用于颗粒物采样器的流量元件关键参数的研究

刘伟光; 郭沈辉; 景军; 葛睿; 王丛先; 任晓庆

doi:10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0175

用于颗粒物采样器的流量元件关键参数的研究

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0175

青岛市计量技术研究院，青岛 266101

基金项目: 山东省重点研发计划项目（2019JZZY010419）；山东省市场监督管理局科技项目。

详细信息

作者简介:
刘伟光（1984-），青岛市计量技术研究院高级工程师，研究方向：流量与容量的计量科学与技术，邮箱：lwgtju@tju.edu.cn

通讯作者:
葛睿（1997-），青岛市计量技术研究院助理工程师，研究方向：流量计量，邮箱： geeruuii@163.com

中图分类号: TB937
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2023-07-24
- 录用日期: 2023-09-04
- 修回日期: 2023-09-22
- 网络出版日期: 2023-10-10
- 刊出日期: 2023-07-18

Study on Key Parameters of Flow Element for Particle Samplers

Qingdao Institute of Measurement Technology, Qingdao 266100

摘要

摘要: 针对颗粒物采样器常用流量孔口流量元件的不足，研制流量测量范围在1～120 L/min的孔板流量元件。此流量范围内对应的流量元件入口雷诺数不超过2000，基本属于层流状态，已经超出了现有各类标准规定的差压式流量元件的应用范围。为保证新设计孔板的流量性能，需给定孔板厚度E、节流孔厚度e和取压位置三个关键参数的机械加工的最大允许偏差。采用计算流体力学仿真的方式确定上述几何尺寸的参数机械加工的最大允许偏差。对于1～10 L/min的孔板，E的推荐值为1.6 mm，最大允许几何偏差为±6.25%；e的推荐值为1.16 mm，最大允许几何偏差为±2.5%。对于10～100 L/min的孔板，E的推荐值为3.2 mm，最大允许几何偏差为±6.25%；e的推荐值为2.00 mm，最大允许几何偏差为±5%。上下游采用D-D/2取压方式，上游取压位置准确度为±0.1D，下游取压位置准确度为±0.05D。基于此关键尺寸，设计加工后的层流孔板的流出系数线性度和加工一致性均优于1.5%。
- 计量学 /
- 采样器 /
- 流量计 /
- 孔板 /
- 差压
Abstract: This study focuses on addressing the shortcomings of commonly utilized flow orifice elements in particle samplers by developing an orifice flow element capable of measuring flow rates ranging from 1 to 120 L/min. Within this flow range, the Reynolds number at the inlet of the flow element does not exceed 2000, ensuring primarily laminar flow conditions. This exceeds the operational range of differential pressure flow elements as per existing standards. To ensure optimal flow performance of the new orifice plates, it is imperative to define the maximum allowable mechanical machining deviations for key parameters such as orifice plate thickness (E), throttling orifice thickness (e), and pressure tap locations. Computational fluid dynamics simulations were employed to determine these maximum allowable deviations in the geometric dimensions. For orifice plates operating in the 1 to 10 L/min range, the suggested E value is 1.6 mm, with a maximum allowable deviation of ±6.25%, and for e, a value of 1.16 mm is recommended with a deviation of ±2.5%. For the 10 to 100 L/min range, an E value of 3.2 mm is recommended with a deviation of ±6.25%, and an e value of 2.00 mm with a deviation of ±5%. The D-D/2 method was used for pressure tapping, with upstream accuracy being ±0.1D and downstream accuracy ±0.05D. Based on these key dimensions, the designed orifice plates exhibited an outflow coefficient linearity and machining consistency better than 1.5%.
- metrology /
- sampler /
- flow meter /
- orifice plate /
- differential pressure

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图 1 以孔口为流量元件的采样器流量综合校准装置

Figure 1. The comprehensive calibration device of sampler flow with the orifice as the flow element

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图 2 孔口节流件的关键参数示意图

Figure 2. Schematic diagram of key parameters of the orifice throttling components

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图 3 孔板流量计管道安装图

注：a 为流动方向； l₁^b为上游取压位置；l₂^c为下游取压位置。

Figure 3. Installation diagram of the orifice flow meter pipe

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图 4 1~10L/min流量各个厚度下孔板流出系数的对比

