍,是经典文丘里管长度的17%。道尔管产生的差压比经典文丘里管大,在高差压下却有低的压损。
4.16道尔管
  14)罗洛斯管 罗洛斯管结构如图4.17所示。它由入口段、入口锥管、喉部锥管、喉部和扩散管组成。入口锥管的锥角为40o,喉部锥角为7o,扩散管锥角为5o,上游取压口采用角接取压,其取压口紧靠入口锥角处,下游取压口在喉部长度的一半,即d4处。
4.17 低压损(Lo-Loss)(罗洛斯管)     图4.18 弯管流量传感器
  15)弯管 弯管结构如图4.18所示。利用管道系统弯头作检测件,无附加压损及专门安装节流件是其优点,弯管取压口开在45o22.5o处,取压口结构与标准孔板相同,两个平面内的两个取压口对准,使其能处于同一条直线上,弯管内壁应尽量保持光滑。
  16)可换孔板节流装置 图4.19所示为断流取出型可换孔板节流装置。在需要检查孔板或更换孔板时,可无需拆开管道,短时间暂停管道内被测介质的流动,这时就可打开上盖,取出孔板及密封件予以检查或更换。

4.19 可换孔板节流装置
  17)临界流节流装置 临界流节流装置有两种结构形式:圆环喉部文丘里喷嘴和圆筒喉部文丘里喷嘴,如图4.20所示。
  a.圆环喉部文丘里喷嘴 它由入口段、圆弧收缩段和扩散段组成。入口收缩段是一个喇叭形曲面,该曲面延伸至最小断面处(喉部),并与扩散段相切。在入口平面的上游,廓形没有规定,但在每个轴向位置上,其直径都应等于或大于喇叭形扩张部分的直径。
  b.圆筒形喉部文丘里喷嘴 它由入口段、圆弧收缩段、圆筒形喉部及扩散段组成。其入口平面为入口轮廓相切且垂直于喷嘴中心线的平面。收缩段为14圆曲面,一端与入口平面相切,另一端与圆筒喉部相切。14圆曲面和圆筒喉部之间的连接应没有缺陷,连接要平滑。

4.20 临界流节流装置
(a)圆环形喉部文丘里喷嘴
  1一压力表;2-此处轮廓的表面粗糙度Ra不超过15×10-6d,其曲面偏差不能大于±0.001d
(b)
圆筒形喉部文丘里喷嘴
  1一此处轮廓的表面粗糙度Ra不超过15×10-6d,其喇叭形曲面及圆柱形的偏差不能大于±0.001d; 2-在圆锥扩散段轮廓的表面粗糙度Ra不超过10-4d
3.3 按用途分类
  1)标准节流装置 ISO 5167GBT2624中所包括的节流装置称为标准节流装置,它们是标准孔板、标准喷嘴、经典文丘里管和文丘里喷嘴。在设计、制造、安装及使用方面皆遵循标准规定,可不必个别校准而使用。
  2)低雷诺数节流装置 如14圆孔板、锥形入口孔板和双重孔板等。
  3)脏污流节流装置 如圆缺孔板、偏心孔板和楔形孔板等。
  4)低压损节流装置 如道尔管、罗洛斯管、弯管及环形管等。
  5)小管径节流装置 如整体(内藏)孔板和一体式流量变送器等。
  6)宽范围度节流装置 如线性孔板等。
  7)临界流节流装置 如临界流文丘里喷嘴等。

4 节流式差压流量计的主要特点

  应用最普遍的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DPF应用范围极广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比。全部单相流体,包括液、气、蒸汽皆可测量,部分混相流,如气固、气液、液固等亦可应用,一般生产过程的管径、工作状态(压力,温度)皆有产品。
  检测件与差压显示仪表可分开不同生产厂生产,便于专业化形成规模经济生产,它们的结合非常灵活方便。
检测件,特别是标准型的,是全世界通用的,并得到国际标准组织的认可。对标准型检测件进行的试验研究是国际性的,其他流量计一般仅依靠个别厂家或研究群体进行,因此其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年代由国际标准化组织确定后再也没有改变,其研究资料及生产实践的积累极其丰富,它涉及的应用范围还没有一类流量计可比。
  正是由于上述原因,标准型节流式DPF无需实流校准,即可投用,在流量计中亦是惟一的。
  目前在各种类型中以节流式和动压头式应用最多。节流式已开发20余品种,并且仍有新品种开发出,较成熟的向标准型发展,ISO设有专门技术委员会负责此项工作。动压头式以均速管流量计为代表,近年有较快发展,它是插入式流量计的主要品种,其用量在迅速增加。
  节流式DPF主要存在以下缺点:
  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错综复杂,精确度难以提高。
  2)范围度窄,由于仪表信号(差压)与流量为平方关系,一般范围度仅3:1-4:1
  3)现场安装条件要求较高,如需较长的直管段(指孔板,喷嘴),一般难以满足。
  4)检测件与差压显示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)压损大(指孔板,喷嘴)
  为了弥补上述缺点,近年仪表开发有如下一些措施。
  1) 关于范围度的拓宽
  节流式DPF范围度拓宽从两方面着手:1)开发线性孔板;2)采用宽量程差压变送器或多台差压变送器并用。
  (2)开发定值节流件
  定值节流件是指对每种通径测量管道配以有限数量的节流件,节流件的β值(孔径)则按优先数系选用,每种通径配3-5种β值。定值节流件的应用有许多优点:改变节流件应用对号入座的缺陷;节流件生产方式由小生产作业方式转变为大批量生产;对于廓形节流件(如喷嘴,文丘里管等)采用专用加工设备实现批量生产,降低生产成本,为扩大使用创造条件;给用户带来使用的方便等等。
  (3)压损问题
  通常节流式DPF压损大是指检测件为孔板或喷嘴等品种,其实早已开发多种低压损节流件,如各种流量管(道尔管、罗洛斯管、通用文丘里管等),它们未能大量应用的原因是结构笨重,价格高,如采用定值节流件可使生产成本大幅度下降,为广泛应用创造条件。
  (4)一体化节流式DPF
  把节流装置和差压变送器做成一体,省却引压管线,减少故障率,改善动态特性,方便安装使用,受到用户的欢迎。国外应用已相当普遍,据统计,日本在1996-1997年新建四家工厂400余台差压式流量计,一体化直接安装仪表约占三分之一。
  (5)安装条件问题
  经典文丘里管必要的直管段长度短(5D-10D),在无长直管段场合尽量采用此类节流件,它做成定值节流件,可以降低制造成本。近年国际上为解决阻流件干扰着力研究适用的流动调整器,在精度要求较高时节流装置与流动调整器配套供应,可保证测量的精确度,但也增加了压损与维护工作量。

