節(jié)流式流量計(jì)(新)課件

第六章節(jié)流式流量計(jì)

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節(jié)流式流量計(jì)是工業(yè)上最為廣泛使用的一類流量測(cè)量儀表。

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工作原理：在管道中放置一節(jié)流元件，流體流經(jīng)節(jié)流元件時(shí)發(fā)生節(jié)流，在節(jié)流元件的前后兩側(cè)產(chǎn)生壓力差（差壓）。當(dāng)流體、工況、管道、節(jié)流件、差壓取出方式一定時(shí)，管道流量與差壓有確定的關(guān)系。因此可通過測(cè)量差壓來測(cè)量流量。節(jié)流式流量計(jì)也稱為變壓降式流量計(jì)。

●分類：節(jié)流式流量計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化兩類。是非通用儀表，即安裝在生產(chǎn)過程中使用著的節(jié)流式流量計(jì)僅適用于該地的情況和工況。因此節(jié)流式流量計(jì)是根據(jù)要求具體設(shè)計(jì)、安裝、使用的。

●標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算要嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置設(shè)計(jì)、安裝和使用的國家“標(biāo)準(zhǔn)”(GB／T2624—93)或國際“標(biāo)準(zhǔn)”(ISO5176—1)。按“標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝、使用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，其流量與差壓的關(guān)系按理論公式標(biāo)定，并有統(tǒng)一的基本誤差、計(jì)算方法，一般不需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定或比對(duì)。●節(jié)流式流量計(jì)流量的測(cè)量系統(tǒng)由節(jié)流裝置、差壓計(jì)或差壓變送器、二次顯示儀表（動(dòng)圈表、自動(dòng)電位差計(jì)）等組成。

第一節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置

一、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的組成與類型

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置由三部分組成：節(jié)流件、取壓裝置、測(cè)量直管段（節(jié)流件前10D，后5D）。

（2）標(biāo)準(zhǔn)噴嘴標(biāo)準(zhǔn)噴嘴有兩種結(jié)構(gòu)形式：ISA1932噴嘴、長徑噴嘴。

當(dāng)d＞2D／3時(shí)，還應(yīng)在入口部分切除一部分圓廓形收縮段。其應(yīng)切去的長度為

2.取壓裝置角接取壓分為環(huán)室取壓和單獨(dú)鉆孔取壓,上、下側(cè)壓力在節(jié)流件前后端面處取出

。(2)法蘭取壓裝置上、下側(cè)壓力在連接法蘭上距節(jié)流件前后端面25.4mm處取出。角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板的適用范圍：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥5×103（0.2≤β≤0.45），ReD＞104（β＞0.45）。法蘭取壓和徑距取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板的適用范圍：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥1260β2D（D：m）。

ISA1932噴嘴角接取壓裝置有單獨(dú)鉆孔和環(huán)室取壓。

ISA1932噴嘴的適用范圍：50mm≤D≤500mm，0.30≤β≤0.80，7×104≤ReD≤107（0.30≤β≤0.44時(shí)），2×104≤ReD≤107（0.44≤β≤0.80時(shí)）。

二、適用的流體條件

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標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置適用于測(cè)量圓形截面管道中的單相、均質(zhì)流體，即是可壓縮的（氣體）或認(rèn)為不可壓縮的（液體）牛頓流體;

●要求流體充滿管道；流體流動(dòng)是穩(wěn)定的或隨時(shí)間緩變的；流動(dòng)不可以是脈動(dòng)流和旋轉(zhuǎn)流，流束與管道軸線平行；

●流體流經(jīng)節(jié)流件前流動(dòng)應(yīng)達(dá)到充分紊流，在節(jié)流件前后一定距離內(nèi)不發(fā)生相變或析出雜質(zhì)；流速小于音速。

三、適用的管道條件

1.管道內(nèi)表面光滑的判定是應(yīng)不超過表4-1、表4-2給出的相對(duì)粗糙度上限值。表4-1標(biāo)準(zhǔn)孔扳上游管段相對(duì)粗糙度（Kc/D）上限值

