標準節(jié)流裝置偏離標準規(guī)定的處理和測量的附加誤差

第一節(jié)　概 述

標準節(jié)流裝置應按照標準文件(ISO 5167或GB/T 2624)設計、制造、安裝和使用，這時差壓信號與流量的關(guān)系及其測量誤差才符合標準的規(guī)定。但是，在現(xiàn)場實際應用時難免會發(fā)生或多或少偏離標準規(guī)定的情況，由此引起的測量誤差希望能進行修正或估算。本章收錄國內(nèi)外有關(guān)資料供參考。對于這些資料，說明如下。

①偏離標準皆用流出系數(shù)的偏差來衡量，偏差修正式為

式中 Cb ——修正后的流出系數(shù)；

C——標準流出系數(shù)；

b——修正系數(shù)。

按上式，若b<l.則修正后的流出系數(shù)Cb較標準流出系數(shù)C小，這時差壓計指示的流量示值偏大；若b>l.則修正后的流出系數(shù)Cb較標準流出系數(shù)大，這時差壓計指示的流量示值偏小。

②流出系數(shù)修正后，應在流出系數(shù)的不確定度δa上加一個附加不確定度δb.不確定度與附加不確定度有兩種相加法：幾何相加和算術(shù)相加。

幾何相加為

算術(shù)相加為

凡已做過試驗的，一般采用幾何相加。若試驗不充分，為了可靠可采取算術(shù)相加。

③若由于試驗根據(jù)不足，不能提供確切的b值，只能提供修正系數(shù)的傾向，即b>l或b<l.使用者可根據(jù)修正系數(shù)的傾向估計其流出系數(shù)的增大或減小。若使用者需準確確定， 則必須進行實際試驗。

④某些不符合標準規(guī)定的項目，其修正系數(shù)b值沒有明確的方向性，即b可能大于1亦可能小于1，此時，只能用增加附加誤差來解決。

⑤偏離標準條件的情況非常復雜，這里提供的絕大部分是僅一個條件偏離引起的修正，而在現(xiàn)場有可能同時幾個條件偏離，這些條件的相關(guān)性如何?引起的流出系數(shù)的變化是否可按照線性疊加原則處理?這些問題并沒有很多試驗根據(jù)，因此遇到多種條件同時偏離時應慎重對待。

⑤總的來說，偏離標準進行修正是萬不得已的事，最好完全按標準執(zhí)行。一般來說，實驗室條件可以辦得到，但現(xiàn)場卻難免會有偏離。

⑦節(jié)流式差壓流量計的測量特性決定于節(jié)流裝置的幾何相似性，隨著時間的推移，在流體的作用下幾何特性免不了發(fā)生變化，麻煩的是這種變化常不易察覺，因此，對檢測件(節(jié)流裝置)的定期檢查是必要的，特別在流體介質(zhì)條件比較惡劣時。

? 偏離標準的一個重要方面是現(xiàn)場的使用條件不符合標準條件(參考工作條件)，條件的偏離有的可以修正(補償)，如溫度、壓力補償，有的只能定性估計。

⑨表1.7.1所示為偏離標準規(guī)定各種因素產(chǎn)生的附加誤差的估計。

⑩本章資料大部分取自國外有關(guān)標準或規(guī)程(如BSI042. VDI2040等)，資料有一定的可靠性和權(quán)威性。

第二節(jié) 節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)不符合標準要求

-、孔板開孔直角入口邊緣銳利度

孔板開孔直角人口邊緣銳利度不符標準的原因可能有：制造質(zhì)量差，流體腐蝕，氣蝕，機械磨損以及操作不當?shù)取?/p>

①標準規(guī)定當rk/d≤O.0004時(rk——開孔邊緣圓弧半徑，d——開孔直徑)，則直角入口邊緣是銳利的，修正系數(shù)bk = ? (rk/d)，見表1.7.2。當bk≠1時，應對流出系數(shù)不確定度幾何相加一個如下的附加不確定度：

a.當rk的單測值與平均值比較，最大偏差在±20%以內(nèi)時，則附加不確定度 0.5%；

b.當rk的單測值與平均值比較，最大偏差超過上述范圍時，則附加不確定度按下式計算，但不得小于± 0.5%：

②偏差估算式[Crocket與upp(1973)及Benedict(1974)]

