節(jié)流式壓差流量計(jì)

1、 動(dòng)力工程及工程熱物理現(xiàn)代測(cè)試技術(shù) 學(xué)院：冶金與能源工程學(xué)院姓名： 譚方關(guān) 學(xué)號(hào)： 2012702009 專業(yè)： 動(dòng)力工程 解析節(jié)流式壓差流量計(jì)譚方關(guān) 2012702002 昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院摘要：差壓流量計(jì)是一種很有發(fā)展前途的流量測(cè)量?jī)x表，它具有通用性強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件不需實(shí)際流體標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用范圍十分廣泛。文章介紹了差壓式流量計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了節(jié)流裝置的發(fā)展?fàn)顩r和使用時(shí)的注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置 取壓裝置 壓差儀表 標(biāo)準(zhǔn)孔板 管道條件 流體條件Abstract: Differential pressure flow meter is a useful

2、development of the future of flow measurement instruments, it has the versatility, standard cutting pieces without actual fluid calibration, etc., so a very wide range of applications. The article describes the structural characteristics of the differential pressure flowmeter and development applica

3、tion status, throttling device development and use precautionsKey words: Standard throttling device, a pressure measuring device, differential pressure meter, standard orifice plate, pipeline conditions, fluid conditions0前言節(jié)流式流量計(jì)是利用節(jié)流效應(yīng)來測(cè)量流量的。在管道中安裝一個(gè)通徑比管道內(nèi)徑小的節(jié)流件，當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)，由于通流面積縮小，流束產(chǎn)生收縮，因而流速加快，在節(jié)流

4、件的上、下游側(cè)之間產(chǎn)生靜壓差。這個(gè)靜壓差的大小與流量有關(guān)，因此通過測(cè)量節(jié)流件上、下游的靜壓差來獲得流量值。近年來，電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，差壓變送器和流量顯示技術(shù)有突破性的進(jìn)展，以及節(jié)流件加工工藝的提高，使差壓式流量計(jì)的許多局限性可以得到彌補(bǔ)。特別是定值節(jié)流件、一體化節(jié)流式流量計(jì)的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)的節(jié)流裝置注入了新的活力，使其綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到一個(gè)新的高度。此外，國內(nèi)在差壓流量計(jì)應(yīng)用方面的研究有所發(fā)展，并取得了一定的成果。它是利用流體流過管道中的節(jié)流元件（孔板、噴嘴、進(jìn)口流量管）所產(chǎn)生的壓差（p）來計(jì)算流量的，即 它廣泛的用于氣體、液體的流量測(cè)量。只是這種測(cè)量的計(jì)算方程中有平方根項(xiàng)，帶來的非線性因素

5、限制了測(cè)量范圍；其次流體的參數(shù)的變化，會(huì)造成密度的變化，使得計(jì)算變得麻煩并帶來了誤差，所以節(jié)流元件前后壓差不能太大；再者，這種形式的流量計(jì)(特別是孔板)中的流體壓力損失大，在使用中要注意這方面的影響。1.1基本原理流體經(jīng)過孔板。噴嘴或文丘里管等節(jié)流元件時(shí)，將產(chǎn)生局部的收縮，其流速增加，靜壓降低，在節(jié)流元件前后產(chǎn)生靜壓差。因此，節(jié)流裝置選定后，壓差與流量的關(guān)系就確定了，流量越大，這個(gè)靜壓差也越大。測(cè)出節(jié)流元件前后的靜壓差，就可以間接算出流量，所以節(jié)流裝置也稱壓差式流量計(jì)。節(jié)流式流量計(jì)主要由節(jié)流裝置、壓力信號(hào)傳輸管道、差壓儀表或差壓變送器組所示。成，如圖1-1所示圖1-1節(jié)流式流量計(jì)組成示意圖 1

