标准节流装置偏离标准规定的处理和测量的附加误差

标准节流装置偏离标准规定的处理和测量的附加误差

第一节　概 述

标准节流装置应按照标准文件(ISO 5167或GB/T 2624)设计、制造、安装和使用，这时差压信号与流量的关系及其测量误差才符合标准的规定。但是，在现场实际应用时难免会发生或多或少偏离标准规定的情况，由此引起的测量误差希望能进行修正或估算。本章收录国内外有关资料供参考。对于这些资料，说明如下。

①偏离标准皆用流出系数的偏差来衡量，偏差修正式为

式中 Cb ——修正后的流出系数；

C——标准流出系数；

b——修正系数。

按上式，若b<l.则修正后的流出系数Cb较标准流出系数C小，这时差压计指示的流量示值偏大；若b>l.则修正后的流出系数Cb较标准流出系数大，这时差压计指示的流量示值偏小。

②流出系数修正后，应在流出系数的不确定度δa上加一个附加不确定度δb.不确定度与附加不确定度有两种相加法：几何相加和算术相加。

几何相加为

算术相加为

凡已做过试验的，一般采用几何相加。若试验不充分，为了可靠可采取算术相加。

③若由于试验根据不足，不能提供确切的b值，只能提供修正系数的倾向，即b>l或b<l.使用者可根据修正系数的倾向估计其流出系数的增大或减小。若使用者需准确确定， 则必须进行实际试验。

④某些不符合标准规定的项目，其修正系数b值没有明确的方向性，即b可能大于1亦可能小于1，此时，只能用增加附加误差来解决。

⑤偏离标准条件的情况非常复杂，这里提供的绝大部分是仅一个条件偏离引起的修正，而在现场有可能同时几个条件偏离，这些条件的相关性如何?引起的流出系数的变化是否可按照线性叠加原则处理?这些问题并没有很多试验根据，因此遇到多种条件同时偏离时应慎重对待。

⑤总的来说，偏离标准进行修正是万不得已的事，最好完全按标准执行。一般来说，实验室条件可以办得到，但现场却难免会有偏离。

⑦节流式差压流量计的测量特性决定于节流装置的几何相似性，随着时间的推移，在流体的作用下几何特性免不了发生变化，麻烦的是这种变化常不易察觉，因此，对检测件(节流装置)的定期检查是必要的，特别在流体介质条件比较恶劣时。

? 偏离标准的一个重要方面是现场的使用条件不符合标准条件(参考工作条件)，条件的偏离有的可以修正(补偿)，如温度、压力补偿，有的只能定性估计。

⑨表1.7.1所示为偏离标准规定各种因素产生的附加误差的估计。

⑩本章资料大部分取自国外有关标准或规程(如BSI042. VDI2040等)，资料有一定的可靠性和权威性。

第二节 节流装置结构不符合标准要求

-、孔板开孔直角入口边缘锐利度

孔板开孔直角人口边缘锐利度不符标准的原因可能有：制造质量差，流体腐蚀，气蚀，机械磨损以及操作不当等。

①标准规定当rk/d≤O.0004时(rk——开孔边缘圆弧半径，d——开孔直径)，则直角入口边缘是锐利的，修正系数bk = ? (rk/d)，见表1.7.2。当bk≠1时，应对流出系数不确定度几何相加一个如下的附加不确定度：

a.当rk的单测值与平均值比较，最大偏差在±20%以内时，则附加不确定度 0.5%；

b.当rk的单测值与平均值比较，最大偏差超过上述范围时，则附加不确定度按下式计算，但不得小于± 0.5%：

②偏差估算式[Crocket与upp(1973)及Benedict(1974)]

式中 ΔC——C的偏差值；

其余符号同上。

本式应用范围：rk/d ＝0.0002~0.0035．

二、孔板厚度E

1.孔板厚度E太大

孔板厚度应小于或等于0.05D。对角接取压标准孔板，当E>0.05D，应进行修正，其修正系数为bE。当Ｂ≤O.5时，即使E值增加1倍，也不需要修正，同时也无需考虑任何附加不确定度。当Ｂ>0.5时，修正系数bE与雷诺数有关，提不出不变的修正系数。但在

范围内， bE与ReD无关，仅与E和Ｂ2有关。该范围内的修正系数bE如图1.7.1所示，该图可以线性内插，但不得外推。

2.孔板开孔圆筒形部分长度e太长

孔板开孔圆筒形部分长度e不论其出口是否有圃锥角，均应小于或等于0.02D．对角接取压标准孔板，当e>0.02D时，应进行修正，其修正系数为be．be与ReD无关，仅与e和Ｂ2有关。但是，出口有圆锥角的孔板和无圆锥角的孔板，其be值是不同的，如图1.7.2和图1.7.3所示。这两张图可采用线性内插，但不得外推。

