CN105181040A - 一种差压式流量计的数字化标定及优化方法 - Google Patents

Abstract

一种差压式流量计的数字化标定，用CFD方法求解差压式流量计在实际工况下的流场，进而计算差压、仪表系数、差压灵敏度和仪表系数不确定度，包括以下内容：1）求解基本流场；2）求解标定点流场；3）求解标定点压差；4）计算标定点的仪表系数；5）计算平均仪表系数；6）计算标定点的线性误差；7）确定仪表系数不确定度；8）计算差压灵敏度；9）编制标定数据表。与现有的技术相比，本发明的有益效果是：本发明对几何特性、介质类型及参数和流动规律与状态都是数字化描述，因此具有低成本、便捷、科学有效的特点，解决实流标定难以解决或不能解决的差压式流量计的工况标定和优化问题。

Description

一种差压式流量计的数字化标定及优化方法

技术领域

本发明涉及流量的测量技术领域，特别涉及一种差压式流量计的数字化标定及优化方法。

背景技术

1、流量测量的基本概念

流体是一种没有固定形态能够自由流动的物质，因为自然界中只有液体和气体能够流动，所以把液体和气体统称为流体；又因为流体都有外廓（渠道和管道），属于外廓内的一种物质有时又称为介质。流体可分为不可压缩和可压缩流体，密度不随压力变化的流体称不可压缩流体，相反称可压缩流体。不可压缩流体包含温度、压力不高的水、油和各种液态化工原料等，可压缩流体又分为理想和非理想气体，理想气体是无粘性流体，其密度可由理想气态方程导出。但真正的理想气体并不存在，不过因为温度、压力相对其临界温度、压力较低的气体可近似为理想气体，其密度可用理想气态方程导出，这些气体包含常压空气和各种化工气体等。非理想气体是不满足理想气态方程需要特殊计算密度的气体，包含饱和蒸汽、过热蒸汽和各种湿气体、多组分气体及高温、高压气体等。

流量测量，除了要面对各种介质外，还要面对流动状态、体积状态、流量范围、管道和安装条件与环境等约束。介质条件是指被测介质是否可压缩和单相等情况，流动状态是指流动是否满管、脉动和雷诺数是否满足要求，体积状态是指流体的温度、压力参数如何，流量范围是指流量从小到大的变化情况，管道条件是指测量管道的形状、规格、圆度、粗糙度和铺设情况，安装条件是指流量计安装是否同心、管道口径与流量计口径匹配度和直管段是否满足要求。环境条件是指管道外流量计工作附近的温度、湿度、霉菌、盐雾和电磁场等情况。因此流量测量，涉及五花八门的气体、液体和蒸汽，涉及从几毫米到几米的圆形、方形和各种不规矩管道，更有千变万化的工作温度、压力、安装状况和流动状态与流量范围，在温度、压力、成份、液位5大工业参数测量中属于难度最大也是问题最多的一项技术。

2、流量测量技术

流量测量技术可以慨括为产品和标定两个方面。产品，是安装到管道上获取流量值的设备，是实现流量测量的手段。标定，是安装到标准流量装置上或通过理论方法确定可测参数与流量关系的过程，是产品检验的必要环节。

产品技术包括质量和体积流量计与流量补偿技术，体积流量计只能直接测量体积流量，由于流量测量的目的是质量流量，而质量是体积与密度的乘积，所以对体积流量计还需密度补偿，就是通过温度、压力测量计算密度，以获得质量流量，它是决定体积流量计测量成败的重要因素，对可压缩流体更为关键。质量流量计是不需要密度补偿直接测量质量流量的流量计。目前只有科里奥利和热式质量流量计，其余全属体积流量计。

产品的评价标准，除了体积和质量流量计区别外，主要是适应性和计量性能指标。适应性，主要包含产品适应介质和环境的能力。适应介质能力是指流量计是否能够用于一种或多种介质的使用和耐温、耐压、耐腐蚀等情况，适应环境能力是指流量计是否能在高、低温，潮湿、盐雾、强电磁场等环境下使用。计量性能指标是评价准确性的一组指标，主要有流量不确定度、起测点和量程比。流量不确定度是指测量的流量比照真实流量（用更准确系统校准的流量）的相对误差，远不如一般的温度、压力测量理想。一般的温度、压力测量不确定度容易实现1%，而流量测量对液体一般在1%左右，对气体一般在1.5～2.5%左右,对蒸汽甚至3～5%。起测点是指流量计对最小流量的测量能力，由于测量信号和流场分布都与流量大小有关，太小的流量容易造成信号不稳而难以测量，所以最小流量测量是流量测量的一个难点，小流量测量能力差会导致漏测，希望越小越好。量程比是可测的最大流量与最小流量的比值，它反映的是流量计适应流量变化的能力，希望越大越好。计量性能指标必须联合评价，不能离开起测点和量程比评价流量不确定度，只有在起测点和量程比一定的前提下才能比较流量不确定度。

产品分类与特点。由于流量测量对象复杂，导致产品种类繁多，目前有差压式、容积式、速度式、冲量式、旋翼式、质量式等类别近百个品种，但每种流量计都以各自的原理、结构和优势适应某种需要而占一席之地，没有一种产品能够完全替代其它产品。相对而言，差压式流量计因为耐高温、高压，几乎可测所有的介质而有最广泛的应用。差压式流量计，又分为标准与节流装置和各类以差压测量为手段的流量计。标准节流装置，是国家标准在测量口径、计算方法、使用条件等方面做出详尽规定的一类流量计，包括标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管。除标准节流装置以外的差压式流量计，均属非标准差压式流量计，包括节流装置和各类专用孔板等（见差压式流量计图谱）。

因为标准节流装置的仪表系数具有国际化标准算法，一般不需要实流标定，只要几何检查即可。相反，除了标准节流装置以外的所有流量计都需要实流标定，因此实流标定要面对众多的流量计型式和口径，还要面对各种气体、液体、蒸汽介质和千变万化的参数，无法解决工况标定问题，使大量流量计在无法标定或非工况标定下投入使用，导致测量误差很大，引起贸易纠纷和工艺问题发生。

标定的主要内容是确定仪表系数及不确定度（误差）。因为流量是导出量，只能通过可测参数换算，比如差压式流量计是通过测量差压换算流量，容积式流量计是通过计数容积换算流量，涡街式流量计是通过测量频率换算流量等等。又因为流量计的可测参数与流量的关系在一定的流量和误差范围内可认为是个常数，一般称为仪表系数；对差压式流量计仪表系数就是确定差压与流量关系的系数，只有确定了仪表系数才能实现流量测量。仪表系数的准确性和线性度将决定计量性能指标，因此流量计在生产环节必须尽可能准确地确定仪表系数，确定仪表系数的方法就是标定。标定有理论方法和实验方法，因为理论方法不能解决所有流量计的仪表系数，所以标定又分为理论标定和实流标定。理论标定，就是对影响仪表系数的因素进行检查；因为目前只有标准节流装置可以理论计算仪表系数，其影响因素除了计算方法以外主要是几何尺寸，所以理论标定常被称为几何标定。几何标定，仅适合于标准节流装置，就是对节流元件的机械加工质量进行检查。实流标定，就是通过标准流量实验，根据已知流量和可测参数实际测算仪表系数，适合于所有的流量计。

