液体流量的测定与流量计的校正.docx
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液体流量的测定与流量计的校正
液体流量的测定与流量计的校正
摘要
文氏流量计和孔板流量计是化工生产中常用的流量计，其原理基于机械能中的势能、动能和静压能的相互转换，利用文氏管的喉颈和节流孔前后的压力的变化测定流量。
它们都是节流式流量计。
常用的流量计大都按标准规范制造，一般在标准状态下标定．在生产中由于流体流动和生产条件发生了变化，其流量计计量基准也发生了变化，因此必须对流量计进行标定。
关键词：
孔板流量计，文氏流量计，标定
ABSTRACT
Venturiflowmeterandorificeflowmeteriscommonlyusedinchemicalproduction,itsprinciplebasedonthemechanicalenergyflowofpotential,kineticenergyandstaticpressurecanconversiontoeachother,useventuritubethroatneckandthrottleorificeandthepressureforchangeinthedeterminationofflow.Theyareallthrottlingflowmeter.Themostcommonlyusedbystandardmanufactureflowmeterstandardcondition,beincommonlyinproductionmode.Becauseoffluidflowandproductionconditionshavechanged,theflowmetermeteringbenchmarkalsochanged,somustcalibrateonflowmeter.
Keywords：
Orificeflowmeter,venturiflowmeter,calibration
第一章.绪论
1.1研究背景与意义
流量的测定在科学研究、工业生产以及日常生活中都是十分重要的。
测定流量的仪器种类很多，依据的原理也不同，其中使用最多的是节流式（又称压差式、速度式）流量计，具体的有孔板流量计、文丘里流量计（简称文氏流量计）、喷嘴流量计等。
这类流量计主要是依据能量守恒和质量守恒定律，通过测定流体流经节流装置时产生的压差来确定流体的速度，从而得到流量数据。
它们通常由节流件（如孔板、文丘里管、喷嘴等）和压差计组成。
工业生产中使用的流量计大都是按照标准规范制造和安装使用的，并由制造厂家在标准条件下以水或空气为介质进行了标定，给出了流量系数或标定曲线，只要照其规定使用即可得到流量数据。
但当实际使用时的温度、压强、介质的性质等条件与标定时不同，或流量计经长时间使用后磨损较大时，就需要对流量计重新进行标定（或校正），即重新确定其流量系数或标定曲线。
流量计的标定中其流量的测量方法有量体法、称重法和基准流量计法等。
量体法和称重法是通过对一定时间内排出的流体体积或质量的测量来确定流量，是最基本的方法，而基准流量计法是用已被校正过且精度级较高的流量计来进行流量的测定。
本实验采用量体法对孔板流量计和文氏流量计进行标定，实验用的介质是水。
1.2流量计的发展
流量测量的发展可追溯到古代的水利工程和城市供水系统。
古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。
公元前1000年左右古埃及用堰法测量尼罗河的流量。
我国著名的都江堰水利工程应用宝瓶口的水位观测水量大小等等。
17世纪托里拆利奠定差压式流量计的理论基础，这是流量测量的里程碑。
自那以后，18、19世纪流量测量的许多类型仪表的雏形开始形成，如堰、示踪法、皮托管、文丘里管、容积、涡轮及靶式流量计等。
20世纪由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急剧增长，才促使仪表迅速发展，微电子技术和计算机技术的飞跃发展极大地推动仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。
至今，据称已有上百种流量计投向市场，现场使用中许多棘手的难题可望获得解决。
我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口。
流量测量是研究物质量变的科学，质量互变规律是事物联系发展的基本规律，因此其测量对象已不限于传统意义上的管道液体，凡需掌握量变的地方都有流量测量的问题。
流量和压力、温度并列为三大检测参数。
对于一定的流体，只要知道这三个参数就可计算其具有的能量，在能量转换的测量中必须检测此三个参数。
能量转换是一切生产过程和科学实验的基础，因此流量和压力、温度仪表一样得到最广泛的应用。
