各种流量计工作原理、结构图

第一节节流式流量检测如果在管道中安置一个固定的阻力件，它的中间是一个比管道截面小的孔，当流体流过该阻力件的小孔时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压力差。它与流量(流速)的大小有关，流量愈大，差压也愈大，因此只要测出差压就可以推算出流量。把流体流过阻力件流束的收缩造成压力变化的过程称节流过程，其中的阻力件称为节流件。作为流量检测用的节流件有标准的和特殊的两种。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管，如图9.1所示。对于标准化的节流件，在设计计算时都有统一标准的规定要求和计算所需的有关数据、图及程序；可直接按照标准制造、安装和使用，不必进行标定。图9.1标准节流装置特殊节流件也称非标准节流件，如双重孔板、偏心孔板、圆缺孔板、1/4圆缺喷嘴等，他们可以利用已有实验数据进行估算，但必须用实验方法单独标定。特殊节流件主要用于特殊；介质或特殊工况条件的流量检测。目前最常见的节流件是标准孔板，所以在以下的讨论中将主要以标准孔板为例介绍节测式流量检测的原理、设计以及实现方法等。一、检测原理设稳定流动的流体沿水平管流经节流件，在节流件前后将产生压力和速度的变化，如刚9.2所示。在截面1处流体未受节流件影响，流束充满管道，管道截面为A1，流体静压力为p1，平均流速为v1，流体密度为1。截面2是经节流件后流束收缩的最小截面，其截面积为A2，压力为P2，平均流速为v2，流体密度为2。图9.2中的压力曲线用点划线代表管道中心处静压力，实线代表管壁处静压力。流体的静压力和流速在节流件前后的变化情况，充分地反映了能量形式的转换。在节流件前，流体向中心图9.2流体流经节流件时压力和流速变化情况加速，至截面2处，流束截面收缩到最小，流速达到最大，静压力最低。然后流束扩张，流速逐渐降低，静压力升高，直到截面3处。由于涡流区的存在，导致流体能量损失，因此在截面3处的静压力P3不等于原先静压力p1，而产生永久的压力损失p。设流体为不可压缩的理想流体，在流经节流件时，流体不对外作功，和外界没有热能交换，流体本身也没有温度变化，则根据伯努利方程，对于截面1、2处沿管中心的流线有以下能量关系：22220220210110vpvp（9-1）因为是不可压缩流体，则21。由于流速分布的不均匀，截面1、2处平均流速与管中心的流速有以下关系：22201110,vCvvCv（9-2）式中C1，C2为截面1、2处流速分布不均匀的修正系数。考虑到实际流体有粘性，在流动时必然会产生摩擦力，其损失的能量为2221v，为能量损失系数。在考虑上述因素后，截面1、2处的能量关系可写成：22222220212110222vvCpvCp（9-3）根据流体的连续性方程，有2211vAvA（9-4）又设节流件的开孔面积为A0，定义开口截面比m=A。／A1，收缩系数=A2／A0。联解式(9-2)-式（9-4）可得2010222122221ppmCCv（9-5）因为流束最小截面2的位置随流速而变，而实际取压点的位置是固定的；另外实际取压是在管壁取的，所测得的压力是管壁处的静压力。考虑到上述因素，设实际取压点处取得的压力为21pp和，用它代替式(9-5)中管轴中心的静压力2010pp和时，需引入一个取压系数，并且取212010pppp（9-6）将上式代入（9-5），并根据质量流量的定义，可写出质量流量与差压21ppp的关系：pmCCAAvqm2222122022（9-7）令流量系数为222122mCC（9-8）于是流体的质量流量可简写为pAqm20（9-9）体积流量为pAq20（9-10）对于可压缩性流体，考虑到气体流经节流件时，由于时间很短，流体介质与外界来不及进行热交换，可认为其状态变化是等熵过程，这样，可压缩性流体的流量公式与不可压缩性流体的流量公式就有所不同。