式中 ΔC——C的偏差值；

其余符號同上。

本式應用范圍：rk/d ＝0.0002~0.0035．

二、孔板厚度E

1.孔板厚度E太大

孔板厚度應小于或等于0.05D。對角接取壓標準孔板，當E>0.05D，應進行修正，其修正系數(shù)為bE。當Ｂ≤O.5時，即使E值增加1倍，也不需要修正，同時也無需考慮任何附加不確定度。當Ｂ>0.5時，修正系數(shù)bE與雷諾數(shù)有關(guān)，提不出不變的修正系數(shù)。但在

范圍內(nèi)， bE與ReD無關(guān)，僅與E和Ｂ2有關(guān)。該范圍內(nèi)的修正系數(shù)bE如圖1.7.1所示，該圖可以線性內(nèi)插，但不得外推。

2.孔板開孔圓筒形部分長度e太長

孔板開孔圓筒形部分長度e不論其出口是否有圃錐角，均應小于或等于0.02D．對角接取壓標準孔板，當e>0.02D時，應進行修正，其修正系數(shù)為be．be與ReD無關(guān)，僅與e和Ｂ2有關(guān)。但是，出口有圓錐角的孔板和無圓錐角的孔板，其be值是不同的，如圖1.7.2和圖1.7.3所示。這兩張圖可采用線性內(nèi)插，但不得外推。

當be≠1時，應對糙管流出系數(shù)的不確定度幾何相加一個附加不確定度±0.6%。

三、取壓口位置和質(zhì)量

1.角接取壓取壓口位置離節(jié)流件端面太遠

對于角接取壓標準孔板和標準噴嘴，其取壓口必須緊靠節(jié)流件兩端面。由于墊片太厚或取壓口太大，會使取壓口中心線離節(jié)流件兩端面過遠，應進行修正，其修正系數(shù)為ba。修正系數(shù)ba與上游側(cè)取壓口中心線到節(jié)流件上游側(cè)端面A的距離a1和下游側(cè)取壓口中心線到節(jié)流件下游側(cè)端面B的距離a'2(或到端面A的距離α2)有關(guān)，可用下式表示

式中Xl和X2與al和a2'(a2)有關(guān)。角接取壓標準孔板和標準噴嘴的Xl和X2值是不同的，如圖1.7.4和圖1.7.5所示。

當ba≠1時，應對糙管流出系數(shù)的不確定度算術(shù)相加一個如下的附加不確定度：

當Ｂ2≤O.4時， 0.5%；

當Ｂ≤O.4時， 1%。

2.取壓口位置在法蘭取壓與角接取壓之間時

當取壓口位置位于法蘭取壓與角接取壓之間時，流出系數(shù)可按RG式計算，其附加不確定度e為

式中 e——附加不確定度， %；

GFL——法蘭取壓流出系數(shù)；

GCT——角接取壓流出系數(shù)。

3.取壓口位置在D-D/2取壓與法蘭取壓之間時

當取壓口位置位于D-D/2取壓與法蘭取壓之間時，流出系數(shù)可按RG式計算，其附加不確定度e為

式中 e——附加不確定度， %；

ＣD?D/2——D-D/2取壓流出系數(shù)；

GFL—— 法蘭取壓流出系數(shù)。

流出系數(shù)的總不確定度為不確定度與附加不確定度算術(shù)相加。

4.取壓口的質(zhì)量

取壓口有毛刺或沉積污物會引起誤差，特別在流速較高處，如噴嘴和文丘里管的喉部，將引起很大的誤差，角接取壓口在流動的滯止區(qū)，因此影響稍小些。取壓口幾何形狀對靜壓測量的影響如圖1.7.6所示。其偏差為動壓的百分數(shù)。

四、排泄孔和放氣孔

在水平管道上安裝的節(jié)流件，當測量氣體流量為了防止液體積聚或測量液體流量防止氣體積聚，在節(jié)流件上打一個排泄孔或放氣孔，此時，有一個不經(jīng)節(jié)流件開孔的旁通流量流過節(jié)流件，因而必須對流出系數(shù)進行修正，其修正系數(shù)為此，其大小按下列公式計算：