6、-節(jié)流裝置 2-壓力信號(hào)傳輸管 3-差壓儀表2.標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置 節(jié)流裝置是由節(jié)流件、取壓裝置以及節(jié)流件上游側(cè)第一個(gè)阻力件、第二個(gè)阻力件、下游側(cè)第一阻力件以及它們之間的直管段所組成，如圖2-1所示。節(jié)流形式有很多，有孔板，文丘里管，文丘里噴嘴等。 圖2-1整套節(jié)流裝置示意 1-上游側(cè)第二個(gè)局部阻力件；2-上游側(cè)第一個(gè)局部阻力件；3-節(jié)流件； 4-下游側(cè)第一個(gè)局部阻力件目前用得最多的是孔板和噴嘴。根據(jù)節(jié)流件的標(biāo)準(zhǔn)差壓儀表化與否，節(jié)流裝置可分為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置和非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流量與差壓的關(guān)系以及測(cè)量誤差等都可按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算得到。我國已按1989年通過的國際標(biāo)準(zhǔn)IOS5167-1對(duì)原國標(biāo)GB

7、2624進(jìn)行修訂，并于1993.年發(fā)布了新的國標(biāo)GB/T2624-93。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置應(yīng)根據(jù)我國流量測(cè)量節(jié)流裝置國家標(biāo)準(zhǔn)和檢定規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用。2.1標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件及取壓裝置目前，國標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件的形式和取壓方式有標(biāo)準(zhǔn)孔板，可采用角接取壓、法蘭取壓；標(biāo)準(zhǔn)噴嘴（也稱ISA1932噴嘴），采用角接取壓。另外，國際上還有其他的已標(biāo)準(zhǔn)化的節(jié)流件，如徑距取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板，徑距取壓長(zhǎng)徑噴嘴，后者也稱ASME噴嘴。(1) 標(biāo)準(zhǔn)孔板標(biāo)準(zhǔn)孔板的全稱是“同心薄壁銳緣孔板”，是應(yīng)用最為廣泛的節(jié)流件，其形狀如圖2-1所示。它是一塊中間開圓筒形孔的薄板。其標(biāo)準(zhǔn)孔板的開孔直徑d是一個(gè)重要尺寸，其值由設(shè)計(jì)計(jì)算而定，

8、加工公差見表2-1.對(duì)制成的孔板，必須嚴(yán)格測(cè)定其上游側(cè)端面的孔徑d，應(yīng)在四個(gè)大致相等的角度上測(cè)得并求其平均值，要求各個(gè)單測(cè)值與平均值之差在0.05%范圍內(nèi)。圖2-1 標(biāo)準(zhǔn)孔板 圖2-2 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴E=0.020.05D （a）23(b)23 e=0,.0050.02D表2-1標(biāo)準(zhǔn)孔板開孔直徑d的加工公差 開孔直徑d(mm) 加工公差（mm） 開孔直徑d()mm 加工公差（mm） 5d6±0.0810d25±0.013 6d10±0.010d25d每增加25mm,公差增加0.013標(biāo)準(zhǔn)孔板適用范圍如表2-2所示。表2-2 標(biāo)準(zhǔn)孔板適用范圍角接取壓法蘭取壓徑距取壓12.

9、5mmd50mmD1000mm0,20.75 當(dāng)0.20.45時(shí)Re5000 當(dāng)0.45時(shí) Re10000表中=d/D，稱直徑比，其中D為管道內(nèi)徑。2.2標(biāo)準(zhǔn)噴嘴標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的形狀如圖2-2所示，它是一個(gè)以管道為中心線為軸線的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱體，其郭形由進(jìn)口斷面A、收縮部分第一圓弧面c1，第二圓弧面c2、圓筒形喉部e和出口邊緣保護(hù)槽H所組成。圓筒形喉部直徑即為標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的開孔直徑d，圓筒形喉部長(zhǎng)度為0.3d。開孔直徑d是重要尺寸，應(yīng)由計(jì)算確定。標(biāo)準(zhǔn)噴嘴只采用角接取壓，其使用范圍為：D=50500mm；0.30.8；當(dāng)0.30.44時(shí)，適用的雷諾數(shù)的范圍；當(dāng)，適用于。標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)孔板的加工制造，安裝使用等更

