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孔板智能流量计的应用
2010/4/30 14:07:03
浏览：821
一体化孔板智能流量计的应用
图片：图片：
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1、引言
多年来，蒸汽流量的准确计量是各仪表生产厂家和技术人员研究和实践的要点。从传统的孔板到90年代在我国广泛使用的涡街流量计，和其他的各种产品，在复杂的工业现场，很难做到准确的计量。
现代工厂中随着对生产工艺及过程的不断提高，要求节能，现在多数的节能措施即是合理的计量工艺中所要求的各个参数及介质，确保产品的质量及合格的工耗，要求流量计能准确计量；热电厂对外供热同样要求测量蒸汽的流量计计量准确，以利贸易结算。以往选用蒸汽流量计时，往往受到流量计本身的参数影响。例如孔板流量计量程比窄，计量精度低，而不能满足过程计量的要求。
差压式流量计是迄今为止检测各种气体、液体和蒸汽流量最为广泛使用和熟悉的检测方法。它用于检测流量的基本原理早在17世纪就已发现，而真正开始进行大规模的试验和用于工业流量测量是在本世纪20年代。标准节流装置经过60余年的研究和使用，积累了丰富的数据和经验，它是目前流量仪表中唯一达到标准化的检测元件，即无须实施校准就可投用。这是它成熟程度的主要原因之一。根据日本电气计测会和日本计量机器工业联合会在所有流量仪表总销售金额的35%左右。经粗略统计，过程中约80%的流量测量系统采用差压式流量计。由此可见必须充分了解差压式流量计的特性。
2、孔板流量计分析
2.1传统孔板流量计
差压式流量计由节流装置（标准节流装置和特殊节流装置）和差压计组成。按其测量方法是是以能量守衡定律和流动连续方程为基础的。标准节流装置基本适合测量干净的液体、气体或蒸汽流量。其主要优点是结构简单，能够保证一定使用精度，加工、安装及更换方便，价格低廉。主要不足和缺点是测量范围窄（量程比约4：1），永久压力损失大（占差压的40%-80%），直管段要求较严格。带尖锐边缘的标准孔板不适合测量强磨蚀流体，长时间使用会改变流量系数，从而增大误差。此时宜采用标准喷嘴。一般需经模拟实流试验才能可靠地使用的节流装置称为特殊节流装置（或称为非标准节流装置）。特殊节流装置的使用主要是弥补标准节流装置的不足。比如1/4圆喷嘴和双重孔板可用于测量低雷诺数的流体，圆缺孔板、偏心孔板等可用于测量脏污介质，整体（内藏）孔板可用于测量小流量（小管道），文丘里管适用于低压损测量等……
传统孔板是范围度1:3～1:5，计量精度±5%，这是因为传统的孔板流量计以△P为变量，测出孔板的流量，但这在实际中qm＝f(c，ε，△P)的函数，在实际设计中通常采用c，ε为一常量去设计，即在整个测量流量范围（差压范围）内，只用一个计算公式。因此，仅仅由于计算误差，就影响到整个测量范围（不包括仪表和传感器部分的误差），在65%处的流量附近时，误差接近零，离开此处后，误差逐渐增大。这就是说过去选用的c，ε点即为70%左右的点，流量大时误差偏向“+”侧，相反流量小，误差偏向“－”。由压差检测获得的孔板计算曲线，在无计算机技术的年代里，是无法对其进行多层次的运算，孔板流量计的量程比和测量精度在很长的一段时间里停留在较低的水平。
2.2SR一体化孔板流量计
SR一体化孔板流量计是不同于以往的传统型孔板流量计.1984年，由于IC技术的发展和计算机技术的应用技术人员开始研究由孔板误差曲线所想到的新的运算方法。这就是计算误差均限定为±4%时，流量范围约为45%-85%。这就是过去工业测量所能使用的范围，量程比为1：4，孔板测量精度±4%，再提高测量精度至±3%时，量程比比缩小1：2附近，超过这个界限测量时，会造成压力表内水银飞溅，产生大的测量误差，是不便于实际应用的流量计。这就是人们认为孔板流量计精度±4%，量程比最大到1：4固有观念的原因所在。事实上确是如此，即使拥有现代的传感器，也无法超越这个原理和法则。但是这么大的误差和窄的量程比对工业测量带来很多问题。技术人员从误差曲线开始研究，在曲线上精度±0%处（流量65%附近）分割出一流量（压差）区域，在此区域内测量精度为零或接近于零，并进一步用计算机进行处理实验。为便于计算，选定使用频率高的区域，在此区域内组成计算误差最小的数学模型，其它区域仍用以往的计算式，这种方式在所确定的区域内误差变小，区域外侧产生很大的误差，流量范围增大，误差随着越大，不能取得大的量程比。由此可见，只用一人公式包容流量计的整个流量范围，是不合适的，有违于测量原理。这种方式的根本错误是难于将所认定的高频度使用区域与现实相吻合，对于整个流量范围，减少测量误差的方法可增加运算式的数量就可满足要求。
