工業(yè)設(shè)計(jì)職稱論文標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量范圍分析

　　[摘 要] 針對(duì)宣化鋼鐵公司東區(qū)煉鋼技改工程1#、2#矩形坯連鑄機(jī) 結(jié)晶其冷卻水流量標(biāo)準(zhǔn)孔板在量程擴(kuò)展后造成的誤差進(jìn)行定性及定量分析，目的在于為實(shí)際工作中遇到此類問(wèn)題提供一種思路，以供操作人員參考。

　　[關(guān)鍵詞]量程擴(kuò)展,流量系數(shù),常用流量,誤差分析

　　1. 問(wèn)題的提出

　　河北宣化鋼鐵公司煉鋼廠1#、2#矩形坯連鑄機(jī)結(jié)晶器冷卻水流量是一項(xiàng)非常重要的參數(shù)，測(cè)量精度要求較高，檢測(cè)元件采用標(biāo)準(zhǔn)孔板。標(biāo)準(zhǔn)孔板是廠家根據(jù)用戶提供的被測(cè)介質(zhì)、最大流量、管徑、材質(zhì)、工作壓力、工作溫度等參數(shù)經(jīng)嚴(yán)格計(jì)算后精工而成。孔板加工完畢后，測(cè)量范圍、測(cè)量精度隨之確定，不能更改。

　　后來(lái)因工藝需要,把最大流量增加到160t/h,常用流量120t/h,最小流量60t/h。按孔板設(shè)計(jì)要求應(yīng)根據(jù)改后參數(shù)重新定制孔板，但由于時(shí)間上不允許，經(jīng)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)人員決定：在孔板各參數(shù)不變的前提下把與孔板配套的差壓流量變送器量程由0~25kPa調(diào)整到0~40kPa，記錄儀由0~120t/h調(diào)整為0~160t/h。 問(wèn)題：孔板設(shè)計(jì)參數(shù)不變，把測(cè)量范圍增大，是否會(huì)造成誤差?誤差有多大?下面從原理到定量進(jìn)行分析。

　　2. 標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量流量的基本原理

　　2.1標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量流量的理論基礎(chǔ)

　　標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量流量的理論基礎(chǔ)是經(jīng)典的伯努利方程：

　　P：靜壓;V：流速;ρ：密度

　　標(biāo)準(zhǔn)孔板就是在管道中安放的節(jié)流件，它的開(kāi)孔小于管徑，當(dāng)流體通過(guò)時(shí)，在節(jié)流件上、下游之間產(chǎn)生靜壓力差，通過(guò)測(cè)量差壓求出流量值。

　　2.2靜壓力差與流量的關(guān)系

　　假設(shè)節(jié)流件上游入口前流速為V1,密度為ρ1，靜壓力為P1，流經(jīng)節(jié)流件時(shí)的流速為V2,密度為ρ2，靜壓力為P2，根據(jù)伯努利方程，則有：

　　又，流體連續(xù)方程，AV1ρ1=aV2ρ2 公式③, A：管道內(nèi)截面面積; a：為孔板開(kāi)孔面積，對(duì)于水ρ1=ρ2 ，設(shè)管道內(nèi)直徑為D，孔板開(kāi)孔直徑為d，則有：A= πD2

　　公式⑤ ，根據(jù)質(zhì)量流量定義：M=aV2ρ 得M= 公式⑥,

　　式中ΔP=P1-P2 。因?yàn)閐、D都是常數(shù)，

　　M= 公式⑦, 公式⑦是以理想流體為前提的出的，實(shí)際流體由于具有粘性，流經(jīng)節(jié)流件時(shí)必然要產(chǎn)生壓力損失，因此引入流量系數(shù)α進(jìn)行修正，α= ，C為流出系數(shù)。

