热工论文差压流量计的组成与工作原理

作者：星星82768 | 发布时间：2022-05-03 13:03:28 收藏本文下载本文

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差压流量计的组成与工作原理

摘要：差压式流量计是使用最广泛的一种流量测量仪表。本文重点介绍了差压式流量计的基本工作原理, 以及差压式流量计的各项特性与技术指标。并根据其测量原理分别介绍了目前已投入使用的各种类型的差压式流量计及常用流量计的特点和用途。差压式流量计是使用历史最久，使用zui广泛的一种流量测量仪表，同时也是目前生产中最成熟的流量测量仪表之一。它具有原理简明，设备简单，无可动部件，工作可靠，寿命长，应用技术成熟，容易掌握等特点。

关键词：（3-5个）

差压式流量孔板威力巴流量计 v型流量计双锥流量计

正文：随着仪表技术的发展, 越来越多的流量测量手段被应用到工业各领域中。其中差压式流量计以其较低的价格, 广泛的应用场合, 长期的使用经验, 以及越来越高的精度, 在流量测量中一直占有非常重要的地位。根据安装于管道中流量检测件产生的差压和已知的流体条件, 以及检测件与管道的几何尺寸, 可选择不同的差压计, 以提高检测精度、稳定性并延长流量计的使用寿命。

1.1 差压式流量计的工作原理

当流体经过一个节流件时, 由于管道截面积突然变小, 收缩截面内流体的流速急速增大, 从而增加流体的动能。由于在流体收缩段内流体能量损失很小, 因此可以假设在流体收缩段流体的总能量是一个常数。根据能量守恒定律, 在理想情况下, 流体被加速后部分静压能转变为动能, 即流体的静压力会降低一个相应的值, 因而产生差压, 这两个压力之差与流量间呈一定的函数关系, 通过测量差压, 就可以测得流量[1]。

图1 差压式流量计原理图下载原图

如图1所示, 在横截面1处, 流体的平均流速是V1, 密度是ρ1, 管道的横截面积是A1, 当流体流过横截面2时, 相应的平均流速是V2, 密度是ρ2, 管道的横截面积是A2, 根据流体流动连续性原理有:

如果流体是液体, 可认为流体在整个节流过程中密度不变, 即:

所以液体的体积流量为:

根据伯努利方程(能量守恒定律), 在水平管道上Z1=Z2=ρ1gh, 则有如下关系式:

应用伯努利方程和流动连续性原理, 在两个横截面上则有如下关系式:

由式(3)得:

于是, 可以整理得:

根据直径比的定义:β=d/D, 由V2=qv/A2得:

故:

又由于流出系数C=实际流量/理论流量, 可得出节流差压流量计普遍适用的实际流量公式:

式中:ε为气体的可膨胀系数。

质量流量:qm=qvρ1

在双锥形流量计中, 将直径比β等效为:

于是, 对于双锥形流量计, 流体的体积流量公式为:

1.2 差压式流量计的重要性能指标

流出系数、流出系数线性度、相对压力损失等是流量计的重要性能指标。

1)流出系数可由流体流量计算公式导出, 即:

2)定义每个流量点下的流出系数为Ci, 流量计所有流量点下的平均流出系数为 , 将流出系数线性度的计算公式表示为:

3)本文采用流线型设计思想的目的是要最大程度地减小流量计的压力损失, 将相对压力损失作为流量计的重要考察指标之一, 定义为:

式中:Δω为永久压力损失, 即由于流量计的安装所造成的额外压力损失;Δp为双锥流量计正常测量差压值。

2 几类常用的差压式流量计

2.1 孔板

孔板是一种非常成熟的流量测量方式, 根据各种不同的工况, 会选用不同形式的孔板。常见的有标准孔板、圆缺孔板、偏心孔板、1/4圆孔板等。

标准孔板适用一般洁净, 黏度不大的介质;圆缺孔板适用黏度较高, 比较脏的介质;1/4圆孔板适用于黏度较高, 流速较小的介质;偏心孔板适用于包含固体颗粒物流体的流量测量。