当be≠1时，应对糙管流出系数的不确定度几何相加一个附加不确定度±0.6%。

三、取压口位置和质量

1.角接取压取压口位置离节流件端面太远

对于角接取压标准孔板和标准喷嘴，其取压口必须紧靠节流件两端面。由于垫片太厚或取压口太大，会使取压口中心线离节流件两端面过远，应进行修正，其修正系数为ba。修正系数ba与上游侧取压口中心线到节流件上游侧端面A的距离a1和下游侧取压口中心线到节流件下游侧端面B的距离a'2(或到端面A的距离α2)有关，可用下式表示

式中Xl和X2与al和a2'(a2)有关。角接取压标准孔板和标准喷嘴的Xl和X2值是不同的，如图1.7.4和图1.7.5所示。

当ba≠1时，应对糙管流出系数的不确定度算术相加一个如下的附加不确定度：

当Ｂ2≤O.4时， 0.5%；

当Ｂ≤O.4时， 1%。

2.取压口位置在法兰取压与角接取压之间时

当取压口位置位于法兰取压与角接取压之间时，流出系数可按RG式计算，其附加不确定度e为

式中 e——附加不确定度， %；

GFL——法兰取压流出系数；

GCT——角接取压流出系数。

3.取压口位置在D-D/2取压与法兰取压之间时

当取压口位置位于D-D/2取压与法兰取压之间时，流出系数可按RG式计算，其附加不确定度e为

式中 e——附加不确定度， %；

ＣD?D/2——D-D/2取压流出系数；

GFL—— 法兰取压流出系数。

流出系数的总不确定度为不确定度与附加不确定度算术相加。

4.取压口的质量

取压口有毛刺或沉积污物会引起误差，特别在流速较高处，如喷嘴和文丘里管的喉部，将引起很大的误差，角接取压口在流动的滞止区，因此影响稍小些。取压口几何形状对静压测量的影响如图1.7.6所示。其偏差为动压的百分数。

四、排泄孔和放气孔

在水平管道上安装的节流件，当测量气体流量为了防止液体积聚或测量液体流量防止气体积聚，在节流件上打一个排泄孔或放气孔，此时，有一个不经节流件开孔的旁通流量流过节流件，因而必须对流出系数进行修正，其修正系数为此，其大小按下列公式计算：

对孔板

对喷嘴

式中dh和dzo分别为排泄孔或放气孔直径和节流件开孔直径，两者取同一单位。

节流件的开孔直径按下式计算

对孔板或喷嘴

式中d'为有排泄孔或放气孔时节流件开孔直径修正后的值。

①排泄孔设在节流件两端面的下部，放气孔设在节流件两端面的上部，其垂直中心线与两端面的垂直中心线重合。

②只有管道内径D≥100mm时，才允许设置排泄孔和放气孔。

③排泄孔和放气孔的直径不得大于O.1d，其任何部分应位于以管道轴线为圆心的直径为D-O.2d的同心圆范围之外。

④排泄孔和放气孔为圆筒形钻孔，其入口和出口应无毛刺和明显损伤，其内表面应尽量光洁。

⑤对于ISA 1932喷嘴，Ｂ小于O.625时才允许设置排泄孔和放气孔。

? 排泄孔或放气孔与取压口之间的方向应在90° ~180° 之间。

⑦长径喷嘴不得采用排泄孔和放气孔。

? 由于bh实质上是对d的修正，因此引人修正系数bh之后，其附加不确定度不是加在流出系数的不确定度上，而是加在节流件开孔直径的误差上。

五、实际管道内径和节流件孔径与设计值不符时的处理

管道内径D20和节流件开孔直径d20的实测值与设计节流件时采用的管道内径DB及节流件开孔直径计算结果dB值不符，应按实测值重新计算差压信号和流量的关系，若差别不大时可进行修正。其修正方法是对流出系数乘以修正系数bD和bd

式中f由图1.7.7查得。

六、环室有台阶

按标准规定D≤Dl≤1.04D即环室内径可以稍大于管道内径，但不得小于管道内径。

环室内径小于管道内径，如图1.7.8所示，将产生大的测量误差。图1.7.9所示为环室产生台阶时流出系数的偏差影响。

七、节流件安装偏心

图1.7.10所示为节流开孔轴线与法兰内圆轴线及管道轴线之间的偏心图形。偏心率对流出系数的影响与Ｂ值、取压方式、偏心方向等有关，如图1.7.11所示。 自

八、孔板的偏移

孔板在高压差的作用下产生弹性变形，如图1.7.12所示。弹性变形将带来特性的偏离，增大测量的不确定度。允许的最大差压与弹性变形的关系与孔板厚度E、支撑直径Ｄs及直径比Ｂ等有关，在给定的直径比下允许的最大差压Δp为Ds/E的函数。最大的孔板偏移Y如下式：

