一體化孔板智能流量計(jì)的應(yīng)用
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1、引言
多年來(lái)，蒸汽流量的準(zhǔn)確計(jì)量是各儀表生產(chǎn)廠家和技術(shù)人員研究和實(shí)踐的要點(diǎn)。從傳統(tǒng)的孔板到90年代在我國(guó)廣泛使用的渦街流量計(jì)，和其他的各種產(chǎn)品，在復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，很難做到準(zhǔn)確的計(jì)量。
現(xiàn)代工廠中隨著對(duì)生產(chǎn)工藝及過(guò)程的不斷提高，要求節(jié)能，現(xiàn)在多數(shù)的節(jié)能措施即是合理的計(jì)量工藝中所要求的各個(gè)參數(shù)及介質(zhì)，確保產(chǎn)品的質(zhì)量及合格的工耗，要求流量計(jì)能準(zhǔn)確計(jì)量；熱電廠對(duì)外供熱同樣要求測(cè)量蒸汽的流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確，以利貿(mào)易結(jié)算。以往選用蒸汽流量計(jì)時(shí)，往往受到流量計(jì)本身的參數(shù)影響。例如孔板流量計(jì)量程比窄，計(jì)量精度低，而不能滿足過(guò)程計(jì)量的要求。
差壓式流量計(jì)是迄今為止檢測(cè)各種氣體、液體和蒸汽流量*為廣泛使用和熟悉的檢測(cè)方法。它用于檢測(cè)流量的基本原理早在17世紀(jì)就已發(fā)現(xiàn)，而真正開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)和用于工業(yè)流量測(cè)量是在本世紀(jì)20年代。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置經(jīng)過(guò)60余年的研究和使用，積累了豐富的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，它是目前流量?jī)x表中**達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)元件，即無(wú)須實(shí)施校準(zhǔn)就可投用。這是它成熟程度的主要原因之一。根據(jù)日本電氣計(jì)測(cè)會(huì)和日本計(jì)量機(jī)器工業(yè)聯(lián)合會(huì)在所有流量?jī)x表總銷售金額的35%左右。經(jīng)粗略統(tǒng)計(jì)，過(guò)程中約80%的流量測(cè)量系統(tǒng)采用差壓式流量計(jì)。由此可見(jiàn)必須充分了解差壓式流量計(jì)的特性。
2、孔板流量計(jì)分析
2.1傳統(tǒng)孔板流量計(jì)
差壓式流量計(jì)由節(jié)流裝置（標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置和特殊節(jié)流裝置）和差壓計(jì)組成。按其測(cè)量方法是是以能量守衡定律和流動(dòng)連續(xù)方程為基礎(chǔ)的。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置基本適合測(cè)量干凈的液體、氣體或蒸汽流量。其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠保證一定使用精度，加工、安裝及更換方便，價(jià)格低廉。主要不足和缺點(diǎn)是測(cè)量范圍窄（量程比約4：1），**壓力損失大（占差壓的40%-80%），直管段要求較嚴(yán)格。帶尖銳邊緣的標(biāo)準(zhǔn)孔板不適合測(cè)量強(qiáng)磨蝕流體，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)改變流量系數(shù)，從而增大誤差。此時(shí)宜采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。一般需經(jīng)模擬實(shí)流試驗(yàn)才能可靠地使用的節(jié)流裝置稱為特殊節(jié)流裝置（或稱為非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置）。特殊節(jié)流裝置的使用主要是彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的不足。比如1/4圓噴嘴和雙重孔板可用于測(cè)量低雷諾數(shù)的流體，圓缺孔板、偏心孔板等可用于測(cè)量臟污介質(zhì)，整體（內(nèi)藏）孔板可用于測(cè)量小流量（小管道），文丘里管適用于低壓損測(cè)量等……