Figure 4. Comparison of orifice outflow coefficients at various thicknesses for flow rates of 1~10 L/min

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图 5 10~120L/min流量各个厚度下孔板流出系数的对比

Figure 5. Comparison of orifice outflow coefficients at various thicknesses for flow rates of 10~120 L/min

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图 6 1～10 L/min流量各个厚度下孔板流出系数的对比

Figure 6. Comparison of orifice outflow coefficients at various thicknesses for flow rates of 1~10 L/min

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图 7 10～120 L/min流量各个厚度下孔板流出系数的对比

Figure 7. Comparison of orifice outflow coefficients at various thicknesses for flow rates of 10~120 L/min

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图 8 1～10 L/min流量孔板上游取压位置的影响

Figure 8. Impact of upstream pressure tap locations on the orifice plate for flow rates of 1~10 L/min

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图 9 10～120 L/min流量孔板上游取压位置的影响

Figure 9. Impact of upstream pressure tap locations on the orifice plate for flow rates of 10~120 L/min

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图 10 1～10 L/min流量孔板下游取压位置的影响

Figure 10. Impact of downstream pressure tap locations on the orifice plate for flow rates of 1~10 L/min

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图 11 10～120 L/min流量孔板下游取压位置的影响

Figure 11. Impact of downstream pressure tap locations on the orifice plate for flow rates of 10~120 L/min

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表 1 对照组的几何参数

Table 1. Geometric parameters of the comparison group

项目	流量范围（L/min）	入口雷诺数	D （mm）	d （mm）	E （mm）	e （mm）	φ （°）	l₁	l₂
1L孔板	1～10	181～1815	8	3.2	1.6	1.2	45	D	D/2
10L孔板	10～120	942～11564	15	6	3.2	2	45	D	D/2

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表 2 孔板厚度E的加工误差仿真方案

Table 2. Simulation plans for machining errors in the orifice plate thickness E

项目	流量范围（L/min）	E1 （mm）	E2 （mm）	E3 （mm）	E4 （mm）	E5 （mm）	E6 （mm）
1L 孔板	1～10	1.51	1.53	1.55	1.61	1.63	1.65
10L 孔板	10～120	3.05	3.15	3.21	3.23	3.3	3.4

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表 3 1～10 L/min各个厚度E下孔板的流出系数

Table 3. Orifice plate outflow coefficients at various E thicknesses for flow rates of 1~10 L/min

流量（L/min）	E0=1.6	E1=1.51	E2=1.53	E3=1.55	E4=1.61	E5=1.63	E6=1.65	E0下限系数	E0上限系数
1	0.75958	0.75811	0.75791	0.75825	0.75989	0.75834	0.75945	0.75707	0.76061
2.5	0.75854	0.75769	0.75845	0.75810	0.75919	0.75787	0.75872	0.75604	0.76019
5	0.71700	0.71807	0.71866	0.71747	0.71715	0.71702	0.71800	0.71463	0.72044
7.5	0.69887	0.69893	0.69758	0.69681	0.69899	0.69726	0.69730	0.69656	0.70124
10	0.69269	0.69308	0.69327	0.69208	0.69347	0.69163	0.69145	0.69040	0.69536

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表 4 10～120 L/min各个厚度E下孔板的流出系数

Table 4. Orifice plate outflow coefficients at various E thicknesses for flow rates of 10~120 L/min

流量（L/min）	E0=3.2	E1=3.05	E2=3.15	E3=3.21	E4=3.23	E5=3.3	E6=3.4	E0下限系数	E0上限系数
10	0.69705	0.69877	0.69827	0.69752	0.69899	0.69272	0.69887	0.69475	0.69935
25	0.68711	0.68770	0.68709	0.68704	0.68804	0.68291	0.68817	0.68484	0.68938
50	0.68324	0.68419	0.68365	0.68289	0.68364	0.67936		0.68098	0.68549
75	0.68239	0.68439	0.68341	0.68193	0.68248	0.67879	0.68371	0.68014	0.68464
120	0.67834	0.68087	0.67956	0.67587	0.67649	0.67402	0.67799	0.67610	0.68058