式中 y——孔板偏移最大量；

Δρ——差压；

E*——孔板材料的弹性模量；

E——孔板厚度；

Ds——支撑直径；

kd——偏移系数。

在高差压作用下，孔板弹性变形引起的测量不确定度如下式：

式中　qm——质量流量；

Ｂ——直径比，Ｂ=d/D；

d——孔板开孔直径；

D——管道内径；

Ｂs——直径比，Bs=d/Ds；

Ds——孔板支撑管径；

δθd——孔板偏角θd的变化量；

δCc——收缩系数Cc的变化量；

δd——孔板开孔直径的变化量；

δqm——质量流量的变化量；

θd——孔板偏移角(θd=90°，孔板垂直于管轴线）；

σ——机械应力；

Δρ——孔板差压；

Cc——收缩系数，缩流截面积与孔板开孔截面积之比；

E——孔板厚度；

E*——孔板材料弹性模数；

K——应力系数；

kl， k2，k3——Cc计算式中系数，如表1.7.3所示。

九、节流装置结构不符合标准要求时影晌的倾向

节流装置结构不符合标准要求对流出系数影响的倾向如表1.7.4所示。

第三节 管道布置不符合标准要求

-、节流件上下游侧安装异径管

1.节流件上下游侧安装异径管

表1.7.5所示为节流件前后装设异径管。由表可见，在节流件前装设渐扩管会引起很大的测量误差，而在节流件前后装设渐缩管，只要渐缩管夹角不大，流出系数的偏离可小于2%。

2.突入管道的环状焊缝

靠近节流件前面管道有突入管道的环状焊缝，有如一个节流圆环，它对测量误差的影响与突入高度、形状、粗糙度等有关，没有实流校准是难以准确确定的。

二、节流件上游侧直管段长度不足

当节流件上游侧直管段长度不符标准规定时，流出系数将发生变化。表1.7.6及表1.7.7列举若干流出系数偏差的估算值及其附加不确定度。

①采用表1.7.6数据可以进行流出系数的修正。

举例：a.如流出系数变化百分数为十1.1%，则可对流出系数乘以系数1.011；

b.如流出系数变化百分数为-2.3%，则对流出系数乘以系数0.977。

②表1.7.7列举附加不确定度e计算式。

举例：a.公式　e=0.5(1+|ΔC|)

式中ΔC为流出系数变化百分数。设ΔC=+1.4%，则e=1.2%。

b.公式 e=O.5+|ΔC|

设ΔC=-2.8%，则e=3.3%

①上游阻流件类型：

三、流动情况不符合标准要求时影响的倾向

表1.7.8所示为流体流动情况不符合标准要求时影响的倾向。

第四节　使用条件不符合标准要求

一、孔板挠曲

图1.7.13所示为孔板挠曲对流量测量误差的影响。造成孔板挠曲的原因可能有制造质量差，安装产生应力或大差压造成的等等。

二、孔板上游端面沉积脏物

表1.7.9所示为孔板上游端面沉积脏物对流出系数的影响。砂粒颗粒尺寸为O.4mm，脂油污点的直径为6.3mm，厚为2.5mm，孔板装于DN100测量管内，测量大气压下的空气。由图可见，孔板入口处环状区域的情况很重要，它对测量误差的影响起主要作用。

三、孔极上游侧测量管沉积脏物

图1.7.14和图1.7.15所示为孔板上游侧测量管底部沉积脏物对流出系数的影响。

四、文丘里管内壁沉积脏物

文丘里管内壁沉积脏物起二重作用：减少通道截面积和增加表面粗糙度。两种影响综合起来使流出系数降低，如图1.7.16所示。

五、经典文丘里管使用条件偏离标准的影晌

经典文丘里管的流出系数与ReD，Ｂ和Ra/D等参数有关，当这些参数偏离标准规定值时将产生附加不确定度。

1.Ｂ的影响

Ｂ≥O.75时，流出系数分散度比小的Ｂ值大得多，其测量不确定度也相应增大。当Ｂ超过标准规定限值时，流出系数的不确定度应增加一倍以上。

2.雷诺数ReD的影响

雷诺数ReD的影响是随经典文丘里管的型式而变化。雷诺数变化使流出系数发生变化，同时流出系数的不确定度也随之增加。在ReD小于规定的最小ReD值时，流出系数C值的变化要比ReD大于规定的最大ReD值时流出系数C值变化明显。