5 选用考虑要点

  DPF应用领域极其广泛,封闭管道各种测量对象都有应用:流体方面,单相、混相、洁净、脏污;工作状态方面,常压、高压、真空、常温、高温、低温;管径方面,从几毫米到几米;流动条件方面:亚音速流、临界流、脉动流。并且在上述各方面都有大量的理论和实践的资料可供参考。
  20世纪50年代以前在过程控制工程中几乎是惟一的流量计,后来各种类型流量计相继登场,打破了其一统天下的局面,几十年来它占的份额一直在下降,当然绝对用量仍在增加。应该看到,DPF三个组成部分一直在更新发展着,尤其80年代以后借助微电子技术、计算机技术、新材料及先进加工技术的发展,差压转换和流量显示计算部分有突破性进展。DPF无论可靠性,精确度及功能多样化已今非昔比。近年一些创新思路,如一体式、定值节流件等的开发更使它有中兴的感觉。
  DPF的关键部分--检测件是最难更新换代的部分,现在亦有了新的发展思路,即把流量测量工作者、流体力学与计算机技术工作者三方面人员的特长结合起来可以有效地攻下这个堡垒。可以预计,DPF在流量计中仍会占据重要的位置。
  选用考虑因素的五个方面为仪表性能、流体特性、安装条件、环境条件和经济因素,现分述如下。
5.1仪表性能方面
  (1) 精确度、重复性、线性度、流量范围和范围度
  表4.3所示为流量测量节流装置的主要技术参数,标准节流装置规定有严格的使用范围,包括管径、节流件孔径、直径比、雷诺数范围、管壁粗糙度等。在这些使用范围内可以应用标准文件(GB/T 2624)中提供的流出系数和可膨胀性系数,如表4.4所示。应该指出,非标准节流装置的使用范围及其计算式仅作参考,一般来说,它要可靠地应用还是实流校准为好。如果节流装置进行个别实流校准,则其使用范围不受表列参数限制,例如开封仪表厂曾实流校准管径达DN1600的文丘里管流量计用于水流量计量,又如标准规定管径应不小于DN50,现在使用的小管径节流装置则远低于此值,但是它们必须逐台进行个别校准才能投用。由表4.4可见,标准喷嘴的流出系数的不确定度远大于标准孔板,这是由于廓形节流件的精确复制比较困难,如果标准喷嘴进行实流校准,则亦可得高精确度。DPF的精确度在很大程度上决定于现场的使用条件,如果节流装置的制造质量符合要求,则影响因素主要为两方面:流体的物性参数的确定和流体流动特性是否符合标准要求。这两方面我们在流体特性和安装条件中再谈。
  整套流量计的精确度还决定于差压变送器和流量显示仪的精确度。目前有一种倾向尽量采用高精度的差压变送器,在流量测量不确定度计算式可以看到,当其他参数的精确度不高时采用高精度差压变送器并不能起多大作用。流量显示仪的作用主要在监视运行参数的稳定性等方面,它的数据转换精度一般是无问题的。因此,要提高测量的精确度应有一个全面估计,这样才能作出技术经济性最佳方案的选择。
  我们再次强调,DPF是一种从设计、制造到安装使用要求很严格的仪表,任何一个环节的失误都会产生很大的误差,反过来说,如果你严格遵循标准规定,它的精确测量是可保证的。DPF的重复性与其他流量计(电磁式,容积式,涡轮,涡街等)相比要低,其原因为输出信号为模拟值易受干扰,尤其差压引压管线这一环节易使信号产生干扰波动,正是由于重复性不高,影响到其精确度的提高。
  DPF的输出信号与流量为平方关系,是非线性仪表,这是造成范围度窄的原因,实际上节流装置在广阔的雷诺数范围内其流出系数是稳定的,因此目前采用两种(或多种)量程的差压变送器可以拓宽其范围度(大于10:1以上)。近年已投用的弹性加载变面积变压头节流装置则应用其他工作原理增加其范围度(可达100:1)
  ⑵压力损失
  DPF压力损失大是它的一个弱点,但是若仔细分析一下这里还有一些选用时可以选择的余地。在DPF各类节流装置中孔板和喷嘴是压损较大的节流件,不过这里亦有差别。在同样的流量及β值时喷嘴的压损只为孔板压损的30%-50%,也就是说喷嘴是较低压损的。各种流量管(文丘里管、道尔管、罗洛斯管、通用文丘里管等)则是低压损的节流装置,它们压损仅为孔板的20%,甚至低达5%-10%。这些节流装置的开发应用是今后一个努力方向。当然,另一类动压头式DPF(均速管流量计)则以低压损著称。
5.2
流体特性方面
  流体特性分两方面考虑。
  ⑴流体物性参数的确定
流体物性参数包括密度、粘度、等熵指数、湿度等,这些参数有的直接进入流量方程,有的对流出系数、可膨胀性系数等产生影响。在这些参数中密度是最重要的。对密度的精确度与对差压的精确度有同等数量级的要求,但是密度的精确确定却遇到了困难,它是影响DPF精确度提高的一个重要原因。密度精确度不高的原因是,一般借助密度与组分、压力和温度的函数关系确定它,但是这个关系式的精确度数量往往并不明确,尤其对于混合物普遍缺乏精确的函数式。在这种情况下采用密度计测量是较好的,但是遗憾的是目前密度计品种规格不能满足实际需要,并且价格贵,可靠性不高亦阻碍其广泛使用。
  粘度的精确度要求可以低些,它是用来计算雷诺数的,而雷诺数对流出系数的影响并不敏感;粘度的另一作用是确定被测介质是否为牛顿流体,目前流量测量标准都限定被测介质应为牛顿流体。而由于石油化工等工业的发展,愈来愈多非牛顿流体需要测量,因此粘度这个参数今后会引起更大的重视的。
  流体物性参数的确定除混合流体外,在高参数(高压、高温、低温等)领域遇到了困难。许多物性参数缺乏高参数下的数据。
  (2)流体的腐蚀、磨蚀、结垢、脏污等
  这些特性对流量计使用的可靠性造成很大的威胁。DPF是以几何尺寸来确定流量与信号的关系的,在长期使用中保持几何尺寸恒定成为保证测量精确度不变的关键因素。在使用中几何尺寸变化不易觉察,也就是说流量特性已变而不知道,这是很危险的。如何对付这个困难问题仍在探索中,例如采用可换孔板节流装置就是为了便于检查而采取的措施,另外采用并联测量管路可以定期检查清洗等等。流体的上述特性甚至用户都不一定完全掌握的,需要了解流体这些特性以便采取预防措施,在不明确的情况下有时需要进行一些试验。表4.3 各类节流装置主要技术参数
节流件名称 管道内径/mm 孔径/mm 直径比β 管道雷诺数ReD Ec
/%
Eε
/%
管壁粗糙度Ra/D 备 注
角接取压孔板
D-D/2
取压孔板
50D1000 d12.5 0.1≤β≤0.75 0.1≤β≤0.5
ReD
4000
β>0.5
ReD
16000β2
0.1≤β≤0.2
(0.7-
β)%
0.2
≤β≤0.6
0.5%
0.6
<β≤0.75
(1.667
β-0.5)%
3.5×
p/kp1
Ra/D(0.2615)×10-4 EcD71.12mm
再算术相加
0.9(0.75-
β)
(2.8-D/25.4)
(D:mm)
不确定度
法兰取压孔板 50D1000 d12.5 0.1≤β≤0.75 ReD4000
ReD
170β2D
(D:mm)
ISA1932喷嘴 50D500   0.3≤β≤0.8 0.30≤β<0.44
7
×104ReD107
0.44
≤β≤0.80
2
×104ReD107
β≤0.6
0.8%
β>0.6
(2
β-0.4)%
  2p/p1 Ra/D(1.28)×10-4  
长径喷嘴 50D630   0.2≤β≤0.8 104ReD107 2.0% 2p/p1 Ra/D3.2×10-4  
经典文丘里粗铸收缩段
机械加工收缩段
粗焊铁板收缩段
100D800
D
50
200
D1200
  0.3≤β≤0.75
0.4
≤β≤0.75
0.4
≤β≤0.7
2×105ReD2×106
2
×105ReD1×106
2
×105ReD2×106
0.7%