10、詳細(xì)的要求，可參閱國標(biāo)GB/T2624-93.2.3角接取壓裝置角接取壓裝置有環(huán)室取壓和單獨(dú)鉆孔取壓兩種。圖2-3所示上半部為環(huán)室取壓裝置的結(jié)構(gòu)，下半部為單獨(dú)鉆孔取壓結(jié)構(gòu)。環(huán)室取壓的前后環(huán)室裝在節(jié)流件的兩側(cè)，并用法蘭加緊。節(jié)流件上、下游端面之間所形成的連續(xù)環(huán)隙上取得的，其值為整個(gè)圓周上靜壓的平均值，環(huán)隙寬度a規(guī)定為：對(duì)于清潔流體，當(dāng)時(shí)；當(dāng)時(shí)，。對(duì)于任意值，應(yīng)該在1mm10mm之間。為起到均壓作用，應(yīng)使環(huán)腔截面積h×c0.5Da單獨(dú)鉆孔取壓的取壓孔可以鉆在法蘭上，也可以鉆在法蘭之間的，夾緊環(huán)上。測(cè)量蒸汽和液化氣體時(shí)，取壓孔直徑可在410mm之間，單獨(dú)鉆孔取壓適用于節(jié)流件上游有足夠長(zhǎng)的直

11、管段，以及節(jié)流件前后壓差較大時(shí)采用。圖2-3 環(huán)室取壓和單獨(dú)鉆孔取壓裝置結(jié)構(gòu)2.4法蘭取壓裝置法蘭取壓裝置如圖2-4所示，標(biāo)準(zhǔn)孔板夾持在兩塊壓孔直徑相同，其值應(yīng)小于0.13D，最大不得超過13mm。上游側(cè)取壓孔中心線到孔板上游側(cè)端面距離為25.4mm，下游側(cè)取壓孔中心線到孔板下游側(cè)端面距離為25.4mm。圖2-4 法蘭取壓裝置2.2使用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流體條件和管道條件流經(jīng)節(jié)流件的流體流量與節(jié)流件前后的壓差之間的關(guān)系不僅與節(jié)流件結(jié)構(gòu)形式和取壓方式有關(guān)，而且還與流體在節(jié)流件上、下游的流動(dòng)情況有關(guān)，因此，適用于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流體、流動(dòng)條件及管道條件等必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。（1） 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置只適用于測(cè)量

12、圓形截面管道中的單相、均質(zhì)流體的流量，流體應(yīng)充滿管道并作連續(xù)、穩(wěn)定流動(dòng)，流速應(yīng)小于音速。流體在流過節(jié)流件前應(yīng)是充分發(fā)展的紊流，不得有旋轉(zhuǎn)流。（2） 節(jié)流件上、下游側(cè)直管段長(zhǎng)度有一定要求節(jié)流件上、下游第一阻力件與節(jié)流件之間的直管段L1 、L2長(zhǎng)度（見圖7-3)，取決于上、下游第一阻力件的形式和所用節(jié)流件的值，如表所列。表2-3節(jié)流件上下游測(cè)的最小直管段長(zhǎng)度節(jié)流件上游側(cè)局部阻力件形式和最小直管段長(zhǎng)度l1單個(gè)直角彎頭或者三通同一平面上有多個(gè)直角彎頭空間彎頭（在不同平面內(nèi)有多個(gè)直角彎頭）異徑管（大變小，2DD，長(zhǎng)度3D；小變大0.5DD，長(zhǎng)度1.5D）全開截止閥全開閘閥節(jié)流件下游側(cè)最小直管段長(zhǎng)度（左面

