標準節流裝置偏離標準規定的處理和測量的附加誤差

第一節　概 述

標準節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系及其測量誤差才符合標準的規定。但是，在現場實際應用時難免會發生或多或少偏離標準規定的情況，由此引起的測量誤差希望能進行修正或估算。本章收錄國內外有關資料供參考。對于這些資料，說明如下。

①偏離標準皆用流出系數的偏差來衡量，偏差修正式為

式中 Cb ——修正后的流出系數；

C——標準流出系數；

b——修正系數。

按上式，若b<l.則修正后的流出系數Cb較標準流出系數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Cb較標準流出系數大，這時差壓計指示的流量示值偏小。

②流出系數修正后，應在流出系數的不確定度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：幾何相加和算術相加。

幾何相加為

算術相加為

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相加。

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

④某些不符合標準規定的項目，其修正系數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，而在現場有可能同時幾個條件偏離，這些條件的相關性如何?引起的流出系數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，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，最好完全按標準執行。一般來說，實驗室條件可以辦得到，但現場卻難免會有偏離。

⑦節流式差壓流量計的測量特性決定于節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生變化，麻煩的是這種變化常不易察覺，因此，對檢測件(節流裝置)的定期檢查是必要的，特別在流體介質條件比較惡劣時。

? 偏離標準的一個重要方面是現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所示為偏離標準規定各種因素產生的附加誤差的估計。

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

第二節 節流裝置結構不符合標準要求

-、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：制造質量差，流體腐蝕，氣蝕，機械磨損以及操作不當等。

①標準規定當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bk = ? (rk/d)，見表1.7.2。當bk≠1時，應對流出系數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bE與雷諾數有關，提不出不變的修正系數。但在

范圍內， bE與ReD無關，僅與E和Ｂ2有關。該范圍內的修正系數bE如圖1.7.1所示，該圖可以線性內插，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，其修正系數為be．be與ReD無關，僅與e和Ｂ2有關。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插，但不得外推。

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

三、取壓口位置和質量

1.角接取壓取壓口位置離節流件端面太遠

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流件兩端面過遠，應進行修正，其修正系數為ba。修正系數ba與上游側取壓口中心線到節流件上游側端面A的距離a1和下游側取壓口中心線到節流件下游側端面B的距離a'2(或到端面A的距離α2)有關，可用下式表示

式中Xl和X2與al和a2'(a2)有關。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，應對糙管流出系數的不確定度算術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；

GCT——角接取壓流出系數。

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；

GFL—— 法蘭取壓流出系數。

流出系數的總不確定度為不確定度與附加不確定度算術相加。

4.取壓口的質量

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，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。

四、排泄孔和放氣孔

在水平管道上安裝的節流件，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，在節流件上打一個排泄孔或放氣孔，此時，有一個不經節流件開孔的旁通流量流過節流件，因而必須對流出系數進行修正，其修正系數為此，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流件開孔直徑，兩者取同一單位。

節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流件開孔直徑修正后的值。

①排泄孔設在節流件兩端面的下部，放氣孔設在節流件兩端面的上部，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實質上是對d的修正，因此引人修正系數bh之后，其附加不確定度不是加在流出系數的不確定度上，而是加在節流件開孔直徑的誤差上。

五、實際管道內徑和節流件孔徑與設計值不符時的處理

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

式中f由圖1.7.7查得。

六、環室有臺階

按標準規定D≤Dl≤1.04D即環室內徑可以稍大于管道內徑，但不得小于管道內徑。

環室內徑小于管道內徑，如圖1.7.8所示，將產生大的測量誤差。圖1.7.9所示為環室產生臺階時流出系數的偏差影響。

七、節流件安裝偏心

圖1.7.10所示為節流開孔軸線與法蘭內圓軸線及管道軸線之間的偏心圖形。偏心率對流出系數的影響與Ｂ值、取壓方式、偏心方向等有關，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系與孔板厚度E、支撐直徑Ｄs及直徑比Ｂ等有關，在給定的直徑比下允許的最大差壓Δp為Ds/E的函數。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。

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——質量流量；

Ｂ——直徑比，Ｂ=d/D；

d——孔板開孔直徑；

D——管道內徑；

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Cc的變化量；

δd——孔板開孔直徑的變化量；

δqm——質量流量的變化量；

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，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；