表4-2ISA1932噴嘴上游管段相對(duì)粗度（Kc/D）上限值

3.適用于圓形截面管道測(cè)量段管道應(yīng)被流體充滿。節(jié)流件及取壓裝置安裝在兩圓形直管之間。在所要求的整個(gè)直管段長度上，管道截面應(yīng)該是圓形的，沒有特殊要求，只是在鄰近節(jié)流裝置附近對(duì)管道的圓度有特殊要求，這在“標(biāo)準(zhǔn)”中有詳細(xì)規(guī)定。對(duì)于管道的粗糙度、節(jié)流件上游10D、下游5D（測(cè)量直管段），要求滿足給出的相對(duì)粗糙度上限值，L的其余部分和L以遠(yuǎn)的管道可以是粗糙的。

四、壓力損失

壓力損失與直徑比β和流速（或流量）有關(guān)，通過實(shí)驗(yàn)可得到它們之間的關(guān)系。對(duì)于角接標(biāo)準(zhǔn)孔板、法蘭標(biāo)準(zhǔn)孔板、徑距標(biāo)準(zhǔn)孔板、ISA1932噴嘴、長徑噴嘴等標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的壓力損失可以用下式近似計(jì)算：

五、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的誤差

按照“標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用時(shí)，其基本誤差是按照“標(biāo)準(zhǔn)”中提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算的。當(dāng)設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用等環(huán)節(jié)中有違背“標(biāo)準(zhǔn)”要求時(shí)，則將由此產(chǎn)生附加誤差。附加誤差的極性與大小或修正系數(shù)是通過大量實(shí)驗(yàn)確定的。

對(duì)于一定常的流動(dòng)，在截面A和截面B處將滿足流體質(zhì)量守恒和能量守恒。在充分紊流的理想情況下，流體流動(dòng)連續(xù)性方程和伯努利方程為由上兩式解方程組，可得引入如下幾個(gè)參數(shù)：（收縮系數(shù)）（截面比）（取壓系數(shù)）

可寫成：

所以，可得質(zhì)量流量：

定義流量系數(shù)α和流出系數(shù)C：

于是，不可壓縮流體的流量公式為

二、可壓縮流體的流量公式

為方便起見，規(guī)定公式中的密度仍使用節(jié)流件前的流體密度ρ1，α和C值仍取相當(dāng)于不可壓縮流體時(shí)的數(shù)值，而把全部的流體可壓縮性對(duì)流體系數(shù)和流出系數(shù)的影響用一個(gè)流束膨脹系數(shù)ε來考慮。當(dāng)流體為不可壓縮性流體時(shí)，ε=1。所以流量公式可統(tǒng)一寫成：

流量公式中各量的單位為：體積流量qV—m3/s；質(zhì)量流量qm——Kg/s；直徑d或D—m；密度ρ1—kg/m3；差壓Δp—Pa。

三、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流出系數(shù)C值及其不確定度

對(duì)于一定形式的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，其流量系數(shù)α和流出系數(shù)C僅與β和雷諾數(shù)ReD有關(guān)。當(dāng)雷諾數(shù)大到一定值后，α和C就與雷諾數(shù)值無關(guān)，趨于一定值。

1．標(biāo)準(zhǔn)孔板的C值及其不確定度只要所使用管道在節(jié)流件上游側(cè)10D長度內(nèi)的粗糙度不超過前節(jié)所列的限值，C的數(shù)值按下列公式計(jì)算。在規(guī)定條件下，流出系數(shù)C主要取決于ReD、β，即C=f(ReD、β)。對(duì)于角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板：對(duì)于法蘭取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板：

（D：mm，

D20≥58.6mm）

（D：mm，D20<58.6mm）對(duì)于D和D/2取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板：

對(duì)于上述三種取壓方式，若ReD、β、D和Kc／D是已知的且無誤差．則C值的百分率不確定度δc／C（置信概率為95％）為：

對(duì)于β≤0.6，δc／C＝0.6％；對(duì)于0.6＜β≤0.75，δc／C=β％。

2、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴（ISA1932噴嘴）的C值及其不確定度求取標(biāo)準(zhǔn)噴嘴C值的原始實(shí)驗(yàn)是在相對(duì)粗糙度Kc/D≤3.8×10-4的管道中進(jìn)行的，但只要噴嘴上游側(cè)至少有10D的長度的管道的粗糙度在前節(jié)規(guī)定的限值之內(nèi)，C值仍然可用。標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的流出系數(shù)C由下式給出：