1.3节流差压式流量计的特点及应用
1.3.1优点
（1）节流件标准孔板结构易于复制,简单,牢固,性能稳定可靠,使用期限长,价格低廉。
节流式DPF应用范围极为广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比。
（2）检测件与差压显示仪表可分开不同生产厂生产,便于专业化形成规模经济生产,它们的结合非常灵活方便。
（3）检测件,特别是标准型的,是全世界通用的,并得到国际标准组织的认可。
对标准型检测件进行的试验研究是国际性的,其他流量计一般仅依靠个别厂家或研究群体进行,因此其研究的深度和广度不可同日而语。
从时间上看,标准型检测件自20世纪30年代由国际标准化组织确定后再也没有改变,其研究资料及生产实践的积累极其丰富,它涉及的应用范围还没有一类流量计可比。
（4）标准型节流装置无需实流校准,即可投用,在流量计中亦是惟一的。
1.3.2 缺点
（1）测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平,由于众多因素的影响错综复杂,精确度难以提高。
（2）范围度窄,由于仪表信号（差压）与流量为平方关系,一般范围度仅3∶1～4∶1。
（3）现场安装条件要求较高,如需较长的直管段（指孔板、喷嘴）,一般难以满足。
（4）检测件与差压显示仪表之间引压管线为薄弱环节,易产生泄漏、堵塞、冻结及信号失真等故障。
（5）压损大（指孔板、喷嘴）。
1.3.3应用
孔板流量计应用极其广泛，流量测量技术与仪表的应用大致有以下几个领域。
一，工业生产过程
流量仪表是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一，它被广泛适用于冶金、电力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、轻纺、食品、医药、农业、环境保护及人民日常生活等国民经济各个领域，是发展工农业生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具在国民经济中占有重要的地位。
在过程自动化仪表与装置中，流量仪表有两大功用：
作为过程自动化控制系统的检测仪表和测量物料数量的总量表。
二，能源计量
能源分为一次能源（煤炭、原油、煤层气、石油气和天然气）、二次能源（电力、焦炭、人工燃气、成品油、液化石油气、蒸汽）及载能工质（压缩空气、氧、氮、氢、水）等。
能源计量是科学管理能源，实现节能降耗，提高经济效益的重要手段。
流量仪表是能源计量仪表的重要组成部分，水、人工燃气、天然气、蒸汽和油品这些常用的能源都使用着数量极其庞大的流量计，它们是能源管理和经济核算不可缺少的工具。
三，环境保护工程
烟气，废液、污水等的排放严重污染大气和水资源，严重威胁人类生存环境。
国家把可持续发展列为国策，环境保护将是21世纪的最大课题。
空气和水的污染要得到控制，必须加强管理，而管理的基础是污染量的定量控制。
我国是以煤为主要能源的国家，全国有上百万个烟囱不停地向大气排放烟气。
烟气排放控制是根治污染的重要项目，每个烟囱必须是安装烟气分析仪表和流量计，组成连椟排放监视系统。
烟气的流量沆量有很大因难，它的难度为烟囱尺寸大且形状不规则，气体组分变化不定，流速范围大，脏污，灰尘，腐蚀，高温，无直管段等。
四，交通运输
有五种方式：
铁路公路、航空、水运、和管道运输。
其中管道运输虽早已有之，但应用并不普遍。
随着环保问题的突出，管道运输的特点引起人们的重视。
管道运输必须装备流量计，它是控制、分配和调度的眼睛，亦是安全监没和经济核算的必备工具。
五，生物技术
21世纪将迎来生命科学的世纪，以生物技术为特征的产业将获得迅速发展。
生物技术中需监测计量的物质很多，如血液，尿液等。
仪表开发的难度极大，品种繁多。
六，科学实验
科学实验需要的流量计不但数量多，且品种极其繁杂。
据统计流量计100多种中很大一部分是应科研之需用的，它们并不批量生产，在市面出售，许多科研机构和大企业皆设专门小组研制专用的流量计。
七，海洋气象，江河湖泊
这些领域为敞开流道，一般需检测流速，然后推算流量。
流速计和流量计所依据的物理原理及流体力学基础是共通的但是仪表原理及结构以及使用条件有很大差别。
1.3.4工业应用中的实际问题
（1）安装管理误差
安装管理误差如果不及时解决,会成为一个无法进行完全定性分析的潜在误差源。
安装误差具有普遍性,如现场的施工条件不能满足直管段要求的长度,或管材不符合要求等。
具体表现在:
管路超长,弯折偏多,孔板变形,上游测量管沉积脏物造成管径偏小,雷诺数范围不符合标准规定,管道粗糙度影响,焊口错位。
管理上的误差主要表现在:
仪表的型号、孔板尺寸与流量不匹配,引压管、平衡阀、差压计各连接部位的渗漏,大气温度、管壁积液、结蜡的影响,人员操作错误.
