1、從節流式差壓流量計的發展歷程看如何進行流量儀表的開發發表者m8m - 評論0條 - 查看131次 - 2006-03-13 12:14:47.0 摘要：     孫淮清先生，重慶工業自動化儀表所教授級高工。編者按：流量測量在國民經濟各部門獲得愈來愈廣泛的應用，幾乎每年都有許多新品種流量儀表問世。本文的目的是想用一種最古老的流量儀表的發展歷程來說明儀表在開發與應用中可能遇到哪些問題；怎樣來評價      孫淮清先生，重慶工業自動化儀表所教授級高工。編者按：流量測量在國民經濟各部門獲得愈來愈廣泛的應用，幾乎每年都有許多

2、新品種流量儀表問世。本文的目的是想用一種最古老的流量儀表的發展歷程來說明儀表在開發與應用中可能遇到哪些問題；怎樣來評價流量儀表的兩個主要特性：可靠性和準確度(精確度)。一 節流式差壓流量計的發展歷程以標準節流裝置為檢測件的節流式差壓流量計真正用于工業流量測量是在20世紀30年代，早在20年代美國和歐洲開始對差壓流量計進行開發的試驗研究，后來將用得最普遍的節流裝置孔板和噴嘴開始標準化，現在標準噴嘴的一種型式ISA1932噴嘴，其幾何形狀就是30年代標準化的。只有節流裝置結構型式標準化了，才有可能把國際上眾多研究成果匯集在一起，它促使節流裝置標準化工作加速進行。1931年美國ASME(美國機械工程

3、師學會)和AGA(美國氣體協會)成立聯合小組對同心直角銳孔板的流出系數進行深入試驗研究，直至1935年在美國俄亥俄大學進行一次稱為OSU89的試驗，總結出著名的流出系數白金漢公式(Buckingham Equation)，直至80年代它還一直是美國孔板流量計國家標準的基本公式。在此之前，19221933年美國API(美國石油學會)、GPA(氣體加工協會)及AGA等都曾對法蘭取壓法孔板流量計的儀表特性進行廣泛現場試驗研究，摸清孔板幾何尺寸、管道中流速分布以及流體物性對流出系數的影響，為制訂AGA1、2號報告和AGA3號報告打下基礎。在同一時期歐洲各國(主要為德國、英國)亦對孔板流量計進行大量試驗

4、研究。他們主要針對角接取壓法，以德國節流裝置國家標準DIN1952(第三版，1935年)頒布為標志的歐洲標準化工作亦取得積極進展。1948年ISO(國際標準化組織)成立第30技術委員會(TC30)“封閉管道中流體流量的測量”，TC30下設第2分技術委員會(SC2)“差壓裝置”專門負責差壓裝置國際標準的制訂工作。經過十余年的工作于1967年頒布了國際建議R541“用孔板和噴嘴測量流體流量”，接著于1968年頒布國際建議R781“用文丘里管測量流體流量”，實際上此兩個國際建議是把美國和歐洲自成系統的標準綜合在一起。自此之后，ISO/TC30/SC2繼續進行國際標準的制訂工作，于1976年提出節流裝

5、置國際標準草案ISODIS5167“用孔板、噴嘴和文丘里管測量充滿圓管的流體流量”，1980年ISO正式通過國際標準ISO5167，至此流量測量節流裝置一個國際標準誕生了。ISO5167總結了幾十年來國際上對為數有限的幾種節流裝置(孔板、噴嘴和文丘里管)的理論與實踐的研完成果，反映了此類檢測件的當代科學與生產的技術水平。但是，從ISO5167正式頒布之日起，ISO即宣布開始進行標準修訂工作，因為它存在著幾個缺點：(1)試驗數據的陳舊性：ISO5167(1980年)只是反映70年代以前的試驗研究工作成果。80年代國際上流量測量試驗設備及數據處理技術已有很大進展，必須以最新試驗成果作為節流裝置基礎

6、數據(數據庫)；(2)ISO5167中直管段長度規定的問題：在通過ISO5167(1980年)時，標準的取材國美國卻投了反對票，其原因是國際標準的規定與美國國家標準(亦即AGA3號報告)的規定有抵觸，兩者相差約達1倍，直管段長度規定是標準的兩個核心問題之一，它涉及現場安裝要求，對儀表性能有重要影響，必須妥善解決；(3)ISO5167中各項規定的科學性問題：影響節流裝置流出系數因素非常多，主要有孔徑與管徑比值、取壓裝置、雷諾數、節流裝置安裝偏心度、前后阻流件類型及直管段長度、孔板入口邊緣銳利度、管壁粗糙度、流體流動波動、脈動及湍流度等。眾多因素影響錯綜復雜，有的參數難以直接測量，因此標準中有些規

