孔板流量仪表研究现状及改进分析

王利东

摘  要：孔板流量计是工业生产中最常用的计量仪表之一。文章阐述了孔板流量仪表设备的计量原理;从孔板节流装置、二次测量仪表和信号引线方面介绍了目前孔板流量仪表的组成和结构;分析了现有孔板流量仪表设备的优缺点和安装要点。从孔板流量仪表的整体误差、安装管理误差和运行工况下的误差分析了影响计量精度的因素。最后提出了孔板流量仪表设备的改进建议。

关键词：孔板流量仪表;计量方式;计量特点

中图分类号：TE863.1 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）26-0102-02

Abstract： Orifice flowmeter is one of the most commonly used measuring instruments in industrial production. In this paper， the measuring principle of the orifice flow meter is described; the composition and structure of the orifice flow meter are introduced from the orifice throttling device， secondary measuring instrument and signal lead; the advantages and disadvantages and installation points of the orifice flow meter are analyzed; the factors that affect the measurement accuracy are analyzed from the overall errors， installation management errors and errors under operating conditions. Finally， the improvement suggestions of the orifice flow meter equipment are put forward.

Keywords： orifice flowmeter; measurement method; measurement characteristics

1 孔板流量儀表的计量原理

当流体流经孔板流量仪表设备的孔板时，横截面积减小，速度增加，相应的压强减小，并且减小的程度与流动状态的流体速度成正比。所以可以通过检测压差来推算流速，进而计算出流量。孔板前后的压差与流量Q具有以下关系：

式中：C-流出系数;d-开孔直径;ε-可膨胀性系数;β-直径比。

2 孔板流量仪表设备的组成

孔板流量仪表设备系统一般包括流量仪表设备本体、二次仪表和流体组分分析系统，其中的流体组分分析系统具有检测、计算、分析和积算等功能。国家制定了相关标准以利于保证流量计量检测的准确性。

2.1 孔板节流装置

孔板用以产生压差，开孔尺寸必须严格按照规定，是孔板节流装置中最重要的结构，还有负责固定孔板位置的孔板加持器和上下游直管段;此外，还需要配置引压管、对焊法兰和直通式截止阀。只有孔板节流装置完全符合行业标准，才可以满足用户的使用要求，保证信号的准确。

2.2 二次测量仪表

二次测量仪表用于测量流体温度、静压和压差等物性参数。主要包括温度测量仪、压力测量仪、密度测量仪表、成分分析仪等仪表。

2.3 信号引线

信号引线不是只有电线，也可以由其他物质组成，不同物质传递的信号不同，控制电缆传递的是电信号，而压力信号一般由无缝钢管在二者之间传递。（1）电信号引线，在检测系统中需要用到很多电子仪表，电信号引线的作用就是使这些电子仪表之间的信息能够准确、及时的传递。电线或电缆都可以作为电信号引线的原件，不过铜芯线的效果最好。（2）引压管线，为了使静压和压差信号的折损最小，无缝钢管的长度应该尽量缩小。DN18和DN14无缝钢管较为常见，这种无缝钢管可以及时响应静压和压差的变化，也能减少泄露，不过对安装技术的要求较高。

3 孔板流量仪表设备的特点及安装要点

3.1 优点

（1）孔板流量仪表设备的适用性比较广，可以计量多种工况下单相流动状态的流量。（2）孔板流量仪表设备的元件己经标准化，无须实流检验。（3）通过将网络通信技术、信息传导技术、电子测量技术、智能控制技术等新技术应用于智能变送器中，使孔板流量仪表设备的计量准确性、及时性、智能化大大提高。

3.2 缺点

（1）孔板流量仪表设备的测量量程比较窄。（2）因为压力、温度、长度、密度等多种因素都会影响流体流动状态，并且孔板流量仪表设备间接测量参数动态，计测量结果存在一定误差。（3）孔板流量计量设备的装置安装条件苛刻，安装过程必须符合SY/T6143-1996标准。

3.3 安装要点

（1）孔板流量计量设备最好安装于水平输送管道之上，并且与输送管道轴线垂直;（2）需要安装配套机械设备，来检测孔板流量仪表设备是否安装在管径中心的位置;（3）在固定孔板流量仪表设备之后，需要检测热膨胀性能，确定热膨胀不导致输送管道和流量仪表设备变形;（4）孔板流量仪表设备上下游直管段的管径应该一致，并且与流量仪表设备的管径配套，取压孔中心线需要与输送管道中心线垂直，且平行于地面。

4 孔板流量计量设备的计量误差分析

4.1 孔板流量仪表设备总体的误差分析

在實际测量中，孔板流量仪表设备测量误差与随机误差、未定系统误差和已定系统误差关联较为紧密。既可以通过修正系数来减弱随机误差同时也可以运用多次测量取平均值的方式做出改善，可以在很大程度上减弱。所以一般仅考虑未定系统误差。孔板流量仪表设备计量误差的主要因素是流出系数C所引起的，在设计、制造、安装和使用过程中会造成流出系数C产生偏差，并且这种偏差不能通过测量得到。在密度、压力等参数不变的情况下，孔板流量仪表设备计量精度主要取决于流出系数C。所以，国内外学者对于流出系数做了大量研究。如输送管道形状、内壁粗糙度、圆度、节流件位置、输送管道的几何形状、流体流动状态等因素都会影响流出系数C的大小。