對(duì)于角接取壓標(biāo)準(zhǔn)噴嘴（ISA1932噴嘴）：

四、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流束膨脹系數(shù)ε值及其不確定度

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的形式確定后，其流束膨脹系數(shù)ε值決定于Δp/p1、κ和β值。其中κ是被測(cè)流體的等熵指數(shù)，對(duì)于過熱蒸汽可近似取κ＝1.3，對(duì)空氣κ=1.4。為限制流體可壓縮性對(duì)流量測(cè)量的影響，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定節(jié)流裝置的Δp/p1＜0.25，即p2/p1＞0.75。上述三種取壓方式的標(biāo)準(zhǔn)孔板的ε值是由實(shí)驗(yàn)確定的，可用如下的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

β、Δp/p1和κ是已知且無誤差，則標(biāo)準(zhǔn)孔板ε值的百分率不確定度（概率95％）為4%。

標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的流束膨脹系數(shù)ε值是根據(jù)等熵流動(dòng)過程直接從理論上推導(dǎo)出來的。由于流動(dòng)過程不可能是等熵過程，所以存在誤差，從理論上推導(dǎo)出計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)噴嘴ε的公式如下：其中標(biāo)準(zhǔn)噴嘴ε值的百分率不確定度=2%，置信概率為95％。

第三節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算

關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的計(jì)算一般包括有三類命題：①流量計(jì)算；②標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算；③最大差壓值的計(jì)算（選配差壓計(jì)問題）。這三類命題在實(shí)際中最常用到的是①、②類命題。一、流量計(jì)算流量計(jì)算的已知條件為：管道直徑D20、管道材料、管道新舊程度，節(jié)流件前后安裝阻力件情況，節(jié)流件型式、節(jié)流孔徑d20、節(jié)流件材料，流體及工作壓力p、工作溫度t，節(jié)流裝置輸出的差壓值Δp。要求：計(jì)算輸出的差壓值Δp對(duì)應(yīng)的流量。

思考：計(jì)算的步驟是什么？

（－）輔助計(jì)算根據(jù)已知條件，通過查表和相應(yīng)的計(jì)算給出解上述方程組所必需的參數(shù)值，這些計(jì)算稱為輔助計(jì)算。要計(jì)算的量值有：工作壓力p1=pe+p0(pe—表壓；p0—大氣壓力)、流體密度ρ1（p，t）(查表)、流體粘度η（p，t）(查表)、管道線膨脹系數(shù)λD（查表）、節(jié)流件線膨脹系數(shù)λd（查表）、流體的等熵指數(shù)κ（過熱蒸汽κ=1.3；空氣κ=1.4）；節(jié)流件工作溫度下管道直徑D和節(jié)流件的節(jié)流孔徑d，即Dt、dt，節(jié)流件直徑比β。（二）迭代計(jì)算在計(jì)算流體流量時(shí)，由于流量公式中的未知數(shù)不只一個(gè)，且未知數(shù)之間有一定的關(guān)系，所以通常需用迭代算法求解，迭代計(jì)算中的一個(gè)不變量：迭代計(jì)算中的變量：

迭代方程為：故迭代計(jì)算流程如圖所示。

二、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算

這類命題是根據(jù)用戶提出的已知條件以及限制要求來設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。

已知條件：被測(cè)流體及其工作壓力p1、工作溫度t、最大流量qmmax、常用流量qmch、最小流量qmmin、管道內(nèi)徑D20，管道材料、新舊程度、節(jié)流件前后管道及阻力件的情況。

限制要求：最小直管段L＜Lx（實(shí)際直管段長度）；壓力損失δpmax≤δpx。

要求設(shè)計(jì)計(jì)算：

（1）選定節(jié)流件的形式（類型、取壓方式）；（2）選定差壓計(jì)；（3）計(jì)算C、ε、β、d20；（4）計(jì)算所需最小直管段l0、l1、l2，并驗(yàn)算L≤Lx（L=l0十l1＋l2）；（5）計(jì)算最大壓損δpmax，并驗(yàn)算δpmax≤δpx；（6）計(jì)算基本誤差對(duì)于該命題根據(jù)已知條件完成設(shè)計(jì)計(jì)算，其結(jié)果不是唯一的，即滿足設(shè)計(jì)已知條件可以有多種結(jié)果。

從物理意義上看很容易理解，在被測(cè)流體的管道上安裝的節(jié)流件，其β值是可大可小的。在一定流量下，當(dāng)β小時(shí)，節(jié)流裝置輸出的差壓值大；當(dāng)β大時(shí)，輸出的差壓值小。由于在已知條件中用戶提出了限制要求（L≤Lx，δpmax≤δpx），所以這種設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣性也受到了一定的限制，即是滿足限制要求下的多種設(shè)計(jì)結(jié)果。明確:設(shè)計(jì)計(jì)算是在常用流量qmch下進(jìn)行的。