但是，为了方便起见，可以采用和不可压缩性流体相同的公式形式和流量系数，只是引入一个考虑到流体膨胀的校正系数，称可膨胀性系数，并规定节流件前的密度为1，则可压缩性流体的流量与差压的关系为pAqpAqvm101022（9-11）式中可膨胀性系数￡的取值为小于等于1，如果是不可压缩性流体，则=1。式（9-11）成为流量方程，也称流量公式。在实际应用时，流量系数常用流出系数C来表示，它们之间的关系为：41C（9-12）式中Dd，称为直径比。这样，流量方程也可写成：pACqpACqvm1401402121（9-13）二、标准节流装置节流装置包括节流件、取压装置和符合要求的前、后直管段。标准节流装置是指节流件和取压装置都标准化，节流件前后的测量管道也符合有关规定。它是通过大量试验总结出来的，装置一经设计和加工完毕便可直接投入使用，无需进行单独标定。这意味着，在标准节流装置的设计、加工、安装和使用中必须严格按照规定的技术要求、规程和数据进行，以保证流量测量的精度。下面以标准孔板为例介绍标准节流装置的结构、特性和安装等的技术要求及规程：图9.3标准孔板(1)标准节流件——孔板标准孔板是一块具有与管道轴线同心的圆形开孔的、两面平整且平行的金属薄板，其剖面图如图9.3所示。它的结构形式和要求如下(详见标准GB／T2624—93)：1)标准孔板的节流孔直径d是一个很重要的尺寸，在任何情况必须满足75.020.05.12Ddmmd同时，节流孔直径d值应取相互之间大致有相等角度的四个直径测量结果的平均值，并要求任一单测值与平均值之差不得超过直径平均值的士0.05％。节流孔应为圆筒形并垂直于上游端面A。2)孔板上游端面A的平面度(即连接孔板表面上任意两点的直线与垂直于轴线的平面之间的斜度)应小于0.5％，在直径小于D且与节流孔同心的圆内，上游端面A的粗糙度必须小于或等于10-4d；孔板的下游端面B无需达到与上游端面A同样的要求，但应通过目视进行检查。3)节流孔厚度e应在O.005D与O.02D之间，在节流孔的任意点上测得的各个e值之间的差不得大于O.001D；孔板厚度E应在e与0.05D之间(当50mm≤D≤64mm时，E可以等于3.2mm)，在孔板的任意点上测得的各个E值之差不超过0.001D；如果Ee，孔板的下游侧应有一个扩散的圆锥表面，该表面的粗糙度应达到上游端面A的要求，圆锥面的斜角F为45土15。4)上游边缘G应是尖锐的(即边缘半径不大于0.0004d)，无卷口、无毛边，无目测可见的任何异常；下游边缘H和I的要求可低于上游边缘G，允许有些小缺陷。(2)标准取压装置不同的节流件应采用不同形式的取压装置。对于标准孔板，我国国家规定，标准的取压方式有角接取压法、法兰取压法和D一2D取压法。1)角接取压角接取压的取压口位于上、下游孔板前后端面处，取压口轴线与孔板各相应端面之间的间距等于取压口直径之半或取压口环隙宽度之半。取压口可以是环隙取压口和单独钻孔取压口，分别如图9.4中的a.和b.。当采用环隙取压时，通常要求环隙在整个圆周上穿通管道，或者每个夹持环应至少由四个开孔与管道内部连通，每个开孔的中心线彼此互成等角度，而每个开孔面积不小于12mm2；当采用单独钻孔取压时，取压口的轴线应尽可能以90°与管道轴线相交。显然，环隙取压由于环室的均压作用，便于测出孔板两端的平稳差压，有利于提高测量精度，但是夹持环的加工制造和安装要求严格。当管径D500mm时，一般采用单独钻孔取压。环隙宽度或单独钻孔取压口的直径口通常取4～10mm之间。图9.4角接取压口2)法兰取压和D一2D取压法兰取压装置是没有取压口的法兰，D一2D取压装置是没有取压口的管段，以及为保证取压口的轴线与节流件断面的距离而用来夹紧节流件的法兰，如图9.5所示。图中的法兰取压口的间距1l、2l是分别从节流件上、下游端面量起，而D一2D取压口的间距1l、2l都是从节流件上游端量起。