節(jié)流式壓差流量計

1、 動力工程及工程熱物理現(xiàn)代測試技術(shù) 學(xué)院：冶金與能源工程學(xué)院姓名： 譚方關(guān) 學(xué)號： 2012702009 專業(yè)： 動力工程 解析節(jié)流式壓差流量計譚方關(guān) 2012702002 昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院摘要：差壓流量計是一種很有發(fā)展前途的流量測量儀表，它具有通用性強、標準節(jié)流件不需實際流體標定等優(yōu)點，因此應(yīng)用范圍十分廣泛。文章介紹了差壓式流量計的結(jié)構(gòu)特點和發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了節(jié)流裝置的發(fā)展狀況和使用時的注意事項。關(guān)鍵詞：標準節(jié)流裝置 取壓裝置 壓差儀表 標準孔板 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)流式流量計是利用節(jié)流效應(yīng)來測量流量的。在管道中安裝一個通徑比管道內(nèi)徑小的節(jié)流件，當流體流經(jīng)節(jié)流件時，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。這個靜壓差的大小與流量有關(guān)，因此通過測量節(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)有突破性的進展，以及節(jié)流件加工工藝的提高，使差壓式流量計的許多局限性可以得到彌補。特別是定值節(jié)流件、一體化節(jié)流式流量計的出現(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)濟指標達到一個新的高度。此外，國內(nèi)在差壓流量計應(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、進口流量管）所產(chǎn)生的壓差（p）來計算流量的，即 它廣泛的用于氣體、液體的流量測量。只是這種測量的計算方程中有平方根項，帶來的非線性因素

5、限制了測量范圍；其次流體的參數(shù)的變化，會造成密度的變化，使得計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(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，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，這個靜壓差也越大。測出節(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。節(jié)流式流量計主要由節(jié)流裝置、壓力信號傳輸管道、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)流式流量計組成示意圖 1

6、-節(jié)流裝置 2-壓力信號傳輸管 3-差壓儀表2.標準節(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)第一個阻力件、第二個阻力件、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)第二個局部阻力件；2-上游側(cè)第一個局部阻力件；3-節(jié)流件； 4-下游側(cè)第一個局部阻力件目前用得最多的是孔板和噴嘴。根據(jù)節(jié)流件的標準差壓儀表化與否，節(jié)流裝置可分為標準節(jié)流裝置和非標準節(jié)流裝置。標準節(jié)流裝置的流量與差壓的關(guān)系以及測量誤差等都可按標準規(guī)定計算得到。我國已按1989年通過的國際標準IOS5167-1對原國標GB

7、2624進行修訂，并于1993.年發(fā)布了新的國標GB/T2624-93。標準節(jié)流裝置應(yīng)根據(jù)我國流量測量節(jié)流裝置國家標準和檢定規(guī)程進行設(shè)計、制造、安裝和使用。2.1標準節(jié)流件及取壓裝置目前，國標規(guī)定的標準節(jié)流件的形式和取壓方式有標準孔板，可采用角接取壓、法蘭取壓；標準噴嘴（也稱ISA1932噴嘴），采用角接取壓。另外，國際上還有其他的已標準化的節(jié)流件，如徑距取壓標準孔板，徑距取壓長徑噴嘴，后者也稱ASME噴嘴。(1) 標準孔板標準孔板的全稱是“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。其標準孔板的開孔直徑d是一個重要尺寸，其值由設(shè)計計算而定，

8、加工公差見表2-1.對制成的孔板，必須嚴格測定其上游側(cè)端面的孔徑d，應(yīng)在四個大致相等的角度上測得并求其平均值，要求各個單測值與平均值之差在0.05%范圍內(nèi)。圖2-1 標準孔板 圖2-2 標準噴嘴E=0.020.05D （a）23(b)23 e=0,.0050.02D表2-1標準孔板開孔直徑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標準孔板適用范圍如表2-2所示。表2-2 標準孔板適用范圍角接取壓法蘭取壓徑距取壓12.