4.2 安装管理的误差分析

孔板流量仪表设备的设计和制造都严格执行国家标准，计量精度基本能够满足目前生产和生活的需要。如果安装和维修等措施不当，会大大降低孔板流量仪表设备的计量进度。一般影响精度的安装情况主要有以下几种：（1）孔板经过较长时间的使用之后，入口的锐利度可能会发生改变，这会对计量精确度造成很大影响，另外随着不断地使用，入口直角也会被磨损的十分严重，这些因素综合起来会很大程度影响测量结果，甚至可以达到79%;（2）构件的尺寸误差也会对测量结果造成较大影响，例如输送管道的实际尺寸和计算所用的尺寸有较大出入，流量计量设备和输送管道存在偏心、台阶，前后流量计量设备尺寸不统一等因素。（3）安装位置和加工精度存在不足，例如取压的位置不对，焊缝突出，孔板弯曲，输送管道粗糙度影响;（4）杂物阻塞取压管，沉积物堆积在上流测量管和端面上;（5）计量结果会被不同类型的测量仪表和不同的管路配置影响，如果系统存在漏气问题，则会使传入变送器的压差减小，使仪表的示数显示减小，导致流量值偏小。而流量计量设备本体和下游导压管之间如果存在这些情况，则会导致流量值偏大;（6）影响孔板流量仪表设备工作质量的重要因素是信号管路和压差变送器，当压差变送器或者信号管路的精度较高时，就能大大提高测量精度。但是当上述条件不能满足时，流量测量结果的误差就会非常大。

4.3 运行工况条件下的误差

由于存在扰动和脉动、外界震动等不可控因素，在很多应用条件下，孔板流量仪表设备的使用不符合使用条件时，就会引起流体流动状态的改变，进而引发孔板流量仪表设备运行工况下的误差。（1）短时间内，当流体流速变化幅度较小时，不会引起脉动流。选用的仪表的测量量程如果在短时间内变化不明显，就容易产生误差。但是在比较长的测量时间内影响却可以忽略不计，当测量参数超过流量计量设备的量程时，测量误差就会大大增加。（2）脉动流是指流体的流速和压力突然改变，会使压差产生波动。输气输送管道的积液、压缩机的使用和调节阀的突然开关都可能导致脉动流的产生。脉动流对测量精度的影响包括原理导致的不准确的根本因素和脉动流产生额外压差的条件因素。

5 孔板流量计量设备的改进方法

影响孔板流量仪表设备计量精度的因素较多，这些影响因素可以消除或减弱。根据实际应用情况，提出如下的孔板流量仪表设备改进措施。

5.1 孔板的取压方式

采用角接取压法，角接取压的量程是指上下游取压中心到孔板前后端距离的二倍等于取压孔直径。角接取压法的特点如下：（1）采用环室测量的方式进行测量;（2）在开口尺寸确定时，流量系数不会发生变化，使流量值和压差具有恒定的关系;（3）可以减小磨损所造成的测量误差;（4）在实际使用过程中，若没能正确地确定取压位置，会导致测量误差的产生。

5.2 孔板流量仪表设备的标定

将孔板流量仪表设备与标定装置连接，针对相应的装置分别进行标定，只有做好装置的标定，获取的数据才具有可靠性和真实性，以备使用。因此，做好孔板流量仪表设备的标定是后续计量环节的基础。当孔板流量仪表设备进行标定时，测点应该不小于10个，且测量结果不少于3次，然后取平均值。以测量数据为准，在双对数坐标轴中标注出数据点，然后作压差——流量曲线。

5.3 脉动流的改善措施

（1）应该尽量选择小口径的直管段，使Δp、β的雷诺数保持较高的数值。

（2）为了减小输送阻力，应该使引压管线尽量短，同时，为了防止产生谐振和压力脉动，应该使上下游直管段的长度相等。

参考文献：

[1]张勇.标准孔板流量计积算系统误差浅议[J].中国石油和化工标准与质量，2016，36（2）：5-6.

[2]李海，李静，李亮，等.孔板流量计在普光气田的应用与误差分析[J].化工管理，2014（21）：55-56.

[3]凌明.流量积算仪用于能源计量时需探讨的几个问题[J].工业计量，2013，23（1）：53-54.

[4]郑武.孔板流量计误差分析与改进措施[J].天津科技，2020，47（4）：62-64.

[5]黄忠华，蒋佩忱，羊映，等.天然气孔板流量计流量核查方式研究[J].石油工业技术监督，2020，36（2）：42-45+53.

[6]张宪，刘钢.新型孔板流量计的流出系数实验研究[J].当代化工，2019，48（6）：1217-1220.