1l、2l的取值见下表。取压口的最小直径可根据偶然阻塞得可能及良好的动态特性来决定，没有任何限制，但上游和下游取压口应具有相同的直径，并且取压口的轴线与管道轴线相交成直角。表9-1取压口间距1l、2l的取值(3)直管段节流装置应安装在符合要求的两段直管段之间。节流装置上游及下游侧的直管段(如图9.5所示)分为如下三段：节流件至上游第一个局部阻力件，其距离为1l；上游第一与第二个局部阻力件，距离为0l节流件至下游第一个局部阻力件，距离为2l。标准节流装置对直段管0l、1l、2l的要求如下：1)直管段应是有恒定横截面积的圆筒形管道，用目测检查管道应该是直的。2)管道内表面应该清洁，无积垢和其他杂质。节流件上游10D的内表面相对平均粗度应符合有关规定。3)节流装置上、下游侧最短直管段长度随上游侧阻力件的形式和节流件的直径比而异最短直管段长度见表9-2。表中所列长度是最小值，实际应用时建议采用比所规定的长度更的直管段。表中的阀门应全开，调节流量的阀门应位于节流装置的下游。如果直管段长度用表中括号内的数值时，流出系数的不确定度要算术相加±O.5％的附加不确定度。如果在流装置上游串联了几个阻力件(除全为90°弯头外)，则在第一个和第二个阻力件之间的长0l可按第二个阻力件的形式，并取=0.7(不论实际值是多少)取表中数值的一半，串联几个90°弯头时0l=O。图9.5节流件上、下游阻力件及直管段长度取压方式1l/mm2l/mm≤0.60.6≤0.60.6法兰取压25.4±125.4±0.5（D150）25.4±1(150≤D≤1000)25.4±125.4±0.5（D150）25.4±1(150≤D≤1000)D一2D取压D±0.1D0.5D±0.02D0.5D±0.01D0.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.750.8010(6)10(6)10(6)12(6)14(7)14(7)14(7)16(8)18(9)22(11)28(14)36(18)46(23)14(7)14(7)16(8)16(8)18(9)18(9)20(10)22(11)26(13)32(16)36(18)42(21)50(25)34(17)34(17)34(17)36(18)36(18)38(19)40(20)44(22)48(24)54(27)62(31)70(35)80(40)55555556(5)8(5)9(5)11(6)14(7)22(11)30(15)16(8)16(8)16(8)16(8)16(8)17(9)18(9)20(10)22(11)25(13)30(15)38(19)54(27)18(9)18(9)18(9)18(9)20(10)20(10)22(11)24(12)26(13)28(14)32(16)36(18)44(22)12(6)12(6)12(6)12(6)12(6)12(6)12(6)14(7)14(7)16(8)20(10)24(12)30(15)4(2)4(2)5(2.5)5(2.5)6(3)6(3)6(3)6(3)7(3.5)7(3.5)7(3.5)8(4)8(4)例9.1如图9.5所示，设阀门为全开闸阀，管道直径D=300mm，孔板开孔直径d=120mm，试确定直管段0l、1l、2l的长度。解直径比4.0300/120/Dd由表9-2查得1l=14D，2l=6D，0l=1/2×20D把D=300mm，代入，即可求得各直管段长度：0l=3000mm1l=4200mm2l=1800mm三、节流式流量计节流式流量计是基于节流装置的一种流量检测仪表，也称差压型流量计。它由节流装置(节件和取压装置)、引压导管、差压计和显示仪表组成，框图如图9.6所示。图9.6节流式流量计框图节流装置把流体流量vmqq转换成差压21mqKp，通过引压导管送到差压计。差压计进一步将差压信号转换