SR一体化孔板流量计基于以上原理，采用了IC技术和计算机技术实现了量程范围度1：20或更大量程比，基本误差为±1%。（保证在整个测量段范围内）。
2.2.1测量原理-逼近式算法
孔板流量计是通过使用孔板节流元件获取差压并依据节流装置流量测量的相关国家标准及国际标准(如GB/T2624-93 ﹑ISO5167等)所规范的原理﹑条件最终计算出所需测量的流量值。其基本公式如下:
①瞬时流量:
标记为公式组 ①
式中: qm----------瞬时流量,单位:kg/h β-------工作状态孔径比;
*ΔP--------------差压, 单位:Pa *c -------流出系数
ρ1---------------上游侧流体密度, 单位:kg/m3 *ε1-----流体可膨胀系数
d ----------------工作状态节流孔径, 单位:m
公式中有几个关键系数：c、ε1 它们不仅与介质状态相关而且还与流态（管道雷诺数）相关；因此实际上是一组复合变量。以前由于受电子技术发展水平制约，计算机或单片机无法在约定的时间内按复杂的数学模型快速处理数据流，为了简化运算程序只好将系数：c、ε1、β常数化，即不管蒸汽状态如何变化、雷诺数多高均取设计状态时常用流量点系数c、ε1、作为公式常数建模。其代价便是人为增大系统误差，降低可信测量范围。
首先将误差限定在±1%时，分析用一个运算式计算误差有多少，发现流量范围—30%的比例平分后，平均其误差，在这种条件下使用计算机按所编程序进行运算，然后误差从±1.0%一下缩至±0.5%，分割流量范围为20%，可见其误差平均化。将此理论进一步发展，可将分割流量范围为20%，可将分割区间细分，使误差无限接近零，进一步细分至无穷大，最后可能收敛于零。然而总是不那么简单，细分区间必使得孔板的计算复杂化，首先看原计算式。
*C：流出系数(- -)
β：孔径比(d/D)
*ε：可膨胀系数
γ：蒸汽的比重(Kg/m³)
*△P：压差(Pa)
多年来，蒸汽流量的准确计量是各仪表生产厂家和技术人员研究和实践的要点。从传统的孔板到90年代在我国广泛使用的涡街流量计，和其他的各种产品，在复杂的工业现场，很难做到准确的计量。
现代工厂中随着对生产工艺及过程的不断提高，要求节能，现在多数的节能措施即是合理的计量工艺中所要求的各个参数及介质，确保产品的质量及合格的工耗，要求流量计能准确计量；热电厂对外供热同样要求测量蒸汽的流量计计量准确，以利贸易结算。以往选用蒸汽流量计时，往往受到流量计本身的参数影响。例如孔板流量计量程比窄，计量精度低，而不能满足过程计量的要求。
差压式流量计是迄今为止检测各种气体、液体和蒸汽流量最为广泛使用和熟悉的检测方法。它用于检测流量的基本原理早在17世纪就已发现，而真正开始进行大规模的试验和用于工业流量测量是在本世纪20年代。标准节流装置经过60余年的研究和使用，积累了丰富的数据和经验，它是目前流量仪表中唯一达到标准化的检测元件，即无须实施校准就可投用。这是它成熟程度的主要原因之一。根据日本电气计测会和日本计量机器工业联合会在所有流量仪表总销售金额的35%左右。经粗略统计，过程中约80%的流量测量系统采用差压式流量计。由此可见必须充分了解差压式流量计的特性。
2、孔板流量计分析
2.1传统孔板流量计
差压式流量计由节流装置（标准节流装置和特殊节流装置）和差压计组成。按其测量方法是是以能量守衡定律和流动连续方程为基础的。标准节流装置基本适合测量干净的液体、气体或蒸汽流量。其主要优点是结构简单，能够保证一定使用精度，加工、安装及更换方便，价格低廉。主要不足和缺点是测量范围窄（量程比约4：1），永久压力损失大（占差压的40%-80%），直管段要求较严格。带尖锐边缘的标准孔板不适合测量强磨蚀流体，长时间使用会改变流量系数，从而增大误差。此时宜采用标准喷嘴。一般需经模拟实流试验才能可靠地使用的节流装置称为特殊节流装置（或称为非标准节流装置）。特殊节流装置的使用主要是弥补标准节流装置的不足。比如1/4圆喷嘴和双重孔板可用于测量低雷诺数的流体，圆缺孔板、偏心孔板等可用于测量脏污介质，整体（内藏）孔板可用于测量小流量（小管道），文丘里管适用于低压损测量等……
