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差压式流量计的基本原理与分类


文章日期:2018-09-10|阅读数:


摘  要:虽然流量计已成功地应用于工业愈百年,但是目前在全部流量计中一种能达到***新国际标准 ISO5167 — 1、ISO5167 —2、ISO5167 — 3 和 ISO5167 — 4 标准的流量计只有差压式流量计。所谓“标准化”就是无须实验校准而确定差压与流量的关系,并可估算其测量误差。本文略述差压式流量计的基本工作原理与分类,以供参考。

1、差压式流量计的工作原理:
  差压式流量计的工作原理如下:流体流经一个收缩(节流)件时,流体将被加速。这种流体的加速将使它的动能增加,而同时按照能量守恒定律,在流体被加速处它的静压力一定会降低一个相对应的值。能量守恒定律告诉我们:在一个封闭的系统中,流体的总能量是一个常数。为进一步进行定量分析,见下图:
计算公式

  在横截面 1 处,流体的平均流速是 V1,其密度是ρ 1,管道在横截面 1 处的横截面积是A1;当流体流过横截面 2 时,相应的平均流速是 V2,密度是ρ 2,横截面积是 A2,根据流体流动连续性原理有如下关系式:V1·A1·ρ1 = V 2 ·A 2 · ρ 2 … ( 1 )如果流体是液体,可认为在收缩前、后其密度不变,即ρ1=ρ2=ρ所以液体的体积流量:q V = V1·A1 =V2·A2   (2)根据别努利方程(能量守恒定律),在水平管道上 Z1 = Z2,则有如下关系式:
计算公式

  又由于流出系数 C 的定义是:C= ,***后可得出节流式差压流量计普遍适用的实际量公式:
计算公式
  质量流量 qm=qv·ρ 1……(6)式 中 :——被测介质的可膨胀性系数,对于液体=1;对气体、蒸气等可压缩流体  < 1;qv ——流体的体积流量,[m3/s];(工况下流体的体积流量);qm ——流体的质量流量,[㎏ /S];d ——工作状况下节流件的等效开孔直径,[m](对于孔板是孔径,对于文丘得管是喉径,对于 VNZ 流量计是等效开孔直径);△ P —差压,△ P=P1-P2;[Pa];ρ 1 ——工作状况下,节流件(前)上游处流体的密度,[㎏ /m3];C ——流出系数,[—]无量纲;β——直径比[—]无量纲。β =d / D。如果要求有高准确度的测量结果,如要求不确定度是± 0.5% 的流量值,那么就需要在规定的流量范围和相对应的雷诺数范围内进行校准,即标定出 C 值。如果± 1% 到 2% 的精度是可以接受的,那么对于孔板、喷嘴和文丘利管等标准节流装置可以根据***新国标标准 ISO-5167(2003)或我国标准来确定C(流出系数值)。

2、差压式流量计的分类:
  以往采用有差压式流量计的分类原则大致上有以下三种:
  按产生差压的作用原理分类:包括分类类型有:节流式;动压式;水力阻力式;离心式;动压增压式;射流式。其中节流式是差压流量计的主要品种,关于节流式差压计进一步合理分类将在下文作专题论述。按结构形式分类:标准孔板;标准喷嘴;经典文丘利管;标准文丘利喷嘴;圆缺孔板;耐磨孔板;环形孔板;锥形入口孔板等约20多种,详见文献。按用途分类又可分为:标准节流装置;脏污流节流装置;低雷诺数节流装置;低压损节流装置;宽量程节流装置;小管径节流装置;临界流节流装置等。

3、节流式流量计的合理分类:
  依据流体通过节流件时,部分静压能转变为动能,因而产生差压的原理工作。其检测件被称为节流装置。按照流体被节流件节流的方式,即实现流体收缩的方式,可将节流装置细分为以下的两大类,共四个小类,这样有助于从分类学的高度认识各种节流装置由于其自身结构所决定的优缺点。

3.1、中心收缩式节流装置:
  利用节流件将被测流体节流集中收缩到管道中心轴线附近的节流,这是到目前为止绝大多数节流式流量计所采用的节流方式,在该大类中,又可分成以下两个小类:
  中心突然收缩式节流装置:即流体流入节流装置后,预先没有流经任何预收缩件而突遇节流件并在管轴中心线附近形成收缩的节流装置,它的典型代表就是标准孔板,孔板是一个带有同心(同轴)圆孔或偏心圆孔的一块板,当流体流过时由所开的圆孔形成流体的局部收缩。在孔板下游会形成幅度相当大的旋涡,它会使量程比缩小,差压信号中的噪声增大,降低流量计的测量精度,压损增大。由孔板所造成的这种中心突然收缩的节流方式所带来的其他缺点还有:要求的上游直管过长(一般至少20D至50D);孔板前极易积污;孔板入口极易被磨损从而丧失精度;流出系数不稳定,线性差。
  中心逐渐收缩式节流装置:流体进入节流装置后,先经逐渐收缩段,然后进入中心轴线附近的喉部,***后经扩散段而流出节流装置,它以经典文丘利管为代表,由于实现了逐渐收缩与扩散,压损较小。一般说来,文丘利管的流出系数接近于1,但是由于磨损和使用,此流出系数可能有变化。文丘利管的主要缺点有:安装费用高;要求的上游直管段较长(与阻流件及β值有关);不适合于测量含湿(或冷凝液)的气体;测量含固体颗粒的流体时,易于被堵塞;当用于大口径管线时,文丘利管体积庞大,而且非常笨重,价格昂贵;量程比小(仅5:1);总重量太大;铺设的总长度太长。

3.2、边壁收缩式节流装置:
  利用同轴安装在管道中的节流件,将流体节流,收缩到管道的内边壁附近,让流体流过由节流件与管内壁所形成间隙,从而形成节流件前后的差压;通过测量此差压Δ P,实现流量测量。可以分为以下两类:
  突然收缩式:可以用环形孔板作为此类节流装置的典型代表,环形孔板是一个实现流体在边壁突然收缩的节流装置,它由一个被同轴安装在测量管中的圆盘、三脚支架和中心轴管组成。由盘上测量全(滞止)压力的测压孔所测得的上游压力和圆盘上朝向下游的取压孔所测得的下游压力经中心轴传送到差压变送器。环形孔板的优点是既能疏泄管道底部的液体或固体颗粒又能使被测液体中的气体或蒸气沿管道顶部通过,排出节流装置。对于脏污流体,朝向上游的取压孔仍有被堵塞的危险。关于与管道尺寸之间的相互关系的数据目前公布的很少,一些在常用β值下,用环形孔板测量干净空气流量的数据。
  逐渐收缩式:以V 形内锥流量计为代表利用同轴安装在测量管中的V 形尖圆锥,将流体逐渐地节流,收缩到管道内壁附近。通过测量此V形内锥体前后的差压来实现流量测量.通过以上的分类学分析,可以看清,人类对节流式流量计的改进进程,V 形内锥流量测量节流装置是对已有节流式流量计改进完善的必然结果。


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