标定的评价标准是仿真度和诊断功能，仿真度即标定是否能实现工况标定，工况标定就是按口径、按介质、按流量范围、按密度、按流动状态、按安装状况进行标定。诊断功能是根据流量计的使用工况能够分析、判断故障原因。

3、实流标定原理与存在的问题

因为差压式流量计有通用流量表达式：

$G=K\sqrt{\mathrm{\γ}\mathrm{\Δ}p},---\left(1\right)$

式中，G是待测质量流量，K是仪表系数，γ是实际密度，△p是测量差压因此已知K和γ，通过测量差压便可测量流量。因为通常γ都可以通过温度、压力测量获得，而对于K值必须进行实流标定；

改写(1)式，便有：

$K=\frac{G}{\sqrt{\mathrm{\γ}\mathrm{\Δ}p}}$

理想情况下在一定的流量范围K＝常数，但事实上K≠常数，对不同的G有不同的K，所以要逐点计算K，于是K由下式表达：

$K_i=\frac{G_i}{\sqrt{{\mathrm{\γ}}_i{\mathrm{\Δp}}_i}},i=1,2...n---\left(2\right)$

式中，i是测量点编号，n是测量点数量，K_i是第i点的仪表系数，G_i、γ_i和△p_i分别是第i点已知的质量流量、密度和测量差压

通过n点标定便可获得平均仪表系数：

$\stackrel{\‾}{K}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{K}_i---\left(3\right)$

根据平均仪表系数即可确定每点的线性误差：

${\mathrm{\δ}}_i=\frac{\left|K_i-\stackrel{\‾}{K}\right|}{\stackrel{\‾}{K}}\×100\%,i=1,2...n---\left(4\right)$

取最大线性误差即可确定仪表系数不确定度：

σ＝δ_max％(5)

式中，σ是仪表系数的不确定度，δ_max是n个线性误差中的最大值得出平均仪表系数和仪表系数不确定度便完成了标定。

目前的实流标定，全国只有烟台一家国家蒸汽流量标定站和开封一家国家大型水流量标定站，蒸汽最大标定能力为10T/h，标定口径小于DN150；水标定范围：200～16000m³/h，标定口径小于DN1600；还有少量的企业自备油品流量标准装置，标定口径小于DN200；其它主要是常压水和空气流量标准装置，标定口径在DN300以下。

这种情况潜在以下问题：一是不能按介质标定，二是不能按上限标定，三是不能按密度标定，四是不能按管道条件标定，五是不能按安装状况标定，六是没有诊断功能，导致即使在实验室标定合格也不能保证现场使用。

不能按介质标定，是由于标准流量装置不可能提供所有的介质流动，只能用水或空气分别代表液体和气体进行标定。而水或空气不能反映特殊介质的物理特性，对蒸汽、湿气体和高粘度液体更为突出。

因为蒸汽不是自然物质而是专门生产的一种二次能源，不仅价格昂贵获取困难，而且属于大分子气体，密度不符合气态方程；尤其存在状态区别、状态变化、干度变化与相变等问题。状态区别是指蒸汽有饱和与过热两种状态：饱和状态是指温度不随热量变化而只由压力决定的潜热状态。一定的压力对应一定的温度，分别称饱和压力和饱和温度，在饱和温度下吸收的热量只能引起水、汽比变化也就是干度变化，所以饱和蒸汽是一种汽水两相状态；过热状态是指显热状态，即温度不再受压力限制独立随吸收的热量变化。在过热状态下，温度与压力没有对应关系不能相互推算，在饱和状态下继续吸收热量，使饱和汽所含水份完全蒸发变为汽，所以过热蒸汽是不含水分的单相汽态。由于两种蒸汽状态的性质不同其密度测算方法也截然不同，因此蒸汽测量必须区别蒸汽状态测算密度，这就使蒸汽测量比一般介质的测量相对复杂。而更加困难的是蒸汽还存在状态变化和干度问题：状态变化就是过热蒸汽因为长距离流动有热损失可能变为饱和蒸汽，饱和蒸汽因为阀门操作突然降压可能变为过热蒸汽，还可能因为间歇用汽产生相变；对饱和蒸汽还需考虑干度问题。所有这些问题都应该在标定中加以体现，以检查流量计的适应能力。而现在的标定由于全国只有一个口径有限的蒸汽标定站，远不能满足大量使用的蒸汽流量计标定需要，所以大部分是用空气甚至水标定。由于空气和水都是没有干度和状态变化的单相介质，便不能体现状态变化和干度特点，导致蒸汽测量经常产生百分之十几到几十的误差。

湿气体也有类似情况，由于大部分气体都是通过压缩机输送，压缩过程温度升高，进入管道后又必然降温而出现结露，所以大部分气体流动都有湿度问题。这就要求标定过程能够检查气体流量计适应湿度的能力。而现在的空气标定介质都用干空气，不能反映对湿气体的适应能力。

对高粘度液体测量，因为仪表系数与粘度有关，不同粘度下的仪表系数不同，如果高粘度介质用水标定，水的粘度为1厘泊左右，高粘度液体的粘度可高达十几个厘泊，所以用水标定的仪表系数与实际介质测量时的仪表系数会相差很多。

不能按上限标定，是指现在的标定往往都不能达到需要的流量上限。因为大流量必须有足够的场地，水泵或风机还必须有足够的功率，导致投资和标定费用加大，一般DN200以下的流量标准装置的投资就在百万元以上，一次标定费用也在千元左右。所以一般的流量计生产企业根本不能做到，即便是国家级的标定能力也不能满足要求。因为烟台的国家级蒸汽标准装置按10T/h，DN150，取密度为3㎏/m³核算，最大流速约52m/s；而蒸汽常见的最大流速60～80m/s；所以即便是DN150以下的蒸汽流量计也无法满足上限标定要求。同理，开封国家级水流量标准装置按16000m³/h，DN1000核算，最大流速不过2.2m/s；还有东北国家计量检定中心授权委托的水标定装置最大流速不过1.2m/s；而水的常用流速低压下1.5～3m/s，高压下2～4m/s，所以仍不满足上限标定需要。在不能保证上限标定的情况下，其标定的仪表系数和精度等级便不能代表实际的精度。更严重的是因为口径大于DN300的流量装置很少，而口径大于DN300的流量计经常出现，特别插入式流量计常有DN300～几米等多种规格，所以口径大于DN1000和插入式流量计基本无法标定，无奈常使流量计在不标定情况下投入使用，后果可想而知。

不能按密度标定，是指现在的标定没有密度变化功能，即使介质能够用水、气代替标定，也不能检查密度对流量计的影响。因为一方面密度和雷诺数、差压与质量流量都有关，从而影响流量计的仪表系数和下限测量能力与质量流量。另一方面密度对液体是温度的函数，对气体是温度、压力和压缩因子的函数；所以无论是液体还是气体，常温常压与高温高压下的密度都相差很远，尤其是气体密度随压力变化非常敏感必须进行密度补偿。而现在的标定，由于不能提供实际的温度和压力只能用常温水或常温、常压空气代替高温高压介质进行标定，并且不对流量计的密度测算方法进行核准，所以不能准确确定仪表系数和下限测量与密度补偿能力。

