新型孔板流量計的流出系數實驗研究

張憲 劉鋼

摘 ?????要： 為研究一種新型孔板式差壓流量計的流出系數，提高流量計的使用精度。通過實驗分析在不同流量下孔板式差壓流量計內部場流速和壓力的變化趨勢;在流量變化范圍內選取監測點通過傳感器采集流量計內部瞬時流速及壓力數據，實驗數據表明：在經過流量計節流孔后會出現流速劇增，節流孔出口端壓力驟降的現象;通過實驗數據與ISO經驗公式分別計算流量計的流出系數后，經對比最大誤差僅為5%。

關 ?鍵 ?詞：孔板流量計;流場;流出系數;標定實驗

中圖分類號：TH 715 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）06-1217-04

Abstract： In order to study the hydraulic characteristics of a new orifice plate type differential pressure flowmeter to improve the accuracy of the flowmeter， the variation trend of internal field flow velocity and pressure in the orifice-type differential pressure flowmeter under different flow rates was analyzed through physical experiments and numerical simulations. In the range of flow change， instantaneous flow rate and pressure data in the flowmeter were obtained by the sensors. Experimental data showed that after the fluid passing through the orifice of the flowmeter， there was a sudden increase in the flow rate and a sudden drop in the pressure at the outlet end of the orifice; The numerical simulation data and the ISO empirical formula were used to calculate the outflow coefficient of the flowmeter ，and the maximum error was only 5%.

Key words： Orifice flowmeter; Flow field; Outflow coefficient; Calibration experiment

在封閉管道內流量是一個動態值，測量流量的儀器稱為流量計。典型的流量計有：差壓式流量計、電磁流量計、科里奧利質量流量計、渦街流量計、超聲波流量計等[1]，而差壓式流量計又以其結構簡單、安裝方便、成本低廉及使用壽命長的優點得到了最廣泛的使用[2]。

差壓式流量計以孔板式流量計為代表，是當前國內外應用的主流流量計。目前孔板式流量計在國外的使用率約為60%，而我國對流量計的研究起步較晚，對孔板流量計的依賴較嚴重，使用占比達到約90%[3，4]。

英國的M J Reader-Harris和 Kim[5，6] 對孔板上游有臺階時對孔板流出系數的影響進行了實驗研究。國內對孔板流量計的安裝條件也進行了大量的實驗研究[7]，并經過實驗總結制定了國標GB/T2624.2。

劉華等[8]對孔板流場通過數值模擬，得到流速分布和流量系數，利用模型實驗對低流速孔板的流量系數進行了驗證，兩者結果完全一致; 程勇等[9]計算了流體流過孔板的流場分布。計算了β=d·D=0.5時的流出系數，并根據計算結果擬合出流出系數與Re的關系式。

目前對于非標準式孔板差壓流量計[10]的研究較少，且多為純數值模擬，工況代表性不足;因此將采用實驗的方式對一種非標準孔板差壓流量計的12個流量下的工況進行分析，從而對流量計流出系數變化規律進行詳細的探究分析。

1 ?流出系數計算方法

管道內的流體介質經過測量管段內的節流裝置，流體束在節流處形成局部收縮，管徑急劇減小從而導致流速增加，靜壓力降低。在節流前后產生一個靜壓力差。流量計在節流前后開有測壓孔，通過測量壓差可以計算出通過節流裝置的流量。

1.1 ?流出系數實驗計算方法

孔板流量計質量流量與壓力差的關系為：

1.2 ?ISO經驗公式

除數值模擬方法外，還可以采用ISO公式計算流出系數（里德-哈利斯/加拉赫公式），該公式為經過大量實驗總結出的半經驗公式。

2 ?實驗模型

2.1 ?實驗部分

選用靜態質量標定方法，搭建試驗臺對流量計進行標定，靜態質量標定裝置主要包括控制終端、水泵、管路、閥門、稱量裝置、水池等。系統示意圖如圖1。

1—水池;2—水泵;3—電磁閥門;4—穩壓罐;5—待測流量計;6—稱重罐;7—稱重數據采集系統;8—標定系統控制終端。

實驗通過控制終端調整水泵以及電磁閥門的開度，實現測試管路內不同流量的轉換，水經過穩壓罐后流經待測試的流量計，進入管路末端的稱重罐，與稱重罐相連的數據采集系統會計算出運行時間內罐內質量的變化即為此時間內流過流量計的流量，最后通過數據對流量計的參數進行修正調整。