對孔板

對噴嘴

式中dh和dzo分別為排泄孔或放氣孔直徑和節(jié)流件開孔直徑，兩者取同一單位。

節(jié)流件的開孔直徑按下式計算

對孔板或噴嘴

式中d'為有排泄孔或放氣孔時節(jié)流件開孔直徑修正后的值。

①排泄孔設在節(jié)流件兩端面的下部，放氣孔設在節(jié)流件兩端面的上部，其垂直中心線與兩端面的垂直中心線重合。

②只有管道內(nèi)徑D≥100mm時，才允許設置排泄孔和放氣孔。

③排泄孔和放氣孔的直徑不得大于O.1d，其任何部分應位于以管道軸線為圓心的直徑為D-O.2d的同心圓范圍之外。

④排泄孔和放氣孔為圓筒形鉆孔，其入口和出口應無毛刺和明顯損傷，其內(nèi)表面應盡量光潔。

⑤對于ISA 1932噴嘴，Ｂ小于O.625時才允許設置排泄孔和放氣孔。

? 排泄孔或放氣孔與取壓口之間的方向應在90° ~180° 之間。

⑦長徑噴嘴不得采用排泄孔和放氣孔。

? 由于bh實質(zhì)上是對d的修正，因此引人修正系數(shù)bh之后，其附加不確定度不是加在流出系數(shù)的不確定度上，而是加在節(jié)流件開孔直徑的誤差上。

五、實際管道內(nèi)徑和節(jié)流件孔徑與設計值不符時的處理

管道內(nèi)徑D20和節(jié)流件開孔直徑d20的實測值與設計節(jié)流件時采用的管道內(nèi)徑DB及節(jié)流件開孔直徑計算結(jié)果dB值不符，應按實測值重新計算差壓信號和流量的關(guān)系，若差別不大時可進行修正。其修正方法是對流出系數(shù)乘以修正系數(shù)bD和bd

式中f由圖1.7.7查得。

六、環(huán)室有臺階

按標準規(guī)定D≤Dl≤1.04D即環(huán)室內(nèi)徑可以稍大于管道內(nèi)徑，但不得小于管道內(nèi)徑。

環(huán)室內(nèi)徑小于管道內(nèi)徑，如圖1.7.8所示，將產(chǎn)生大的測量誤差。圖1.7.9所示為環(huán)室產(chǎn)生臺階時流出系數(shù)的偏差影響。

七、節(jié)流件安裝偏心

圖1.7.10所示為節(jié)流開孔軸線與法蘭內(nèi)圓軸線及管道軸線之間的偏心圖形。偏心率對流出系數(shù)的影響與Ｂ值、取壓方式、偏心方向等有關(guān)，如圖1.7.11所示。 自

八、孔板的偏移

孔板在高壓差的作用下產(chǎn)生彈性變形，如圖1.7.12所示。彈性變形將帶來特性的偏離，增大測量的不確定度。允許的最大差壓與彈性變形的關(guān)系與孔板厚度E、支撐直徑Ｄs及直徑比Ｂ等有關(guān)，在給定的直徑比下允許的最大差壓Δp為Ds/E的函數(shù)。最大的孔板偏移Y如下式：

式中 y——孔板偏移最大量；

Δρ——差壓；

E*——孔板材料的彈性模量；

E——孔板厚度；

Ds——支撐直徑；

kd——偏移系數(shù)。

在高差壓作用下，孔板彈性變形引起的測量不確定度如下式：

式中　qm——質(zhì)量流量；

Ｂ——直徑比，Ｂ=d/D；

d——孔板開孔直徑；

D——管道內(nèi)徑；

Ｂs——直徑比，Bs=d/Ds；

Ds——孔板支撐管徑；

δθd——孔板偏角θd的變化量；

δCc——收縮系數(shù)Cc的變化量；

δd——孔板開孔直徑的變化量；

δqm——質(zhì)量流量的變化量；

θd——孔板偏移角(θd=90°，孔板垂直于管軸線）；

σ——機械應力；

Δρ——孔板差壓；

Cc——收縮系數(shù)，縮流截面積與孔板開孔截面積之比；

E——孔板厚度；

E*——孔板材料彈性模數(shù)；

K——應力系數(shù)；

kl， k2，k3——Cc計算式中系數(shù)，如表1.7.3所示。

九、節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)不符合標準要求時影晌的傾向

節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)不符合標準要求對流出系數(shù)影響的傾向如表1.7.4所示。

第三節(jié) 管道布置不符合標準要求

-、節(jié)流件上下游側(cè)安裝異徑管

1.節(jié)流件上下游側(cè)安裝異徑管

表1.7.5所示為節(jié)流件前后裝設異徑管。由表可見，在節(jié)流件前裝設漸擴管會引起很大的測量誤差，而在節(jié)流件前后裝設漸縮管，只要漸縮管夾角不大，流出系數(shù)的偏離可小于2%。

2.突入管道的環(huán)狀焊縫

靠近節(jié)流件前面管道有突入管道的環(huán)狀焊縫，有如一個節(jié)流圓環(huán)，它對測量誤差的影響與突入高度、形狀、粗糙度等有關(guān)，沒有實流校準是難以準確確定的。