不能按管道条件标定，是指现在的标定都是在符合圆度要求并且无分支的圆形管道下进行标定，不能对方形、矩形和不规则管道进行标定，不能反映管道圆度、粗糙度和汇管与分支管路安装产生的误差。因为管道圆度和粗糙度是影响仪表系数的一个因素，汇管与分支管路和方形、矩形及不规则管道与无分支圆管的流场显然不同，对这些场合显然不能用无分支圆管进行标定。

不能按安装状况标定，是指现在的标定都是在流量计和管道口径完全一致并且直管段满足要求的情况下进行标定。实际上，因为流量计口径由机械加工保证而管道口径仅仅是标称值，所以两者很难保证一致，还因为受现场空间限制或管路铺设时没考虑流量计安装使很多流量计的直管段都不满足要求。所以现在的标定方式在安装方面也与实际情况存在偏离。

没有诊断功能，是指现在的标定没有对现场问题进行判断与仲裁能力。因为现在的标定如上面所说的在介质、密度、流量上限、管道与安装条件等方面都存在与流量计实际使用情况不一致问题，也就是不能进行工况标定。所以不能通过实验准确诊断产生问题的原因。

4、CFD方法

CFD是计算流体力学的英文缩写（ComputationalFluidDynamics），是近代流体力学、数值计算和计算机科学结合的产物。它以电子计算机为手段，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值计算、计算机模拟和分析研究，以解决各类科学研究和工程设计问题，是目前国际上最为强劲的研究领域之一。

计算流体力学和相关的计算传热学、计算燃烧学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、动量、组分和自定义的标量微分方程组，求解结果能预报流动、传热、传质、燃烧等过程细节并低成本模拟较复杂或较理想的过程。因为这些过程无论分析还是实验方法都有很多限制，无法作分析解并且费用昂贵无力实验，所以CFD在很大程度可以替代耗资巨大的流体力学实验设备，从而成为过程装置优化设计和定量放大的有力工具。

近20年来，随着计算机硬件技术的不断进展，CFD技术也得到了飞速发展，成熟的CFD商业软件已应运而生。目前已有英国CHAM公司开发的Phoenics软件与英国伦敦大学spalding教授等开发的STAR-CD专用软件和美国ANSYS公司开发的通用ANSYSCFX与ANSYSFLUENT等软件，

这些商业软件主要有前处理器(preperocessor)、求解器(solver)和后处理器(postprocessor)三部分。前处理器是向CFD输入所求问题的相关数据，包括划分网格、选择控制方程、输入边界条件和初始条件等。求解器是数值求解算法，算法的基本方案是求解代数方程组，各种求解方案的差别是流动变量被近似的方式及相应的离散化过程。后处理器是有效地观察和分析计算结果，主要有，计算域的几何模型及网格显示，矢量图、等值线图、填充型的等值线图（云图），粒子轨迹图、图像处理功能（平移、缩放、旋转等）。

在这些商业软件中有代表性的是ANSYSFLUENT。FLUENT软件是一套通用的CFD软件包，是ANSYSCFD的一款旗舰型产品，主要包含:通用的CFD软件包FLUENT、POLYFLOW、FIDAP，工程设计软件包FloWizard、FLUENTforCATIAV5,前处理软件Gambit、TGrid、G/Turbo，面向特定专业使用的ICEPAK、AIRPAK、MIXSIM软件等。

FLUENT软件有基于压力的分离求解器，基于压力的耦合求解器，基于密度的隐式或显示求解器，可以用来模拟从不可压缩到超音速范围内的各种复杂流场。还包含非常丰富的、经过工程确认的物理模型，除了可以模拟速度复杂流场外，还可以模拟传热与相变、多相流、旋转机械、噪音、材料加工等复杂机理的流动问题，因此完全可以模拟流量测量中各种流动问题。

POLYFLOW是基于有限元法的CFD软件专用于粘弹性材料的层流流动。

FloWizard是高度自动化的流动模拟工具，它可以引导从头至尾的完成模拟过程，在早期迅速准确的完成模拟结果的判断。

FLUENTforCATIAV5是专门为CATIA（三维机械制图）用户定制的CFD，将FLUENT完全集成在CATIAV5内，使用户就像使用CATIA其它分析环境一样使用FLUENT软件。

Gambit是专业的CFD前处理软件，包括强大的几何建模和网格生成能力。

G/Turbo是专业的叶轮机械网格生成软件。

AIRPAK是面向HVAC工程师的CFD软件，依照ISO7730标准提供舒适度、PMV、PPD等衡量室内外空气质量的技术指标。

MIXSIM是专业的搅拌槽CFD软件。

主要用于几何建模和划分网格。它可以直接生成复杂的几何模型，还具有CAD/CAE接口，方便地进行几何建模。

FLUENT功能集成在ANSYSWokbench环境中，通过人机对话进行操作。主要操作有：读入网格、检查网格、选择物理模型、设置材料属性、设置计算域条件、设置边界条件、设置动网格、设置参考值、设置算法及离散格式、设置求解参数、设置监视窗口、初始化流场、保存结果等。

除了商业软件外还有OPenFom免费软件。OPenFom是一个跟FLUENT类似的CFD软件,但它是开放的，可以看做是一个在Linux下运行的CFD库，任何人都可以自由下载和转播它的源代码。

OPenFom面向CFD应用由C++编写，采用人们习惯的有限体积离散化方法描述偏微分方程，支持多面体网络，因而可以处理复杂的几何外形，其自带的SnappyHexMesh可以快速高效的划分六面体+多面体网格，网格质量高。支持大型进行计算，目前针对OPenFom库的GPU运算优化也正在运行中。OPenFom包含大量的求解器，也可以自行开发求解器。其中自带有icoFoam、simpleFom、interFoam标准求解器。icoFoam可用于求解层流下的单项牛顿流体的流动，simpleFom可用于求解单项牛顿以及非牛顿湍流流动，interFoam可用于牛顿和非牛顿流体的VOF模型求解。因为目前的差压式流量计绝大部分只测量单相牛顿型流体湍流流动，所以这些自带求解器足可满足数字化标定的需要。

正是CFD这种成熟性为本发明奠定了基础，因为差压式流量计的标定主要关注流量与差压的关系，通过CFD可以很方便地获得在各种条件下差压与流量的关系，也就方便地实现了数字化标定。