（2）如何确定与提高流量仪表的准确度
由于流量量值传递系统的建立和传递在各类参数中是属于最难掌握的,流量量值的准确确定,存在着较大的问题。
流量仪表是一种独特的仪表,它的制造准确度与使用的准确度可能相差很悬殊。
造成这种情况的原因多种多样,例如量程选择不对,上下游直管段长度不能满足要求,流体过滤、消气不良,长期使用检测件腐蚀、磨损、积垢、堵塞等。
流量测量是一个测量系统的问题。
测量系统包括测量显示装置、前后测量管道及辅助仪表等,因此仅仅仪表本身性能好并不能保证获得要求的系统准确度,它要求整个测量系统符合规定要求才行。
（3）运行中如何保证计且的准确性
孔板流量计投人正常使用后,要注意日常的维护保养,特别是用于含有杂质及有一定腐蚀性的煤气流量测量更要注意这方面的工作。
定期进行仪表系统的校验,消除仪表引起的计量误差,校验用的标准器必须在有效检定周期内定期进行孔板清洗,管道清洗,导压管的清通,防止煤气杂质粘附在这些部件上而影响计量精度。
发现孔板有腐蚀现象应及时更换。
为使计量准确,应保证流量在规定的范围内,不应低于最小流量流量应保持稳定,或随时间变化波动非常缓慢,不应变化频繁,否则就要寻找原因及时排除。
如管道积水、管道结构不合理等。
二实验部分
2.1实验装置
实验装置示意图如图1－3所示。
有关实验参数为：
两种流量计中，小孔直径为d0=18mm，D0＝35mm。
图1实验装置图
1、有机计量水箱2、文丘里管3、孔板流量计4、压力显示板5、实验管道
6、浮子流量计7、水泵8、塑料水箱9、实验台支架10、实验台面
2.2实验原理
1.孔板流量计的工作原理
孔板流量计的构造原理如图2所示。
管内流速与孔板前后压力的变化关系，用机械能衡算导出伯努力方程：
（理想流体）（1-1）
（式中
－小截面压力，
－大截面压力，
－小截面流速，
－大截面流速，
－流体密度）
连续性方程：
（1-2）
（式中
－大截面面积，
－小截面面积）
（1-2）式代入（1-1）式整理后得：
（1－3）
（1－4）
考虑压力损失，计入排除系数
，于是得：
（1－5）
（设：
）
（Co由孔板锐孔的形状、测压口位置、孔径与管径之比d／J。
和雷诺数Re所决定。
具体数值由实验测定。
孔板的JD／Jl为一定值，Re超过某个数值后，Co接近于常数。
一般工业上定型的流量计，就是规定在Co为定值的流动条件使用。
）
则：
（1-6）
于是系统体积流量：
（1-7）
（式中
－体积流量）
图2孔板流量计的构造原理
2．文丘里流量计（工作原理同上）
孔板流量计装置简单，但其主要缺点是阻力损失大。
文丘里流量计采用渐缩与渐扩结构，以减少涡流损失，其构造如图3所示。
图3文丘里流量计构造原理
2.3实验步骤
1.关闭上、下游阀门，启动水泵，缓慢打开流量阀门。
2.检查并驱赶孔板流量计系统和压差计中气泡（密度不同而影响误差），在一定流量下稳定流动15min。
3.找出Re=5000时流量所对应的孔板流量计压差示数，得0.48m3（此时流量为实验最小流量，使孔板流量计压差示数达最大量程的流量为最大流量）。
4.调整流量使孔板流量计压差示数在最大和最小示数范围内均匀取18个点，即高度差间隔10cm，读取并记录各压力表相应的数据，同时测量各流量水温用于计算密度。
5.先关闭上游阀门，再关闭下游阀门，停泵。
6.文氏流量计重复1-3步骤后，孔板流量计压差示数在最大和最小示数范围内均匀取18个点，即水柱间隔6cm.读取并记录各压力表相应的数据，同时测量各流量水温用于计算密度。
7.先关闭上游阀门，再关闭下游阀门，停泵。
2.4实验条件
（1）孔板流量计：
上游段110cm，下游段20cm，管径0.035m，孔径0.018m
（2）文氏流量计：
上游段80cm，下游段31cm，管径0.035m，孔径0.018m
（3）水槽：
长1吗，宽0.25m水深0.22m
2.5实验结果
文氏实验数据表
流量V（m3/h）