傳統(tǒng)孔板是范圍度1:3～1:5，計(jì)量精度±5%，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的孔板流量計(jì)以△P為變量，測(cè)出孔板的流量，但這在實(shí)際中qm＝f(c，ε，△P)的函數(shù)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中通常采用c，ε為一常量去設(shè)計(jì)，即在整個(gè)測(cè)量流量范圍（差壓范圍）內(nèi)，只用一個(gè)計(jì)算公式。因此，僅僅由于計(jì)算誤差，就影響到整個(gè)測(cè)量范圍（不包括儀表和傳感器部分的誤差），在65%處的流量附近時(shí)，誤差接近零，離開(kāi)此處后，誤差逐漸增大。這就是說(shuō)過(guò)去選用的c，ε點(diǎn)即為70%左右的點(diǎn)，流量大時(shí)誤差偏向“+”側(cè)，相反流量小，誤差偏向“－”。由壓差檢測(cè)獲得的孔板計(jì)算曲線，在無(wú)計(jì)算機(jī)技術(shù)的年代里，是無(wú)法對(duì)其進(jìn)行多層次的運(yùn)算，孔板流量計(jì)的量程比和測(cè)量精度在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里停留在較低的水平。
2.2SR一體化孔板流量計(jì)
SR一體化孔板流量計(jì)是不同于以往的傳統(tǒng)型孔板流量計(jì).1984年，由于IC技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)人員開(kāi)始研究由孔板誤差曲線所想到的新的運(yùn)算方法。這就是計(jì)算誤差均限定為±4%時(shí)，流量范圍約為45%-85%。這就是過(guò)去工業(yè)測(cè)量所能使用的范圍，量程比為1：4，孔板測(cè)量精度±4%，再提高測(cè)量精度至±3%時(shí)，量程比比縮小1：2附近，超過(guò)這個(gè)界限測(cè)量時(shí)，會(huì)造成壓力表內(nèi)水銀飛濺，產(chǎn)生大的測(cè)量誤差，是不便于實(shí)際應(yīng)用的流量計(jì)。這就是人們認(rèn)為孔板流量計(jì)精度±4%，量程比*大到1：4固有觀念的原因所在。事實(shí)上確是如此，即使擁有現(xiàn)代的傳感器，也無(wú)法超越這個(gè)原理和法則。但是這么大的誤差和窄的量程比對(duì)工業(yè)測(cè)量帶來(lái)很多問(wèn)題。技術(shù)人員從誤差曲線開(kāi)始研究，在曲線上精度±0%處（流量65%附近）分割出**量（壓差）區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)測(cè)量精度為零或接近于零，并進(jìn)一步用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理實(shí)驗(yàn)。為便于計(jì)算，選定使用頻率高的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)組成計(jì)算誤差*小的數(shù)學(xué)模型，其它區(qū)域仍用以往的計(jì)算式，這種方式在所確定的區(qū)域內(nèi)誤差變小，區(qū)域外側(cè)產(chǎn)生很大的誤差，流量范圍增大，誤差隨著越大，不能取得大的量程比。由此可見(jiàn)，只用一人公式包容流量計(jì)的整個(gè)流量范圍，是不合適的，有違于測(cè)量原理。這種方式的根本錯(cuò)誤是難于將所認(rèn)定的高頻度使用區(qū)域與現(xiàn)實(shí)相吻合，對(duì)于整個(gè)流量范圍，減少測(cè)量誤差的方法可增加運(yùn)算式的數(shù)量就可滿足要求。
SR一體化孔板流量計(jì)基于以上原理，采用了IC技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了量程范圍度1：20或更大量程比，基本誤差為±1%。（保證在整個(gè)測(cè)量段范圍內(nèi)）。
2.2.1測(cè)量原理-逼近式算法
孔板流量計(jì)是通過(guò)使用孔板節(jié)流元件獲取差壓并依據(jù)節(jié)流裝置流量測(cè)量的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(如GB/T2624-93 ﹑ISO5167等)所規(guī)范的原理﹑條件*終計(jì)算出所需測(cè)量的流量值。其基本公式如下:
