1 引言
在流量測(cè)量領(lǐng)域，差壓式流量計(jì)占流量計(jì)總數(shù)的1/3以上[1]。傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)孔板具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制造，價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但是，在一些特殊場(chǎng)合中，標(biāo)準(zhǔn)孔板的測(cè)量則存在較大誤差。近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)槽式孔板進(jìn)行了廣泛的研究[2～5]，該孔板既具有傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)孔板的優(yōu)良特性，又克服了標(biāo)準(zhǔn)孔板的缺點(diǎn)。但是，由于槽式孔板不容易加工，導(dǎo)致制造工藝成本較高。因此，本文提出了一種新型流量測(cè)量元件多孔板的設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了多孔板的流量測(cè)量特性。
2 多孔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
多孔板由兩圈（或單圈或多圈）系列圓孔組成，小孔沿管道軸心對(duì)稱(chēng)分布，使工質(zhì)通過(guò)多孔板后流速均勻分布，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
多孔板結(jié)構(gòu)雖然與標(biāo)準(zhǔn)孔板有所不同，但仍可視為節(jié)流元件。流量計(jì)算依舊可采用單相流體通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)孔板的經(jīng)典計(jì)算式[6]，即：
圖1 多孔板結(jié)構(gòu)示意圖
式中，β為當(dāng)量孔徑比；A0為小孔流通面積的總和，m2；A為管道流通面積，m2；qv為流體的體積流量，m3·s-1；C為流出系數(shù)；ε為膨脹系數(shù)；Δp為孔板前后壓差，Pa；ρ為被測(cè)介質(zhì)密度，kg•m-3。
流出系數(shù)的穩(wěn)定性是衡量孔板流量計(jì)的重要指標(biāo)之一，高性能的孔板流量計(jì)必須具有穩(wěn)定的流出系數(shù)。因此，研究流出系數(shù)的穩(wěn)定性對(duì)提高測(cè)量精度有著重要意義[7]。
3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)為3個(gè)多孔板和3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)孔板。多孔板的小孔直徑均為5mm，厚度為12mm；兩種孔板都取3個(gè)不同的β值0.42、0.59、0.65。實(shí)驗(yàn)管道為透明有機(jī)玻璃管，內(nèi)徑為30mm；系統(tǒng)所用工質(zhì)為自來(lái)水。圖2為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。由圖2可見(jiàn)，自來(lái)水經(jīng)潛水泵進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管道，通過(guò)旁路和主管路閥門(mén)調(diào)節(jié)流量。流量從小到大逐漸調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，每隔0.1m3·h-1測(cè)量1個(gè)流量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中的采樣頻率為2kHz，采樣時(shí)間為3s，取3s內(nèi)的平均值作為測(cè)量值。
圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
所用的流量計(jì)為電磁流量計(jì)，測(cè)量精度為±0.5%；差壓信號(hào)由差壓變送器測(cè)量，測(cè)量精度為±0.1%；所有采樣程序和控制命令均是以LABVIEW7.0版本為平臺(tái)開(kāi)發(fā)的。數(shù)據(jù)采集板為NI公司的NI6023E高速數(shù)據(jù)采集卡，采樣精度為12位。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
4.1 流出系數(shù)的對(duì)比
圖3給出了3種β值下，C與Re的關(guān)系。從圖3可以看出，多孔板流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化全過(guò)程可分為非平穩(wěn)區(qū)和平穩(wěn)區(qū)。在雷諾數(shù)較低時(shí)，多孔板與標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)均表現(xiàn)出急劇變化的現(xiàn)象；多孔板流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而迅速增加；而標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加迅速減小。對(duì)于β為0.42的多孔板，Re>8000時(shí)為平穩(wěn)區(qū)；β為0.59時(shí)，Re>10000為平穩(wěn)區(qū)；β為0.65時(shí)，Re>11000為平穩(wěn)區(qū)。在非平穩(wěn)區(qū)內(nèi)，雷諾數(shù)較小，影響流出系數(shù)的因素較多，平穩(wěn)性及重復(fù)性都很差，因此，流出系數(shù)表現(xiàn)出不穩(wěn)定的現(xiàn)象[8]。在平穩(wěn)區(qū)內(nèi)，多孔板流出系數(shù)明顯高于標(biāo)準(zhǔn)孔板，對(duì)于β為0.42、0.59、0.65的多孔板流出系數(shù)，分別比相同β標(biāo)準(zhǔn)孔板高出25.6%、25.2%、22.5%。隨著β值的增加，多孔板流出系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的Re也向后推移。在平穩(wěn)區(qū)，2種孔板流出系數(shù)趨于穩(wěn)定，變化范圍很小，但標(biāo)準(zhǔn)孔板的流出系數(shù)有緩慢下降的趨勢(shì)，多孔板流出系數(shù)基本上趨于定值。
圖3 流出系數(shù)與Re的關(guān)系
為了定量比較流出系數(shù)的穩(wěn)定性，引入4個(gè)流出系數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別是標(biāo)準(zhǔn)差（Sp）、線性度（Lc）、流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化率（Kcr）和相對(duì)變化范圍（S），分別定義為：
