多孔板流量测量的实验研究

    1 引 言

    在流量测量领域，差压式流量计占流量计总数的 1/3 以上[1]。传统的标准孔板具有结构简单，易于加工制造，价格相对低廉等优点被广泛应用。但是，在一些特殊场合中，标准孔板的测量则存在较大误差。近年来，很多学者对槽式孔板进行了广泛的研究[2～5]，该孔板既具有传统标准孔板的优良特性，又克服了标准孔板的缺点。但是，由于槽式孔板不容易加工，导致制造工艺成本较高。因此，本文提出了一种新型流量测量元件多孔板的设计，并通过实验研究了多孔板的流量测量特性。

    2 多孔板结构简介

    多孔板由两圈（或单圈或多圈）系列圆孔组成，小孔沿管道轴心对称分布，使工质通过多孔板后流速均匀分布，结构如图 1 所示。

    多孔板结构虽然与标准孔板有所不同，但仍可视为节流元件。流量计算依旧可采用单相流体通过标准孔板的经典计算式[6]，即： 

    式中，β 为当量孔径比；A0为小孔流通面积的总和，m2；A 为管道流通面积，m2；qv为流体的体积流量，m3·s-1；C 为流出系数；ε 为膨胀系数；Δp 为孔板前后压差，Pa； ρ 为被测介质密度，kg·m-3。

    流出系数的稳定性是衡量孔板流量计的重要指标之一，高性能的孔板流量计必须具有稳定的流出系数。因此，研究流出系数的稳定性对提高测量精度有着重要意义[7]。

    3 实验系统

    实验为 3 个多孔板和 3 个标准孔板。多孔板的小孔直径均为 5 mm，厚度为 12 mm；两种孔板都取 3 个不同的β 值 0.42、0.59、0.65。 实验管道为透明有机玻璃管，内径为 30 mm；系统所用工质为自来水。图 2 为实验系统示意图。由图 2可见，自来水经潜水泵进入实验管道，通过旁路和主管路阀门调节流量。流量从小到大逐渐调节，当系统稳定后，每隔 0.1 m3·h-1测量 1 个流量数据。实验中的采样频率为 2 kHz，采样时间为 3 s，取 3 s 内的平均值作为测量值。

    所用的流量计为电磁流量计，测量精度为±0.5%；差压信号由差压变送器测量，测量精度为±0.1%；所有采样程序和控制命令均是以LABVIEW7.0 版本为平台开发的。数据采集板为NI 公司的 NI 6023E 高速数据采集卡，采样精度为 12 位。

    4 实验结果与分析

    4.1 流出系数的对比

    图 3 给出了 3 种β 值下， C 与 Re 的关系。从图 3 可以看出，多孔板流出系数随雷诺数的变化全过程可分为非平稳区和平稳区。在雷诺数较低时，多孔板与标准孔板流出系数均表现出急剧变化的现象；多孔板流出系数随雷诺数的增大而迅速增加；而标准孔板流出系数随雷诺数的增加迅速减小。对于β 为 0.42 的多孔板，Re>8000 时为平稳区；β 为 0.59 时，Re>10000 为平稳区；β为 0.65 时，Re>11000 为平稳区。在非平稳区内，雷诺数较小，影响流出系数的因素较多，平稳性及重复性都很差，因此，流出系数表现出不稳定的现象[8]。在平稳区内，多孔板流出系数明显高于标准孔板，对于β 为 0.42、0.59、0.65 的多孔板流出系数，分别比相同β 标准孔板高25.6%、25.2%、22.5%。随着 β 值的增加，多孔板流出系数达到稳定时的 Re 也向后推移。在平稳区，2 种孔板流出系数趋于稳定，变化范围很小，但标准孔板的流出系数有缓慢下降的趋势，多孔板流出系数基本上趋于定值。