1%

1.5%
(4+100β8)p/p1 Ra/D3.2×10-4  
文丘里喷嘴 65D500 d50 0.316≤β≤0.775 1.5×105ReD2×106 (1.2+1.5β4)% (4+100β8)p/p1 Ra/D(1.28)×10-4  
1/4圆孔板 25D500 d15 0.245≤β≤0.6 ReD250
ReD
105β
β>0.316
2%
β≤0.316
2.5%
(4×△p/p1)%    
锥形入口孔板 25D500 d6 0.1≤β≤0.316 80ReD2×105β 2% 33(1-ε)%    
偏心孔板 100D1000 d50 0.46≤β≤0.84 2×105β2ReD106β β≤0.75
1%
β>0.75
2%
(4×△p/p1)%    
圆缺孔板 150D350   0.35≤β≤0.75 104ReD106 1.5% (4×△p/p1)%    
4.4 各类节流装置的流出系数和可膨胀性系
节流件 流 出 系 数 C
孔 板 里德-哈利斯/加拉赫(Reader-Harris/Gallagher)公式
C=0.5961+0.0261
β2-0.216β8+0.000521(106β/ReD)0.7+(0.0188+0.0063A)β3.5(106/ReD)0.3+(0.043+0.080e-10L1-0.123e-7L1)(1-0.11A)β4/(1-β4)-0.031(M'2-)β1.3
D71.12mm情况下,上述公式应加上下列数项
          +0.011(0.75-β)(2.8-D/25.4)(D:mm)
式中  β=d/D——直径比;
    ReDD有关的雷诺数;
    A=(19000β/ReD)0.8
    M'2=2L'2/(1-β)
    L1=l1/D——孔板上游端面到上游取压口的距离除以管道直径的商;
    L'2=l'2/D——孔板下游端面到下游取压口的距离除以管道直径的商(符号L'2表示自孔板下游端面为起始位置的有关下游间距,而L2表示自孔板上游端面为起始位置的有关下游间距);
    D——mm;
    对于角接取压法   L1=L'2=0;
    对于DD/2取压法  L1=1,L2=0.47;
    对于法兰取压法   L1=L'2=25.4/D
ISA 1932
喷嘴
C=0.9900-0.2262β4.1-(0.00175β2-0.0033β4.15)(106/ReD)1.15
式中符号同上
长径喷嘴 C=0.9965-0.00653β0.5(106/ReD)0.5
C=0.9965-0.00653(106/ReD)0.5
式中 ReD——与D有关的雷诺数;
Red
——与d有关的雷诺数
文丘里喷嘴 C=0.9858-0.196β4.5
式中符号同上
经典文丘里管 具有粗铸收缩段的    C=0.984
具有机械加工收缩段的  C=0.995
具有粗焊铁板收缩段的  C=0.985
1/4圆孔板 C=0.73823+0.3309β-1.1615β2+1.5084β3
式中符号同上
锥形入口孔板 C=0.734
偏心孔板 C=0.9355-1.6889β+3.0428β2-1.7989β3
节流件 可膨胀性系数ε
孔板 ε=1-(0.351+0.256β4+0.93β8)1-(P2/P1)1/k
式中  β=d/D——直径比;
P2
——孔板下游侧压力;
P1
——孔板上游侧压力;
k
——等熵指数
喷嘴
文丘里喷嘴
经典文丘里管
矩形文丘里管
ε={[kτ2/k/(k-1)][(1-β4)/(1-β4τ2/k)][(1-τk-1/k)/(1-τ)]}1/2
式中   τ=P2/P1——压力比;
其余符号同上
1/4圆孔板
双重孔板
圆缺孔板
偏心孔板
端头孔板
ε=1-(0.41+0.35β4)p /kp1
式中   △p——差压;
其余符号同上
锥形入口孔板 ε=(ε+ε)/2
式中   ε——孔板可膨胀性系数;
    ε——喷嘴可膨胀性系数
5.3 安装条件方面
  要应用标准文件(GB/T 2624ISO 5167)中的流出系数和可膨胀性系数,必须令投用的节流装置与标准节流装置达到几何相似和动力学相似,现场的安装条件是达到这两个相似的重要因素,因此对节流装置的安装应给予足够的重视。
  在安装条件中节流件前后的必要直管段长度往往令选用者为难,在推理式流量计中节流式DPF需要的直管段是比较长的。另外现场阻流件类型远多于标准文件包括的,尤其是所谓组合式阻流件(两种阻流件之间间隔很短)更是难以解决,按照GB/T 2624-93(ISO 5167-1)遇到此类情况可以采用加装流动调整器解决,但是加装流动调整器所需的直管段亦是很长的(42D)。在此情况下有以下方案可供选择:采用直管段长度要求较短的节流装置,例如经典文丘里管或其他流量管;用实流校验方法确定现场条件下的流出系数,实流校验可以是在线的或离线的。
  前面我们已谈过引压管线是节流式DPF的薄弱环节,近年来一体式节流式DPF的出现较好地解决了此问题,例如我国北方冬天蒸汽流量测量往往为引压管线的保温防冻伤脑筋,一体式DPF彻底解决了它。大多数流量计都有一体式和分离式两种类型,它们的使用各有特点,要根据现场实际情况予以选用,节流式DPF亦不例外。一体式DPF的差压变送器必须适应现场的严酷环境条件,在有些情况,如管道较强振动或强电磁干扰等还是采用分离式为好。5.4 环境条件方面
  DPF的差压变送器和流量显示仪两部分有微处理器和电子元器件,它们对环境条件的要求与一般电子仪表是一样的,在本书的其他章节中已有讨论,这里就不再重述了。
5.5
经济因素方面
  经济因素包括购置费、安装费、运行费、校验费、维护费和备品备件。
  (1)购置费
  DPF的检测件购置费相对来说较便宜,但考虑其余两部分:差压变送器和流量显示仪整套仪表就不一定便宜了。另外,它还可能需购置一些辅助设备,如冷凝器、集气器、沉降器和隔离器等亦应估计到。
  (2)安装费
  分离型DPF的安装比较麻烦,主要是差压信号管路及其辅助设备的安装,对于腐蚀脏污介质之类采用隔离系统,其费用还要高些。
  (3)运行费
  对于大口径管道测量,能耗产生的运行费可能是笔大数目,当然如选用低压损节流装置(经典文丘里管等)亦是降低费用的办法,但是节流装置的购置费又高了,应该仔细核算一下。
  (4)校验费
  DPF的一个优点是可节省检测件的校验费,不但制造者,使用者亦可免去实流校验的麻烦,这点意义深远。当然DPF其余两部分校验费亦应考虑,它们相对比较方便便宜。
  (5)维护费
  DPF检测件维护费较少,其余两部分有一定的维护费。
  (6)备品备件
  DPF差压和显示仪表通用性强,对于大中型企业使用的流量仪表数量较多时可集中选用某些型号规格,以节省备品备件数量。近年推广定值节流件使节流装置摆脱对号入座的局面,检测件的购置就很方便了,可减少备品备件数量。
  以上各项费用的综合计算可以比较准确地确定其经济性。
5.6
标准节流装置的选择原则
  节流式DPF的首选检测件当然是标准节流装置,为了选择最合适的标准节流装置,选型时应从以下几方面考虑:
  1)管径、直径比和雷诺数范围的限制条件;
  2)测量精确度;
  3)允许的压力损失;
  4)要求的最短直管段长度;
  5)对被测介质侵蚀、磨损和脏污的敏感性;
  6)结构的复杂程度和价格;
  7)安装的方便性;
  8)使用的长期稳定性。
  根据上述几方面,标准节流装置的选型原则可归纳为以下几点。
  标准节流装置各种类型节流件应用的管径、直径比和雷诺数范围皆有一定的限制,在国家标准GB/T 2624-93(或国际标准ISO 5167-1)中有详细规定,例如孔板可应用于比喷嘴和文丘里喷嘴更大的管径范围,经典文丘里管各种类型之间的管径范围差别较大等等。
  标准节流装置各种类型节流件的精确度在同样差压、密度测量精确度下,决定于流出系数与可膨胀性系数的不确定度。各种节流件的流出系数的不确定度差别较大,相比之下,孔板的流出系数的不确定度最小,廓形节流件(喷嘴、文丘里管)较大。廓形节流件较大的原因,是标准中给出的流出系数公式所依据的拟合的数据库质量较差。但是对廓形节流件进行个别校准,也可得到高的精确度。
  在同样差压下,经典文丘里管和文丘里喷嘴的压力损失约为孔板与喷嘴的1/4-1/6。而在同样的流量和相同的β值时喷嘴的压力损失只有孔板的30-50%。
  在相同阻流件类型和直径比情况下,经典文丘里管的必要直管段长度比孔板与喷嘴的要小得多。
  测量易使节流件沾污、磨损及变形的被测介质时,廓形节流件较孔板要优越得多。
  在加工制造及安装等方面,孔板最为简单,喷嘴次之,文丘里喷嘴和经典文丘里管最复杂,其造价亦依次递增。管径愈大,这种差别愈显著。
  孔板易取出检查节流件质量(采用可换孔板节流装置),喷嘴和文丘里管则需截断流体,拆下管道才可检查,比较麻烦。
  中小口径(DN50-DN100)节流装置,取压口尺寸和取压位置的影响显著,这时采用环室取压有一定优势。

6.
安装使用注意事项

6.1
安装注意事项
  节流式DPF的安装要求包括管道条件、管道连接情况、取压口结构、节流装置上下游直管段长度以及差压信号管路的敷设情况等。
  安装要求必须按规范施工,偏离要求产生的测量误差,虽然有些可以修正,但大部分是无法定量确定的,因此现场的安装应严格按照标准的规定执行,否则产生的测量误差甚至无法定性确定。
  关于节流装置上下游直管段长度的确定,是一个有争议的问题。由于进行此项试验的各试验者条件的差异,以及误差评定方法的不一致,试验结果存在分歧并不奇怪。国际上在80年代进行了大规模的孔板流量计试验,为ISO 5167的修订打下基础。修订的主要内容之一就是直管段长度的修订,以及流动调整器的使用等。
  以下我们按测量管、节流件以及差压信号管路几方面的安装需要注意的事项分别进行简介。
  ⑴ 测量管及其安装
  测量管是指节流件上下游直管段,包括节流件夹持环及流动调整器(如果使用时),典型的测量管如图4.21所示。测量管是节流装置的重要组成部分,其结构及几何尺寸对进入节流件流体的流动状态有重要影响,所以在标准中对测量管的结构尺寸及安装有详细的规定。对于测量管及其安装应注意以下内容:1)直管段管道内径的确定方法;2)直管段的直度和圆度;3)直管段的内表面状况;4)直管段的必要长度;5)节流件夹持环;6)流动调整器。