式中，Ci為第i個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)所測(cè)量出的流出系數(shù)；n為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；C為流出系數(shù)平均值。
以上4個(gè)指標(biāo)的作用是：①SP用來(lái)衡量流出系數(shù)相對(duì)于平均值的離散程度；②Lc用來(lái)描述流出系數(shù)平穩(wěn)性，③Kcr用來(lái)反映流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化率；④S用來(lái)反映流出系數(shù)不穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量精度的影響。
孔板流量計(jì)一般是工作在平穩(wěn)區(qū)，流出系數(shù)通常取定值，因此，評(píng)價(jià)平穩(wěn)區(qū)內(nèi)的流出系數(shù)穩(wěn)定性具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。
從表1可以看出，在相同的β值下，多孔板的4種評(píng)價(jià)指標(biāo)值均小于標(biāo)準(zhǔn)孔板的值，說(shuō)明多孔板的流出系數(shù)穩(wěn)定性比標(biāo)準(zhǔn)孔板好。其中，多孔板的SP小于標(biāo)準(zhǔn)孔板的SP，說(shuō)明多孔板流出系數(shù)相對(duì)平均值要比標(biāo)準(zhǔn)孔板集中，分散程度??；多孔板的Lc小于標(biāo)準(zhǔn)孔板的Lc，表明多孔板的流出系數(shù)總體變化范圍小，僅在小范圍內(nèi)波動(dòng)；多孔板的Kcr小于標(biāo)準(zhǔn)孔板的Kcr，表明雷諾數(shù)對(duì)多孔板流出系數(shù)影響較小，即多孔板流出系數(shù)對(duì)雷諾數(shù)的變化不敏感；多孔板的S小于標(biāo)準(zhǔn)孔板的S，說(shuō)明多孔板在測(cè)量時(shí)因流出系數(shù)波動(dòng)所產(chǎn)生的偏差小于標(biāo)準(zhǔn)孔板。β為0.42、0.59、0.65的多孔板流出系數(shù)相對(duì)變化范圍分別比標(biāo)準(zhǔn)孔板低0.83%、2.02%、1.67%。
4.2 壓力損失特性
在管道上加節(jié)流件，不可避免將帶來(lái)一定的壓力損失。一般情況下，應(yīng)盡可能降低不可恢復(fù)壓力損失；在特定場(chǎng)合，有壓力損失限制要求，以減少能量消耗[9]。因此，在選擇流量計(jì)時(shí)，必須考慮節(jié)流件帶來(lái)的壓力損失，以及壓力損失所帶來(lái)的影響。因此，壓力損失也是衡量孔板流量計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，在相同的測(cè)量精度下，即可能選擇壓力損失較小的流量計(jì)，以減小管道的能量損失。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程同時(shí)測(cè)量了多孔板和標(biāo)準(zhǔn)孔板的壓力損失。將孔板前1D（D為管道直徑）處和孔板后6D處的壓力差作為孔板的壓力損失[7]，使用差壓變送器測(cè)量多孔板和標(biāo)準(zhǔn)孔板壓力損失的大小。
工程實(shí)際應(yīng)用中，常以永久性壓力損失比來(lái)衡量孔板壓力損失的大小，永久性壓力損失比K定義為：
（6）
式（6）中，Δω為永久壓力損失，Pa。以β為0.42、0.59、0.65的多孔板和標(biāo)準(zhǔn)孔板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
在表2中，β為0.42時(shí)，多孔板永久性壓力損失與孔板基本相等；β為0.59和0.65時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)孔板永久性壓力損失略小于多孔板。該表還顯示了永久性壓力損失比隨β值的變化趨勢(shì)。
5 上游旋流對(duì)孔板流出系數(shù)的影響
在ISO5167和GB/T2624中，孔板的適用條件為滿管的亞音速單相流，不適用于脈動(dòng)、有旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)。雖然在孔板前后均要求有直管段，但實(shí)際工況下還是有一定的旋流存在，研究這些旋流對(duì)測(cè)量精度的影響，具有十分重要的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值[10～12]
制做一個(gè)長(zhǎng)為12cm的旋流葉片（圖4）作為旋流器，安裝在管道內(nèi)。安裝在距離孔板上游分別為15D、10D、5D處，研究旋流對(duì)孔板的影響大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。
圖4 旋流葉片
由表3可以看出，在旋流的影響下，多孔板流出系數(shù)減小，標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)增大。因此，在有旋流的工況下，用標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量流量比實(shí)際流量偏大，而用多孔板則稍微偏小一些，說(shuō)明旋流對(duì)多孔板和標(biāo)準(zhǔn)孔板的影響是不同的。當(dāng)β=0.42時(shí)，多孔板流出系數(shù)變化率明顯小于標(biāo)準(zhǔn)孔板，表明多孔板的流出系數(shù)對(duì)旋流影響不敏感。因此，β較小時(shí)多孔板比標(biāo)準(zhǔn)孔板更適合于有旋流動(dòng)的場(chǎng)合，其抗干擾性能更好些。然而，對(duì)于β=0.65的多孔板，其抗擾流性能則不如標(biāo)準(zhǔn)孔板，這說(shuō)明多孔板的抗旋流能力受β值的制約。
6 結(jié)論
（1）多孔板流出系數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)孔板更穩(wěn)定。在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，β為0.42、0.59、0.65時(shí)，多孔板流出系數(shù)變化幅度比標(biāo)準(zhǔn)孔板分別低0.83%、2.02%、1.67%。
（2）多孔板永久性壓力損失比與標(biāo)準(zhǔn)孔板相當(dāng)，永久性壓力損失比隨β值的增大而減小。
（3）β較低時(shí)（β=0.42），多孔板抗旋流能力優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)孔板，β較高時(shí)（β=0.65），情況剛好相反。在有旋流存在時(shí)，多孔板流出系數(shù)會(huì)減小，測(cè)量的流量值偏大；而標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)會(huì)增大，流量值偏小。
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