二、節(jié)流件上游側(cè)直管段長度不足

當節(jié)流件上游側(cè)直管段長度不符標準規(guī)定時，流出系數(shù)將發(fā)生變化。表1.7.6及表1.7.7列舉若干流出系數(shù)偏差的估算值及其附加不確定度。

①采用表1.7.6數(shù)據(jù)可以進行流出系數(shù)的修正。

舉例：a.如流出系數(shù)變化百分數(shù)為十1.1%，則可對流出系數(shù)乘以系數(shù)1.011；

b.如流出系數(shù)變化百分數(shù)為-2.3%，則對流出系數(shù)乘以系數(shù)0.977。

②表1.7.7列舉附加不確定度e計算式。

舉例：a.公式　e=0.5(1+|ΔC|)

式中ΔC為流出系數(shù)變化百分數(shù)。設ΔC=+1.4%，則e=1.2%。

b.公式 e=O.5+|ΔC|

設ΔC=-2.8%，則e=3.3%

①上游阻流件類型：

三、流動情況不符合標準要求時影響的傾向

表1.7.8所示為流體流動情況不符合標準要求時影響的傾向。

第四節(jié)　使用條件不符合標準要求

一、孔板撓曲

圖1.7.13所示為孔板撓曲對流量測量誤差的影響。造成孔板撓曲的原因可能有制造質(zhì)量差，安裝產(chǎn)生應力或大差壓造成的等等。

二、孔板上游端面沉積臟物

表1.7.9所示為孔板上游端面沉積臟物對流出系數(shù)的影響。砂粒顆粒尺寸為O.4mm，脂油污點的直徑為6.3mm，厚為2.5mm，孔板裝于DN100測量管內(nèi)，測量大氣壓下的空氣。由圖可見，孔板入口處環(huán)狀區(qū)域的情況很重要，它對測量誤差的影響起主要作用。

三、孔極上游側(cè)測量管沉積臟物

圖1.7.14和圖1.7.15所示為孔板上游側(cè)測量管底部沉積臟物對流出系數(shù)的影響。

四、文丘里管內(nèi)壁沉積臟物

文丘里管內(nèi)壁沉積臟物起二重作用：減少通道截面積和增加表面粗糙度。兩種影響綜合起來使流出系數(shù)降低，如圖1.7.16所示。

五、經(jīng)典文丘里管使用條件偏離標準的影晌

經(jīng)典文丘里管的流出系數(shù)與ReD，Ｂ和Ra/D等參數(shù)有關(guān)，當這些參數(shù)偏離標準規(guī)定值時將產(chǎn)生附加不確定度。

1.Ｂ的影響

Ｂ≥O.75時，流出系數(shù)分散度比小的Ｂ值大得多，其測量不確定度也相應增大。當Ｂ超過標準規(guī)定限值時，流出系數(shù)的不確定度應增加一倍以上。

2.雷諾數(shù)ReD的影響

雷諾數(shù)ReD的影響是隨經(jīng)典文丘里管的型式而變化。雷諾數(shù)變化使流出系數(shù)發(fā)生變化，同時流出系數(shù)的不確定度也隨之增加。在ReD小于規(guī)定的最小ReD值時，流出系數(shù)C值的變化要比ReD大于規(guī)定的最大ReD值時流出系數(shù)C值變化明顯。

(1)ReD對具有粗鑄收縮段的經(jīng)典文丘里管流出系數(shù)的影響當ReD低于2× 105時，流出系數(shù)隨ReD的減小而減小，而其不確定度將增大。當ReD高于2× 106時，流出系數(shù)C不隨ReD而變化，不確定度也不隨ReD變化。為了近似地估算流量，可用表1.7.10所列流出系數(shù)和不確定度之值。

(2)ReD對具有機械加工收縮段的經(jīng)典文丘里管流出系數(shù)的影響當ReD低于2× 105 時，一般情況下，在流出系數(shù)C隨著ReD的減小而穩(wěn)定地減小之前略有增大，而C值的不確定度開始緩慢地增大，進而迅速地增大。

以喉部雷諾數(shù)Red表示，C值的最大值在Red為2× 105到4× 105之間。

當ReD高于106時，C值作為雷諾數(shù)的函數(shù)不是完全可預示的，有時C值隨雷諾數(shù)增加稍有增大；有時又有顯著地逐漸增大；有時又有顯著地突然增大。

