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详细剖析孔板差压流量计的原理及流量公式

发布时间:2021-01-13

差压流量计广泛应用于各个行业,历史悠久,其使用量居各类流量计之首。近年来,由于各种新型流量计的不断出现,其使用量已经下降。
差压式孔板流量计由节流装置、压力管和差压计三部分组成。差压流量计利用流体流动的节流原理实现流量测量。节流原理是流体在带有节流装置的管道中流动时,流体在节流装置前后管壁处的静压不同。
1.孔板流量计原理。
流动流体的能量有两种形式:静压能和动能。流体因流速而具有静压能和动能。在一定条件下,这两种形式的能量可以相互转化。根据能量守恒定律,静压能和动能的总能量,加上克服流体流动阻力的能量损失,等于。
图2显示了节流装置之前和之后第一、第二和第三部分的流体压力和速度分布。在到达第一部分之前,流体以一定速度v1流动,此时静压为p1。当接近节流装置时,由于节流装置的阻碍,管壁附近的流体被节流装置阻挡,一部分动能转化为静压能,使得节流装置入口端面管壁附近的静水压力升高,远大于管径中心的压力,从而进行节流。
在径向压差的作用下,流体产生径向加速度,使管壁附近的流体颗粒流向向管道中心轴线倾斜,产生脉冲收缩。由于惯性,流速的最小截面不在节流装置的孔口处,而是在通过节流装置后继续收缩,在截面ⅱ处达到最小值。此时流速较大,即v2,然后逐渐膨胀,到截面ⅲ后完全恢复,逐渐下降到初始值,即V3=
流体的流速随着节流装置引起流速的局部收缩而变化,即动能也随之变化。根据能量守恒定律,表征流体静压能的静压也发生变化。在ⅰ段,流体具有静压p1。在ⅱ段,当流速增加到最大值v2时,静压下降到最小值p2,然后随着流速的恢复而恢复。因为节流装置端面的流动面突然收缩,然而节流装置后面的流动面积突然扩大,使得流体形成局部涡流,消耗了一部分能量。同时,当流体流经孔板时,也需要消耗能量来克服摩擦,因此ⅲ段流体的静压p3无法恢复到初始值p1,造成压力损失。ⅰ、ⅱ段的压差(δp=p1-p2)与节流装置前的流体流量是一一对应的,只要测出节流装置前后的压差,流量就可以表示出来。
2.差压流量方程的推导。
当流体流过节流装置时,不做外功,不施加外能,流体本身没有温度变化。管道内流动的流体对于管道内任意两段都符合伯努利方程,选择一段和二段(见图2)进行分析。流体的伯努利方程;
从上面的公式可以看出,流量与压差δp的平方根成正比,对于可压缩流体流量监测,由于体积容易变化,流量方程中要引入膨胀系数ε,基本流量方程可以写成:
其中:qv和qm分别为被测介质的体积流量和质量流量;A0节流装置孔口截面积;ρ节流装置前的流体密度。方程(13)、(14)是节流流量计的流量方程,即压差与流量的定量关系。从基本流量方程可以看出,在其他条件不变的前提下,流量与压差的平方根成正比。要知道流量和压差的真实关系,关键在于α的值。α是受多种因素影响的综合系数。对于标准节流装置,其值可从相关手册中找到。对于非标准节流装置,其值主要通过实验方法获得。
3.差压流量计的优缺点。
3.1差压流量计的优点:
①标准偏差压力流量计应用广泛,结构简单牢固,性能稳定可靠,使用寿命长,安装方便,适用于大流量测量。
②标准节流装置适用于测量直径大于50毫米、雷诺数大于104-105的管道。液体应该是干净的,并且充满所有的管道,没有相变。
3.2差压流量计的缺点:
①差压流量计测量精度低,测量的重复性和程度在流量计中处于中等水平,受各种因素的综合影响难以提高。
②流量测量范围窄。由于流量与仪表信号(差压)的平方根成正比,范围一般只有3:1-4:1。
③现场安装条件要求高。为了保证节流装置前后流体的稳定流动状态,必须在节流装置的上下游布置一定长度的直管段(孔板和喷嘴),一般难以满足。
④差压流量计的压力损失较大,孔板流量计最大,喷嘴流量计次之,文丘里流量计最小,不允许管道压力损失较大时不宜使用。
⑤试件与差压显示仪表之间的引入管道易发生泄漏、堵塞、冻结、信号失真等故障。
4结论。
差压流量计的基本流量方程主要来源于伯努利方程和流体连续性方程。差压流量计是一种具有恒定节流和可变压降的流量计。从基本流量方程可以看出,在流量系数、膨胀系数和节流面积不变的前提下,流量与压差的平方根成正比。该压力表用途广泛,结构简单牢固,性能稳定可靠,使用寿命长,安装方便,适用于大流量、大压力损失的测量。

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