标准孔板差压流量测量装置的校验和评价

邵国辉　赵　越

(1.哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040；2.国家水力发电设备工程技术研究中心，哈尔滨 150040)

0　引言

标准孔板节流装置是一种历史悠久、使用广泛的差压式流量计。早在上世纪初，美国就开始利用孔板测量天然气的流量。作为应用最普遍的节流件，其结构易于复制、简单、牢固，性能稳定可靠、使用期限长、价格低廉而得到了广泛的工程应用。

目前国内所使用的标准孔板流量测量装置一般采用国标制造、安装，不确定度在0.6%～2%之间，且一般均未经过校验，因此其真实的不确定度难以确定，加上制造、安装过程中的不规范，其不确定度将远远超过1%～3%这一数量级，显然这一精度无法满足当前严峻的节能形势需要。

为了在试验中获取精确的流量参数值，并对校验结果进行判定。本文将详细介绍标准孔板流量测量装置的校验方法和评价，利用该方法可以方便地检验流量测量装置是否满足使用要求。

1　标准孔板的校验

尽管标准孔板在加工时，已采取了许多措施来保证其精度。但是经验表明，流出系数C有时仍不能达到让人满意的期望值。因此孔板测量装置在使用之前必须对其精度进行校验，以便确定流出系数与节流孔雷诺数是否满足要求。校验时雷诺数Red>106，水温和流动状态应尽可能接近孔板的实际使用条件。首先通过实验室测得标准流量，通过计算公式计算得出孔板雷诺数和流出系数。

qm=ρv·qv

(1)

式中：qm为质量流量(kg/s)；ρv为金属量器中水的密度 (kg/m3)；qv为体积流量(m3/s)，由标准金属量器和计时器得出。

雷诺数的计算公式如下：

(2)

式中：Red为雷诺数；V1为管路中水的平均速度(m/s)；υ1为水的运动黏度(m2/s)；β为直径比，β=d/D；d为节流孔直径(m)；D为工作条件下孔板流量计上游管道内径(m)；μ1为水的动力黏度(Pa·s)。

流出系数为通过节流装置的实际流量值与理论流量值之比，并将它应用到理论流量方程中以获得实际的流量。在一定的安装条件下，对于给定的节流装置，流出系数的数值仅与雷诺数有关。只要节流装置几何相似，并且在相同雷诺数的条件下。则流出系数的数值是相同的。

流出系数C计算公式如下：

(3)

式中：Δp为差压 (Pa)；ρ1为孔板流量计节流孔处水的密度(kg/m3)。

检验包括21个覆盖大的雷诺数变化范围的可接受的点，并且依照GB/T 2624—2006，孔板校验结果应满足下列判据：对于所有三种型式的取压口，流出系数C值的相对不确定度为：

(0.7-β)%(对于0.1≤β<0.2)

0.5%(对于0.2≤β≤0.6)

(1.667β-0.5)%(对于0.6<β≤0.75)

若D<71.12mm，上述值应算术相加下列相对不确定度：

若β>0.5且Red<10000，上述值应算术相加0.5%的相对不确定度。

校验数据随机的不确定度公式为：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Cavg为流出系数平均值；n为测量次数；Ci为流出系数的第i次测量值；Sc为流出系数的标准差；t为学生分布数值；(eC)r为流出系数的不确定度；(fC)r95为流出系数平均值在95%置信度下的随机不确定度。

2　校验数据评价实例

下面是一组实验室通过校验得出的某标准孔板检验数据，可以很直观地判定出该标准孔板是否符合使用要求。校验包含21个可接受的点，雷诺数变化范围从1.009×106到2.754×106。该孔板流量计对有效测压孔的校验结果如表1所示。

表1　校验结果

图1　测压孔校验数据

根据GB/T 2624—2006对校验数据的评定标准，则此校验孔板的流出系数C的相对不确定度为：

(1.667β-0.5)%=0.542%

从图1的校验数据分析，测压孔1#、2#的结果来看，流出系数C的值不随Red的变化而变化，符合GB/T 2624—2006对孔板的评定标准。

3　存在的问题及建议

在低的雷诺数下，标准孔板表面边界层的流动状态为层流，雷诺数对流出系数的影响较显著，理论计算值与实验值随雷诺数的减小而逐渐偏移直至完全背离。在高的雷诺数下，边界层的流动状态为紊流，雷诺数对流出系数的影响很小，理论及计算值与实验值十分接近。在两者之间的雷诺数则为处于由层流向紊流过渡的渐变区，这时孔板会受到表面边界层流动状态改变的影响。要使流量测量有较高的准确度，标准孔板应在高雷诺数范围内用于流量测量。

因此建议将标准孔板设计成尽可能在较高雷诺数下运行以避开渐变区的影响，同时孔板校验时也应尽量避开该区域。

由式(2)可以看出，当孔板的节流孔直径d给定时，雷诺数Red由通过孔板的流量qm和水的动力黏度μ1决定。对于不可压缩流体，流量qm主要由差压决定，动力黏度则主要与流体的温度有关(水温越高，其动力黏度越小)，因此在孔板校验过程中为避开渐变区而提高雷诺数Red的方法可通过提高节流孔流量(前后差压)和流体的温度的方法来实现。

当采用提高流量的方法来提高孔板的雷诺数时，由于节流作用，流量越大节流孔前后的差压也越大，流量增加到一定程度后，节流孔后将会形成一个局部负压区(压力低于大气压力，该区域后压力会得到一定程度的恢复)，在该区域可能汽化，造成严重的水击现象，使整个管路发生强烈的震动，严重威胁校验装置的运行安全，因此通过提高流量来增大雷诺数的方法将受到一定的限制。

因此，国际上高雷诺数水力试验台均采用提高水温来提高雷诺数，但这需要一套大功率的加热装置。为了弥补国内对于高精度、大流量校验方面存在的不足，建设一套高雷诺数水力试验台十分必要。

4　结论

通过介绍标准孔板差压流量测量装置的校验方法，可以有效地确定流量测量装置是否满足使用要求。同时探讨了雷诺数对标准孔板流量测量精度的影响。

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