4.21 测量管
直管段管道内径的确定如图4.22所示。
4.22 管径和圆度的检验位置
  具体要求如下。
  1)上游 管径:D=(D1+D2+D3++D12/12在①②③平面处测;
  圆度:0.997 DD1,D2,…,D14Dn1.003 D在①②③④平面处测,其中n为保险起见,在③与④平面之间,追加的测量次数。
  2)下游 对管径只作一次检查:0.97 DD151.03 D
  3)对古典文丘里管 入口圆筒形直径与D之差≤入口圆筒形直径的±1%;
  入口圆筒形直径与D1D2D3…之差≤入口圆筒形直径的±2%;
  D15≥文丘里扩散段出口端直径的90%。
  用于计算节流装置直径比的管道内径D值应为上游取压口的上游0.5D长度范围内的内径平均值。由图可见,对内径确定的规定是很严格的,但是在现场由于种种原因,有时没有按照要求进行,而采取公称通径作为设计计算之用,这是不允许的。
  直管段管道内表面状况对测量精确度的影响往往被忽略了。标准对管道内详细规定。在湍流状况下光滑管与粗糙管的流速分布是不一样的(见第2)系数亦不相同。对于新安装的管道应选用符合粗糙度要求的管道,如果达不到要求采取措施,如加涂层或进行机加工,以满足之。但是仪表长期使用后,由于测量介质特性(腐蚀,粘结,结垢等)作用,内表面可能发生改变,应定期检查进行清洗维护。
  直管段长度与阻流件类型及β值有关,表4.5-4.7示有标准节流装置的必要直管段长度的规定。由表可见,标准只提供若干典型阻流件类型的数值,并且指出这些数据的试验条件为进入阻流件的流动为充分发展管流,显然这些条件在现场并非都能满足的。前面我们已谈过,在这种情况下可采用流动调整器解决。近年来,国际上对流动调整器的试验研究非常重视,取得许多重要成果,这些都将在ISO 5167新标准中得到反映。
4.5 孔板与阻流件之间所要求的直管段长度(无流动调整器)(数值以管径D倍数表示)
直径比β 孔 板 上 游 侧 (入口)
单个90o弯头
两个90o弯头
在任意平面
(S
30D)
在同一平面上的两个90o弯头,S形状
(30D
S10D)
在同一平面上的两个90o弯头,S形状
(10D
S)
在垂直平面上的两个90o弯头,(30DS5D) 在垂直平面上的两个90o弯头,(5DS)①② 单个90o三通 单个45o弯头在同一平面上的两个45o弯头,S形状(S22D)
  A B A B A B A B A B A B A B
0.20 6 3 10 10 10 10 19 18 34 17 9 3
0.40 16 3 10 10 10 10 44 18 50 25 9 3 30 9
0.50 22 9 18 10 22 10 44 18 75 34 19 9 30 9
0.60 42 13 30 18 42 18 44 18 65 25 29 18 30 18
0.67 44 20 44 18 44 20 44 20 60 10 36 18 44 18
0.75 44 20 44 18 44 22 44 20 75 18 44 18 44 18
 