7、定并非是科學地確定，而是為了取得投票的一致，不得不人為確定；(4)如何提高節流式差壓流量計準確度的問題：目前節流式差壓流量計準確度水平大致為實驗室大于±0.5% FS，現場大于±0.5% FS。由于節流式差壓流量計在流量測量中的重要性，提高其準確度意義很大，但是如何提高卻困難重重，在1983年一次孔板流量計國際學術會議上專家們取得共識，即只有在微觀水平上對流體流經孔板的流場有深入了解和掌握才能預報在現場條件下準確的被測值。要做到這一點，必須有3方面人員，即流量測量工作者、流體力學與計算機技術工作者的緊密合作才有可能。為解決上述問題，國際流量界在80年代進行過一次大規模孔板流

8、量計試驗研究，它就是歐共體EEC實驗計劃和美國API實驗計劃。試驗以現代最新流量測試設備和數據統計處理技術進行新一輪范圍廣泛的實驗室及現場試驗研究。歷時十余年的試驗改變了ISO5167中數據的技術基礎，為修訂新標準打下堅實基礎。修訂的ISO5167是一部有實質性提高、新的節流裝置國際標準。流量儀表在開發過程需要進行兩方面試驗研究：實驗室的和現場的。實驗室試驗是在參考(參比)條件下進行，它是一種理想狀態，這時得出的準確度為基本不確定度。在現場，流量儀表工作條件發生變化，主要影響因素為流體特性和流動特性。流體特性又分為兩類：流體物性(物理性質)和流體特性。流體物性對流量計的影響因工作原理而異，對常

9、用流量計有影響的物性參數為密度、黏度、等熵指數、聲速、導電率、導熱系數等，其中密度和黏度是普遍的，又以密度最為重要，為確定流體質量流量，對于體積流量計須同時監測密度，密度準確度直接影響流量值準確度。黏度是雷諾數的一個參數，它的影響是間接的，因此對其準確度要求可放寬些。黏度是判斷牛頓流體與非牛頓流體的一個參數，目前全部流量測量標準都僅只適用于牛頓流體。許多混相流為非牛頓流體，其黏度有復雜的特性。流體特性是指流體的腐蝕、積垢、臟污、凍結、混相、相變、有毒、易揮發等特性，這些會改變檢測件幾何形狀及尺寸、管壁粗糙度及管道橫截面面積等，它對儀表可靠性及準確度構成嚴重威協，尤其這些特性是隨儀表投用時間而惡

10、化的，應是儀表維護的重點關注問題。在現場，流體流動特性主要有兩方面：非充分發展管流和非定常流。非充分發展管流主要為流速分布畸變和旋轉流，一般推理式流量計(科氏質量流量計除外)都或多或少受其影響，流量儀表上游的阻流件是非充分發展管流的干擾源，阻流件類型復雜多變，在實驗室又難以完全復制，它成為流量儀表現場應用的主要課題之一。目前除節流式差壓流量計外，其余流量計的非充分發展管流干擾試驗研究都還不夠成熟，嚴重影響到儀表準確度的可信度。新修訂的ISO5167在非充分發展管流干擾抑制規定方面有實質性提高，它是近二十年來國際上大力開展試驗研究工作的成果。應該指出，即使ISO5167新標準，它所列舉的阻流件類

11、型仍不能滿足現場需要，今后仍需進一步拓寬與提高。非定常流干擾是現場一種普遍現象，其原因有：原動機如往復式發動機、壓氣機、泵、風機等產生；控制閥頻繁動作產生；管線自激振蕩，特別有諧振時引起的；工藝管件如閥、彎頭、支管等使流動分離產生的；整個流動系統布置引起的以及混相流中某些流動流型引起的等等。目前流量測量標準還沒有對非定常流干擾的抑制作定量規定的例子，ISOTR3313是ISO的一份技術報告，只作為參考文件用。現場由于上述工作條件的變化會產生附加不確定度，現場測量不確定度是基本不確定度和附加不確定度的合成，合成方法復雜多變，現場誤差估計是一個非常復雜的問題，只有具備誤差理論及流量測量專業知識的人

12、員才能勝任。以下簡介孔板流量計在其發展歷程中進行過哪些實驗室和現場試驗研究工作，在AGA3號報告(第四版，2000年)中列舉了19221999年孔板流量計試驗研究的參考文獻約240篇，這些資料反映了孔板流量計(請注意這里僅涉及標準節流裝置的一種型式)在開發與應用中所遇到的一些問題及其研究成果。參考文獻(A.2A.31)可大致分為3個時期：30年代、4060年代、8090年代。1. 30年代(A.2A.12)19241935年美國進行10年研究試驗，研究項目達14項，對孔板流量計用于天然氣流量測量的各種問題，包括制造、安裝和使用各方面進行了大量試驗研究，并且試驗大部分是在天然氣輸氣站上進行的，試

