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多孔板流量測量的實驗研究

時間:2021-08-02 21:22:25 來源:本站 點擊:3312次

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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