直径比β 孔 板 上 游 侧 (入口) 孔板下游侧(出口)
渐缩管在1.5D3D的长度内由2D变为D 渐扩管在D2D的长度内由0.5D变为D 全孔球阀或闸阀全开 对称突缩管 温度计套管或插口直径小于0.03D 前面全部阻流件类型和密度计套管
  A B A B A B A B A B A B
0.20 5 5 16 8 12 6 30 15 5 3 4 2
0.40 5 5 16 8 12 6 30 15 5 3 6 3
0.50 6 5 18 9 12 6 30 15 5 3 6 3
0.60 9 5 22 11 14 7 30 15 5 3 7 3.5
0.67 12 6 27 14 18 9 30 15 5 3 7 3.5
0.75 22 11 38 19 24 12 30 15 5 3 8 4
  ①S-两个弯头分隔的间距,从上游弯头曲面部分的下游端到下游弯头曲面部分的上游端的间距。
  ②恶劣的安装条件,可能的话,采用流动调整器。
  ③对于其他阻流件,温度计套管的安装不会变更其上游的最短直管段长度。
  ④当A栏和B栏分别增加到20D10D时,则可安装温度计套管的直径为0.03D0.13D
  ⑤此处无数据,用β=0.4的长度足够了。
注:1.对于β<0.2可以取β=0.2同样的长度。
  2.最小直管段长度是指孔板的上下游阻流件与孔板之间的长度,该长度是从最靠近的弯头或三通的曲面部分下游末端或渐缩管和渐扩管的锥管部分下游末端测量起。
  3.本表中大多数弯头其曲率半径等于1.5D,但亦可用于任意曲率半径的弯头。
  4.各种阻流件中A栏的长度是指"零附加不确定度"的。
  5.各种阻流件中B栏的长度是指"0.5%附加不确定度"的。
4.6喷嘴和文丘里喷嘴所要求的直管段长度(无流动调整器)(数值以管径D倍数表示)
直径比β 喷嘴和文丘里喷嘴上游侧(入口) 下游侧(出口)
单个90o弯头或三通(流体仅从一个支管流出) 在同一平面上的两个或多个90o弯头 在不同平面上的两个或多个90o弯头 渐缩管在1.5D3D长度由2D变为D 渐扩管在D2D长度内由0.5D变为D 球阀全开 全孔球阀或闸阀全开 对称骤缩管 温度计套管或插孔直径小于0.03D 温度计套管或插孔直径在0.03D0.13D之间 前面阻流件(后3个除外)
  A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B
0.20 10 6 14 7 34 17 5   16 8 18 9 12 6 30 15 5 3 20 10 4 2
0.25 10 6 14 7 34 17 5   16 8 18 9 12 6 30 15 5 3 20 10 4 2
0.30 10 6 16 8 34 17 5   16 8 18 9 12 6 30 15 5 3 20 10 5 2.5
0.35 12 6 16 8 36 18 5   16 8 18 9 12 6 30 15 5 3 20 10 5 2.5
0.40 14 7 18 9 36 18 5   16 8 20 10 12 6 30 15 5 3 20 10 6 3
0.45 14 7 18 9 38 19 5   17 9 20 10 12 6 30 15 5 3 20 10 6 3
0.50 14 7 20 10 40 20 6 5 18 9 22 11 12 6 30 15 5 3 20 10 6 3
0.55 16 8 22 11 44 22 8 5 20 10 24 12 14 7 30 15 5 3 20 10 6 3
0.60 18 9 26 13 48 24 9 5 22 11 26 13 14 7 30 15 5 3 20 10 7 3.5
0.65 22 11 32 16 54 27 11 6 25 13 28 14 16 8 30 15 5 3 20 10 7 3.5
0.70 28 14 36 18 62 31 14 7 30 15 32 16 20 10 30 15 5 3 20 10 7 3.5
0.75 36 18 42 21 70 35 22 11 38 19 36 18 24 12 30 15 5 3 20 10 8 4
0.80 46 23 50 25 80 40 30 15 54 27 44 22 30 15 30 15 5 3 20 10 8 4
  ①温度计套管或插孔的配置不变更其他阻流件需要的上游最短直管段长度。
注:1.最短直管段长度是节流件上游或下游的各种阻流件与节流件之间的数值,全部直管段长度从节流  件的上游端面测量起。
  2A栏为"零附加不确定长度"的长度值。
  3B栏为"0.5%附加不确定度"的长度值。
  4.有些节流件不是全部β值都允许采用的。
4.7 经典文丘里管所要求的直管段长度(无流动调整器)(数值以管径D倍数表示)
直径比β 单个90o弯头 在同一平面上或不同平面上的两个或多个90o弯头 渐缩管在2.3D长度内由1.33D变为D 渐扩管在2.5D长度内由0.67D变为D 全孔球阀或闸阀全开
  A B A B A B A B A B
0.30 8 3 8 3 4 4 4 4 2.5 2.5
0.40 8 3 8 3 4 4 4 4 2.5 2.5
0.50 9 3 10 3 4 4 5 4 3.5 2.5
0.60 10 3 10 3 4 4 6 4 4.5 2.5
0.70 14 3 19 3 4 4 7 5 5.5 3.5
0.75 16 8 22 8 4 4 7 6 5.5 3.5
  ① 弯头的曲率半径大于或等于管径。
注:⒈最小直管段长度是指经典文丘里管上游各种阻流件与经典文丘里管之间的长度,直管段长度是从最靠近(或仅有)的弯头的曲面部分下游末端或渐缩管和渐扩管的追面部分下游末端测量起,它直至经典文丘里管上游取压口的平面处。
  ⒉各阻流件A栏为"零附加不确定度"的长度值。
  ⒊各阻流件B栏为"0.5%附加不确定度"的长度值。
  ⒋若温度计套管或插孔安装于经典文丘里管的上游,必须不大于0.13D并设置在文丘里管上游取压口的上游至少4D处。
  ⒌各种阻流件或其他干扰件(如表中所示)或密度计套管应设置于喉部取压口平面下游至少4倍喉径处,并不应影响测量的准确度。
  (2)节流件的安装
  节流件安装的垂直度、同轴度及与测量管之间的连接都有严格的规定。
  1)垂直度 节流件应垂直于管道轴线,其偏差允许在±1o之间。
  2) 同轴度 节流件应与管道或夹持环(采用时)同轴。节流件的轴线与上下游侧测量管轴线之间的距离(或称偏心率)ec与取压管轴线的平行分量ecl及垂直分量ecn应满足下式,此时流出系数C无附加不确定度
             ecl0.0025D/0.1+2.3β4) (4.3
和            ecn0.005D/0.1+2.3β4) (4.4
  如果ecl在式(4.5)范围内,则流出系数C的不确定度应算术相加±0.3%的附加不确定度
        0.0025D/0.1+2.3β4)≤ecl0.005D/0.1+2.3β4) (4.5
  如果ec1ecn在式(4.6)范围,则认为不符合标准文件(ISO 5167)的要求
        eclecn0.005D/0.1+2.3β4) (4.6
  由式可见,在中小口径及大β值时,安装偏心率的要求是很严格的,ec的实际检验很困难,应由各连接件的配合公差来保证。
  3)节流件前后测量管的安装 离节流件2D以外,节流件与第一个上游阻流件之间的测量管,可由一段或多段不同截面的管子组成,其允许的台阶及附加不确定度如图423所示。在离节流件上游侧端面至少2D长度的下游测量管上,下游管道内径与上游测量管的内径平均值之差,应不超过内径平均值的±3%。若hs≤±0.3D,则对流出系数可用参比条件下的精度。若hs≥±0.3D,并且hs/D0.002×(LsD+0.4/0.1+2.3β4)和hs/D0.05式中β=d/D hs=D1-D 则对流出系数的精度应附加±0.2%的不确定度。

4.23 管道台阶检验
  (3)差压信号管路的安装
  差压信号管路是指节流装置与差压变送器(或差压计)的导压管路。它是DPF的薄弱环节,据统计DPF的故障中引压管路最多,如堵塞、腐蚀、泄漏、冻结、假信号等等,约占全部故障率的70%,因此对差压信号管路的配置和安装应弓[起高度重视。
  1)取压口 取压口一般设置在法兰、环室或夹持环上,当测量管道为水平或倾斜时取压口的安装方向如图4.24所示。它可以防止测液体时气体进入导压管或测气体时液滴或污物进入导压管。当测量管道为垂直时,取压口的位置在取压位置的平面上,方向可任意选择。不同温度条件下取压接头的安装方法如图4.25所示。