13、驗項目有阻流件干擾影響、高壓下氣體的壓縮系數、可膨脹性系數、流動調整器的作用以及孔板的結構參數等。除天然氣外，這一時期還進行實驗室的水和蒸汽實驗，其中最著名的一次試驗是19321933年在俄亥俄州立大學進行的稱為OSU89水的實驗(OSU是俄亥俄州立大學工程實驗站的簡稱)，實驗管徑為114英寸共7種，值0.040.85，共164塊孔板，實驗數據由美國國家標準局(NBS)E·Buckingham(白金漢)博士整理，提出流出系數的擬合方程，稱為白金漢流出系數公式(發表時間為1935年5月，此公式一直使用到AGA3號報告第三版1990年才改為R-G(Reader-Harris/Gallag

14、her)公式)。在此時期，出版了AGA1號報告(1930年)和AGA2號報告(1935年)，總結了此時期一系列試驗研究成果，為孔板標準化打下初步基礎。2. 4060年代(A.13A.31)30年代是節流裝置標準化初始階段，一些問題還只進行初步探索。4060年代國際上流量界集中很大一部分力量進行節流裝置標準化急需的課題試驗研究。僅在美國AGA3號報告就列舉7項專題研究(A.13A.19)，對節流裝置制造、安裝和使用各個環節都開展深入的試驗研究，這里列舉的資料就超過60篇，涉及問題如孔板安裝偏心度及變形(由于安裝或高差壓引起的)，孔板幾何形狀與尺寸及表面狀況的影響，確定抑制非充分發展管流干擾的上游

15、直管段長度的規定，流動調整器型式研究等，試驗介質亦不斷擴展，除天然氣、空氣、水外，還有油、蒸汽等。50年代高壓蒸汽的試驗取得進展。此時期AGA3號報告正式出版(1955年)，ISO頒布兩個國際建議RS41(1967年)和R781(1968年)，這些為制訂節流裝置國際標準打下基礎。此時期實驗室試驗由美國NBS牽頭，在OSU89的基礎上繼續進行。3. 8090年代(A.20A.31)此時期歐洲和美國開展大規模孔板流量計試驗研究，最重要的兩個實驗計劃為API實驗計劃(A.20)和EEC實驗計劃(A.21)，參考文獻中有11篇論文，這些計劃的目的是更新孔板流出系數數據庫，它是孔板新流出系數公式的技術基

16、礎。此時期明顯增加現場試驗研究的力度，在參考文獻中有170篇論文是這方面的內容。此時期由于電子技術、先進制造技術與計算機技術的進步，流量測量技術與儀表加速發展，在先進測試設備及計算流體力學理論進展的推動下，對節流裝置的試驗研究已可從微觀上把握其流動機理，過去難以解決的領域如非充分發展管流干擾和非定常流干擾的探索都取得長足進展。此時期新型流量儀表迅猛發展，但并未削弱人們對此類古老流量儀表的關注，節流裝置向深度和廣度方向仍在繼續發展，應該說此類流量儀表在全部流量儀表中仍占重要位置。以上列舉的主要為美國的科研工作，實際上全世界流量界都在進行節流裝置的試驗研究工作，他們都做出積極的貢獻。二 幾點啟示1

17、. 開發流量儀表要做哪些實驗(1)實驗室試驗儀表流出系數與雷諾數關系的試驗，它是儀表的基本試驗，為著使這個基礎牢固需要進行數據庫的積累和更新。從3070年代曾進行過許多種類介質的實驗：水、空氣、天然氣、蒸汽和油，這些介質的流量實驗裝置有不同雷諾數范圍，如油為低雷諾數(層流，過渡流到湍流)，水為低、中雷諾數，空氣和蒸汽為中、高雷諾數，天然氣可達最高雷諾數。另外數據庫中數據的可靠性是首要的。70年代美國ASME流量計研究委員會曾推選美國W·Fling和法J·stolg兩位孔板專家對OSU數據庫進行評估，結果兩位專家認為OSU數據庫數據分散性很大，標準差達4.3%，限制管徑、雷諾

18、數和值后，極限誤差(即不確定度)才降到±1%以內；并且在分析數據時找不到原始試驗的一些條件，如孔板平直度、入口邊緣銳利度、管壁粗糙度、孔板安裝的偏心度(不同軸度)等；對白金漢流出系數公式能否適用普遍的商業應用提出質疑。最后，兩位專家篩選出OSU試驗有303個技術上沒有缺陷的數據點。80年代美國和歐洲大規模孔板流量計試驗主要目的就是更新孔板流出系數的數據庫，參加試驗的實驗室11個，共積累質量上乘的數據點16376個，其中介質為油1889點，水為8616點，氣體為5871點，雷諾數范圍ReD：4005.3×107，管徑D：52586mm，值：0.10.75，d=12.5440m

