新型智能差压式流量计的设计

　　0　引　言

　　流量、温度、压力仪表并称为三大仪表。流量是热能动力领域的一个重要参数,目前广泛使用的仍是涡轮流量计、转子流量计、孔板流量计、毕托管流量计等。综观其采用的流量测量方法,因对管内流体流态、截面来流速度的分布及管壁边界层的形成等流场机理研究不够,或分析不彻底的缘故,致使测量误差偏大、准确度欠佳。本文在分析管内流体流动的基础上,构思出另一种较为理想的差压式流体流量测试方法,在此基础上重新设计差压式流量计。由于仪表的准确度是仪表设计的核心,本文详细分析了新型差压流量计的误差成因,并得出修正方法,提高了仪表的准确度。同时,还设计了基于单片机的智能化流量测量变送、积算修正、显示及远程传输系统。

　　1　圆管内流体流动机理及新流量差压方程

　　1.1　圆管内流动速度分析

　　分析管内流动速度,按流态可分为层流与紊流。根据管内截面速度分布图计算公式[1]为

　　式中　u_x,-u,u_max分别为流体截面任一点速度、截面平均速度、管中心最大速度,m/s;

　　r,r0分别为截面任一点距管中心点的距离、管半径,m。

　　对紊流,可近似用幂函数描述        

　　式中　n为实验常数,是雷诺数Re的函数。在R_e=4×10³时,n =6;R_e=1.1×10⁵时,n =7;R_e =3.24×10⁶时,n =10。

　　由式(5)可知,只要测得管中心最大速度,就能知道整个截面平均速度,从而测量流过该截面流体的流量

　　1.2　新差压流量计流量测量方程

　　智能差压流量计测量积算系统如图1所示。

　　将总压管1探头置于管中心处,并与管轴线平行,探头测出流速为截面最大速度u_max。将静压管2的口置于管壁边界层内,有[2]

　　式中　u为静压管贴近管壁的流速,m/s;p₂为静压管测量压力,Pa;p₀为管截面总压力,Pa;dp/dy为沿管轴线的压力梯度,Pa/m。

　　由式(5),式(6),式(7)联立解得

　　式(8)即为本文推导出的新流量差压方程。

　　2　新差压流量计的误差分析与修正

　　根据所设计的差压流量计,其误差来源可分为随机误差和系统误差。随机误差有安装偏斜误差;电压波动误差;流体密度ρ测量误差;压差测量误差等。这些误差可通过多次重复测量来消除。系统误差有沿程损失误差;探头管柄堵塞引起的误差;压力测量误差;紊流引起的原误差等。要提高所设计仪表的准确度,必须分析各误差的形成来加以修正。