①瞬時(shí)流量:
標(biāo)記為公式組 ①
式中: qm----------瞬時(shí)流量,單位:kg/h β-------工作狀態(tài)孔徑比;
*ΔP--------------差壓, 單位:Pa *c -------流出系數(shù)
ρ1---------------上游側(cè)流體密度, 單位:kg/m3 *ε1-----流體可膨脹系數(shù)
d ----------------工作狀態(tài)節(jié)流孔徑, 單位:m
公式中有幾個(gè)關(guān)鍵系數(shù)：c、ε1 它們不僅與介質(zhì)狀態(tài)相關(guān)而且還與流態(tài)（管道雷諾數(shù)）相關(guān)；因此實(shí)際上是一組復(fù)合變量。以前由于受電子技術(shù)發(fā)展水平制約，計(jì)算機(jī)或單片機(jī)無(wú)法在約定的時(shí)間內(nèi)按復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型快速處理數(shù)據(jù)流，為了簡(jiǎn)化運(yùn)算程序只好將系數(shù)：c、ε1、β常數(shù)化，即不管蒸汽狀態(tài)如何變化、雷諾數(shù)多高均取設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)常用流量點(diǎn)系數(shù)c、ε1、作為公式常數(shù)建模。其代價(jià)便是人為增大系統(tǒng)誤差，降低可信測(cè)量范圍。
首先將誤差限定在±1%時(shí)，分析用一個(gè)運(yùn)算式計(jì)算誤差有多少，發(fā)現(xiàn)流量范圍—30%的比例平分后，平均其誤差，在這種條件下使用計(jì)算機(jī)按所編程序進(jìn)行運(yùn)算，然后誤差從±1.0%一下縮至±0.5%，分割流量范圍為20%，可見(jiàn)其誤差平均化。將此理論進(jìn)一步發(fā)展，可將分割流量范圍為20%，可將分割區(qū)間細(xì)分，使誤差無(wú)限接近零，進(jìn)一步細(xì)分至無(wú)窮大，*后可能收斂于零。然而總是不那么簡(jiǎn)單，細(xì)分區(qū)間必使得孔板的計(jì)算復(fù)雜化，首先看原計(jì)算式。
*C：流出系數(shù)(- -)
β：孔徑比(d/D)
*ε：可膨脹系數(shù)
γ：蒸汽的比重(Kg/m³)
*△P：壓差(Pa)
多年來(lái)，蒸汽流量的準(zhǔn)確計(jì)量是各儀表生產(chǎn)廠家和技術(shù)人員研究和實(shí)踐的要點(diǎn)。從傳統(tǒng)的孔板到90年代在我國(guó)廣泛使用的渦街流量計(jì)，和其他的各種產(chǎn)品，在復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，很難做到準(zhǔn)確的計(jì)量。
現(xiàn)代工廠中隨著對(duì)生產(chǎn)工藝及過(guò)程的不斷提高，要求節(jié)能，現(xiàn)在多數(shù)的節(jié)能措施即是合理的計(jì)量工藝中所要求的各個(gè)參數(shù)及介質(zhì)，確保產(chǎn)品的質(zhì)量及合格的工耗，要求流量計(jì)能準(zhǔn)確計(jì)量；熱電廠對(duì)外供熱同樣要求測(cè)量蒸汽的流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確，以利貿(mào)易結(jié)算。以往選用蒸汽流量計(jì)時(shí)，往往受到流量計(jì)本身的參數(shù)影響。例如孔板流量計(jì)量程比窄，計(jì)量精度低，而不能滿足過(guò)程計(jì)量的要求。
差壓式流量計(jì)是迄今為止檢測(cè)各種氣體、液體和蒸汽流量*為廣泛使用和熟悉的檢測(cè)方法。它用于檢測(cè)流量的基本原理早在17世紀(jì)就已發(fā)現(xiàn)，而真正開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)和用于工業(yè)流量測(cè)量是在本世紀(jì)20年代。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置經(jīng)過(guò)60余年的研究和使用，積累了豐富的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，它是目前流量?jī)x表中**達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)元件，即無(wú)須實(shí)施校準(zhǔn)就可投用。這是它成熟程度的主要原因之一。根據(jù)日本電氣計(jì)測(cè)會(huì)和日本計(jì)量機(jī)器工業(yè)聯(lián)合會(huì)在所有流量?jī)x表總銷售金額的35%左右。經(jīng)粗略統(tǒng)計(jì)，過(guò)程中約80%的流量測(cè)量系統(tǒng)采用差壓式流量計(jì)。由此可見(jiàn)必須充分了解差壓式流量計(jì)的特性。
