差压式流量计

第六节差压式流量计1、概述差压式流量计(以下简称流量计)是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。流量计由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件的型式对流量计分类，如孔板流量计及均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流量显示及计算仪表，它已发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。差压计既可用于测量流量参数，也可测量其他参数(如压力、物位、密度等)。在目前使用的各类流量计量仪表中，对差压式流量计的研究最为深入，积累了大量的实验数据，使其成为目前唯一可以进行“干标”（即无需进行实流标定）的流量计，大大节约了检定费用，为其推广应用开辟了广阔前景。据有关统计，20世纪90年代中后期世界范围内各式差压式流量计销售量在流量仪表总量中台数占50％~60％(每年约百万台)，金额占30％左右。我国销售台数约占流量仪表总量(不包括家用燃气表和家用水表及玻璃管浮子流量计)的35％—42％(每年6万-7万台)。2、差压式流量计的分类流量计按其检测件的作用原理可分为节流式、动压头式、水力阻力式、离心式、动压增益式和射流式等几大类，其中以节流式应用最为广泛，本文重点对节流式流量计进行说明。节流式流量计的检测件按其标准化程度分为标准型和非标准型两大类。所谓标准节流装置是指按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流校准即可确定其流量值并估算流量测量误差，非标准节流装置是成熟程度较差，尚未列入标准文件中的检测件。标准型节流式流量计的发展经过漫长的过程，早在20世纪20年代，美国和欧洲即开始进行大规模的节流装置试验研究。用得最普遍的节流装置——孔板和喷嘴开始标准化。现在标准喷嘴的一种型式ISA1932喷嘴，其几何形状就是30年代标准化的，而标准孔板亦曾称为ISA1932孔板。节流装置结构形式的标准化有很深远的意义，因为只有节流装置结构形式标准化了，才有可能把国际上众多研究成果汇集到一起，它促进检测件的理论和实践向深度和广度拓展，这是其他流量计所不及的。1980年ISO(国际标准化组织)正式通过国际标准ISO5167，至此流量测量节流装置第一个国际标准诞生了。ISO5167总结了几十年来国际上对为数有限的几种节流装置(孔板、喷嘴和文丘里管)的理论与试验的研究成果，反映了此类检测件的当代科学与生产的技术水平。2.1非标准节流装置我们通常称ISO5167(或GB／T2624)中所列节流装置为标准节流装置，其他的都称为非标准节流装置，应该指出，非标准节流装置不仅是指那些节流装置结构与标准节流装置相异的，如果标准节流装置在偏离标准条件下工作亦应称为非标准节流装置，例如，标准孔板在混相流或标准文丘里喷嘴在临界流下工作的都是。目前非标准节流装置大致有以下一些种类：1)低雷诺数用1／4圆孔板，锥形入口孔板，双重孔板，双斜孔板，半圆孔板等；2)脏污介质用圆缺孔板，偏心孔板，环状孔板，楔形孔板，弯管节流件等；3)低压损用罗洛斯管，道尔管，道尔孔板，双重文丘里喷嘴，通用文丘里管，Vasy管等；4)小管径用整体(内藏)孔板；5)端头节流装置端头孔板，端头喷嘴，Borda管等；6)宽范围度节流装置弹性加载可变面积可变压头流量计(线性孔板)；7)毛细管节流件层流流量计；8)脉动流节流装置；9)临界流节流装置音速文丘里喷嘴；10)混相流节流装置。节流式流量计现场应用的不断拓展必然提出发展非标准节流装置的要求，十余年来ISO亦在不断制订有关非标准节流装置的技术文件，在它们不能成为正式标准之前作为技术报告发表。可以预见，今后有可能若干较为成熟的非标准节流装置会晋升为标准型的。2.2标准节流装置标准节流装置按结构形式分为：1)标准孔板又称同心直角边缘孔板，其轴向截面如图4．2所示。孔板是一块加工成圆形同心的具有锐利直角边缘的薄板。孔板开孔的上游侧边缘应是锐利的直角。标准孔板有三种取压方式：角接、法兰及D-D／2取压；为从两个方向的任一个方向测量流量，可采用对称孔板，节流孔的两个边缘均符合直角边缘孔板上游边缘的特性，且孔板全部厚度不超过节流孔的厚度。2)标准喷嘴有两种结构形式：ISAl932喷嘴和长径喷嘴。a.ISAl932喷嘴上游面由垂直于轴的平面、廓形为圆周的两段弧线所确定的收缩段、圆筒形喉部和凹槽组成的喷嘴。ISAl932喷嘴的取压方式仅角接取压一种。b.长径喷嘴上游面由垂直于轴的平面、廓形为1／4椭圆的收缩段、圆筒形喉部和可能有的凹槽或斜角组成的喷嘴。长径喷嘴的取压方式仅D-D／2取压一种。3）文丘里管有两种结构形式：经典文丘里管和文丘里喷嘴a.经典文丘里管由人口圆筒段A、圆锥收缩段B、圆筒形喉部C和圆锥扩散段E组成。根据不同的加工方法，有以下结构形式：①具有粗铸收缩段的；②具有机械加工收缩段的；③具有铁板焊接收缩段的。b.文丘里喷嘴由进口喷嘴、圆筒形喉部及扩散段组成。3、流量计的结构和工作原理3.1流量计的结构3.2流量计工作原理3.2.1节流装置的工作原理充满管道的流体流经管道的节流装置，流束将在节流装置处形成局部的收缩，从而使流速增加，静压力降低，于是在节流装置前后产生了静压差（或称差压）。流体的流速越大，在节流件前后产后产生的差压也越大，所以可通过测量差压来衡量流体流过节流装置时的流量大小，这种测量方法是以能量守恒定理（即伯努里方程）和流动连续性方程为基础的。假定未经标定的节流装置与已经经过充分试验标定的节流装置几何相似和动力学相似，亦即符合GB2624（或ISO5167）标准的要求,则在标准规定的不确定度之内，质量流量(qm)与差压的关系由公式（6-1）确定，或者有公式（6-2）确定，体积流量(qV)与差压的关系由公式（6-3）确定。1214241PdCqm（6-1）2224241PdCqm（6-2）212/1PP（6-3）mVqq（6-4）以上式中：C——流出系数无量纲ε1ε2——分别为节流件前后流束可膨胀系数无量纲ρ1ρ2——分别为节流件前后流体密度kg/m3β——直径比(d/D)无量纲d——节流件喉部直径mD——管道内经mΔP——节流件前后静压差即差压Pa3.2.2二次装置的工作原理3.2.2.1差压转换差压转换器（一般采用差压变送器），对节流装置产生的差压进行差压进行测量，并将其值转换为可以被后级仪表识别电信号