(1)ReD对具有粗铸收缩段的经典文丘里管流出系数的影响当ReD低于2× 105时，流出系数随ReD的减小而减小，而其不确定度将增大。当ReD高于2× 106时，流出系数C不随ReD而变化，不确定度也不随ReD变化。为了近似地估算流量，可用表1.7.10所列流出系数和不确定度之值。

(2)ReD对具有机械加工收缩段的经典文丘里管流出系数的影响当ReD低于2× 105 时，一般情况下，在流出系数C随着ReD的减小而稳定地减小之前略有增大，而C值的不确定度开始缓慢地增大，进而迅速地增大。

以喉部雷诺数Red表示，C值的最大值在Red为2× 105到4× 105之间。

当ReD高于106时，C值作为雷诺数的函数不是完全可预示的，有时C值随雷诺数增加稍有增大；有时又有显著地逐渐增大；有时又有显著地突然增大。

有足够的数据证明此种型式文丘里管的流出系数是Red(以喉部直径表示的雷诺数)的函数，而不是ReD的函数。结果表明用Red比用ReD有更好的相关性。

为了近似地估算流量，可用表1.7.11所列流出系数及其不确定度。

(3) ReD对具有粗焊铁板收缩段的经典文丘里管流出系数的影响当ReD减小到2× 105 以下时，流出系数C随ReD的减小稍有减小，而C值的不确定度则增大。

关于此种型式的文丘里管的资料较少，为了近似地估算流量，可采用表1.7.12所列流出系数及其不确定度。

(4) ReD对具有粗铸收缩段但其入口圆筒段与收缩段经机械加工的经典文丘里管流出系数的影响具有粗铸收缩段的文丘里管其入口圆筒段A和收缩段B经机械加工后其相对粗糙度Ra小于5× 10-5 D和15?m，入口圆筒段的管道上游侧至少2D长度的粗糙度与入口圆筒段是同样的。

当ReD增大至3.2× 106以上时，流出系数及其不确定度不随雷诺数而变化。为了估算流量可用表1.7.13所列流出系数和不确定度之值。

3.相对粗糙度Ra/D的影响

(1)经典文丘里管的粗糙度收缩段粗糙度的增大使流出系数减小。机械加工收缩段的经典文丘里管受粗糙度的影响，比粗铸收缩段的经典文丘里管和粗焊铁板收缩段的经典文丘里管更为敏感。

文丘里管的压力损失随粗糙度增大而增大。

(2)上游管道的粗糙度上游管道粗糙度的增大促使经典文丘里管的流出系数增大。当B值增加时这种现象更为显著。

第五节 管道粗糙度不符合标准要求

在节流件上游侧10D的管道内，当管道内壁的相对平均粗糙度Ra/D或K/D小于表1.7.14(孔板)、表1.7.15(喷嘴)所列限值时，则认为该管道是光滑的，称之为光管，标准提供的流出系数就是在光管条件下实验求得的。当管道内壁相对平均粗糙度K/D大于上述表列值时，则认为该管道是粗糙的，称之为糙管。

当管壁粗糙度增加时，速度分布将变陡，而流出系数将增加，流出系数的偏差增大。

一、角接取压标准孔板的糙管流出系数

式中 Co——孔板光管的流出系数；

CrO ——孔板糙管的流出系数；

rRe——孔板管道粗糙度的修正系数；　　　　　

当ReD≥106时， rRe =rO。

ro与Ｂ和D/K的关系如表1.7.14所示。

二、ISA1932喷嘴的糙管流出系数

式中 Cn一一喷嘴光管的流出系数；

Cm ——喷嘴糙管的流出系数；

rRen—— 喷嘴管道粗糙度的修正系数；

当ReD≥3.2×1 05时， rRen = ron

ro与B和D/K的关系如表1.7.15所示。

三、降低管道粗糙度的影响

1.角接取压标准孔板在糙管中流出系数的变化图1.7.17和图1.7.18所示为角接取压标准孔板在糙管中流出系数的变化。图1.7.17所示管壁条件为：管壁结垢为球形瘤，平均尺寸为6.3mm，亦就是管道内径有效值减少约6.3mm。 因中虚线Ｂ=0.71是经砂磨表面，颗粒约O.5~1.Omm。图1.7.18所示的管壁条件颗粒尺寸约1mm多，即约为图1.7.17所示的1/3。

2.降低管壁粗糙度的影响

表1.7.16所示为管壁清除脏物(结垢)，使粗糙度降低后改善流出系数测量误差的情况。由表可见，在节流件上游侧附近一段管道清除污物可以显著提高流出系数的测量精度。对于大口径管道(DN>300)，清洗的管段可以显著缩短。

实验证明，下游侧管道粗糙度的变化对流出系数无影响。