工业设计职称论文标准孔板测量范围分析

　　[摘 要] 针对宣化钢铁公司东区炼钢技改工程1#、2#矩形坯连铸机 结晶其冷却水流量标准孔板在量程扩展后造成的误差进行定性及定量分析，目的在于为实际工作中遇到此类问题提供一种思路，以供操作人员参考。

　　[关键词]量程扩展,流量系数,常用流量,误差分析

　　1. 问题的提出

　　河北宣化钢铁公司炼钢厂1#、2#矩形坯连铸机结晶器冷却水流量是一项非常重要的参数，测量精度要求较高，检测元件采用标准孔板。标准孔板是厂家根据用户提供的被测介质、最大流量、管径、材质、工作压力、工作温度等参数经严格计算后精工而成。孔板加工完毕后，测量范围、测量精度随之确定，不能更改。

　　后来因工艺需要,把最大流量增加到160t/h,常用流量120t/h,最小流量60t/h。按孔板设计要求应根据改后参数重新定制孔板，但由于时间上不允许，经设计院设计人员决定：在孔板各参数不变的前提下把与孔板配套的差压流量变送器量程由0~25kPa调整到0~40kPa，记录仪由0~120t/h调整为0~160t/h。 问题：孔板设计参数不变，把测量范围增大，是否会造成误差?误差有多大?下面从原理到定量进行分析。

　　2. 标准孔板测量流量的基本原理

　　2.1标准孔板测量流量的理论基础

　　标准孔板测量流量的理论基础是经典的伯努利方程：

　　P：静压;V：流速;ρ：密度

　　标准孔板就是在管道中安放的节流件，它的开孔小于管径，当流体通过时，在节流件上、下游之间产生静压力差，通过测量差压求出流量值。

　　2.2静压力差与流量的关系

　　假设节流件上游入口前流速为V1,密度为ρ1，静压力为P1，流经节流件时的流速为V2,密度为ρ2，静压力为P2，根据伯努利方程，则有：

　　又，流体连续方程，AV1ρ1=aV2ρ2 公式③, A：管道内截面面积; a：为孔板开孔面积，对于水ρ1=ρ2 ，设管道内直径为D，孔板开孔直径为d，则有：A= πD2

　　公式⑤ ，根据质量流量定义：M=aV2ρ 得M= 公式⑥,

　　式中ΔP=P1-P2 。因为d、D都是常数，

　　M= 公式⑦, 公式⑦是以理想流体为前提的出的，实际流体由于具有粘性，流经节流件时必然要产生压力损失，因此引入流量系数α进行修正，α= ，C为流出系数。

　　M= 公式⑧，由公式⑧可以看出，当a、α、ρ为常数时，流量与差压呈平方根函数关系。

　　在实际设计、应用中给出常用流量计算公式：

　　M= 公式⑨，式中：M：质量流量，kg/h;α0：流量系数;ε：流束膨胀系数，对于水ε=1; d：工作状态下孔板开孔直径，单位mm;ΔP：差压力，mmH2O;ρ：工作状态下被测流体密度，kg/m3; ：管道粗糙度修正系数。

　　当工作状态确定后，影响M和ΔP对应关系的因素只有流量系数α0。流量系数α0是一个影响因素复杂，变化范围较大的重要参数，它直接关系到测量精度，有式⑨可以看出只有当α0保持为常数时，M和ΔP才呈标准的平方根关系。影响α0的主要因素有流体的雷诺数ReD和直径比β(β=d/D)。α=f(ReD , β)即流量系数α是ReD和β的函数，当直径比β确定后，α和ReD呈单值函数关系。

　　2.3孔板设计过程中两个问题

　　(1) α0确定

　　流量系数α是一个动态参数，所以在测量范围内很难保证M和ΔP全程呈标准的平方根关系，因此在设计和制造上提出了常用流量参数，常用流量就是被测对象最常使用的流量值，并把常用流量时的流量系数α0作为全程的流量系数，目的是在测量范围内，使常用流量值附近α值最稳定，测量精度最高。

