Study on Key Parameters of Flow Element for Particle Samplers
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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%。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%.
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Key words:
- metrology /
- sampler /
- flow meter /
- orifice plate /
- differential pressure
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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 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 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 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 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 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 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 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 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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