发明内容

本发明提供了一种差压式流量计的数字化标定，用CFD方法求解差压式流量计在实际工况下的流场，进而计算差压、仪表系数、差压灵敏度和仪表系数不确定度，包括以下内容：

1)求解基本流场

基本流场就是一组给定条件下的压力场和速度场，结合差压式流量计标定的特点按CFD原则，采用下述方法：

a)建立几何模型

就是利用CFD的SOLIDWORKS模块，将差压式流量计按安装要求装配到一定长度的管段内，形成流体流动的几何空间，以确定计算域分析流体的流动参数；其管段形状和长度根据现场实际情况或要求确定，使几何模型与实际几何条件几何相似；

b)建立控制方程

就是选择描述流体运动规律的方程，以便在一定的边界条件和初始条件下求解未知参数；鉴于一般的流量测量只针对湍流流动并因为流量计很短可认为是绝热过程，所以本发明没考虑能量守恒，选择了标准K-ε方程，通过对该方程的离散求解便可得到计算域内的压力场和速度场；

c)确定初始条件和边界条件

在CFD操作画面下，输入初始条件和边界条件；

初始条件是所研究的对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况，就是在某标定点开始时刻流量计上游的压力和X、y、Z方向的流速与湍动能和湍动能耗散率及初始温度；

边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律，边界条件有流体材料、进出口压力、速度、质量、壁面粗糙度和湍流参数，其中速度和质量选择其一给定；

因为计算域是几何模型包含的区域，其边界则是这一管段的进、出口和管壁，所以边界条件包含介质类型、进出口压力、速度、质量、壁面粗糙度和湍流参数；其中，湍流参数包括湍流强度、湍流尺度、湍流粘性比，对可压缩流体因为密度未知，把密度做为求解量由求解器求解；

d)划分计算网格

因为数值求解控制方程必须将控制方程在空间区域进行离散，形成若干个体积元，这个体积元便是网格；网格分为结构网格和非结构化网格，结构网格是行线和列线都规范的空间单元，非结构网格是没有明显的行线和列线的空间单元；因为差压式流量计具有鲜明的几何图形，所以其网格都属于结构化网格，结构化网格对二维问题有三角形、四边形形式，对三维问题，有四面体、六面体、三菱体形式，整个计算域的全部网格通过节点联系在一起；本发明均采用四面体结构化网格，通过CFD的前处理软件Gambit或ANSYSICEM实现；

e)建立离散方程

就是把求解域的偏微分方程分解为有限位置的代数方程组，然后通过求解代数方程组求解节点值，计算域内其它位置上的值则根据节点位置上的值来确定；离散化方法分为有限差分法、有限元法、有限体积法多种，因为有限体积法如同用微积分方法求解不规则体积原理一样易于理解，并且对网格的划分要求相对宽松，所以CFD离散多采用该方法；本发明也采用了该方法；

f)离散初始条件和边界条件

因为前面设置的初始条件和边界条件是连续函数，而实际运算由离散模型实现，所以还必须对初始条件和边界条件进行离散化；这种离散化由CFD前处理软件自动分配到网格划分后的节点上；

g)给定求解控制参数

在离散空间上建立了离散化代数方程组并施加了离散化的初始条件和边界条件后，还需要在CFD工作画面内输入流体的物理参数和湍流模型的经验系数，物理参数包含：粘度、摩尔质量、导热系数、比热；经验系数包含：松弛因子、收敛精度；此外，对瞬态问题，还需给定时间步长和输出频率；因为数字化标定重点关注稳态流动所以只需给定流体的物理参数和经验系数便可；通过给定控制参数便可模拟介质的物性；

h)求解离散方程

完成上述设置后，便生成了具有定解条件的代数方程组，启动FLUENT求解器，收敛后便得到与几何模型、控制方程、边界条件和控制参数相对应的压力场和速度场，即计算域内的压力和速度分布；通过压力和速度分布便可求出计算域内任一点的压力和流速，再根据流量计实际的取压位置，就可得到模拟的差压，根据该差压和求解过程得出的密度就可计算仪表系数；

2)求解标定点流场

因为差压式流量计的流量其中，△p和γ分别是测量差压和密度，K称仪表系数；因此测量△p和γ后，已知K便可计算流量G；但K并不已知所以必须进行标定，标定过程即确定K的过程；理想情况在一定的流量范围内K＝常数，但实际K≠常数，所以标定过程必须测评K的误差，测评误差就需要对不同流量点的仪表系数进行对照，这种流量点就称标定点，标定点通常把流量范围分为若干等份，对数字化标定也必须遵照这一原则，由于数字化标定计算仪表系数需要的差压只能通过压力场获取，所以需要求解标定点的压力场；根据CFD原理，几何模型确定计算域，控制方程反映流体的湍流或层流特性，控制参数反映介质特性，边界条件反映流量和温度、压力流动参数变化，对同一几何模型、控制方程和控制参数，给定不同的边界条件，就可得到不同的流动参数，这种流动参数的集合就是流场，因此流场涵盖了标定点数据，等同于实流标定点；故本发明通过给定不同的边界条件，求取不同的流场，便实现了标定点的数据采集；

3)求解标定点压差

在每个标定点的压力场中，根据差压式流量计规定的两点取压位置，计算压差：

△p_i＝p_i1-p_i2

式中，△p_i是第i个标定点的压差，p_i1、p_i2分别是第i个标定点流量计规定位置的压力，

4)计算标定点的仪表系数

按下式依次计算

$K_i=\frac{G_i}{\sqrt{{\mathrm{\γ}}_i{\mathrm{\Δp}}_i}},i=1,2...n$

式中，n是测量点数量，K_i是第i点的仪表系数，G_i、γ_i分别是第i点给定的质量流量和求解的密度；

5)计算平均仪表系数

同实流标定一样，要确定仪表系数的误差必须相对一个真值，事实上真值并不可知，所以工程上按统计学原理经常用平均值代替真值，所以需要求取平均仪表系数，以测评误差并用平均仪表系数计算流量分散误差：

$\stackrel{\‾}{K}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{K}_i$

$G=\stackrel{\‾}{K}\sqrt{\mathrm{\Δ}p\mathrm{\γ}}$

6)计算标定点的线性误差

按下式依次计算

${\mathrm{\δ}}_i=\frac{\left|K_i-\stackrel{\‾}{K}\right|}{\stackrel{\‾}{K}}\×100\%,i=1,2...n$

7)确定仪表系数不确定度

按下式计算

σ＝δ_max％

式中，σ是仪表系数的不确定度，δ_max是n个线性误差中的最大值；

8)计算差压灵敏度

$\mathrm{\ξ}=\frac{{\mathrm{\Δp}}_{\min }}{G_{\min }}$

式中，ξ是差压灵敏度，△p_min和G_min分别是最小压差和最小质量流量，

9)编制标定数据表

将每点的仪表系数、线性误差和平均仪表系数与不确定度制成标定数据表，以汇集标定结果。

适合所有的差压式流量计，包括标准、非标准节流装置和各类差压式流量计的标定，具有足够的通用性；

因为所有的差压式流量计均满足通用流量方程，其中和都在数字给定流量和边界条件与控制参数的情况下获得，仪表系数均满足；既然通过模拟计算获得所有差压式流量计的和，也就无例外地确定和不确定度，确定了和不确定度，也就无例外地实现了数字化标定。