表1是標定實驗測得數據，圖2是數據擬合曲線，擬合結果表明，在流量計實際運行過程中，其測得壓差與流量呈現指數函數關系，隨著壓差增大代表流量也隨之升高且升高速率逐漸變大。

在流量計標定完成后，在流量計筒壁安置多個傳感器，利用標定系統調節流量，通過傳感器檢測不同流量下，流量計內部的流速壓力情況。表2為實驗中檢測的壓力分布情況。進行壓力測試后，在相同位置替換為流速傳感器，檢測與表2中相同的各種流量下流量計內部流速的變化情況，檢測結果為表3。

根據實驗數據繪制折線圖3與圖4，在不同流量工況下，流量計內部壓力的變化趨勢相同。

圖3表明，流量計內部壓力經過節流孔在孔末端出現驟降，且流量愈大降幅越大，當流量為152.11 m3/h時壓力在節流孔末端降至負壓，而后壓力延中軸線緩慢回升。

圖4表明流經節流孔后，流速會急劇增大，且流量越大流速增量也就越大。

3 ?實驗數據與經驗公式誤差對比

流量計的流出系數通過兩方面進行求解，將實驗數據帶入計算公式求解可以得到實際情況下流量計的流出系數C0，根據流量計的尺寸參數帶入ISO（6）求解理論流出系數C，實驗與理論公式的計算對比結果如表4。

根據表4的計算結果，理論流出系數C與實驗計算流出系數C0對比，二者吻合情況較好，相對誤差保持在5%以下，經驗公式為大量實驗總結而成的理論公式，不一定適合每一種孔板式流量計，且理論和實驗的過程中均存在影響因素和實驗誤差，但通過相互對比驗證可以證明實驗的可靠性。

根據表4數據將流量計入口流速作為參考標準繪制數理論公式及經驗公式求得流出系數的折線圖如圖5。

根據圖5可以得到流量計通過的流量對流出系數的影響，在流量較小時，且在0.19 m3/h到0.95 m3/h區間內，C值隨著流量的增大逐漸增大，而C0則相反，在0.95 m3/h到7.61 m3/h區間內，C與C0均隨著流量增大而增大，在流量大于9.51 m3/h時，二者趨于平緩且沒有較大變化。

4 ?結 論

通過實驗和理論計算對一種新型孔板式差壓流量計的流出系數進行研究分析，得到以下幾點結論：

利用靜態質量法對流量計不同工況進行標定，根據實驗數據計算出了流量計壓差與流量的冪函數關系。

在流量計筒體內部相同位置分別安裝速度與壓力傳感器，將管路流量從0調整至160 m3/h，通過數據終端選取11個流量點，對流速、壓力數據進行采集，并對數據進行分析處理。

在流經節流孔時，壓力先驟降108%后緩慢回升;流速先劇增至183%而后逐漸下降。由流量計實際情況的數據和模擬數據分別計算出相應的流出系數并進行誤差對比，最大誤差達到5%，分析流出系數的影響因素及變化趨勢。

參考文獻：

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[4]李過房.孔板流量計流場的數值模擬[J].上海工程技術大學學報，2012，26（03）：237-241.

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[7]楊小軍，陳保東，王劍橋，李娜.差壓流量計的發展和展望[J]. 工業計量， 2010，20（03）：27-28

[8]劉華，梁川，莫政宇，等. 低流速孔板流量系數的分析[J]. 水力發電學報， 2008， 6（3）： 105-109.

[9]程勇，汪軍，蔡小舒.低雷諾數的孔板計量數值模擬及其應用[J].計量學報，2005（01）：57-59.

[10]鄧茂煥. 節流式差壓流量計的發展和現狀[J]. 工業計量， 2002（06）：30-32.