　　(2) 差压上限值h20确定

　　与孔板配套使用的差压流量计或差压流量变送器的差压上限值(即：量程上限最大差压值)是一系列值。例如：①DBC-310型电动差压变送器差压上限系列为1000、1600、2500、4000、6000mmH2O。②CECL-730型电容式差压流量变送器差压上限系列为6、10、16、25、40KPa。孔板设计时规定：根据最大流量等参数确定的差压上限值都要圆整到所要选配仪表的差压上限系列值中相近的系列值上。例：根据最大流量等参数计算的差压上限值为1045 mmH2O时，选配DBC系列电动差压变送器时，将其差压上限值圆整为1000 mmH2O。由于圆整值与实际最大差压值不同，以圆整后差压值作为设计孔板的差压上限值，必然会造成测量误差，因此在设计时要求：以圆整后差压值作为差压上限值，以常用流量的流量系数作为全量程的流量系数，确定孔板的开孔直径，使用常用流量时测量误差小于0.2%。本文中原设计25 kPa和改后40 kPa都是根据所配用的差压流量变送器差压系列值而圆整后的差压值。

　　3.造成测量产生误差的原因及分析

　　3.1产生误差的原因

　　根据孔板工作原理和设计要求，可以判定产生误差的原因主要有以下两个方面：

　　(1) 直径比确定后，雷诺数变化引起流量

　　系数变化产生的误差。

　　(2) 测量范围扩展后，120t/h作为常用流

　　量对应的差压值与原设计120t/h对应的实际差压值不同而造成的误差。

　　3.2对误差原因的分析

　　3.2.1直径比确定后，雷诺数变化引起流量系数α变化产生的误差。

　　(1) 前面提到的直径比β=d/D确定流量

　　系数α和雷诺数ReD呈单值函数关系。量程扩展后，由于常用流量增大，流体常用雷诺数必然增大，ReDch增大也必然引起流量系数α0变化。

　　(2) 在原设计确定的直径比β不变的条件下，常用流量由100t/h增至120t/h时流量系数α0值计算：

　　(3) 比较

　　① 120t/h原设计实际对应的差压值为：

　　由公式⑨得：

　　120000= 解得：ΔP=2356.15mmH2O

　　②ΔP=2356.15mmH2O,

　　在 =0.62195时，M值?

　　M= =119944.1(kg/h)

　　≈119.94(t/h)

　　③ΔM=120-119.94=0.06(t/h)

　　由上述计算可以看出，常用流量由

　　100t/h增至120t/h时，α0 值变化较小，引起的测量误差较小。

　　3.2.2量程扩展后，120t/h作为常用流量对应的差压值与原设计120t/h对应的实际差压值不同而造成的误差

　　根据设计院设计人员提出的量程扩展方案，最大流量为160t/h，差压上限为40Kpa时对应常用流量120t/h的差压值为：

　　h20ch= = =22.5(Kpa)=2294.28(mmH2O)

　　即当差压值为2294.28mmH2O时，流量指示值为120t/h，但根据原设计各参数确定孔板开孔直径后，已将M和ΔP的对应关系固定下来，前面已计算过120t/h对应的实际差压值为2356.15 mmH2O(23.11Kpa)，而2294.28mmH2O(22.50 Kpa)对应的实际差压流量值为： =0.62195，

　　M= =118358.9(kg/h)

　　≈118.36(t/h)则：

　　ΔM=120-118.36=1.64(t/h) ，即差压值

　　2294.28mmH2O(22.50 Kpa)对应的实际流量为118.36t/h，而扩展量程后仪表显示值为120t/h，显示值比实际值偏高。

　　综合上述计算分析可以看出，量程扩展后，常用流量增大，造成测量误差的主要原因是第二条，即120t/h在不同的量程范围内对应不同的差压值而产生的误差。

　　本文只着重分析了常用流量值时造成的测量误差，因为常用流量值处孔板的测量精度最高，实际流量值偏离常用流量值越远，造成的测量误差越大，所以本文分析对象1#、2#矩形坯连铸机结晶器冷却水流量测量在量程扩展后，常用流量值存在测量误差在1.7t/h左右，并且也是量程扩展后测量的最小误差。

　　4.结束语

　　本文针对流量孔板测量范围扩展后产生的误差进行分析，目的在于为实际工作中遇到此类问题提供一种思路，以供操作人员参考，同时当作一个问题与大家共同探讨。

　　[参考文献]

　　[1]范玉久，《化工测量仪表》化学工业出版社，1981

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