一种差压式流量计的优化方法，对流量计型式或安装位置进行择优，它是数字化标定的一种功能扩展，包含以下内容：

1）管件和管道物流场分析

管件在工程领域是指各种阀门、变径、弯头、三通或多通，凡是能够改变流体流通面积或流动方向的管道安装物均可称为管件，出于各种目的在管道内部设置的支撑件或障碍物本发明称为管道物；因为管件和管道物从流体力学的角度均对流体有节流作用产生压差，该压差将对差压式流量计的有效差压产生重大干扰，而这种干扰在很多场合又难以避免；所以要优化流量测量就必须考虑管件和管道物的干扰，本发明利用数值模拟原理对此采取了流场分析方法：

所谓流场分析就是不考虑流量计单独对管件或管道物的节流特性进行模拟计算，求取速度场，通过速度场寻找合适的流量计安装位置；在找到合适位置的情况下再进行数字化标定，预测运行效果，否则需要放弃流量计安装以避免浪费；速度场的求取方法与压力场同时完成，按下述方法实现：

a）根据管件或管道物的几何形状连同所连接的管段建立几何模型；

b）建立控制方程，因为同样考虑湍流，因此也采用方程；

c)按数字化标定同样方法确定初始条件和边界条件、划分计算网格、建立离散方程、离散初始条件和边界条件、给定求解控制参数、求解离散方程，不过因为管件或管道物几何形状相对差压式流量计简单，网格划分相对粗犷；

d)观察不同位置的速度云图寻找合适的安装位置，因为流速分布稳定、均匀是流量计工

作的必要条件，合适的安装位置就是流速分布相对均匀的位置；又因为速度云图是用不同颜色表示的速度分布图，所以通过颜色比较即可确定安装位置；

2）对比标定

就是对不同类型或相同类型在不同安装位置的差压式流量计进行数字化标定；分别计算各自的不确定度和差压灵敏度；因为优化是对比的结果，各种差压式流量计的差压灵敏度和仪表系数的不确定度并不一样，适应的口径、直管段要求和介质条件也不相同，通过对比就选出在特定场合相对性能较好的流量计；

3）工况标定

模拟流量计的实际使用条件，实现按管道形状、按口径、按安装条件、按介质物性、按温度、按压力、按流量范围进行数字化标定，避免数字化标定与实际不符的问题发生；因为管道形状、口径和安装条件是流量测量基本的几何特征，几何相似是流体力学最重要相似准则，按几何相似进行标定，就可以突破管径的限制保证几何相似性；又因为介质的密度、粘度分别影响质量流量的准确性和流量范围，按介质物性标定，就可以保证质量流量的准确性和适应范围的客观性；还因为温度、压力、流量范围是重要的流动参数，温度、压力不仅影响密度还考验流量计的耐温、耐压性能，流量范围直接决定仪表系数的不确定度，所以按温度、压力、流量范围进行标定，就可以保证流量计在运行情况下的精度和适应性；

4）流量计改进

通过对比标定，改进或创新差压式流量计，提高测量性能；因为所有的流量计评价必须依靠标定，而实流标定无论是改变口径和几何结构都需要物理实现，不仅费时、费力、费钱，还很难探究细节，数字化标定所有的改变只是数字不同，不仅简单、便捷还可通过云图、流线图、矢量图可视化手段观察流动细节，迅速、准确地做出正确判断；

5）按不确定度最小并且差压灵敏度可行的原则综合选定流量计型式或安装位置，实现优化设计，因为仪表系数不确定度最小决定了差压式流量计收获最高的精度，差压灵敏度可行是因为过分追求差压灵敏度一是不现实二是不必要，只要最小差压满足差压变送器测量要求即可。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

本发明对几何特性、介质类型及参数和流动规律与状态都是数字化描述，各种情况都不需要实际的物理形态而仅仅通过不同的数字和数学模型体现，即完全用数值模拟方法完成了标定和优化。因此具有低成本、便捷、科学有效的特点，可以突破各种限制，解决实流标定难以解决或不能解决的差压式流量计的工况标定和优化问题。

附图说明

图1是本发明数字化标定的工作流程图；

图2是本发明阿牛巴流量计的结构图；

图3是本发明阿牛巴流量计的结构图；

图4是本发明阿牛巴流量计的几何模型；

图5是本发明阿牛巴流量计的网格图；

图6是本发明阿牛巴流量计的压力三维云图；

图7是本发明阿牛巴流量计的压力云图；

图8是本发明阿牛巴流量计的速度云图；

图9是本发明M型流量计的结构图；

图10是本发明AB流量计的结构图；

图11是本发明AB流量计的速度云图；

图12是本发明AB流量计的压力云图；

图13是本发明烟气管道的平面图；

图14是本发明烟气管道的拟设流量计安装管段图；

图15是本发明烟气管道的局部三维图；

图16是本发明图15中4号位置局部放大图；

图17是本发明图15中5号位置局部放大图；

图18是本发明烟气管道的速度场渲染图；

图19是本发明烟气管道的压力场渲染图；

图20是本发明烟气管道1、3段局部速度云图；

图21是本发明烟气管道3、2段局部速度云图；

图22是本发明烟气管道3段局部放大速度云图；

图23是本发明烟气管道的流量计安装位置图；

图24是本发明蒸汽管道铺设图；

图25是本发明蒸汽管道计算域速度云图；

图26是本发明蒸汽管道计算域压力云图；

图27是本发明二次风管道铺设图；

图28是本发明二次风管道单独障碍物速度云图；

图29是本发明二次风管道加阵列式流量计速度云图；

图30是本发明二次风管道加阵列式流量计与障碍物速度云图；

图31是本发明复合M型流量计结构图；

图32是本发明二次风管道加复合M型流量计压力云图。

举例说明

为进一步说明本发明的特点，现举例加以说明：

实例一、阿牛巴流量计的数字化标定

阿牛巴流量计是一种常用的插入式差压式流量计，即通过管道开孔将细长型的节流元件插入到管道中心测取管道中心流速后，再换算得到管道平均流速从而测量流量的一种流量计。

1）标定准备，有标定口径、介质和标定点三项工作：

标定口径，因为阿牛巴流量计按插入式原理工作，多用于DN300以上口径，所以选择标定的流量计口径为D=309mm。

标定介质，因为可压缩流体是标定的难点，在可压缩流体中空气容易实现实验室标定，为便于对比分析，所以选择空气介质作为流体材料。

标定点，因为阿牛巴流量计的弱点是在低流速下无法产生足够的压差，所以选择较低的起测流速（3m/s），又考虑有足够量程比取最大流速60m/s,3-60m/s之间分17个标定点进行标定。

上述准备完成后，便可按CFD方法开始数字化标定，如图1所示。

1）建立几何模型

几何模型，是流量计和管段的整体模型。阿牛巴流量计的几何形状如图2、图3所示，利用CFD的SOLIDWORKS模块，将阿牛巴流量计置入到具有一定直管长度的管段中心，就建立了流量计和管道的几何模型，如图4所示。其直管长度可根据现场实际情况或要求的长度确定，管段的形状、（圆管）圆度和管壁粗糙度也可根据实际情况或要求设置，这样通过几何建模就可模拟管道和安装的实际情况，使流量计在模拟几何真实的条件下工作。