13、所有的局部阻力件形式）123456780.2010（6）14（7）34（17）16（8）18（9）12（6）4（2）0.2510（6）14（7）34（17）16（8）18（9）12（6）4（2）0.3010（6）16（8）34（17）16（8）18（9）12（6）5（2.5）0.3512（6）16（8）36（18）16（8）18（9）12（6）5（2.5）0.4014（7）18（9）36（18）16（8）20（10）12（6）6（3）0.4514（7）18（9）38（19）18（9）20（10）12（6）6（3）0.5014（7）20（10）40（20）20（10）22（11）12（6）6（3

14、）0.5516（8）22（11）44（22）20（10）24（12）14（7）6（3）0.6018（9）26（13）48（24）22（11）26（13）14（7）7（3.5）0.6522（11）32（16）54（27）24（12）28（14）16（8）7（3.5）0.7028（14）36（18）62（21）26（13）32（18）20（10）7（3.5）0.7536（18）42（21）70（35）28（14）36（18）24（12）8（4）0.8046（23）50（25）80（40）30（15）44（22）30（15）8（4） 表中所列數(shù)值為管道內(nèi)徑的倍數(shù)。上游第一阻力件與第二阻力件之間的直管

15、段長(zhǎng)度按上游第二阻力件形式和0.7，不論所用及節(jié)流件的實(shí)際數(shù)值值為多少）， 由表所查的L值折半。為保證對(duì)節(jié)流件上下游管道圓度及粗糙度的要求，應(yīng)選擇幾何尺寸及光潔度精度高的金屬或非金屬管材。如果使用鑄鐵等粗糙管道，則需要參考有關(guān)設(shè)計(jì)使用手冊(cè)，以確其對(duì)測(cè)量的影響。3.標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的的流量公式節(jié)流式流量計(jì)是通過測(cè)量節(jié)流件上、下游側(cè)靜壓差來獲得流量值。因此，必須確定這個(gè)靜壓差和流量之間有怎樣的定量關(guān)系?？梢酝ㄟ^分析流體流經(jīng)節(jié)流件前后的流動(dòng)情況，并利用伯努利能量守恒定律和流體流動(dòng)的連續(xù)性來得到。3.1標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流量公式推導(dǎo)先討論不可壓縮性流體，如圖2-5所示，流體在水平圓管內(nèi)作連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)。這里，對(duì)

16、流束還未開始收縮的A界面和流束收縮至最小時(shí)的B截面，列出它們之間的伯努利能量守恒方程和流動(dòng)連續(xù)性方程。截面A和截面B一元流動(dòng)的伯努利方程如下：式中，、是截面A、B中心處的靜壓力；、是A、B截面處流體的密度；、是A、B截面上流體的平均流速；、是A、B界面處的動(dòng)能修正系數(shù)；是阻力系數(shù)。流動(dòng)連續(xù)性方程為式中、分別為A、B截面的通流面積。因討論的是不可壓縮流體，所以，是可表示為聯(lián)立方程式解得則可得流體體積流量為這里要指出的是，由于受流體流動(dòng)的慣性力的影響，流束收縮到最小截面的位置和大小事歲流量大小的變化而變化，要測(cè)出其截面的大小AB和此處的靜壓PB是不現(xiàn)實(shí)的；另外，流束還未收縮的截面位置也不易確定。因

17、此，靜壓PA也不能準(zhǔn)確測(cè)出。鑒于以上情況，在實(shí)際測(cè)量中，用節(jié)流件的最小開孔截面A0帶代替AB,但需要加以修正：式中，流束收縮系數(shù)，用于節(jié)流件上，下游側(cè)固定位置上的管道內(nèi)壁處的靜壓P1、P2來代替PA、PB，同樣應(yīng)加以修正：式中，取壓系數(shù)。綜合以上所述，可得式中為直徑比，=d/D；D為管道內(nèi)徑；1為節(jié)流件上游測(cè)流流體的密度；P=P1、-P2。定義流量系數(shù)和流出系數(shù)C分別為或C是由實(shí)驗(yàn)確定的。從上面分析可知，、C值與節(jié)流件形式，取壓方式、值、雷諾數(shù)ReD及管道粗糙度等因素有關(guān)。國際上推薦用C代替，是由于有幾種節(jié)流裝置的C值已有較簡(jiǎn)單而精確的經(jīng)驗(yàn)公式。將、C帶入，可得上式為不可壓縮流體的力量公式。對(duì)