有足夠的數(shù)據(jù)證明此種型式文丘里管的流出系數(shù)是Red(以喉部直徑表示的雷諾數(shù))的函數(shù)，而不是ReD的函數(shù)。結(jié)果表明用Red比用ReD有更好的相關(guān)性。

為了近似地估算流量，可用表1.7.11所列流出系數(shù)及其不確定度。

(3) ReD對具有粗焊鐵板收縮段的經(jīng)典文丘里管流出系數(shù)的影響當ReD減小到2× 105 以下時，流出系數(shù)C隨ReD的減小稍有減小，而C值的不確定度則增大。

關(guān)于此種型式的文丘里管的資料較少，為了近似地估算流量，可采用表1.7.12所列流出系數(shù)及其不確定度。

(4) ReD對具有粗鑄收縮段但其入口圓筒段與收縮段經(jīng)機械加工的經(jīng)典文丘里管流出系數(shù)的影響具有粗鑄收縮段的文丘里管其入口圓筒段A和收縮段B經(jīng)機械加工后其相對粗糙度Ra小于5× 10-5 D和15?m，入口圓筒段的管道上游側(cè)至少2D長度的粗糙度與入口圓筒段是同樣的。

當ReD增大至3.2× 106以上時，流出系數(shù)及其不確定度不隨雷諾數(shù)而變化。為了估算流量可用表1.7.13所列流出系數(shù)和不確定度之值。

3.相對粗糙度Ra/D的影響

(1)經(jīng)典文丘里管的粗糙度收縮段粗糙度的增大使流出系數(shù)減小。機械加工收縮段的經(jīng)典文丘里管受粗糙度的影響，比粗鑄收縮段的經(jīng)典文丘里管和粗焊鐵板收縮段的經(jīng)典文丘里管更為敏感。

文丘里管的壓力損失隨粗糙度增大而增大。

(2)上游管道的粗糙度上游管道粗糙度的增大促使經(jīng)典文丘里管的流出系數(shù)增大。當B值增加時這種現(xiàn)象更為顯著。

第五節(jié) 管道粗糙度不符合標準要求

在節(jié)流件上游側(cè)10D的管道內(nèi)，當管道內(nèi)壁的相對平均粗糙度Ra/D或K/D小于表1.7.14(孔板)、表1.7.15(噴嘴)所列限值時，則認為該管道是光滑的，稱之為光管，標準提供的流出系數(shù)就是在光管條件下實驗求得的。當管道內(nèi)壁相對平均粗糙度K/D大于上述表列值時，則認為該管道是粗糙的，稱之為糙管。

當管壁粗糙度增加時，速度分布將變陡，而流出系數(shù)將增加，流出系數(shù)的偏差增大。

一、角接取壓標準孔板的糙管流出系數(shù)

式中 Co——孔板光管的流出系數(shù)；

CrO ——孔板糙管的流出系數(shù)；

rRe——孔板管道粗糙度的修正系數(shù)；　　　　　

當ReD≥106時， rRe =rO。

ro與Ｂ和D/K的關(guān)系如表1.7.14所示。

二、ISA1932噴嘴的糙管流出系數(shù)

式中 Cn一一噴嘴光管的流出系數(shù)；

Cm ——噴嘴糙管的流出系數(shù)；

rRen—— 噴嘴管道粗糙度的修正系數(shù)；

當ReD≥3.2×1 05時， rRen = ron

ro與B和D/K的關(guān)系如表1.7.15所示。

三、降低管道粗糙度的影響

1.角接取壓標準孔板在糙管中流出系數(shù)的變化圖1.7.17和圖1.7.18所示為角接取壓標準孔板在糙管中流出系數(shù)的變化。圖1.7.17所示管壁條件為：管壁結(jié)垢為球形瘤，平均尺寸為6.3mm，亦就是管道內(nèi)徑有效值減少約6.3mm。 因中虛線Ｂ=0.71是經(jīng)砂磨表面，顆粒約O.5~1.Omm。圖1.7.18所示的管壁條件顆粒尺寸約1mm多，即約為圖1.7.17所示的1/3。

2.降低管壁粗糙度的影響

表1.7.16所示為管壁清除臟物(結(jié)垢)，使粗糙度降低后改善流出系數(shù)測量誤差的情況。由表可見，在節(jié)流件上游側(cè)附近一段管道清除污物可以顯著提高流出系數(shù)的測量精度。對于大口徑管道(DN>300)，清洗的管段可以顯著縮短。

實驗證明，下游側(cè)管道粗糙度的變化對流出系數(shù)無影響。