4.24 取压口位置安装示意


4.25 在管道上安装取压接头的方法
注:取压空边缘应整齐,为直角或稍加倒圆,无毛刺、卷刃及其他缺陷
a)温度在426oC800oF)以下;(b)温度在426oC800oF)以上,而且与二次元件之间距离较大;(c)当要求满角焊时可选此方案;(d)温度在204oC400oF)以下
  2)导压管 导压管的材质应按被测介质的性质和参数确定,其内径不小于6mm,长度最好在16mm以内,各种被测介质在不同长度时导压管内径的建议值如表4.8所示。导压管应垂直或倾斜敷设,起倾斜度不小于112,粘度高的流体,其倾斜度应更增大。当导压管长度超过30m时,导压管应分段倾斜,并在最高点与最低点装设集气器(或排气阀)和沉淀器(或排污阀)。正负导压管应计量靠近敷设,防止两管子温度不同使信号失真,严寒地区导压管应加防冻保护,用电或蒸汽加热保温,要防止过热,导压管中流体汽化会产生假差压应予注意。
               表4.8 导压管的内径和长度        mm
导压管长度/mm 16000 1600045000 4500090000
导压管直径/mm
被测流体
水、水蒸气、干气体 79 10 13
湿气体 13 13 13
低、中粘度的油品 13 19 25
脏液体或气体 25 25 38
3)差压信号管路的安装 根据被测介质和节流装置与差压变送器(或差压计)的相对位置,差压信号管路有以下几种安装方式。
  被测流体为清洁液体时,信号管路的安装方式如图4.26所示。

4.26 被测流体为清洁液体是,信号管路安装示意
a)仪表在管道下方;(b)仪表在管道上方;(c)垂直管道,被测流体为高温液体
  被测流体为清洁干气体时,信号管路的安装凡是如图4.27所示。
4.27 被测流体为清洁干气体时,信号管路安装示意
a)仪表在管道下方;(b)仪表在管道上方;(c)垂直管道,仪表在取压口上方;(d)垂直管道,仪表在取压口下方
  被测流体为水蒸气时,信号管路的安装方式如图4.28所示。
4.28 被测流体为水蒸气时,信号管路安装示意
a)仪表在管道下方;(b)仪表在管道上方;(c)垂直管道,仪表在取压口下方;(d)仪表在管道下方,同(a)图,仅冷凝器安装方式不同,可任意选用
  被测流体为清洁湿气体时,信号管路的安装方式如图4.29所示。
4.29 被测流体为湿气体时,信号管路安装示意(a),(b