K——應力系數；

kl， k2，k3——Cc計算式中系數，如表1.7.3所示。

九、節流裝置結構不符合標準要求時影晌的傾向

節流裝置結構不符合標準要求對流出系數影響的傾向如表1.7.4所示。

第三節 管道布置不符合標準要求

-、節流件上下游側安裝異徑管

1.節流件上下游側安裝異徑管

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

2.突入管道的環狀焊縫

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

二、節流件上游側直管段長度不足

當節流件上游側直管段長度不符標準規定時，流出系數將發生變化。表1.7.6及表1.7.7列舉若干流出系數偏差的估算值及其附加不確定度。

①采用表1.7.6數據可以進行流出系數的修正。

舉例：a.如流出系數變化百分數為十1.1%，則可對流出系數乘以系數1.011；

b.如流出系數變化百分數為-2.3%，則對流出系數乘以系數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為流出系數變化百分數。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　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量差，安裝產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，測量大氣壓下的空氣。由圖可見，孔板入口處環狀區域的情況很重要，它對測量誤差的影響起主要作用。

三、孔極上游側測量管沉積臟物

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

四、文丘里管內壁沉積臟物

文丘里管內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降低，如圖1.7.16所示。

五、經典文丘里管使用條件偏離標準的影晌

經典文丘里管的流出系數與ReD，Ｂ和Ra/D等參數有關，當這些參數偏離標準規定值時將產生附加不確定度。

1.Ｂ的影響

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

2.雷諾數ReD的影響

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

(1)ReD對具有粗鑄收縮段的經典文丘里管流出系數的影響當ReD低于2× 105時，流出系數隨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所列流出系數和不確定度之值。

(2)ReD對具有機械加工收縮段的經典文丘里管流出系數的影響當ReD低于2× 105 時，一般情況下，在流出系數C隨著ReD的減小而穩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值作為雷諾數的函數不是完全可預示的，有時C值隨雷諾數增加稍有增大；有時又有顯著地逐漸增大；有時又有顯著地突然增大。

有足夠的數據證明此種型式文丘里管的流出系數是Red(以喉部直徑表示的雷諾數)的函數，而不是ReD的函數。結果表明用Red比用ReD有更好的相關性。

為了近似地估算流量，可用表1.7.11所列流出系數及其不確定度。

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

關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機械加工的經典文丘里管流出系數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，流出系數及其不確定度不隨雷諾數而變化。為了估算流量可用表1.7.13所列流出系數和不確定度之值。

3.相對粗糙度Ra/D的影響

(1)經典文丘里管的粗糙度收縮段粗糙度的增大使流出系數減小。機械加工收縮段的經典文丘里管受粗糙度的影響，比粗鑄收縮段的經典文丘里管和粗焊鐵板收縮段的經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典文丘里管的流出系數增大。當B值增加時這種現象更為顯著。

第五節 管道粗糙度不符合標準要求

在節流件上游側10D的管道內，當管道內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就是在光管條件下實驗求得的。當管道內壁相對平均粗糙度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，而流出系數將增加，流出系數的偏差增大。

一、角接取壓標準孔板的糙管流出系數

式中 Co——孔板光管的流出系數；

CrO ——孔板糙管的流出系數；

rRe——孔板管道粗糙度的修正系數；　　　　　

當ReD≥106時， rRe =rO。

ro與Ｂ和D/K的關系如表1.7.14所示。

二、ISA1932噴嘴的糙管流出系數

式中 Cn一一噴嘴光管的流出系數；

Cm ——噴嘴糙管的流出系數；

rRen—— 噴嘴管道粗糙度的修正系數；

當ReD≥3.2×1 05時， rRen = ron

ro與B和D/K的關系如表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的變化。圖1.7.17所示管壁條件為：管壁結垢為球形瘤，平均尺寸為6.3mm，亦就是管道內徑有效值減少約6.3mm。 因中虛線Ｂ=0.71是經砂磨表面，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(結垢)，使粗糙度降低后改善流出系數測量誤差的情況。由表可見，在節流件上游側附近一段管道清除污物可以顯著提高流出系數的測量精度。對于大口徑管道(DN>300)，清洗的管段可以顯著縮短。

實驗證明，下游側管道粗糙度的變化對流出系數無影響。