多孔板流量測量的實驗研究
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1 引言
在流量測量領(lǐng)域
，差壓式流量計占流量計總數(shù)的1/3以上[1]
。傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)孔板具有結(jié)構(gòu)簡單
，易于加工制造
，價格相對低廉等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。但是
，在一些特殊場合中
，標(biāo)準(zhǔn)孔板的測量則存在較大誤差。近年來
，很多學(xué)者對槽式孔板進行了廣泛的研究[2～5]
，該孔板既具有傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)孔板的優(yōu)良特性，又克服了標(biāo)準(zhǔn)孔板的缺點
。但是
，由于槽式孔板不容易加工，導(dǎo)致制造工藝成本較高
。因此
，本文提出了一種新型流量測量元件多孔板的設(shè)計，并通過實驗研究了多孔板的流量測量特性
。
2 多孔板結(jié)構(gòu)簡介
多孔板由兩圈（或單圈或多圈）系列圓孔組成
，小孔沿管道軸心對稱分布，使工質(zhì)通過多孔板后流速均勻分布
，結(jié)構(gòu)如圖1所示
。
多孔板結(jié)構(gòu)雖然與標(biāo)準(zhǔn)孔板有所不同，但仍可視為節(jié)流元件
。流量計算依舊可采用單相流體通過標(biāo)準(zhǔn)孔板的經(jīng)典計算式[6]
，即：
圖1 多孔板結(jié)構(gòu)示意圖
式中，β為當(dāng)量孔徑比
；A0為小孔流通面積的總和
，m2；A為管道流通面積
，m2
；qv為流體的體積流量，m3·s-1
；C為流出系數(shù)
；ε為膨脹系數(shù)；Δp為孔板前后壓差
，Pa
；ρ為被測介質(zhì)密度，kg•m-3
。
流出系數(shù)的穩(wěn)定性是衡量孔板流量計的重要指標(biāo)之一
，高性能的孔板流量計必須具有穩(wěn)定的流出系數(shù)。因此
，研究流出系數(shù)的穩(wěn)定性對提高測量精度有著重要意義[7]
。
3 實驗系統(tǒng)
實驗為3個多孔板和3個標(biāo)準(zhǔn)孔板。多孔板的小孔直徑均為5mm
，厚度為12mm
；兩種孔板都取3個不同的β值0.42、0.59
、0.65
。實驗管道為透明有機玻璃管，內(nèi)徑為30mm
；系統(tǒng)所用工質(zhì)為自來水
。圖2為實驗系統(tǒng)示意圖。由圖2可見
，自來水經(jīng)潛水泵進入實驗管道
，通過旁路和主管路閥門調(diào)節(jié)流量。流量從小到大逐漸調(diào)節(jié)
，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后
，每隔0.1m3·h-1測量1個流量數(shù)據(jù)
。實驗中的采樣頻率為2kHz，采樣時間為3s
，取3s內(nèi)的平均值作為測量值
。
圖2 實驗系統(tǒng)示意圖
所用的流量計為電磁流量計，測量精度為±0.5%
；差壓信號由差壓變送器測量
，測量精度為±0.1%；所有采樣程序和控制命令均是以LABVIEW7.0版本為平臺開發(fā)的
。數(shù)據(jù)采集板為NI公司的NI6023E高速數(shù)據(jù)采集卡
，采樣精度為12位。
4 實驗結(jié)果與分析
4.1 流出系數(shù)的對比
圖3給出了3種β值下
，C與Re的關(guān)系
。從圖3可以看出，多孔板流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化全過程可分為非平穩(wěn)區(qū)和平穩(wěn)區(qū)
。在雷諾數(shù)較低時
，多孔板與標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)均表現(xiàn)出急劇變化的現(xiàn)象；多孔板流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而迅速增加
；而標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加迅速減小
。對于β為0.42的多孔板，Re>8000時為平穩(wěn)區(qū)
；β為0.59時
，Re>10000為平穩(wěn)區(qū)；β為0.65時
，Re>11000為平穩(wěn)區(qū)
。在非平穩(wěn)區(qū)內(nèi)，雷諾數(shù)較小
，影響流出系數(shù)的因素較多
，平穩(wěn)性及重復(fù)性都很差，因此
，流出系數(shù)表現(xiàn)出不穩(wěn)定的現(xiàn)象[8]
。在平穩(wěn)區(qū)內(nèi)，多孔板流出系數(shù)明顯高于標(biāo)準(zhǔn)孔板
，對于β為0.42
、0.59、0.65的多孔板流出系數(shù)
，分別比相同β標(biāo)準(zhǔn)孔板高出25.6%
、25.2%、22.5%。隨著β值的增加
，多孔板流出系數(shù)達到穩(wěn)定時的Re也向后推移
。在平穩(wěn)區(qū)，2種孔板流出系數(shù)趨于穩(wěn)定
，變化范圍很小
，但標(biāo)準(zhǔn)孔板的流出系數(shù)有緩慢下降的趨勢
，多孔板流出系數(shù)基本上趨于定值
。
圖3 流出系數(shù)與Re的關(guān)系
為了定量比較流出系數(shù)的穩(wěn)定性，引入4個流出系數(shù)的評價指標(biāo)
，分別是標(biāo)準(zhǔn)差（Sp）
、線性度（Lc）、流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化率（Kcr）和相對變化范圍（S）