　　M= 公式⑧，由公式⑧可以看出，當(dāng)a、α、ρ為常數(shù)時(shí)，流量與差壓呈平方根函數(shù)關(guān)系。

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)、應(yīng)用中給出常用流量計(jì)算公式：

　　M= 公式⑨，式中：M：質(zhì)量流量，kg/h;α0：流量系數(shù);ε：流束膨脹系數(shù)，對(duì)于水ε=1; d：工作狀態(tài)下孔板開(kāi)孔直徑，單位mm;ΔP：差壓力，mmH2O;ρ：工作狀態(tài)下被測(cè)流體密度，kg/m3; ：管道粗糙度修正系數(shù)。

　　當(dāng)工作狀態(tài)確定后，影響M和ΔP對(duì)應(yīng)關(guān)系的因素只有流量系數(shù)α0。流量系數(shù)α0是一個(gè)影響因素復(fù)雜，變化范圍較大的重要參數(shù)，它直接關(guān)系到測(cè)量精度，有式⑨可以看出只有當(dāng)α0保持為常數(shù)時(shí)，M和ΔP才呈標(biāo)準(zhǔn)的平方根關(guān)系。影響α0的主要因素有流體的雷諾數(shù)ReD和直徑比β(β=d/D)。α=f(ReD , β)即流量系數(shù)α是ReD和β的函數(shù)，當(dāng)直徑比β確定后，α和ReD呈單值函數(shù)關(guān)系。

　　2.3孔板設(shè)計(jì)過(guò)程中兩個(gè)問(wèn)題

　　(1) α0確定

　　流量系數(shù)α是一個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)，所以在測(cè)量范圍內(nèi)很難保證M和ΔP全程呈標(biāo)準(zhǔn)的平方根關(guān)系，因此在設(shè)計(jì)和制造上提出了常用流量參數(shù)，常用流量就是被測(cè)對(duì)象最常使用的流量值，并把常用流量時(shí)的流量系數(shù)α0作為全程的流量系數(shù)，目的是在測(cè)量范圍內(nèi)，使常用流量值附近α值最穩(wěn)定，測(cè)量精度最高。

　　(2) 差壓上限值h20確定

　　與孔板配套使用的差壓流量計(jì)或差壓流量變送器的差壓上限值(即：量程上限最大差壓值)是一系列值。例如：①DBC-310型電動(dòng)差壓變送器差壓上限系列為1000、1600、2500、4000、6000mmH2O。②CECL-730型電容式差壓流量變送器差壓上限系列為6、10、16、25、40KPa?？装逶O(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定：根據(jù)最大流量等參數(shù)確定的差壓上限值都要圓整到所要選配儀表的差壓上限系列值中相近的系列值上。例：根據(jù)最大流量等參數(shù)計(jì)算的差壓上限值為1045 mmH2O時(shí)，選配DBC系列電動(dòng)差壓變送器時(shí)，將其差壓上限值圓整為1000 mmH2O。由于圓整值與實(shí)際最大差壓值不同，以圓整后差壓值作為設(shè)計(jì)孔板的差壓上限值，必然會(huì)造成測(cè)量誤差，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要求：以圓整后差壓值作為差壓上限值，以常用流量的流量系數(shù)作為全量程的流量系數(shù)，確定孔板的開(kāi)孔直徑，使用常用流量時(shí)測(cè)量誤差小于0.2%。本文中原設(shè)計(jì)25 kPa和改后40 kPa都是根據(jù)所配用的差壓流量變送器差壓系列值而圓整后的差壓值。

　　3.造成測(cè)量產(chǎn)生誤差的原因及分析

　　3.1產(chǎn)生誤差的原因

　　根據(jù)孔板工作原理和設(shè)計(jì)要求，可以判定產(chǎn)生誤差的原因主要有以下兩個(gè)方面：

　　(1) 直徑比確定后，雷諾數(shù)變化引起流量

　　系數(shù)變化產(chǎn)生的誤差。

　　(2) 測(cè)量范圍擴(kuò)展后，120t/h作為常用流

　　量對(duì)應(yīng)的差壓值與原設(shè)計(jì)120t/h對(duì)應(yīng)的實(shí)際差壓值不同而造成的誤差。

　　3.2對(duì)誤差原因的分析

　　3.2.1直徑比確定后，雷諾數(shù)變化引起流量系數(shù)α變化產(chǎn)生的誤差。

　　(1) 前面提到的直徑比β=d/D確定流量

　　系數(shù)α和雷諾數(shù)ReD呈單值函數(shù)關(guān)系。量程擴(kuò)展后，由于常用流量增大，流體常用雷諾數(shù)必然增大，ReDch增大也必然引起流量系數(shù)α0變化。