2）选择控制方程

流体力学有质量守恒、动量守恒、能量守恒、本构方程、状态方程和组分质量守恒基本方程组，对层流运动基本方程组是封闭方程组，可以直接求解，但对湍流运动由于湍流方程组采用了某种平均（时间平均或网格平均等）不是封闭方程组，所以必须对方程组中出现的新未知量采用模型进行封闭，这就是中的湍流模型，其主要作用是将新未知量和平均速度联系起来。目前，工程应用的湍流模型数值模拟主要有直接数值模拟（DNS）,大涡模拟（LES）和基于雷诺平均的N-S方程组（RANS）三大类，但DNS和LES模拟受到计算机能力的限制，工程实际采用的模拟方法是RANS模式。RANS模式又分为雷诺应力模式和涡粘性封闭模式，因为雷诺应力模式计算量仍然很大，所以更广泛采用的是涡粘性封闭模式。涡粘性封闭模式进一步分为零方程、半方程、一方程和两方程模式。而零方程模式不适合具有分离、再附的复杂流动，半方程、一方程模式需要求解偏微分方程等费时较长，所以常用方法是两方程模式。两方程模式又有标准模式和可实现型等模式。标准模式是在湍动能方程的基础上引入一个湍动耗散率方程，它是假设流动为完全湍流条件下导出，因此只适用于完全湍流流动过程的模拟。

因为一般的流量测量只考虑湍流流动并因为流量计很短可认为是绝热过程，所以可以不考虑能量守恒，故本发明控制方程选择标准方程，通过对该方程的离散求解便可得到计算域内的流场。

3）求解流场

按上面所述的基本流场和标定点流场求解方法获得压力场和速度场

4）标定数据表

将不同压力场内求得的差压和仪表系数，绘制成表格便形成数据表，如表1所示。

表1：阿牛巴流量计标定数据表（D=309mm）

表中的行代表各标定点，列代表数据类型，左数第一列是标定点的流速、依次是质量流量，节流件的上下游压力、，压差、密度、仪表系数。

5）计算仪表系数和不确定度

通过表中的、和，根据（2）式就可计算表中各行的。

例如对表1第一行：

i＝1，v_i＝v₁＝3m/s，△P_i＝△P₁＝P₁-P₂＝11.4602-(-2.5497)＝14.0099

γ₁＝1.1767， $G_1=\frac{{\mathrm{\πD}}^2{v}_1{\mathrm{\γ}}_1}{4}=\frac{3.1415926\×{0.309}^2\×3\×1.1767}{4}=0.26472432$

于是：

$K_1=\frac{G_1}{\sqrt{{\mathrm{\γ}}_1{\mathrm{\Δp}}_1}}=\frac{0.26472432}{\sqrt{1.1767\×14.0099}}=\frac{0.26472432}{4.060227744}=0.065199377$

如此就会得到表中的K₁、K₂…K₂₀,根据K₁、K₂…K₂₀,通过(3)式就可计算平均仪表系数：

$\stackrel{\‾}{K}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{K}_i=\frac{1}{20}(0.065199+0.066007+...+0.070222)=0.069195$

根据平均仪表系数即可确定每点的线性误差：

${\mathrm{\δ}}_i=\frac{\left|K_i-\stackrel{\‾}{K}\right|}{\stackrel{\‾}{K}}\×100\%,=\frac{|K_i-0.069195|}{0.069195}$

取最大线性误差即可确定仪表系数的不确定度：

${\mathrm{\δ}}_{\max }=\frac{\left|K_1-\stackrel{\‾}{K}\right|}{\stackrel{\‾}{K}}\×100\%,=\frac{\left|0.065199377-0.069195\right|}{0.069195}=5.77\%$

实施例二、M型流量计的数字化标定

M型流量计是一种专门用于测量风量的插入式差压流量计，其管道都是自制而成，形状极不规范，有圆形、方形和矩形等，口径从几百毫米到十几米不等，管内都有很多支撑物以增加强度。由于管道形状和口径及内部支撑物极不规范，导致该流量计无法标定，只能通过数字化标定解决。

标定准备，因为M型流量计口径在几百毫米到十几米之间，工作流速常在以内，故选择口径，在流速内选择10个标定点进行标定。

M型流量计的几何形状如图12所示，其数字化标定方法除了几何模型不同其它与例一基本相同。按照上述求取流场方法，便可得到该M型流量计的标定数据表如表2所示，再根据标定表便可计算仪表系数和线性误差，过程从略。

表2：M型流量计标定数据表（DN500）

实施例三、AB对称流量计（平衡流量计）的数字化标定

AB对称流量计是几年来新生的一种孔板改进型产品，具有要求直管段短和阻力损失小等优点，但它属于非标准节流装置，其仪表系数必须进行标定。由于它口径从十几毫米到1米以上，常常需要测量蒸汽、气体和液体等多种介质，所以实流标定也十分困难，为此可采用数字化标定。

AB对称流量计的数字化标定采用口径，标定点内10个标定点，介质空气进行。这也主要是为了便于与实流标定对照。

AB对称流量计的几何形状如图13所示，其数字化标定过程与例1、例2还是基本相同，按照上述步，又得到AB对称流量计的速度场、压力场和标定数据表如图14、图15和表3所示，通过表3便可计算对应的仪表系数和线性误差。

表3：AB对称流量计标定数据表(D＝150mm)

以上三例说明，所有差压式流量计的数字化标定，工作模式和控制方程基本相同，因为工作模式都是数值模拟，控制方程都是求解湍流流动的K-ε模型。但几何模型和设置参数将取决于流量计型式和工作条件，对不同的流量计和管道及安装条件将有不同的几何模型，不同的流量、温度、压力有不同的边界条件，不同的介质又有不同的密度、粘度、等熵指数、导热系数等物理参数。正是这些不同，才反映了实际的工作条件，实现了工况标定；正是这种工况只通过不同的设置实现，才能突破各种限制低成本解决实流标定难以解决或不能解决的问题。

实施例四、烟气管道流场分析与流量计选型（优化例1）

某发电厂拟对烟气管道流量进行测量，要求进行流量计选型和测量结果预测。

该烟气管道的管路铺设图如图13、14所示，13是外形图，14是13右侧部分三维图，根据该图本发明对其进行了管道分析和数字化标定，具体如下：

1）管道物分析

因为流场稳定是流量测量的基本条件，鉴于该烟气管道直管段很短并且内部有很多支撑，所以有必要先不考虑流量计单独对管道物流场进行分析。将该管道分为1、2、3三段，按CFD的一般方法，分别求解出三段的各种局部速度场，如图15--图22所示：其中图15中的4、5位置分别对应图14的2、3位置，图16、17是4、5位置的局部放大图，图18是图15中4、5位置的联合图，图18中的黑色条是支撑物；图20、21分别是图14中1、2和2、3位置的速度场侧视图，图22是图21中间位置的放大图；该放大图将图21的中间段分为22、23、24、25四部分，这样便可明显看出图22中标记25的位置流场最均匀，因此可以选定该位置安装流量计。图23便是流量计安装位置的示意图，其中25a和25b表示AB对称流量计的上下游两个端面。