2、孔板流量計(jì)分析
2.1傳統(tǒng)孔板流量計(jì)
差壓式流量計(jì)由節(jié)流裝置（標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置和特殊節(jié)流裝置）和差壓計(jì)組成。按其測(cè)量方法是是以能量守衡定律和流動(dòng)連續(xù)方程為基礎(chǔ)的。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置基本適合測(cè)量干凈的液體、氣體或蒸汽流量。其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠保證一定使用精度，加工、安裝及更換方便，價(jià)格低廉。主要不足和缺點(diǎn)是測(cè)量范圍窄（量程比約4：1），**壓力損失大（占差壓的40%-80%），直管段要求較嚴(yán)格。帶尖銳邊緣的標(biāo)準(zhǔn)孔板不適合測(cè)量強(qiáng)磨蝕流體，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)改變流量系數(shù)，從而增大誤差。此時(shí)宜采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。一般需經(jīng)模擬實(shí)流試驗(yàn)才能可靠地使用的節(jié)流裝置稱為特殊節(jié)流裝置（或稱為非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置）。特殊節(jié)流裝置的使用主要是彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的不足。比如1/4圓噴嘴和雙重孔板可用于測(cè)量低雷諾數(shù)的流體，圓缺孔板、偏心孔板等可用于測(cè)量臟污介質(zhì)，整體（內(nèi)藏）孔板可用于測(cè)量小流量（小管道），文丘里管適用于低壓損測(cè)量等……
傳統(tǒng)孔板是范圍度1:3～1:5，計(jì)量精度±5%，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的孔板流量計(jì)以△P為變量，測(cè)出孔板的流量，但這在實(shí)際中qm＝f(c，ε，△P)的函數(shù)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中通常采用c，ε為一常量去設(shè)計(jì)，即在整個(gè)測(cè)量流量范圍（差壓范圍）內(nèi)，只用一個(gè)計(jì)算公式。因此，僅僅由于計(jì)算誤差，就影響到整個(gè)測(cè)量范圍（不包括儀表和傳感器部分的誤差），在65%處的流量附近時(shí)，誤差接近零，離開(kāi)此處后，誤差逐漸增大。這就是說(shuō)過(guò)去選用的c，ε點(diǎn)即為70%左右的點(diǎn)，流量大時(shí)誤差偏向“+”側(cè)，相反流量小，誤差偏向“－”。由壓差檢測(cè)獲得的孔板計(jì)算曲線，在無(wú)計(jì)算機(jī)技術(shù)的年代里，是無(wú)法對(duì)其進(jìn)行多層次的運(yùn)算，孔板流量計(jì)的量程比和測(cè)量精度在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里停留在較低的水平。
2.2SR一體化孔板流量計(jì)
SR一體化孔板流量計(jì)是不同于以往的傳統(tǒng)型孔板流量計(jì).1984年，由于IC技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)人員開(kāi)始研究由孔板誤差曲線所想到的新的運(yùn)算方法。這就是計(jì)算誤差均限定為±4%時(shí)，流量范圍約為45%-85%。這就是過(guò)去工業(yè)測(cè)量所能使用的范圍，量程比為1：4，孔板測(cè)量精度±4%，再提高測(cè)量精度至±3%時(shí)，量程比比縮小1：2附近，超過(guò)這個(gè)界限測(cè)量時(shí)，會(huì)造成壓力表內(nèi)水銀飛濺，產(chǎn)生大的測(cè)量誤差，是不便于實(shí)際應(yīng)用的流量計(jì)。這就是人們認(rèn)為孔板流量計(jì)精度±4%，量程比*大到1：4固有觀念的原因所在。