18、于可壓縮流體，情況有所不同。可壓縮性流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)，由于壓力變化密度也隨之變化，不在滿足A=B的關(guān)系，而且，由于流體的膨脹，值也與不可壓縮流體時(shí)不同。但為了方便起見，規(guī)定公式中的一律使用節(jié)流件上游側(cè)的流體密度1，和C值仍采用不可壓縮性流體的數(shù)值，而把全部的流體可壓縮性對(duì)、和C值的影響用一個(gè)流束膨脹系數(shù)來修正。這樣可壓縮性流體的質(zhì)量流量及體積流量公式可以表示為或?qū)Σ豢蓧嚎s流體=1.3. 壓差流量計(jì)的特點(diǎn)3.1壓差流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)節(jié)流式差壓流量計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1)節(jié)流件標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)構(gòu)易于復(fù)制、簡(jiǎn)單、牢固、性能穩(wěn)定可靠、使用期限長(zhǎng)、價(jià)格低廉。節(jié)流式差壓流量計(jì)應(yīng)用范圍極為廣泛，至今尚無任何

19、類型的流量計(jì)可與之相比。2) 檢測(cè)元件與差壓顯示儀表可分別由不同廠家生產(chǎn)，便于專業(yè)化形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，它們的結(jié)合靈活、方便。3) 檢測(cè)元件，特別是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型元件的檢測(cè)，是全世界通用的，并得到國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的認(rèn)可。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型檢測(cè)元件進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究是國際性的，其他流量計(jì)一般依靠個(gè)別廠家或研究群體進(jìn)行，因此，研究的深度和廣度不可同日而語。從時(shí)間上看，標(biāo)準(zhǔn)型檢測(cè)件自20世紀(jì)30年代國際標(biāo)準(zhǔn)化組織確定后始終沒有改變，其研究資料及生產(chǎn)實(shí)踐的積累極其豐富，應(yīng)用范圍廣泛。4) 標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)流裝置無需實(shí)流校準(zhǔn)，即可投入使用，在流量計(jì)中也是唯一的。32 節(jié)流式差壓流量計(jì)的缺點(diǎn)節(jié)流式差壓流量計(jì)的缺點(diǎn)主要有：1)測(cè)量的重復(fù)性

20、、精確度在流量計(jì)中屬于中等水平，由于眾多因素的影響，精確度難以提高。2)范圍度窄，由于儀表信號(hào)(壓差)與流量為平方關(guān)系，一般范圍度僅為3：14：1。3)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求高，如需要較長(zhǎng)的直管般(指孔板、噴嘴)，一般難滿足。4)檢測(cè)件與壓差檢測(cè)儀表之間引壓管線為薄弱環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生泄漏、堵塞、凍結(jié)及信號(hào)失真等故障。5)壓力損失大(指孔板、噴嘴)。33 流量測(cè)量?jī)x表的發(fā)展方向隨著工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，綜合控制和管理系統(tǒng)會(huì)越來越多。流量測(cè)量?jī)x表是傳輸現(xiàn)場(chǎng)信息的重要部分，流量測(cè)量?jī)x表的發(fā)展方向主要有： 1)大量地、準(zhǔn)確地傳輸信息，這就需要以可靠性作為首要條件的小型、輕型、低價(jià)格、操作容易的流量測(cè)量?jī)x表。2)系統(tǒng)實(shí)行分散化，將系統(tǒng)的一部分功能轉(zhuǎn)移到流量測(cè)量?jī)x表