4.29 被测流体为湿气体时,信号管路安装示意(c-f
6.2 使用注意事项
  一台DPF能否可靠地运行,达到设计精确度的要求,正确使用是很重要的。尽管流量计的设计、制造及安装等皆符合标准规定的要求,如果不注意使用问题,也可能前功尽弃,使用完全失败。以下列举若干应注意的问题。
  DPF标准规定的工作条件是所谓参考工作条件(见本书第20章),这些条件在实验室里可以满足,但是在现场要完全满足比较困难,可以说,偏离标准规定要求是难免的,这时重要的是要估计偏离的程度,如果能进行适当的补偿(修正)是最好的,否则要加大估计的测量误差。
  DPF检测件节流装置安装于现场严酷的工作场所,在长期运行后,无论管道或节流装置都会发生一些变化,如堵塞、结垢、磨损、腐蚀等等。检测件是依靠结构形状及尺寸保持信号的准确度,因此任何几何形状及尺寸的变化都会带来附加误差。麻烦的是,测量误差的变化并不能从信号中觉察到,因此定期检查检测件是必要的。可以根据测量介质的情况确定检查的周期,周期的长短无法作统一规定,使用者应该根据自己的具体情况确定,有的可能要摸索一段使用时间才能掌握。
  在节流装置设计计算任务书中要求用户详细填写使用条件,这些条件在仪表投用后发生变化是难免的,因为设计者很难估计工艺过程的一些变量;例如压力和温度的波动。有些工艺过程刚投用与运行一段时间发生变化是正常的。另外,经常有生产产量逐渐提高的事情。以上这些都会使被测介质的物性参数发生变化。这时使用者要及时检查工艺参数,对仪表进行修正或采取一些措施,如更换节流件,调整差压变送器量程等等。
偏离标准规定条件会带来测量的附加误差,应着重检查以下问题。
  (1)结构的偏离
  a.孔板入口直角锐利度;
  b.节流件厚度;
  c.节流件上游端面平面度;
  d.取压位置;
  e.取压口加工不规范或堵塞;
  f.管径尺寸与计算值不符;
  g.节流件附近产生台阶和错位;
  h.环室尺寸不符,产生台阶或偏心;
  i.焊接的焊缝突出;
  j.节流件偏心(不同轴度大)
  (2)管线布置的偏离
  a.阻流件靠近节流装置。阻流件类型很复杂,有单一阻流体,亦有组合式阻流件,标准仅给出几种单一的,对于组合式阻流件还缺少试验资料;
  b.流动调整器的应用,使进入节流件的流动为充分发展管流,但并非随意使用都能达到目的,如使用不当,反会带来流场偏移、堵塞、高压力损失等副作用。
  (3)使用偏离
  a.孔板弯曲(变形)
  b.节流件上游端面沉积脏物;
  c.节流件上游测量管沉积脏物;
  d.孔板入口直角边缘变钝,破损;
  e.文丘里管内表面粗糙度变化。
  (4)管壁粗糙度的影响
  a.管壁粗糙度增加,使流速分布曲线变陡,增大流出系数;
  b.管壁粗糙度是一个难以掌握的因素,它与流体性质、管壁腐蚀、积垢等有关,随时间而变化。
  表49列举若干偏离标准规定要求的影响。
              49 偏离标准规定要求的影响
原 因 节流装置名称 β 附加误差值或影响
1 制造中的问题
1.1 孔板圆筒喉部太厚 标准孔板 0.2 偏离正确厚度2倍 误差-1%
1.2 孔板厚度太厚 角接取压标准孔板 0.7 偏离正确厚度2倍 误差<+1%
1.3 偏离取压口位置 角接取压标准孔板 0.67 偏离角接取压口位置0.05D,误差-0.1%
偏离角接取压口位置0.5D,误差-1.2%
喷嘴 0.6 偏离角接取压口位置0.05D,误差-0.5%
偏离角接取压口位置0.5D,误差-2.6%
径距取压标准孔板 0.7 下游取压口偏离下游0.1D,误差-1%
下游取压口偏离上游0.1D,误差+1%
1.4 取压孔尺寸过大 法兰取压标准孔板   正误差
1.5 取压孔口有毛刺 所有节流装置   误差从-30%+30%
1.6 支座环直径太小 角接取压标准孔板喷嘴 0.7
0.75
10%不一致,误差从-2%+5%
10%不一致,误差从-6%+1%
1.7 支座与法兰间的垫片内孔过小 标准孔板和喷嘴   误差从-60%+60%
1.8 装置位置不同心 标准孔板和喷嘴 0.8 偏心率0.015D,误差-1%+1% 最大<5%
1.9 进口圆锥角收敛不正确 文丘里管   12o角代替15o角,误差+2%
1.10 进口扩散角不正确 文丘里管   若不正确影响压力损失
1.11 圆锥与喉部的半径不正确 文丘里管   若不正确,高于+1.5%
1.12 节流件上游面粗糙 标准孔板 0.5 粗糙增加是负误差
用水试验ReD=20000
d/
粗糙度=80 误差-3%
用水试验ReD=20000
d/
粗糙度=620 误差-2%
1.13 粗糙度超过规定 文丘里管   正误差
2.使用中的问题
2.1 孔板变形 标准孔板   不可预见
2.2 节流件上游有外来沉积物 标准孔板   负误差,对较高β值,误差增加得多
2.3 节流件孔径有外来物 标准孔板   正误差,对较高β值,误差增加得多
2.4 脉动流 所有节流装置   通常正误差,误差很大
2.5 过低管道雷诺数 法兰取压标准孔板 0.3 ReD=1000,误差-7.5%
ReD=250,
误差-17%
0.6 ReD=1000,误差-19%
ReD=250,
误差-26%
角接或径距取压标准孔板 0.3 ReD=1000,误差-2.5%
ReD=100,
误差-14%
0.6 ReD=1000,误差-20%
ReD=200,
误差-25%
3.阻流件后上游直管段太短
3.1 单个90o弯头 所有节流装置   误差随取压口面和直管段长度而变
3.2 同一平面的两个90o弯头 角接取压标准孔板 0.55
0.75
直管段长度>4D,误差<+0.5%
直管段长度>4D,误差<+3%
3.3 不同平面的三个90o弯头 角接取压标准孔板 0.75 直管段长度>4D,误差<-5%
3.4 全开球阀 角接取压标准孔板 0.55