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表 5 孔板厚度e的加工误差仿真方案

Table 5. Simulation plans for machining errors in the orifice plate thickness e

项目	流量范围（L/min）	e1（mm）	e2（mm）	e3（mm）	e4（mm）	e5（mm）	e6（mm）
1L孔板	1~10	1.11	1.13	1.15	1.21	1.23	1.25
10L孔板	10~120	1.95	2.05	2.01	2.11	2.25	2.3

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表 6 1～10 L/min各个厚度e下孔板的流出系数

Table 6. Orifice plate outflow coefficients at various e thicknesses for flow rates of 1~10 L/min

流量（L/min）	e0=1.2	e1=1.11	e2=1.13	e3=1.15	e4=1.21	e5=1.23	e6=1.25	e0下限系数	e0上限系数
1	0.75958	0.75877	0.75858	0.76089	0.75872	0.75914	0.76054	0.75707	0.76127
2.5	0.75854	0.75759	0.75601	0.75833	0.75935	0.76032	0.76203	0.75604	0.76009
5	0.71700	0.71578	0.71679	0.71543	0.71961	0.72103	0.72174	0.71463	0.71814
7.5	0.69887	0.69592	0.69664	0.69670	0.70001	0.70092	0.69922	0.69656	0.69822
10	0.69269	0.68772	0.68816	0.68913	0.69664	0.69843	0.70123	0.69040	0.68999

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表 7 10～120 L/min各个厚度e下孔板的流出系数

Table 7. 10～120 L/min outflow coefficent of drifice plate with each thickness e

流量（L/min）	e0=2	e1=1.95	e2=2.05	e3=2.01	e4=2.11	e5=2.25	e6=2.3	e0下限系数	e0上限系数
10	0.69705	0.69690	0.69786	0.69765	0.69915	0.71269	0.70949	0.69475	0.69935
25	0.68711	0.68638	0.68713	0.68681	0.68819	0.69844	0.69599	0.68484	0.68938
50	0.68324	0.68141	0.68245	0.68326	0.68408	0.69717	0.69331	0.68098	0.68549
75	0.68239	0.67961	0.68098	0.68268	0.68282	0.69583	0.69066	0.68014	0.68464
120	0.67834	0.67345	0.67591	0.67689	0.67647	0.68686	0.68146	0.67610	0.68058

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表 8 用于0.5~120L/min的孔板流量元件

Table 8. Orifice flow elements for 0.5~120 L/min

项目	流量范围（L/min）	入口雷诺数	D（mm）	d（mm）	E（mm）	e（mm）	φ（°）	l₁	l₂
小流量孔板	0.5~5	190~1905	6	2.4	1.6	1.2	45	D	D/2
中流量孔板	5~10	181~1815	8	3.2	1.6	1.2	45	D	D/2
大流量孔板	10~120	1400~11500	15	6	3.2	2	45	D	D/2

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表 9 0.5～120 L/min的孔板流量元件线性度和加工一致性

Table 9. Linearity and machining consistency of orifice flow elements for 0.5~120 L/min

代号	D mm	d mm	β值	ReD	流出系数均值	线性度	一致性
TB-OR-0.5L-001	6	2.4	0.4	113~1190	0.6968	0.84%	1.11%
ZC-OR-0.5L-001						0.35%
ZC-OR-0.5L-002						0.54%
ZC-OR-0.5L-003						0.88%
ZC-OR-0.5L-004						1.05%
ZC-OR-0.5L-005						0.73%
ZC-OR-0.5L-006						1.08%
TB-OR-1L-001	8	3.2	0.4	972~1878	0.6865	0.48%	1.17%
ZC-OR-1L-001						0.35%
ZC-OR-1L-002						0.54%
ZC-OR-1L-003						0.88%
ZC-OR-1L-004						1.05%
ZC-OR-1L-005						0.73%
ZC-OR-1L-006						1.08%
TB-OR-10L-001	15	6	0.4	970~11150	0.6887	0.96%	1.45%
ZC-OR-10L-001						1.04%
ZC-OR-10L-002						1.08%
ZC-OR-10L-003						0.52%
ZC-OR-10L-004						1.41%
ZC-OR-10L-005						0.66%
ZC-OR-10L-006						1.21%

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