差压流量计节流装置可膨胀系数测试方法研究

【摘要】随着新型的差压流量计的问世，对差压节流装置各参数的测试必然成为重要的工作，长久以来差压节流装置的参数测试借鉴的都是孔板流量计的测试经验。本文重点总结归纳了差压节流装置的可膨胀系数的测试方法，并通过气体和液体的实流标定，对阐述的方法进行科学的比对，方便了大家在以后差压节流装置可膨胀系数的测试工作中方法的选取。

【关键词】节流装置 可膨胀系数 测试方法一、引言

差压式流量计是一类历史悠久、用量最大的流量计。以节流装置作为检测件的差压式流量计则是其中最广泛应用的一类流量计，我们称之为节流式差压流量计。节流式差压流量计是依据流体通过节流装置，是部分压力能转变为动能产生差压信号的原理工作。节流式差压流量计应用范围广泛，至今尚无任何一类流量计可与之比拟，所有单相流体，包括液、气、蒸汽等皆可测量，部分混相流，如气固、气液、液固等亦可用，一般工业生产过程中的管径、工作状态（压力、温度）皆可测量。为适应广泛的使用需要，检测件节流装置已开发数十种之多，但大多数检测件仍研究得并不充分，只有有限品种曾进行过深入的实验研究，并形成为标准节流装置。标准节流装置是全世界通用的，并得到国际计量组织的认可，对标准节流装置的试验研究是国际性的，其他流量计一般只限于个别厂家或科研群体进行，因此其研究的广度和深度不可同日而语，标准节流装置积累了极其丰富的资料，使得它无需实流校准而可预估流量和输出信号的关系及其测量误差，在全部流量计中是唯一的。

二、可膨胀系数ε的概述

在前人对孔板、文丘里、喷嘴等中心节流方式的节流装置进行了大量深入的实验研究表明，ε与管径、雷诺数无关，只取决于直径比、前后压力比和等熵指数K。近年来国内对V型锥、内文丘里两种边壁节流方式的节流装置进行了少量的测试，测试及数据处理方法均模仿、借鉴孔板可膨胀系数ε的试验模式，本文就以孔板的可膨胀系数的测试为例进行分析探讨。

以上两个公式的格式稍有变化，在天然气测量范围内，（3）式值比（2）值高。

三、可膨胀系数ε的测试方法

目前在我国天然气流量测量中，孔板流量计仍占主导地位，但其占有率逐年有下降，涡轮、智能旋进漩涡、罗茨流量计数量逐年上升。主要原因是孔板怕脏、怕磨损、维护工作量大；安装条件苛刻，成本高；流量比小，压损大。另外，节流装置采用阀式结构形式（俗称高级孔板阀），二次仪表采用高性能智能变送器和工控型计算机配置，其价格相当昂贵。但孔板流量计在使用中无需周期实流标定的成熟程度是任何其他流量计无法比拟的。这对使用者而言是最具经济、实用价值的优点。随着我国仪表技术的发展，新型的与孔板工作原理相同的差压流量计也纷纷出现，比如内锥流量计等都在膨胀系数ε的测试上还存在问题，国内在这些节流装置膨胀系数ε还没有得到一个经验公式，但是随着天然气计量的发展要求，它们的适用性已经显而易见，所以，在孔板的基础上做了大量的试验，总结了孔板的两个测试方法，而且对两种测试方法产生的测试结果进行了对比，希望能对以后差压节流装置的膨胀系数ε测试工作能带来方便。

从公式（1）可知，用气体标准装置测试节流装置，只能得到流出系数和可膨胀系数的乘积Cε，如何将ε分离出来，可仿照孔板的测试经验，有两种方法：

（一） 相似原理分离法

用水流量标准装置测试节流装置，得到不同雷诺数对应的流出系数C，锥形节流装置的雷诺数

用多个（至少5个）不同的β值的节流装置，重复上述操作，得到不同的直径比βi对应的斜率mi，在以βi为自变量，统计回归计算得到m的函数式

m= f （β） （8）

对于不同结构形式的节流装置，气体的膨胀途径、方式不同，只有测量管轴向的膨胀才对流量产生影响，而测量管径向的膨胀对流量不做任何贡献。气体膨胀总是力图向各个方向进行，只是节流装置结构不同，膨胀条件各异，引起不同的效果。对文丘里喷嘴等轮廓型节流装置，在节流前后气体流束始终充满了过流截面，没有径向膨胀的空间，只有轴向一维膨胀，所以膨胀系数最小，对流量的修正最大。孔板节流装置在节流前后流束都与测量管内壁剥离，给气体径向膨胀留出空间，所以气体流经孔板节流装置的前后既有轴向膨胀，又有径向膨胀，且径向膨胀效应最强，轴向膨胀效应最弱，导致可膨胀系数最大，对流量的修正最小，对于不同差压节流装置可以根据内部结构导致流体膨胀的轴向或径向来分析预估它的可膨胀系数的范围。

（二）回归计算分离法：

（1）用气体流量标准装置测试节流装置，通常用正压或负压音速喷嘴为标准，若节流装置安装在音速喷嘴之后，可得到相同雷诺数对应的固定流出系数与ε的乘积Cεi；若节流装置安装在音速喷嘴之前则只能得到不同雷诺数对应的流出系数与膨胀系数的乘积。目前国内负压空气喷嘴装置都是喷嘴在前的安装方式。

式中：P=P1-P2为压差，用高精度智能差压变送器测量得到；P2为节流元件下游绝对静压力；P1为节流元件上游绝对静压力；i为测量点数；j为不同β值的节流装置台数。

的每一个环节。特别是采用负压音速喷嘴为标准装置时，一定要确保安装连接严密无泄漏，因为负压吸入空气，验漏很空难，只有靠安装工艺保证，另外一定要保证装置进入临界流状态。

（4）用不同β值的节流装置重复上述3步骤，得到βj对应的直线斜率mj。

（5）以βj为自变量，mj为变量回归计算得到mj与βj的函数关系式，公式计算值与测试值mj相对误差≤0.1%。

四、可膨胀系数ε两种测试法的验证

五、结论

在孔板的膨胀系数的研究基础上，借鉴孔板的膨胀系数的测试方法，归纳总结了文中所述的测试方法，并通过实验得到了大量的实验数据，通过实验数据的处理分析，得到上述的对比表，大家可以根据流量的大小选择合适的测试公式。

参考文献：

[1]孙淮清，王建中.流量测量节流装置设计手册[M].北京：化学工业出版社，2000.