0.75
直管段长度>4D,误差<+1.5%
直管段长度>8D,误差<+5%
法兰取压和径距取压标准孔板 0.75 直管段长度>6D,误差<+2%
3.5 渐扩管(在1.8D长度内,由0.5D变到D 角接取压标准孔板 0.4
0.7
无直管段长度,误差-10%
无直管段长度,误差-50%
3.6 渐缩管(在1D长度内,由1.25D变到D 角接取压标准孔板 0.4
0.7
无直管段长度,误差-0.5%+0.5%
无直管段长度,误差+2%
3.7 温度计套管 标准孔板   套管直径>0.04D和直管段长度<15D,误差<+2%
4.阻流件后下游直管段太短
4.1 单个90o弯头 角接取压标准孔板   随取压口面而变
4.2 同一平面两个90o弯头 角接取压标准孔板 0.55
0.75
直管段长度>1D,误差<-2%
直管段长度>1D,误差<-3%
4.3 不同平面的三个90o弯头 角接取压标准孔板 0.55
0.75
直管段长度>1D,误差<-2%
直管段长度>1D,误差<-2.5%
4.4 全开球阀 角接取压标准孔板 0.55
0.75
直管段长度>1D,误差<-0.5%
直管段长度>1D,误差<-1%
4.5 节流装置与渐缩管(在1D长度内,由1D变到0.5D)之间无下游直管段长度 角接取压标准孔板 0.4 误差+1%
7 标准和检定规程
  节流式DPF的标准在全部流量仪表标准中应该说是最成熟且下的功夫是最大的了。国际标准化组织(ISO)30技术委员会(TC30)自成立之日起(1947)几乎集中全部力量准备制订一部节流装置国际标准。经过30余年努力,终于在1980年颁布第一部节流装置国际标准ISO 5167(1980),自标准正式颁布之日起就又紧张地准备进行修订工作。一部标准在颁布之时即同时宣布开始进行修订似乎并无先例。整个80年代国际上开展大规模孔板流量计研究试验,为改善标准的技术基础打下坚实基础。经过多次讨论会审查,ISO 5167新标准的草稿(CD文件)准备在19997月美国丹佛(Denver)召开的ISOTC30SC2会议审查通过为DIS(标准草案),该CD标准文件是一个全新的标准,它与过去的标准有实质性变化。可是会议认为尚有一些细节(不是主要问题)需商榷,CD文件未能转变为DIS文件。
  为使ISO 5167得到更好的贯彻,并满足现场实际的需求,ISO近年还颁布了一系列节流装置技术报告(TR),如ISOTR94641998ISOTRl27671998ISOTR153771998ISO/TR33131998等,这些技术报告拓展了ISO 5167的使用空间,给使用者提供探索问题的指导。
  节流式DPF国际标准的一个最大特点是它使检测件--节流装置结构形式标准化了,这样对节流装置的试验研究就可以把全世界的科研成果汇聚一起,这是其他流量仪表所不及的。
  世界各国都根据国际标准制订本国的国家标准,我国自70年代起即致力于节流装置国家标准和检定规程的制订,颁布了GB2624-81JJG 267-82JJG 311-83JJG 621-89等,后来又修订为GB/T 2624-93JJG 640-94

参 考 文 献

1. ISO/CD 5167-1
ISO/CD 5167-2ISO/CD 5167-3ISO/CD 5167-41999Measurement of fluid flow by mean of pressure differential devices inserted in circular cross section conduits running full, Part1-General, Part2-Orifice plates, Part3-Nozzles and Venturi nozzles, Part4-Venturi tubes
2. ISO/TR3313:1998(type2)Measurement of fluid flow in closed conduits-Guideline on the effects of flow pulsation on flow measurement instruments
3. ISO/TR9464:1998(type3) Guidelines for the use of ISO 5167-1:1991
4. ISO/TR12767:1998(type3) Measurement of fluid flow by mean of pressure differential devices-Guidelnies to the effect of departure from the Specification and Operating condition given in ISO 5167-1
5. ISO/TR15377:1998(type3) Measurement of fluid flow by mean of pressure differential devices-Guide for the Specification of nozzles and orifice plates beyond the Scope of ISO 5167--1
6. [
]RW米勒著.孙延祚译.流量测量工程手册.第一版.北京:机械工业出版社,1990
7.
刘欣荣编著.流量计.第二版.北京:水利电力出版社,1990
8.
翟秀贞等编著.差压型流量计.北京:中国计量出版社,1995
9.
国家计量捡定规程汇编.流量()()().北京:中国计量出版社,1987-1994
10.
孙淮清,王建中编著.流量测量节流装置设计手册.北京:化学工业出版社,2000
 
 
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