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

10、詳細的要求，可參閱國標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，其值為整個圓周上靜壓的平均值，環(huán)隙寬度a規(guī)定為：對于清潔流體，當時；當時，。對于任意值，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。測量蒸汽和液化氣體時，取壓孔直徑可在410mm之間，單獨鉆孔取壓適用于節(jié)流件上游有足夠長的直

11、管段，以及節(jié)流件前后壓差較大時采用。圖2-3 環(huán)室取壓和單獨鉆孔取壓裝置結(jié)構(gòu)2.4法蘭取壓裝置法蘭取壓裝置如圖2-4所示，標準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使用標準節(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、下游的流動情況有關(guān)，因此，適用于標準節(jié)流裝置的流體、流動條件及管道條件等必須符合標準規(guī)定。（1） 標準節(jié)流裝置只適用于測量

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，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)流件上下游測的最小直管段長度節(jié)流件上游側(cè)局部阻力件形式和最小直管段長度l1單個直角彎頭或者三通同一平面上有多個直角彎頭空間彎頭（在不同平面內(nèi)有多個直角彎頭）異徑管（大變小，2DD，長度3D；小變大0.5DD，長度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)流件的實際數(shù)值值為多少）， 由表所查的L值折半。為保證對節(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)計使用手冊，以確其對測量的影響。3.標準節(jié)流裝置的的流量公式節(jié)流式流量計是通過測量節(jié)流件上、下游側(cè)靜壓差來獲得流量值。因此，必須確定這個靜壓差和流量之間有怎樣的定量關(guān)系。可以通過分析流體流經(jīng)節(jié)流件前后的流動情況，并利用伯努利能量守恒定律和流體流動的連續(xù)性來得到。3.1標準節(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。這里，對

16、流束還未開始收縮的A界面和流束收縮至最小時的B截面，列出它們之間的伯努利能量守恒方程和流動連續(xù)性方程。截面A和截面B一元流動的伯努利方程如下：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界面處的動能修正系數(shù)；是阻力系數(shù)。流動連續(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，要測出其截面的大小AB和此處的靜壓PB是不現(xiàn)實的；另外，流束還未收縮的截面位置也不易確定。因

17、此，靜壓PA也不能準確測出。鑒于以上情況，在實際測量中，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是由實驗確定的。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值已有較簡單而精確的經(jīng)驗公式。將、C帶入，可得上式為不可壓縮流體的力量公式。對

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，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、和C值的影響用一個流束膨脹系數(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. 壓差流量計的特點3.1壓差流量計的優(yōu)點節(jié)流式差壓流量計的主要優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面。1)節(jié)流件標準孔板結(jié)構(gòu)易于復(fù)制、簡單、牢固、性能穩(wěn)定可靠、使用期限長、價格低廉。節(jié)流式差壓流量計應(yīng)用范圍極為廣泛，至今尚無任何

19、類型的流量計可與之相比。2) 檢測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)濟生產(chǎn)，它們的結(jié)合靈活、方便。3) 檢測元件，特別是對標準型元件的檢測，是全世界通用的，并得到國際標準化組織的認可。對標準型檢測元件進行的實驗研究是國際性的，其他流量計一般依靠個別廠家或研究群體進行，因此，研究的深度和廣度不可同日而語。從時間上看，標準型檢測件自20世紀30年代國際標準化組織確定后始終沒有改變，其研究資料及生產(chǎn)實踐的積累極其豐富，應(yīng)用范圍廣泛。4) 標準型節(jié)流裝置無需實流校準，即可投入使用，在流量計中也是唯一的。32 節(jié)流式差壓流量計的缺點節(jié)流式差壓流量計的缺點主要有：1)測量的重復(fù)性

20、、精確度在流量計中屬于中等水平，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(壓差)與流量為平方關(guān)系，一般范圍度僅為3：14：1。3)現(xiàn)場安裝條件要求高，如需要較長的直管般(指孔板、噴嘴)，一般難滿足。4)檢測件與壓差檢測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)及信號失真等故障。5)壓力損失大(指孔板、噴嘴)。33 流量測量儀表的發(fā)展方向隨著工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的進步，綜合控制和管理系統(tǒng)會越來越多。流量測量儀表是傳輸現(xiàn)場信息的重要部分，流量測量儀表的發(fā)展方向主要有： 1)大量地、準確地傳輸信息，這就需要以可靠性作為首要條件的小型、輕型、低價格、操作容易的流量測量儀表。2)系統(tǒng)實行分散化，將系統(tǒng)的一部分功能轉(zhuǎn)移到流量測量儀表