差壓式流量計的發展現狀
發布時間：2022-09-06 00:31:42來源：hseauto.rixinfy.com來源：..
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自古以來?流量測量是人類文明的標志之一?但是由于當時經濟和科技的不發達?流量測量的方法僅有有限的幾種。直到20世紀?隨著過程工業、能源計量和城市公用事業對流量測量的需求急劇增長?促使流量測量方法和儀表迅速發展。文章針對差壓流量計的發展進行了研究。
1 差壓流量計應用現狀
工業測量和控制中?使用的流量計種類很多?差壓型流量計廣泛應用于工礦企業?特別是冶金、石油、化工、天然氣、水電等部門?而且有很多用于貿易結算?是流量計中使用量最大、面最廣的一種流量計。該流量計結構簡單、安裝方便、歷史悠久?已積累大量可靠的實驗數據。
差壓流量計是一種用節流裝置或其他差壓檢測元件（如測速管、畢托管）與差壓計配套使用來測量流速的儀表。該流量計是一種比較成熟的產品?20世紀50年代以前?國外已廣泛應用。由于它具有結構簡單、使用壽命長、適應性強和價格較低等優點?因而占有的市場比例很大?20世紀70年代曾高達到35％。目前市場占有率雖然有所下降?但仍然占有絕對大的市場。
近年來?與節流裝置配套使用的差壓變送器發展很快?主要在簡單、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）盡量減少零部件的種類和數量?僅僅使用經過證明是可靠的零部件。
2）采用左右對稱結構?從本質上消除產生誤差的因素。
3）檢測元件使用半導體復合型傳感器?可測量壓差、靜壓和溫度等參數。
4）利用微處理機補償傳感器的特性?變送器的精確度一般可達量程的0.1％?最高可達量程的0.075％。
5）應用數字通信技術?把通信信號重疊在4－20ｍＡ變送器統一輸出信號上?使用手持通信器便能遠距離地進行參數設定（與以前相比可節省工時96％ ）和自診斷（與以前相比?可節省故障檢查工時85％ ）。這種變送器稱為智能變送器或能巧變送器。由于智能型變送器的出現?因而可構成全數字儀表控制系統。
此外?目前已研發了一種新型的變送器?即在差壓變送器的功能上附加PID（比例、積分、微分）的調節功能。由此可以實現：① 僅用該儀表就能進行分散控制；② 用多臺儀表既能實現差壓變送器的功能?又能實現調節器的功能；③ 由于不需要調節器?因而差壓變送器與儀表控制之間無需
配線?降低了成本。
2 差壓流量計的特點
2.1 節流式差壓流量計的優點
節流式差壓流量計的主要優點表現在以下幾個方面。
1）節流件標準孔板結構易于復制、簡單、牢固、性能穩定可靠、使用期限長、價格低廉。節流式差壓流量計應用范圍極為廣泛?至今尚無任何類型的流量計可與之相比。
2）檢測元件與差壓顯示儀表可分別由不同廠家生產?便于專業化形成規模經濟生產?它們的結合靈活、方便。
3） 檢測元件?特別是對標準型元件的檢測?是全世界通用的?并得到國際標準化組織的認可。對標準型檢測元件進行的實驗研究是國際性的?其他流量計一般依靠個別廠家或研究群體進行?因此?研究的深度和廣度不可同日而語。從時間上看?標準型檢測件自20世紀30年代國際標準化組織確定后始終沒有改變?其研究資料及生產實踐的積累極其豐富?應用范圍廣泛。
4）標準型節流裝置無需實流校準?即可投入使用?在流量計中也是唯一的。
2.2 節流式差壓流量計的缺點
節流式差壓流量計的缺點主要有：
1）測量的重復性、精確度在流量計中屬于中等水平?由于眾多因素的影響?精確度難以提高。
2）范圍度窄?由于儀表信號（壓差）與流量為平方關系?一般范圍度僅為3∶1～4∶1。
3）現場安裝條件要求高?如需要較長的直管段（指孔板、噴嘴）?一般難滿足。
4）檢測件與壓差檢測儀表之間引壓管線為薄弱環節?易產生泄漏、堵塞、凍結及信號失真等故障。
5）壓力損失大（指孔板、噴嘴）。
3 節流裝置的發展狀況
3.1 國外節流裝置的發展狀況
節流裝置的發展有一個較長的歷史過程?早在17世紀初?卡斯特利和托里謝利提出兩條基本原理：第一?流速乘以管道橫截面的面積等于流量；第二?通過孔眼的流量是與壓頭的平方根成正比；這兩條原理為節流裝置奠定了理論基礎。1913年希克斯坦公布了孔板上游取壓口位置設在2?5Ｄ（Ｄ指被測管的直徑）處?下游取壓口位置設在8Ｄ處的最早的實驗數據。
1912年～1916年?托馬斯·韋默思和貝利研究了用于測量天然氣及蒸汽流量的法蘭取壓孔板實驗數據。而在歐洲對角接取壓孔板進行了相同內容的研究。
1930年后?美國煤氣協會、美國機械工程師學會、美國國家標準局聯合試驗?并確認俄亥俄州立大學的測試報告?將測試數據擬合成一個白金漢系數方程?使孔板的應用推進了一步。
1975年?斯托茲提出角接取壓、法蘭取壓、Ｄ－1／2Ｄ取壓孔板的流出系數可以使用一個通用的方程式。根據邏輯法則?利用俄亥俄州立大學的數據擬合了適合于法蘭、角接和Ｄ－1／2Ｄ取壓的無量綱方程式。1980年ISO5167采納了斯托茲公式。