，分別定義為：
式中
，Ci為第i個實驗點所測量出的流出系數(shù)；n為實驗點的個數(shù)
；C為流出系數(shù)平均值
。
以上4個指標(biāo)的作用是：①SP用來衡量流出系數(shù)相對于平均值的離散程度；②Lc用來描述流出系數(shù)平穩(wěn)性
，③Kcr用來反映流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化率
；④S用來反映流出系數(shù)不穩(wěn)定性對測量精度的影響。
孔板流量計一般是工作在平穩(wěn)區(qū)
，流出系數(shù)通常取定值
，因此，評價平穩(wěn)區(qū)內(nèi)的流出系數(shù)穩(wěn)定性具有實際工程應(yīng)用價值
。
從表1可以看出
，在相同的β值下，多孔板的4種評價指標(biāo)值均小于標(biāo)準(zhǔn)孔板的值
，說明多孔板的流出系數(shù)穩(wěn)定性比標(biāo)準(zhǔn)孔板好
。其中，多孔板的SP小于標(biāo)準(zhǔn)孔板的SP
，說明多孔板流出系數(shù)相對平均值要比標(biāo)準(zhǔn)孔板集中
，分散程度小
；多孔板的Lc小于標(biāo)準(zhǔn)孔板的Lc
，表明多孔板的流出系數(shù)總體變化范圍小，僅在小范圍內(nèi)波動
；多孔板的Kcr小于標(biāo)準(zhǔn)孔板的Kcr
，表明雷諾數(shù)對多孔板流出系數(shù)影響較小，即多孔板流出系數(shù)對雷諾數(shù)的變化不敏感；多孔板的S小于標(biāo)準(zhǔn)孔板的S
，說明多孔板在測量時因流出系數(shù)波動所產(chǎn)生的偏差小于標(biāo)準(zhǔn)孔板
。β為0.42、0.59
、0.65的多孔板流出系數(shù)相對變化范圍分別比標(biāo)準(zhǔn)孔板低0.83%
、2.02%、1.67%
。
4.2 壓力損失特性
在管道上加節(jié)流件
，不可避免將帶來一定的壓力損失。一般情況下
，應(yīng)盡可能降低不可恢復(fù)壓力損失
；在特定場合，有壓力損失限制要求
，以減少能量消耗[9]
。因此，在選擇流量計時
，必須考慮節(jié)流件帶來的壓力損失
，以及壓力損失所帶來的影響。因此
，壓力損失也是衡量孔板流量計的一個重要指標(biāo)
，在相同的測量精度下，即可能選擇壓力損失較小的流量計
，以減小管道的能量損失
。在實驗過程同時測量了多孔板和標(biāo)準(zhǔn)孔板的壓力損失。將孔板前1D（D為管道直徑）處和孔板后6D處的壓力差作為孔板的壓力損失[7]
，使用差壓變送器測量多孔板和標(biāo)準(zhǔn)孔板壓力損失的大小
。
工程實際應(yīng)用中，常以永久性壓力損失比來衡量孔板壓力損失的大小
，永久性壓力損失比K定義為：
（6）
式（6）中
，Δω為永久壓力損失，Pa
。以β為0.42
、0.59、0.65的多孔板和標(biāo)準(zhǔn)孔板為實驗對象
，實驗結(jié)果見表2
。
在表2中，β為0.42時
，多孔板永久性壓力損失與孔板基本相等
；β為0.59和0.65時，標(biāo)準(zhǔn)孔板永久性壓力損失略小于多孔板。該表還顯示了永久性壓力損失比隨β值的變化趨勢
。
5 上游旋流對孔板流出系數(shù)的影響
在ISO5167和GB/T2624中
，孔板的適用條件為滿管的亞音速單相流，不適用于脈動
、有旋轉(zhuǎn)的流動
。雖然在孔板前后均要求有直管段，但實際工況下還是有一定的旋流存在
，研究這些旋流對測量精度的影響
，具有十分重要的實際工程應(yīng)用價值[10～12]
制做一個長為12cm的旋流葉片（圖4）作為旋流器，安裝在管道內(nèi)
。安裝在距離孔板上游分別為15D
、10D
、5D處
，研究旋流對孔板的影響大小。實驗結(jié)果見表3
。
圖4 旋流葉片
由表3可以看出
，在旋流的影響下，多孔板流出系數(shù)減小
，標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)增大
。因此，在有旋流的工況下
，用標(biāo)準(zhǔn)孔板測量流量比實際流量偏大
，而用多孔板則稍微偏小一些，說明旋流對多孔板和標(biāo)準(zhǔn)孔板的影響是不同的
。當(dāng)β=0.42時
，多孔板流出系數(shù)變化率明顯小于標(biāo)準(zhǔn)孔板，表明多孔板的流出系數(shù)對旋流影響不敏感
。因此
，β較小時多孔板比標(biāo)準(zhǔn)孔板更適合于有旋流動的場合，其抗干擾性能更好些
。然而
，對于β=0.65的多孔板，其抗擾流性能則不如標(biāo)準(zhǔn)孔板
，這說明多孔板的抗旋流能力受β值的制約
。
6 結(jié)論
（1）多孔板流出系數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)孔板更穩(wěn)定。在本實驗范圍內(nèi)
，β為0.42
、0.59、0.65時，多孔板流出系數(shù)變化幅度比標(biāo)準(zhǔn)孔板分別低0.83%
、2.02%
、1.67%。
（2）多孔板永久性壓力損失比與標(biāo)準(zhǔn)孔板相當(dāng)
，永久性壓力損失比隨β值的增大而減小
。
（3）β較低時（β=0.42），多孔板抗旋流能力優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)孔板
，β較高時（β=0.65）
，情況剛好相反。在有旋流存在時
，多孔板流出系數(shù)會減小
，測量的流量值偏大；而標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)會增大
，流量值偏小
。
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