　　(2) 在原設(shè)計(jì)確定的直徑比β不變的條件下，常用流量由100t/h增至120t/h時(shí)流量系數(shù)α0值計(jì)算：

　　(3) 比較

　?、?120t/h原設(shè)計(jì)實(shí)際對(duì)應(yīng)的差壓值為：

　　由公式⑨得：

　　120000= 解得：ΔP=2356.15mmH2O

　?、?Delta;P=2356.15mmH2O,

　　在 =0.62195時(shí)，M值?

　　M= =119944.1(kg/h)

　　≈119.94(t/h)

　　③ΔM=120-119.94=0.06(t/h)

　　由上述計(jì)算可以看出，常用流量由

　　100t/h增至120t/h時(shí)，α0 值變化較小，引起的測(cè)量誤差較小。

　　3.2.2量程擴(kuò)展后，120t/h作為常用流量對(duì)應(yīng)的差壓值與原設(shè)計(jì)120t/h對(duì)應(yīng)的實(shí)際差壓值不同而造成的誤差

　　根據(jù)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)人員提出的量程擴(kuò)展方案，最大流量為160t/h，差壓上限為40Kpa時(shí)對(duì)應(yīng)常用流量120t/h的差壓值為：

　　h20ch= = =22.5(Kpa)=2294.28(mmH2O)

　　即當(dāng)差壓值為2294.28mmH2O時(shí)，流量指示值為120t/h，但根據(jù)原設(shè)計(jì)各參數(shù)確定孔板開(kāi)孔直徑后，已將M和ΔP的對(duì)應(yīng)關(guān)系固定下來(lái)，前面已計(jì)算過(guò)120t/h對(duì)應(yīng)的實(shí)際差壓值為2356.15 mmH2O(23.11Kpa)，而2294.28mmH2O(22.50 Kpa)對(duì)應(yīng)的實(shí)際差壓流量值為： =0.62195，

　　M= =118358.9(kg/h)

　　≈118.36(t/h)則：

　　ΔM=120-118.36=1.64(t/h) ，即差壓值

　　2294.28mmH2O(22.50 Kpa)對(duì)應(yīng)的實(shí)際流量為118.36t/h，而擴(kuò)展量程后儀表顯示值為120t/h，顯示值比實(shí)際值偏高。

　　綜合上述計(jì)算分析可以看出，量程擴(kuò)展后，常用流量增大，造成測(cè)量誤差的主要原因是第二條，即120t/h在不同的量程范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)不同的差壓值而產(chǎn)生的誤差。

　　本文只著重分析了常用流量值時(shí)造成的測(cè)量誤差，因?yàn)槌Ｓ昧髁恐堤幙装宓臏y(cè)量精度最高，實(shí)際流量值偏離常用流量值越遠(yuǎn)，造成的測(cè)量誤差越大，所以本文分析對(duì)象1#、2#矩形坯連鑄機(jī)結(jié)晶器冷卻水流量測(cè)量在量程擴(kuò)展后，常用流量值存在測(cè)量誤差在1.7t/h左右，并且也是量程擴(kuò)展后測(cè)量的最小誤差。

　　4.結(jié)束語(yǔ)

　　本文針對(duì)流量孔板測(cè)量范圍擴(kuò)展后產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析，目的在于為實(shí)際工作中遇到此類問(wèn)題提供一種思路，以供操作人員參考，同時(shí)當(dāng)作一個(gè)問(wèn)題與大家共同探討。

　　[參考文獻(xiàn)]

　　[1]范玉久，《化工測(cè)量?jī)x表》化學(xué)工業(yè)出版社，1981

《工業(yè)設(shè)計(jì)職稱論文標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量范圍分析》

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