3.2 國內節流裝置發展狀況
1976年?我國開始對孔板等節流裝置進行試驗研究?實驗研究內容包括：試驗用的標準流量裝置和差壓測量裝置的要求以及試驗方法；流出系數的驗證試驗；節流裝置的結構試驗；節流裝置的安裝試驗等。
1982年對Ｄ－1／2Ｄ取壓孔板、長徑噴嘴均速管靶式流量傳感器和臨界流量進行試驗研究?并制定了JJG311－83檢定規程。同時開始對均速管靶式流量傳感器和臨界流測量進行實驗研究。
1988年后?臨界流流量計在氣體流量測量中有較廣泛的應用。
1986年開始對均速管、1／4圓孔板、錐形入口孔板進行了研究?并制訂JJG621－89檢定規程。
1991年起?根據國家計量檢定規程體系表的規定?重新制定了《差壓式流量》國家計量檢定規程JJG640－94。這一標準將所有產生差壓的節流裝置和流量傳感器歸為一類?包括配套的差壓變送器。
3.3 流量測量儀表的發展方向
隨著工業的發展和技術的進步?綜合控制和管理系統會越來越多。流量測量儀表是傳輸現場信息的重要部分?流量測量儀表的發展方向主要有：
1）大量地、準確地傳輸信息?這就需要以可靠性作為首要條件的小型、輕型、低價格、操作容易的流量測量儀表。
2）系統實行分散化?將系統的一部分功能轉移到流量測量儀表上?這就需要多功能、高穩定和高精度的智能流量測量儀表。
4 節流裝置標準化研究現狀
4.1 標準節流裝置的研制過程
1） ISAI932噴嘴（孔板）。標準節流裝置的發展經過漫長的過程?早在20世紀20年代?美國和歐洲的一些國家就開始進行大規模的節流裝置實驗研究?并對最普通的節流裝置（孔板和噴嘴） 的設計實行標準化。標準孔板稱為ISAI932孔板。節流裝置的標準化具有深遠的意義?只有節流裝置的標準化?才有可能把國際上眾多研究成果匯集到一起?它促進檢測元件的理論和實踐向深度和廣度拓展?這是其他流量計所不及的。
20世紀50年代末?國際標準化組織ISO把美國與歐洲節流裝置的研究數據相結合?并于1967年、1968年頒布了ISO／Ｒ541有關孔板和噴嘴的規定和ISO／Ｒ781有關文丘里管的規定兩個標準。
2） 國際標準ISO5167。1980年?ISO正式通過國際標準ISO5167?由此流量測量節流裝置第一個國際標準誕生了。ISO5167總結了幾十年來國際上對為數不多的幾種節流裝置（孔板、噴嘴和文丘里管）的理論與實驗的研究成果?反映該檢測元件的當代科學與生產技術水平。
在此之前?我國一直用前蘇聯的節流裝置手冊。1976年?我國開始對孔板等節流裝置進行試驗研究。1981年?我國制定了第一個節流裝置國家標準CTB2624－81。隨著科學技術的發展和檢測手段的提高?1993年? 修訂后的國標為GB／T2624－1993。
4.2 ISO5167存在的問題
ISO5167從正式頒布時就暴露出許多問題?其主要問題有：
1） ISO5167實驗數據的陳舊性。ISO5167中采用的數據大多數是20世紀30年代的實驗結果?而現在無論節流裝置制造技術、流量實驗設備還是實驗技術都有了巨大的進步?因此重新進行系統的實驗以獲得更高精度的數據是必要的。進入80年代?美國和歐洲都進行了大規模的實驗?為修訂ISO5167打下了基礎。
2） ISO5167中有關于直管段長度的規定。長期以來這一問題一直是爭論的焦點?該問題也是ISO5167修訂的主要原因之一。
3） ISO5167中各項規定的科學性。影響節流裝置流出系數的因素很多?主要有孔徑與管徑的比值Ｒ、取壓裝置、雷諾數、節流件安裝偏心度、前后阻流件類型及直管段長度、孔板入口邊緣尖銳度、管壁粗糙度、流體流動湍流度等?由于眾多因素的影響?有的參數難以直接測量?標準中有些規定并非科學。
4） 節流裝置的精確度不高。20世紀80年代?美國和歐洲開始進行大規模的孔板流量計的實驗研究?歐洲有歐共體實驗計劃?美國有ＡＰＩ實驗計劃?實驗的目的是用最新測試設備及實驗數據的統計處理技術進行新一輪的范圍廣泛的實驗研究?為修訂ISO5167打下技術基礎。1999年國際標準化組織發出ISO5167的修訂稿（ISO／CD5167－1～4）?該文件在技術內容和編輯方面都有較大的改動?是一份全新的標準。原預定于1999年7月在美國丹佛舉行的ISO／TC30／SC2會議上審查通過為DIS（標準草案）?但會議認為該文件的一些細節問題有待進一步商榷?因此未能通過審核批準。2000年通過的ISO／5167新標準?標準的兩個核心內容都有了實質性的變化： 一是孔板的流出系數公式?用Ｒｅａｄｅｒ－Ｈａｒｒｉｓ／Ｃａｌｌａｇｈｅｒ計算式（Ｒ－Ｇ式）代替Ｓｔｏｌｚ計算式；二是節流裝置上、下游側直管段長度以及流動整流器的使用等有了明確的要求。
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