2）数字化标定

因为该管道内流速较低，为获得较高的差压值选择复合M型流量计如图27所示，根据该流量计的几何特点按照上述数字化标定方法，便可得到数据标定表如表4所示。由表4可以看出：在给定的流量范围内，差压范围124.89～368.85pa，平均仪表系数K=21.76243，仪表系数不确定度小于1.5%，因此可收到良好的测量效果。

表4烟气管道流量计标定数据表

实例五、蒸汽测量故障诊断（优化例2）

某热电有限公司采用AB对称流量计测量蒸汽流量，其流量计安装位置在距下游弯头起点1400mm处，如图21所示，图中1位置即是流量计安装位置；由于测量不准希望通过数字化标定方法进行分析。

1）流场观察

根据AB流量计的几何特点和管道条件，按照上述流场求解方法并为了更清楚地观察速

度场对汇管、流量计附近和下游管管处都进行了加密处理，加密后会可得到更加清晰的速度场和压力场（云图）如图25、26所示。由图25速度场可以明显看出无论在汇管还是在流量计附近流场都不够均匀，特别在支管和主管交汇处的两侧区域存在流速接近0的区域，这便预示出仪表系数的不确定度不会良好。

2）对比标定

经过对照进行两种数字化标定，一是具有满足要求的直管段，另一个是图27所示的没有满足要求的直管段。结果表明，对同一流量计在同一流量下，两者平均仪表系数相差28%。因此说明测量不准的主要原因是直管段不足，要想准确测量总管蒸汽流量必须重新寻找安装位置。

实施例六、测风管道流量计优化设计（优化例3）

某发电厂拟对二次风流量进行测量，要求进行流量计选型和测量结果预测。

该电厂二次风测量管道如图27所示，管道截面宽×高=13×7.5米，内部还有多种支撑物，显然测量难度较大，本发明通过管道物分析和对比标定较好地解决了这一问题。

1）管道物分析

单独求解的管道物流场如图28所示，图中黑点、条形物和箭头块全是障碍物，由该图即可初步看出管道物的节流效应已达到与流量计相当的程度，所以进一步对障碍物进行了数字化标定。

2）对比标定

a)管道物的标定，

如表5所示，由表可以看出：最小差压66.717Pa,不确定度1.657%。说明不用安装流量

计用管道障碍物就可以实现流量测量，但此障碍物有变动的可能，另外其差压灵敏度和不确定度是否最优还有待确认。为此进行对比标定。

表5：烟道障碍物标定数据表

b）阵列式流量计的标定

根据阵列式流量计的几何形状和管道图31建立几何模型并按照CFD方法可求得对应的速度场（云图）如图29、30所示，其中图29是阵列式流量计附近的速度云图，图30是包含障碍物的速度云图，也即反映管道真实情况的速度云图。在图30的条件下，通过按实际情况设置边界条件和物理参数就等同于进行工况标定，最后得到标定数据表如表6所示。表6说明最小差压58.709Pa，不确定度18.67%。显然阵列式流量计的测量性能还不如障碍物性能，还需重新选择流量计进行标定。

表6：烟道阵列式流量计标定数据表

c）复合M型流量计的标定

复合M型流量计的几何形状如图31所示，由该流量计与烟道管道构建的几何模型所得的压力场如图32所示，通过该压力场求得的标定数据表如表7所示。表7说明，最小差压169.4578Pa，不确定度0.7%。

表7：烟道复合M型流量计标定数据表

注：表5-表7中的密度，因为流速和压力都较低，视为常数。

d）优化结果

比较上述三种标定结果，显然复合M型流量计取得的标定结果最好，因此可选定复合M型流量计做为实施的测量方案。

以上，通过举例详细介绍了数字化标定和优化方法，旨在说明本发明的实质是对所有的差压式流量计在实际工作条件下的数值模拟，最终实现工况标定。

鉴于数字化标定内容繁杂难以靠举例穷尽所有的环节，本发明可以有各种增添、更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种差压式流量计的数字化标定，其特征在于，用CFD方法求解差压式流量计在实际工况下的流场，进而计算差压、仪表系数、差压灵敏度和仪表系数不确定度，包括以下内容：

1)求解基本流场

基本流场就是一组给定条件下的压力场和速度场，结合差压式流量计标定的特点按CFD原则，采用下述方法：

a)建立几何模型

就是利用CFD的SOLIDWORKS模块，将差压式流量计按安装要求装配到一定长度的管段内，形成流体流动的几何空间，以确定计算域分析流体的流动参数；其管段形状和长度根据现场实际情况或要求确定，使几何模型与实际几何条件几何相似；

b)建立控制方程

就是选择描述流体运动规律的方程，以便在一定的边界条件和初始条件下求解未知参数；鉴于一般的流量测量只针对湍流流动并因为流量计很短可认为是绝热过程，所以本发明没考虑能量守恒，选择了标准K-ε方程，通过对该方程的离散求解便可得到计算域内的压力场和速度场；

c)确定初始条件和边界条件

在CFD操作画面下，输入初始条件和边界条件；

初始条件是所研究的对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况，就是在某标定点开始时刻流量计上游的压力和X、y、Z方向的流速与湍动能和湍动能耗散率及初始温度；

边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律，边界条件有流体材料、进出口压力、速度、质量、壁面粗糙度和湍流参数，其中速度和质量选择其一给定；

因为计算域是几何模型包含的区域，其边界则是这一管段的进、出口和管壁，所以边界条件包含介质类型、进出口压力、速度、质量、壁面粗糙度和湍流参数；其中，湍流参数包括湍流强度、湍流尺度、湍流粘性比，对可压缩流体因为密度未知，把密度做为求解量由求解器求解；

d)划分计算网格

因为数值求解控制方程必须将控制方程在空间区域进行离散，形成若干个体积元，这个体积元便是网格；网格分为结构网格和非结构化网格，结构网格是行线和列线都规范的空间单元，非结构网格是没有明显的行线和列线的空间单元；因为差压式流量计具有鲜明的几何图形，所以其网格都属于结构化网格，结构化网格对二维问题有三角形、四边形形式，对三维问题，有四面体、六面体、三菱体形式，整个计算域的全部网格通过节点联系在一起；本发明均采用四面体结构化网格，通过CFD的前处理软件Gambit或ANSYSICEM实现；

e)建立离散方程

就是把求解域的偏微分方程分解为有限位置的代数方程组，然后通过求解代数方程组求解节点值，计算域内其它位置上的值则根据节点位置上的值来确定；离散化方法分为有限差分法、有限元法、有限体积法多种，因为有限体积法如同用微积分方法求解不规则体积原理一样易于理解，并且对网格的划分要求相对宽松，所以CFD离散多采用该方法；本发明也采用了该方法；

f)离散初始条件和边界条件

因为前面设置的初始条件和边界条件是连续函数，而实际运算由离散模型实现，所以还必须对初始条件和边界条件进行离散化；这种离散化由CFD前处理软件自动分配到网格划分后的节点上；

g)给定求解控制参数

在离散空间上建立了离散化代数方程组并施加了离散化的初始条件和边界条件后，还需要在CFD工作画面内输入流体的物理参数和湍流模型的经验系数，物理参数包含：粘度、摩尔质量、导热系数、比热；经验系数包含：松弛因子、收敛精度；此外，对瞬态问题，还需给定时间步长和输出频率；因为数字化标定重点关注稳态流动所以只需给定流体的物理参数和经验系数便可；通过给定控制参数便可模拟介质的物性；

h)求解离散方程

完成上述设置后，便生成了具有定解条件的代数方程组，启动FLUENT求解器，收敛后便得到与几何模型、控制方程、边界条件和控制参数相对应的压力场和速度场，即计算域内的压力和速度分布；通过压力和速度分布便可求出计算域内任一点的压力和流速，再根据流量计实际的取压位置，就可得到模拟的差压，根据该差压和求解过程得出的密度就可计算仪表系数；

