1　引　言

　　差压式流量计(简称DPF)是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知流体条件和检测件与管道的几何尺寸来检测流量的仪表。DPF由一次装置(检测件)、二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常按照检测件的形式对DPF进行分类,如孔板流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。二次装置为差压变送器和显示及计算仪表,它已发展为三化(系列化、通用化、标准化)程度很高的、种类规格庞杂的一大类仪表。对于DPF,按照标准文件在设计、制造、安装和使用时,在已知其流出系数、可膨胀性系数、直径比等参数条件下,根据节流前后的差压即可确定其流量值并估算其测量误差[1]。但是其计算过程相当的复杂,而且需要查表确定参数,计算结果用于实时测量还是存在测量误差。为解决计算问题,引入广义流出系数的概念,使其能够简单地实现DPF的标定和流量求解。①

　　2　差压式流量计原理

　　以孔板流量计为例,充满管道的流体,当它流经管道内的节流件时,如图1所示,流束将在节流件处形成局部收缩,因而流速增加,静压降低,在节流件前后产生差压。流体流量越大,产生的差压越大,这样就能够根据差压来间接测量流量的大小[1]。

 流量方程:

　　3　传统标定方法

　　DPF在出厂时附有设计计算书[4],得到孔板流量计的参数,根据差压变送器(DP)测得差压,再将差压信号送至数显测控仪,数显测控仪经过运算后可得实时流量。在应用数显测控仪显示流量时,要根据差压变送器的量程计算得到数显测控仪的上限和下限,输入至数显测控仪,才能够在仪器上显示实时流量。其计算过程相当复杂,稍有不慎将导致错误。下面以孔板流量计为例按照此方法进行计算。

　　(1)孔板流量计参数如表1所示。

　　(2)设定数显测控仪。

　　在数显测控仪的信号输入选择“4~20mA开方信号”,差压变送器的量程为0~5 kPa,因为流量正比于差压的开方,只要求得差压达到最大值时对应的流量,即可设定数显测控仪的上限。应用式(1)和式(2),代入ΔPmax=5.0 kPa,ΔPmin=0 kPa,可得需要设定的数显测控仪上限和下限分别为

　　数显测控仪根据式(5)自动计算瞬时体积流量:

　上述的标定方法是先计算出正确的实际流量上限,再利用数显测控仪内部的开方功能实现实时的瞬时流量检测。理论上讲,对于标准的DPF,无需经过实流校验就能够获得令人满意的计量精度。实流校验如表2所示

　　针对本案,根据理论计算设定数显测控仪,检测的流量和实际的流量值有一定的测量误差,测量误差均在10%以上,几乎不能够满足工程测量的精度要求。所以,在采用这种方法标定DPF后,还是需要实流校验来修正标定结果。

　　4　新标定方法

　　如果事先不计算,输入任意值作为数显测控仪的实际流量上限,经过一次实流校验,也能得到一个流出系数,根据它再设定仪表的流量上限,就能够实现实时的瞬时流量检测。具体操作过程如下:

　　(1)任意输入数显测控仪的量程上限。在数显测控仪中,选择“4~20mA信号开方”,设定测量上限量程q0max为10.00L/min作为流量显示的理论上限,也可以是其他的任意值,为了标定精　　确起见,设定值应该和实际的最大量程不要超过一个数量级,以免产生过大的舍入误差。重启仪表,记录下仪表显示的流量q′理论为8.86L/min,经过实流校验的实际流量q′实际为.41L/min

　　按照上述方法标定后的流量计应用于实流测量,测试数据如表3所示

　　经过比较得,按照新的标定方法在比较广的流量范围的测量误差均小于5%,能够满足工程测试的要求。

　5　理论依据

　　根据式(3),定义广义流出系数C′的概念为:任意设定一个值作为理论流量,广义流出系数等于实际流量和理论流量之比。即:

             这里的理论流量不是从DPF流量公式(1)中直接计算得来的,C′可以大于1,也可以小于1,区别于理论计算得来的C一般是小于1的。在经过实流校验之后,得到C′,实际流量可以按照式(12)求得。

　　在由DPF、差压变送器、数显测控仪组成的瞬时流量检测系统中,是根据差压间接测量瞬时流量,最终的结果通过数显测控仪显示。在标定时,需要确定数显测控仪的分度K。

　　应用广义流出系数的概念,能够得到K。数显测控仪显示的数据是和差压的开方成正比的,也就是和实际的流量成正比的。把仪表显示的数值作为理论流量,把实流检测的流量作为实际流量,能够得到广义流出系数。再根据原仪表设定的测量上限,乘以广义流出系数,即得到正确的仪表设定上限。从而使仪表正确的测量。变换原理如图2所示

　　管道流量不变的情况下,差压不变,即送入数显测控仪的电流信号强度不变,把任意值作为它的量程显示上限,数显测控仪所显示的数据和差压的开方成比例关系[5]:

　　6　结束语

　　按照传统的方法标定差压式流量计,要根据流量计的设计参数、差压变送器的量程计算出差压达到最大时对应的流量,然后设定数显测控仪的测量上限,实现实时检测流量,检测的流量和实际的流量值有一定的测量误差,测量误差均在10%以上,几乎不能够满足工程测量的精度要求。所以,在采用这种方法标定DPF后,仍需要实流校验修正标定结果。在引入广义流出系数概念的基础上,应用流量和差压开方的关系,按照新的标定方法标定DPF,无需经过流量公式计算,仅需一次实流校验即可标定流量计,得到的精度也在5%以上,标定精度比传统的高出3~5倍以上,能够满足工程测量的需求。同样,对于其他形式的流量计,如电磁流量计、涡街流量计等,只要输入信号和测量结果满足比例关系,也能够用广义流量系数的概念进行标定,该方法具有普适性。

　　参考文献:

　　[1]　BECKWITH TG.机械量测量[M].第5版.王伯雄,译.北　京:电子工业出版社, 2004.

　　[2]　世界标准化组织. ISO 5167-2: 2003,用插入圆截面管道中的压差装置测量流体流量[S]. 2003.

　　[3]　蔡武昌,孙维清,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.

　　[4]　孙维清,王建中.流量测量节流装置设计手册[M].第2版.北京:化学工业出版社, 2005.

　　[5]　解西钢.过程检测仪表[M].北京:化学工业出版社, 2008.

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