孔板工作原理及誤差補償方法

孔板工作原理及誤差補償方法
    1.1 孔板式流量計的工作原理
    孔板式流量計采用差壓式測量方法對流量進行測量，即在管道內裝入節流元件—孔板。當水蒸氣流過孔板時，流體速度增大，壓力減小，于是在孔板的前后產生差壓，具有一定設計尺寸的孔板測量水蒸氣流量，在保證孔板前后有足夠的直管段等條件下，孔板前后的差壓將隨流量的變化而變化，且二者具有確定的關系，因此可以通過測量差壓得到水蒸氣的流量。根據國標GB/T2624-93，對于標準節流裝置，差壓ΔP與流量qm的函數關系為：
    
    式中，qm為質量流量，kg/s；C為流出系數；D為管道內徑，m；ε為節流件正端取壓口平面上的氣體膨脹系數；d為工作條件下節流件的開孔直徑，m；ρ為節流件入口端流體密度，kg/m3。
    1.2 流出系數C的補償
    流出系數C是表征孔板節流裝置特性的主要參數，是雷諾數Re和β的函數，它是一個隨流量變化的量，其值隨Re的增大而減小，當Re大于一定值趨向無窮大時，C趨向于常數CK，而孔徑比β越大，C的變化幅度也越大，使C趨向于常數CK的Re也越大，C 與β和Re之間的定量關系為[1]：
    
    對于給定的標準孔板，當β為常數時，C僅是Re的函數C=f(Re)，在式（1）中，將C用式（2）而不是一個常數來代替，可提高計量的精度。
    1.3 水蒸氣膨脹系數ε的補償
    差壓式流量計在用來測氣體和蒸汽流量時，流體流過節流裝置在節流件兩邊都要產生一定的差壓，在節流件的下游靜壓降低，因而出現流束膨脹，流束的這種膨脹使得節流裝置的輸出（差壓）- 輸入（流量）關系產生同不可壓縮流體之間的偏差，如果不對這種偏差進行校正，將會導致流量示值偏高千分之幾到百分之幾，尤其是流量在較大范圍內變化時，產生的誤差會更大，更有必要對其進行修正。
    1.4 孔板流量計變更量程后的修正
    盡管改變差壓變送器的差壓范圍是非常容易的事，但不能只對差壓范圍做調整就萬事大吉。這是因為孔板流量計量程變更后，管道中的常用流速等參數發生變化，流出系數也相應有所變化，因此需從已知節流裝置數據（從節流裝置計算書查得）和其他有關流量數據（如：變更后的流量上限、常用流量）計算出新的差壓上限。實踐證明，若量程縮小后，C和ε均增大，相應的質量流量會偏大。
    1.5 密度ρ的補償
    在其他參數不變的情況下，qm與ρ之間的關系為：    
    可以看出，水蒸氣的流量與其密度的平方根成正比關系。水蒸氣是可壓縮性氣體，當其壓力、溫度變化時，其密度將發生明顯變化，這將引起流量很大的誤差。因實際流體狀態（壓力、溫度）與流量計設計時的狀態（ 壓力、溫度）偏離造成的相對誤差可由下式表示：    
    假如設計孔板流量計時是按照1MPa,285℃所對應的過熱水蒸氣密度ρ=4.374kg/m3設計的，則密度的變化造成的測量誤差可能很大，壓力大，溫度低時，測量值偏大；壓力低，溫度高時，測量值偏小。水蒸氣的實際狀態偏離孔板實際狀態越嚴重，所引起的誤差越大。要補償密度變化所引起的這種誤差，就不能將式（1）中的ρ以設計工況下的密度來代入，需要將ρ看作壓力和溫度的函數，即ρ=f(P，t）。這也就是一般智能流量積算儀均要對過熱蒸汽進行壓力溫度補償的原因。
    1.6 孔板內徑d和管徑D的誤差補償
    測量水蒸氣流量時，如果設計工況為200℃，孔板內徑為d，則孔板內徑在實際工作狀態下的修正公式為：
    式中，λ為孔板材料的線膨脹系數，1/℃。在其他參數不變的情況下，qm與d的關系為：
    qm=kd2
    式中，k為一常數，則qm的相對誤差為：    
    若孔板材料為1Cr18Ni9Ti，孔板工作的溫度范圍為（200±10）℃，將式（4）代入式（5）中得：    
    實際上d和D偏離設計值造成的后果就是流量測量系統的滿度值發生了變化，如果將d和D的實際值測量出來，代入公式計算出與此實際值相對應的流量滿度值，然后用新的滿度值代替原設計值，置入流量顯示儀表，則系統運行后，尺寸誤差對測量系統的影響就能得到完全的校正，這也就是每臺流量計在投入使用前進行修正計算的主要工作。