传统孔板是范围度1:3～1:5，计量精度±5%，这是因为传统的孔板流量计以△P为变量，测出孔板的流量，但这在实际中qm＝f(c，ε，△P)的函数，在实际设计中通常采用c，ε为一常量去设计，即在整个测量流量范围（差压范围）内，只用一个计算公式。因此，仅仅由于计算误差，就影响到整个测量范围（不包括仪表和传感器部分的误差），在65%处的流量附近时，误差接近零，离开此处后，误差逐渐增大。这就是说过去选用的c，ε点即为70%左右的点，流量大时误差偏向“+”侧，相反流量小，误差偏向“－”。由压差检测获得的孔板计算曲线，在无计算机技术的年代里，是无法对其进行多层次的运算，孔板流量计的量程比和测量精度在很长的一段时间里停留在较低的水平。
2.2SR一体化孔板流量计
SR一体化孔板流量计是不同于以往的传统型孔板流量计.1984年，由于IC技术的发展和计算机技术的应用技术人员开始研究由孔板误差曲线所想到的新的运算方法。这就是计算误差均限定为±4%时，流量范围约为45%-85%。这就是过去工业测量所能使用的范围，量程比为1：4，孔板测量精度±4%，再提高测量精度至±3%时，量程比比缩小1：2附近，超过这个界限测量时，会造成压力表内水银飞溅，产生大的测量误差，是不便于实际应用的流量计。这就是人们认为孔板流量计精度±4%，量程比最大到1：4固有观念的原因所在。事实上确是如此，即使拥有现代的传感器，也无法超越这个原理和法则。但是这么大的误差和窄的量程比对工业测量带来很多问题。技术人员从误差曲线开始研究，在曲线上精度±0%处（流量65%附近）分割出一流量（压差）区域，在此区域内测量精度为零或接近于零，并进一步用计算机进行处理实验。为便于计算，选定使用频率高的区域，在此区域内组成计算误差最小的数学模型，其它区域仍用以往的计算式，这种方式在所确定的区域内误差变小，区域外侧产生很大的误差，流量范围增大，误差随着越大，不能取得大的量程比。由此可见，只用一人公式包容流量计的整个流量范围，是不合适的，有违于测量原理。这种方式的根本错误是难于将所认定的高频度使用区域与现实相吻合，对于整个流量范围，减少测量误差的方法可增加运算式的数量就可满足要求。
SR一体化孔板流量计基于以上原理，采用了IC技术和计算机技术实现了量程范围度1：20或更大量程比，基本误差为±1%。（保证在整个测量段范围内）。
2.2.1测量原理-逼近式算法
孔板流量计是通过使用孔板节流元件获取差压并依据节流装置流量测量的相关国家标准及国际标准(如GB/T2624-93 ﹑ISO5167等)所规范的原理﹑条件最终计算出所需测量的流量值。其基本公式如下:
①瞬时流量:
标记为公式组 ①
式中: qm----------瞬时流量,单位:kg/h β-------工作状态孔径比;
*ΔP--------------差压, 单位:Pa *c -------流出系数
ρ1---------------上游侧流体密度, 单位:kg/m3 *ε1-----流体可膨胀系数
d ----------------工作状态节流孔径, 单位:m
公式中有几个关键系数：c、ε1 它们不仅与介质状态相关而且还与流态（管道雷诺数）相关；因此实际上是一组复合变量。以前由于受电子技术发展水平制约，计算机或单片机无法在约定的时间内按复杂的数学模型快速处理数据流，为了简化运算程序只好将系数：c、ε1、β常数化，即不管蒸汽状态如何变化、雷诺数多高均取设计状态时常用流量点系数c、ε1、作为公式常数建模。其代价便是人为增大系统误差，降低可信测量范围。
首先将误差限定在±1%时，分析用一个运算式计算误差有多少，发现流量范围—30%的比例平分后，平均其误差，在这种条件下使用计算机按所编程序进行运算，然后误差从±1.0%一下缩至±0.5%，分割流量范围为20%，可见其误差平均化。将此理论进一步发展，可将分割流量范围为20%，可将分割区间细分，使误差无限接近零，进一步细分至无穷大，最后可能收敛于零。然而总是不那么简单，细分区间必使得孔板的计算复杂化，首先看原计算式。
*C：流出系数(- -)
β：孔径比(d/D)
*ε：可膨胀系数
γ：蒸汽的比重(Kg/m³)
*△P：压差(Pa)