（－）選定節(jié)流件的型式

●在相同情況下，標(biāo)準(zhǔn)孔板的壓力損失大于標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、文丘利管等。

●對(duì)于取壓方式，根據(jù)“標(biāo)準(zhǔn)”中提供的方式確定。

●常用的材料為不銹鋼。

●目前在火力發(fā)電廠常用角接標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量鍋爐給水流量，用角接標(biāo)準(zhǔn)噴嘴（ISA1932）或徑距取壓長徑噴嘴測(cè)量過熱蒸汽流量。（二）選定差壓計(jì)

選定差壓計(jì)主要是確定如下內(nèi)容：選定差壓計(jì)的型號(hào)；確定差壓計(jì)的滿刻度流量q*mmax以及對(duì)應(yīng)的最大差壓Δpmax。

●差壓計(jì)型號(hào)的選定主要取決于現(xiàn)有的差壓計(jì)產(chǎn)品。

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q*mmax的確定是根據(jù)用戶給出的最大流量qmmax向上圓整到規(guī)定系列值中的一個(gè)鄰近值。規(guī)定的流量計(jì)滿刻度系列值為

qk＝a×10n其中a=1，1.2，1.6，2，2.5，3，4，5，6，8；n=0或任意正整數(shù)或負(fù)整數(shù)。

例如qmmax=230t/h圓整到q*mmax=250t/h。

●從用戶提出的限制要求出發(fā)，確定出Δpmax的取值范圍，在Δp的取值范圍內(nèi)定出Δpmax適當(dāng)?shù)臄?shù)值。

（1）滿足L≤Lx時(shí)的Δpmax取值范圍的確定

具體方法:由l0=f（β=0.7，上游第2阻力件形式）確定出l0值。取l2=5D，則l1=lx一l0一l2，由l1=f（β，上游第1阻力件形式）確定出β*。β*是最小直管段L=Lx時(shí)對(duì)應(yīng)的直徑比。根據(jù)最小直管段長度L與β的關(guān)系可知，要滿足L≤Lx則必須使得設(shè)計(jì)確定的β滿足β≤β*。通過以下計(jì)算可確定Δpmax的取值范圍。

C=f（β*，ReDch）

（令ε=1）而

（令ε=1）顯然應(yīng)有Δp1≤Δpmax（2）滿足δpmax≤δpx時(shí)Δpmax取值范圍的確定要滿足用戶壓力損失限制的要求時(shí)，則應(yīng)有≤δpx(標(biāo)準(zhǔn)孔板)

≤δpx(標(biāo)準(zhǔn)噴嘴)即Δp2=2δpx(標(biāo)準(zhǔn)孔板)

Δp2=3δpx(標(biāo)準(zhǔn)孔板)由此可知Δpmax的取值要求為：Δpmax≤Δp2

（3）滿足最小雷諾數(shù)推薦值Re*Dmin時(shí)的Δpmax取值范圍的確定

令ReDmin=Re*Dmin（β*），估算相應(yīng)的β*值。對(duì)于角接標(biāo)準(zhǔn)孔板來說，待設(shè)計(jì)的β值應(yīng)有β≤β*；對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)噴嘴來說，在0.35≤β＜0.6范圍內(nèi)應(yīng)有β≤β*；在0.6≤β≤0.75范圍內(nèi)應(yīng)有β≥β*，在0.75≤β≤0.8范圍內(nèi)應(yīng)有β＜β*。通過下面計(jì)算可確定Δpmax的取值范圍。C=f（β*，ReDch）（令ε=1）

而（令ε=1）則應(yīng)有Δp3≤Δpmax（角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板）

Δp3≤Δpmax（0.35≤β≤0.6，角接取壓標(biāo)準(zhǔn)噴嘴）Δp3≥Δpmax（0.6＜β≤0.75，角接取壓標(biāo)準(zhǔn)噴嘴）Δp3≤Δpmax（0.75＜β≤0.8，角接取壓標(biāo)準(zhǔn)噴嘴）（4）可壓縮流體滿足＜0.25（即＞0.75）時(shí)的Δpmax取值范圍的確定