19、m等。應該指出，無論哪個實驗室都不免會存在試驗數據的系統偏差，它是由實驗室工作條件、人員和試驗方法等產生的，眾多實驗室的參與可使數據隨機分散，消除其系統偏差，這是保證數據可靠性的重要措施。(2)現場試驗現場試驗最重要內容是安裝管路的設置，規定節流裝置上下游側直管段長度，包括流動調整器型式及使用，它是克服非充分發展管流干擾的方法。60年代ISOR541沒有提這方面內容，其實R541取材的美國和德國，英國等標準有此規定，但兩者相差甚大(約為1倍)，無法調和，只好避開此矛盾(個人猜想)。前面我們提過ISO5167(1980年)投票通過時，美國投了反對票，為此ISO特別成立ISO/TC30與ISO/T

20、C28聯合工作組，對此問題進行專題調查，但問題一直到新的ISO5167頒布時才算解決。從前面介紹AGA3號報告約240篇的參考文獻中，安裝影響為59篇，管壁粗糙度13篇，流動調整器38篇，脈動流影響13篇，共計123篇，另外A.2A.19中亦有多篇是針對現場試驗的，亦就是說超過一半論文是現場試驗研究的，并且隨著實驗室基礎數據的完成，現場試驗已成為今后的主要課題。在21世紀初，新的ISO5167與第一部ISO5167在標準的兩個核心內容：孔板流出系數公式和節流裝置直管段長度規定都得到更新，反映了目前技術水平。但是我們亦應看到，新標準中仍然沒有天然氣輸氣站關鍵的非充分發展管流干擾源流體分離器及匯管

21、等阻流件的有關規定，今后標準的修訂直管段長度及流動調整器的應用仍需不斷更新完善。現場非定常流干擾是個非常復雜的問題，至今ISO只提出一份技術報告ISOTR3313(1998年)它是脈動流(非定常流的特例)干擾抑制及誤差估算的導則，迄今尚沒有一份流量測量標準包括非定常流干擾抑制的定量規定，這個問題在現場應用中是回避不了的。應指出，非定常流干擾問題從節流式差壓流量計開始應用時就曾進行過大量工作，20年代，著名霍奇森數(Hodgson number)就是在研究脈動流對差壓流量測量中提出來的。50年代曾刊登一篇名為“脈動流測量文獻的述評”列舉大量文獻予以述評。現場試驗時還有另一重要內容為檢測件在長期使

22、用中受流體的作用發生結構偏離等缺陷所引起的問題，如何進行定量修正(補償)或確定重新校驗周期以及定性估計等。目前國內市場上常用幾類流量計，如速度式流量計(渦輪、渦街、電磁、超聲等)、差壓流量計(均速管、內文丘里管等)很少進行過如此深入的實驗室和現場的試驗研究。在這些流量計中提供的準確度和安裝使用數據有何根據？這些都說明流量儀表在開發與應用中試驗研究任重而道遠。2. 標準化的重要性節流式差壓流量計的流量輸出信號決定于檢測件的結構型式、幾何形狀及尺寸和管道尺寸等，檢測件結構型式及幾何形狀與尺寸的標準化(社會化)非常重要，試想一下，如果30年代幾種節流裝置(孔板、噴嘴和文丘里管)沒有實行標準化，結構型

23、式不統一，試驗研究成果無法匯聚在一起，有哪個國家、企業、科研群體能承擔得起這些大量工作，即使進行工作其深度和廣度亦不可同日而語，但是目前有些差壓檢測件，如均速管、內文丘里管等，花樣不斷翻新，一廠一個樣，這樣只能依靠本廠力量來進行試驗研究，要達到一定成熟程度投入需多大，時間又會拖多長？廣告上刊登的可在幾米直徑下工作并且準確度為?%讀數有何依據？3. 適用范圍應如實告訴用戶節流式差壓流量計依據力學原理工作，其他類型(原理)流量計，如電、聲、熱、光等原理工作的流量計有不同特點，不能照搬節流式差壓流量計的發展模式，另外，節流式差壓流量計的應用范圍幾乎覆蓋整個工業測量領域，如果僅在某一范圍內應用，則遇到的問題要少得多，開發過程亦可縮短。近年來，微電子技術、先進制造技術和計算機技術的迅猛發展，它大大加速儀表的開發過程，對于某種類型流量儀表新品種可在較短時間內完成實驗室和現場的試驗研究，不過應如實向用戶說明其適用范圍才好。4. 應用流體特性和流動