复杂脉动流对孔板流量计影响的实验研究

    孔板流量计是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸汽流量应用最广泛的一种流量仪表。但是根据国际标准ISO5167-1的规定,应用标准孔板的重要前提条件之一,是管道中的介质为稳定流动(1)。当管道中的介质流动为脉动流动时,作为标准的ISO5176-1将不再适用。而且,由于脉动流动的影响,孔板流量计的流量示值会产生很大的误差。

    国际标准化组织ISO于1992年通过了技术报告ISO/TR3313 (适用孔板、喷嘴或文丘利管测量管道中脉动的流体流动)(2),主要针对的是单脉动源形成的周期脉动流,提出了孔板流量计测量脉动流时应遵循的一些指导原则,并给出了一定的脉动幅值范围内流量计测量示值误差的估计公式。

    1　脉动流动对孔板流量计的影响

    1·1　孔板流量计误差的产生原因

    孔板流量计属节流式流量计,它在工程实际中得到广泛的应用主要是因为它具有非常突出的优点:⑴结构简单,安装方便,工作可靠,成本低,又具有一定准确度。能满足工程测量的需要。⑵有很长的使用历史,有丰富的、可靠的实验数据,设计加工已经标准化等。但是,孔板流量计的使用也有很大的限制。根据国际标准ISO5167和国家标准GB2624的具体规定,我们可知,使用标准节流装置时,流体的性质和状态必须满足下列条件:⑴流体必须充满管道和节流装置,并连续、稳定地流经管道。⑵流体必须是牛顿流体⑶流体流经节流件时不发生相变。⑷流体流量不随时间变化或变化非常缓慢。⑸流体在流经节流件前,流束是平行与管道轴线的无旋流。

    实际上,工业管道中流体的流动都是不稳定的,其中有很大部分流动是周期性或随机性的脉动流。在用孔板流量计对脉动流体进行测量时尽管孔板流量计的生产和安装完全符号国际标准ISO5167或国家标准GB2624的规定,但由于流体流动状态发生改变,其测量结果将存在很大的误差。

    根据国外已发表的研究成果和国际标准化组织于1992年发表的技术报告ISO/TR3313,可以得到脉动流状态下,孔板流量计示值误差的影响来自两个方面(图1所示):一是对孔板流量计一次元件所产生的影响,即孔板流量计在测量脉动流时存在的原理上的误差;第二是对孔板流量计的差压信号传递及转换系统所产生的影响,以及流量计二次仪表中所采用的流量计算方法的影响。

    1·2　一次元件(孔板)的误差估计

    在讨论脉动流动状态下,孔板前后取压孔之间的差压信号△p (t)与被测脉动流量q (t)之间的关系时,首先做如下假设(2) (3):①在流体流过孔板时,仍被认为是一维流动;②在脉动周期内流体的流线形状不发生改变。