2)求解标定点流场

因为差压式流量计的流量其中，△p和γ分别是测量差压和密度，K称仪表系数；因此测量△p和γ后，已知K便可计算流量G；但K并不已知所以必须进行标定，标定过程即确定K的过程；理想情况在一定的流量范围内K＝常数，但实际K≠常数，所以标定过程必须测评K的误差，测评误差就需要对不同流量点的仪表系数进行对照，这种流量点就称标定点，标定点通常把流量范围分为若干等份，对数字化标定也必须遵照这一原则，由于数字化标定计算仪表系数需要的差压只能通过压力场获取，所以需要求解标定点的压力场；根据CFD原理，几何模型确定计算域，控制方程反映流体的湍流或层流特性，控制参数反映介质特性，边界条件反映流量和温度、压力流动参数变化，对同一几何模型、控制方程和控制参数，给定不同的边界条件，就可得到不同的流动参数，这种流动参数的集合就是流场，因此流场涵盖了标定点数据，等同于实流标定点；故本发明通过给定不同的边界条件，求取不同的流场，便实现了标定点的数据采集；

3)求解标定点压差

在每个标定点的压力场中，根据差压式流量计规定的两点取压位置，计算压差：

△p_i＝p_i1-p_i2

式中，△p_i是第i个标定点的压差，p_i1、p_i2分别是第i个标定点流量计规定位置的压力，

4)计算标定点的仪表系数

按下式依次计算

式中，n是测量点数量，K_i是第i点的仪表系数，G_i、γ_i分别是第i点给定的质量流量和求解的密度；

5)计算平均仪表系数

同实流标定一样，要确定仪表系数的误差必须相对一个真值，事实上真值并不可知，所

以工程上按统计学原理经常用平均值代替真值，所以需要求取平均仪表系数，以测评误差并用平均仪表系数计算流量分散误差：

6)计算标定点的线性误差

按下式依次计算

7)确定仪表系数不确定度

按下式计算

σ＝δ_max％

式中，σ是仪表系数的不确定度，δ_max是n个线性误差中的最大值；

8)计算差压灵敏度

式中，ξ是差压灵敏度，△p_min和G_min分别是最小压差和最小质量流量，

9)编制标定数据表

将每点的仪表系数、线性误差和平均仪表系数与不确定度制成标定数据表，以汇集标定结果。

2.根据权利要求1所述的一种差压式流量计的数字化标定，其特征还在于，适合所有的差压式流量计，包括标准、非标准节流装置和各类差压式流量计的标定，具有足够的通用性；

因为所有的差压式流量计均满足通用流量方程，其中和都在数字给定流量和边界条件与控制参数的情况下获得，仪表系数均满足；既然通过模拟计算获得所有差压式流量计的和，也就无例外地确定和不确定度，确定了和不确定度，也就无例外地实现了数字化标定。

3.根据权利要求1所述的一种差压式流量计的优化方法，其特征在于，对流量计型式或安装位置进行择优，它是数字化标定的一种功能扩展，包含以下内容：

1）管件和管道物流场分析

管件在工程领域是指各种阀门、变径、弯头、三通或多通，凡是能够改变流体流通面积或流动方向的管道安装物均可称为管件，出于各种目的在管道内部设置的支撑件或障碍物本发明称为管道物；因为管件和管道物从流体力学的角度均对流体有节流作用产生压差，该压差将对差压式流量计的有效差压产生重大干扰，而这种干扰在很多场合又难以避免；所以要优化流量测量就必须考虑管件和管道物的干扰，本发明利用数值模拟原理对此采取了流场分析方法：

所谓流场分析就是不考虑流量计单独对管件或管道物的节流特性进行模拟计算，求取速度场，通过速度场寻找合适的流量计安装位置；在找到合适位置的情况下再进行数字化标定，预测运行效果，否则需要放弃流量计安装以避免浪费；速度场的求取方法与压力场同时完成，按下述方法实现：

根据管件或管道物的几何形状连同所连接的管段建立几何模型；

建立控制方程，因为同样考虑湍流，因此也采用方程；

c)按数字化标定同样方法确定初始条件和边界条件、划分计算网格、建立离散方程、离散初始条件和边界条件、给定求解控制参数、求解离散方程，不过因为管件或管道物几何形状相对差压式流量计简单，网格划分相对粗犷；

d)观察不同位置的速度云图寻找合适的安装位置，因为流速分布稳定、均匀是流量计工

作的必要条件，合适的安装位置就是流速分布相对均匀的位置；又因为速度云图是用不同颜色表示的速度分布图，所以通过颜色比较即可确定安装位置；

2）对比标定

就是对不同类型或相同类型在不同安装位置的差压式流量计进行数字化标定；分别计算各自的不确定度和差压灵敏度；因为优化是对比的结果，各种差压式流量计的差压灵敏度和仪表系数的不确定度并不一样，适应的口径、直管段要求和介质条件也不相同，通过对比就选出在特定场合相对性能较好的流量计；

3）工况标定

模拟流量计的实际使用条件，实现按管道形状、按口径、按安装条件、按介质物性、按温度、按压力、按流量范围进行数字化标定，避免数字化标定与实际不符的问题发生；因为管道形状、口径和安装条件是流量测量基本的几何特征，几何相似是流体力学最重要相似准则，按几何相似进行标定，就可以突破管径的限制保证几何相似性；又因为介质的密度、粘度分别影响质量流量的准确性和流量范围，按介质物性标定，就可以保证质量流量的准确性和适应范围的客观性；还因为温度、压力、流量范围是重要的流动参数，温度、压力不仅影响密度还考验流量计的耐温、耐压性能，流量范围直接决定仪表系数的不确定度，所以按温度、压力、流量范围进行标定，就可以保证流量计在运行情况下的精度和适应性；

4）流量计改进

通过对比标定，改进或创新差压式流量计，提高测量性能；因为所有的流量计评价必须依靠标定，而实流标定无论是改变口径和几何结构都需要物理实现，不仅费时、费力、费钱，还很难探究细节，数字化标定所有的改变只是数字不同，不仅简单、便捷还可通过云图、流线图、矢量图可视化手段观察流动细节，迅速、准确地做出正确判断；

5）按不确定度最小并且差压灵敏度可行的原则综合选定流量计型式或安装位置，实现优化设计，因为仪表系数不确定度最小决定了差压式流量计收获最高的精度，差压灵敏度可行是因为过分追求差压灵敏度一是不现实二是不必要，只要最小差压满足差压变送器测量要求即可。