温度t（℃）
密度ρ（kg/m3）
粘度μ（PaS）
雷诺数Re
压差△p（m）
孔流系数Co
0.58
13
998.9855
0.0012789
4578.151
0.062
0.5740442
0.83
13.2
998.9527
1.27E-03
6579.326
0.124
0.5808719
0.98
13.3
998.9362
1.27E-03
7784.86
0.178
0.572439
1.17
13.5
998.903
0.0012653
9333.729
0.251
0.5755223
1.3
13.6
998.8862
1.26E-03
10392.88
0.305
0.5801049
1.43
13.7
998.8694
1.26E-03
11456.51
0.364
0.5841151
1.548
13.8
998.8525
1.26E-03
12428.3
0.421
0.5879536
1.64
14
998.8186
0.0012518
13223.16
0.483
0.5815451
1.743
14.2
998.7844
1.25E-03
14113.72
0.547
0.580787
1.84
14.3
998.7672
1.24E-03
14931.01
0.597
0.5868726
1.95
14.5
998.7324
0.0012384
15891.41
0.666
0.5888581
2.05
14.7
998.6975
1.23E-03
16778.01
0.732
0.5904886
2.11
14.8
998.6799
1.23E-03
17306.1
0.769
0.5929696
2.2
15
998.6445
0.0012251
18121.81
0.831
0.5947512
2.27
15.2
998.6088
1.22E-03
18778.87
0.9
0.5896819
2.35
15.3
998.5909
1.22E-03
19482.49
0.967
0.5889356
2.425
15.5
998.5547
0.0012119
20190.93
1.024
0.5905748
孔板实验数据表
流量V（m3/h）
温度t（℃）
密度ρ（kg/m3）
粘度μ（PaS）
雷诺数Re
压差△p（m）
孔流系数Co
0.54
12
999.1452
0.0013064
4173.359
0.105
0.4106883
0.75
12.2
999.1138
1.30E-03
5820.799
0.207
0.4062461
0.9
12.3
999.098
1.30E-03
6999.699
0.301
0.4042708
1.035
12.5
999.0662
0.0012926
8083.698
0.398
0.4043076
1.175
12.6
999.0502
1.29E-03
9196.549
0.506
0.4070762
1.268
12.8
999.018
1.28E-03
9966.5
0.597
0.4044318
1.37
12.9
999.0018
1.28E-03
10791.03
0.705
0.4021047
1.47
13.1
998.9691
1.28E-03
11627.86
0.805
0.4037686
1.56
13.2
998.9527
1.27E-03
12365.96
0.896
0.4061475
1.64
13.4
998.9196
1.27E-03
13055.41
1.005
0.4031568
1.72
13.5
998.903
0.0012653
13721.38
1.105
0.4032371
1.79
13.7
998.8694
1.26E-03
14340.67
1.202
0.4023592
1.85
13.8