設(shè)Δp4=0.25p1，則應(yīng)有Δpmax≤Δp4

對(duì)于此項(xiàng)限制，在確定Δpmax時(shí)，可暫不考慮，只是在確定Δpmax后再進(jìn)行檢驗(yàn)是否滿足上述要求即可。（5）不可壓縮流體滿足流體流經(jīng)節(jié)流件不發(fā)生汽化（不發(fā)生相變）要求的Δpmax取值范圍的確定

設(shè)Δp5＝p1－（1.2～1.3）ps

（ps為當(dāng)時(shí)溫度下的飽和壓力）

則應(yīng)有Δpmax≤Δp5

在確定Δpmax時(shí)，如果出現(xiàn)矛盾的情況，則要適當(dāng)放寬已知條件中的限制要求。最后確定Δpmax的值時(shí)，要考慮選擇差壓值滿量程規(guī)定的系列值，這些系列值包括：1，1.6，2.5，4，6×10n，其中n為0或正、負(fù)整數(shù)。選擇連續(xù)可調(diào)量程的差壓計(jì)更容易滿足限制要求。（三）設(shè)計(jì)計(jì)算：設(shè)計(jì)計(jì)算的任務(wù)主要是：算出C、ε、β、壓力損失δpmax、最小直管段L的具體數(shù)值以及節(jié)流裝置的基本誤差。

確定Δpmax值后，常用流量對(duì)應(yīng)的差壓Δpch應(yīng)為：在常用流量qmch和差壓Δpch下，利用相關(guān)的公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。涉及到的公式有：C=f(β，ReDch）（1）輔助計(jì)算

輔助計(jì)算的過程與流量計(jì)算的輔助計(jì)算過程大致相同。

查出以下量：流體密度ρ(p1，t）、管道線膨脹系數(shù)λD、管道粗糙度Kc、節(jié)流件材料線膨脹系數(shù)λd、流體等熵指數(shù)κ（過熱蒸汽κ=1.30；空氣κ=1.40）、流體的動(dòng)力粘度η（p1，t）。、值及以下量：

（2）迭代計(jì)算

迭代計(jì)算中的不變量A為：迭代計(jì)算中的變量為C、ε、β，故有

所以，迭代方程為：

迭代結(jié)束的終結(jié)判據(jù)為：Z

n=1×10-n，一般n≥5。計(jì)算流程:

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置流量測(cè)量的不確定度

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流量測(cè)量誤差是用置信概率95％時(shí)的不確定度來估計(jì)的。質(zhì)量流量測(cè)量的不確定度計(jì)算公式如下：

（1）流出系數(shù)和流束膨脹系數(shù)的不確定度和：其估算方法上節(jié)已述。

（2）節(jié)流件孔徑的不確定度：一般在按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法實(shí)測(cè)的情況下，按置信概率95%估算，最大值估計(jì)為±0.07%。（3）管徑的不確定度：在按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定實(shí)測(cè)的情況下，按置信概率95%估算，的最大值估計(jì)為±0.4%，若所用的D為管徑的公稱尺寸，則最大值估計(jì)為±2%。

（4）差壓測(cè)量值的不確定度：

按變送器和差壓計(jì)的精確度等級(jí)來估計(jì)差壓測(cè)量誤差。一般認(rèn)為差壓計(jì)的最大絕對(duì)誤差3倍于差壓計(jì)測(cè)量Δp的標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)差壓計(jì)的精確度等級(jí)估算出置信概率95%時(shí)的值：=（差壓計(jì)允許絕對(duì)誤差）。（5）密度值的不確定度：

查表計(jì)算第四節(jié)流量測(cè)量的補(bǔ)償

一、補(bǔ)償?shù)脑?/p>

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置是在一個(gè)確定工況（設(shè)計(jì)工況）下設(shè)計(jì)的，當(dāng)實(shí)際工況偏離設(shè)計(jì)工況，因?qū)嶋H工況下的參數(shù)C、ε、β，不同于儀表刻度所使用的參數(shù)，故顯示儀表顯示的流量將不是被測(cè)流量值。

二、補(bǔ)償方法流量示值的壓力、溫度修正——流量儀表的顯示值；——被測(cè)流量值。2、自動(dòng)補(bǔ)償在線測(cè)量時(shí)，自動(dòng)取得現(xiàn)時(shí)的工況參數(shù)（溫度、壓力、差壓）后，由儀表自動(dòng)進(jìn)行流體密度或其他參數(shù)值的計(jì)算。舉例：

1、直徑D=760mm的抽水管道，采用標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量抽出水的流量，孔板的開孔直徑比，管道內(nèi)壓力