事實(shí)上確是如此，即使擁有現(xiàn)代的傳感器，也無(wú)法超越這個(gè)原理和法則。但是這么大的誤差和窄的量程比對(duì)工業(yè)測(cè)量帶來(lái)很多問(wèn)題。技術(shù)人員從誤差曲線開(kāi)始研究，在曲線上精度±0%處（流量65%附近）分割出**量（壓差）區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)測(cè)量精度為零或接近于零，并進(jìn)一步用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理實(shí)驗(yàn)。為便于計(jì)算，選定使用頻率高的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)組成計(jì)算誤差*小的數(shù)學(xué)模型，其它區(qū)域仍用以往的計(jì)算式，這種方式在所確定的區(qū)域內(nèi)誤差變小，區(qū)域外側(cè)產(chǎn)生很大的誤差，流量范圍增大，誤差隨著越大，不能取得大的量程比。由此可見(jiàn)，只用一人公式包容流量計(jì)的整個(gè)流量范圍，是不合適的，有違于測(cè)量原理。這種方式的根本錯(cuò)誤是難于將所認(rèn)定的高頻度使用區(qū)域與現(xiàn)實(shí)相吻合，對(duì)于整個(gè)流量范圍，減少測(cè)量誤差的方法可增加運(yùn)算式的數(shù)量就可滿足要求。
SR一體化孔板流量計(jì)基于以上原理，采用了IC技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了量程范圍度1：20或更大量程比，基本誤差為±1%。（保證在整個(gè)測(cè)量段范圍內(nèi)）。
2.2.1測(cè)量原理-逼近式算法
孔板流量計(jì)是通過(guò)使用孔板節(jié)流元件獲取差壓并依據(jù)節(jié)流裝置流量測(cè)量的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(如GB/T2624-93 ﹑ISO5167等)所規(guī)范的原理﹑條件*終計(jì)算出所需測(cè)量的流量值。其基本公式如下:
①瞬時(shí)流量:
標(biāo)記為公式組 ①
式中: qm----------瞬時(shí)流量,單位:kg/h β-------工作狀態(tài)孔徑比;
*ΔP--------------差壓, 單位:Pa *c -------流出系數(shù)
ρ1---------------上游側(cè)流體密度, 單位:kg/m3 *ε1-----流體可膨脹系數(shù)
d ----------------工作狀態(tài)節(jié)流孔徑, 單位:m
公式中有幾個(gè)關(guān)鍵系數(shù)：c、ε1 它們不僅與介質(zhì)狀態(tài)相關(guān)而且還與流態(tài)（管道雷諾數(shù)）相關(guān)；因此實(shí)際上是一組復(fù)合變量。以前由于受電子技術(shù)發(fā)展水平制約，計(jì)算機(jī)或單片機(jī)無(wú)法在約定的時(shí)間內(nèi)按復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型快速處理數(shù)據(jù)流，為了簡(jiǎn)化運(yùn)算程序只好將系數(shù)：c、ε1、β常數(shù)化，即不管蒸汽狀態(tài)如何變化、雷諾數(shù)多高均取設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)常用流量點(diǎn)系數(shù)c、ε1、作為公式常數(shù)建模。其代價(jià)便是人為增大系統(tǒng)誤差，降低可信測(cè)量范圍。
首先將誤差限定在±1%時(shí)，分析用一個(gè)運(yùn)算式計(jì)算誤差有多少，發(fā)現(xiàn)流量范圍—30%的比例平分后，平均其誤差，在這種條件下使用計(jì)算機(jī)按所編程序進(jìn)行運(yùn)算，然后誤差從±1.0%一下縮至±0.5%，分割流量范圍為20%，可見(jiàn)其誤差平均化。將此理論進(jìn)一步發(fā)展，可將分割流量范圍為20%，可將分割區(qū)間細(xì)分，使誤差無(wú)限接近零，進(jìn)一步細(xì)分至無(wú)窮大，*后可能收斂于零。然而總是不那么簡(jiǎn)單，細(xì)分區(qū)間必使得孔板的計(jì)算復(fù)雜化，首先看原計(jì)算式。
*C：流出系數(shù)(- -)
β：孔徑比(d/D)
*ε：可膨脹系數(shù)
γ：蒸汽的比重(Kg/m³)
*△P：壓差(Pa)
公安機(jī)關(guān)備案號(hào)：