998.8525
1.26E-03
14852.94
1.294
0.4007908
1.93
14
998.8186
0.0012518
15561.4
1.407
0.4009807
2
14.2
998.7844
1.25E-03
16194.75
1.494
0.403244
2.06
14.3
998.7672
1.24E-03
16716.24
1.638
0.3966646
2.11
14.5
998.7324
0.0012384
17195.32
1.71
0.3976468
2.18
14.7
998.6975
1.23E-03
17841.98
1.775
0.4032464
文氏流量计平均孔流系数Co=0.5847孔板流量计平均孔流系数Co=0.4034
孔流系数Co与Re的关系曲线
三结果与讨论
孔板流量计文式流量计
孔流系数Co
平均值
误差
0.4107
0.4034
1.82%
0.4062
0.4034
0.72%
0.4043
0.4034
0.23%
0.4043
0.4034
0.24%
0.4071
0.4034
0.92%
0.4044
0.4034
0.27%
0.4021
0.4034
-0.31%
0.4038
0.4034
0.10%
0.4061
0.4034
0.69%
0.4032
0.4034
-0.05%
0.4032
0.4034
-0.03%
0.4024
0.4034
-0.25%
0.4008
0.4034
-0.64%
0.4010
0.4034
-0.59%
0.4032
0.4034
-0.03%
0.3967
0.4034
-1.66%
0.3976
0.4034
-1.41%
0.4032
0.4034
-0.03%
孔流系数Co
平均值
误差
0.5740
0.5847
-1.83%
0.5809
0.5847
-0.66%
0.5742
0.5847
-1.80%
0.5755
0.5847
-1.58%
0.5801
0.5847
-0.79%
0.5841
0.5847
-0.11%
0.5880
0.5847
0.55%
0.5815
0.5847
-0.55%
0.5808
0.5847
-0.68%
0.5869
0.5847
0.37%
0.5889
0.5847
0.70%
0.5905
0.5847
0.98%
0.5930
0.5847
1.41%
0.5948
0.5847
1.71%
0.5897
0.5847
0.85%
0.5889
0.5847
0.72%
0.5906
0.5847
1.00%
孔流系数Co是在上游直管段充分长的实验条件下,并且孔板节流装置在满足规定的技术指标下进行校准标定,才是有效的。
当雷诺数较小时,Co会变大;当雷诺数较大时,Co会变小。
Co随着流量的增大而减小,实际流量越小于刻度流量,则Co引起的流量误差会越大。
孔板流量计的Co不是一个固定值,它随雷诺数的变化而变化,但是当雷诺数增大到某一数值时,变化量减小。
对于法兰取压,雷诺数应该在106以上,对于角接取压,雷诺数应在2×105以上。
孔板流量计构造简单，制造方便，但永久损失大，其h值约为40～80%。
文氏流量计是一个管径由渐缩到渐扩的锥形管，可使流体流速改变平缓，很少生成涡流，故永久损失小.本实验采用水作为介质,孔板保持清洁,误差为1%-2%.其产生来自系统误差和偶然误差，Co值以平均值为真实值。
其每次数值不同可能由于操作人员读数习惯，环境因素造成。
本次实验自始至终均为一人操作，按照先调流量至大致压差范围，稳定流量，计量桶放水并计时，中间读转子流量计示数，记录压差。
可排除不同人员读数习惯不同造成的误差，且所测点较多，可弥补偶然误差对真实值的影响。
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