目前在孔板计算中最权威的应属ISO 5167中的有关公式, 根据不同流介特性选择不同形式孔板。选型中非常重要的一点就是, 在一种工况下, 当多种类型孔板都能够采用的时候, 由于标准孔板的制造规范是经长期、大量实验推导出来的, 有很高的可靠性, 应尽量选用符合ISO 5167-2或GB/T 2624—93规范的标准孔板, 只要制造厂按标准加工, 其流量是无需标定的, 而非标准孔板及大部分其它流量计出厂时必须要经专门的检测标定。

在孔板设计计算中, 重要的是要处理好刻度流量、差压上限和β之间的关系。根据刻度流量, 设定一常规β值, 计算Δp值, 再根据Δp值适当调整β值。刻度流量通常是正常操作流量的1.3倍与最大流量的1.1倍, 两者取最大值, 或是满足正常流量是刻度流量的70%左右, 最小流量不低于25%;差压上限一般推荐10, 16, 25, 40, 50kPa几档, β值取0.5~0.6为推荐值。

“小进大出”是仪表行业人员对于孔板安装流向的常用语, 其意思是孔板的锐边应迎着被测流体的流向, 使流体从孔板的上游端流向孔板的下游端面。这对于标准孔板、圆缺孔板和偏心孔板都是正确的, 然而1/4圆孔板和锥形入口孔板却恰恰相反, 它们开孔的锋利端必须背着被测流体的流向, 是“大进小出”。

2.2 威力巴流量计

威力巴流量计的探头为单片双腔结构, 它的截面采用了子弹头形状, 在其前部表面进行了粗糙化处理, 通过面积积分所得的多对取压孔遍及整个管道的速度剖面。迎面流体的取压孔读取高压平均信号, 在探头侧后的两边, 流体与探头的分离点之前的低压取压孔读取低压平均信号。

威力巴流量计与其它差压流量计一样都遵循伯努利方程:

式中:QV为流体的体积流量;K为流量系数;C为流量常数;Δp为探头所产生的差压。

式中:Cb为边界层系数;Bv为阻塞系数。

相对于常规的差压式流量计, 威力巴流量计具有以下一些特点:可在各种管径的管道上进行安装, 尤其适用于管径较大的管道中气体流量测量;可在圆管或方管上进行测量;威力巴在安装过程中, 只需要进行简单的焊接, 焊接的工作量从几厘米到十几厘米不等, 基本上与管道的大小无关;因为威力巴采用非收缩节流设计, 比起孔板大大减少了永久压损。

孔板压损经验公式:

式中:β为孔板的孔径比;PPL0为孔板产生的压损;Δp为孔板产生的差压。

威力巴压损经验公式:

由于威力巴的压差Δp比孔板的差压Δp小一个数量级, 而压损比例又小一个数量级, 所以威力巴的压损和孔板的压损相比是微不足道, 因而威力巴流量计的运行成本大大低于孔板的运行成本。

2.3 V型锥流量计

V型锥流量计[2,3]是一种新型差压式流量计, 主要用于大流量的精确计量。从结构上看, V型流量计是一个圆锥体悬挂于管道的中央, 流体从锥体的顶部方向进入, 从底部方向流出。它从根本上“将流体收缩到管道中心”的概念改变成“收缩到管道的内边壁”。原理与孔板流量计相同, 都是通过节流前后的压差来测量流量。区别在于孔板流量计是管道四周节流, 属于突然收缩式节流装置, V型流量计是中央节流, 属逐渐收缩式节流装置。

V型流量计的稳定流量的计算公式为:

式中:K为常数;Y为气体膨胀系数, 在非压缩应用时Y=1;"为流体的重度。

虽然V型流量计流量测量公式与孔板相似, 但几何结构完全不同, 因而相对孔板具有以下一些特点:

1)无苛刻的直管段要求

V型流量计的锥体本身重新安排了上游的流速分布, 相当于自带了整流器, 从而大大缩短了直管段的长度要求。按照新规范, 孔板的上下游直管段至少要保证22D, 而V型流量计一般上游只需(1~2)D直管段长, 而下游需(3~5)D或更小的直管段。

2)相对压损小

由于没有锐利的边口, V型流量计带来的压力损失是恒定的, 且远比孔板的压损小。V型锥流量计背压稳定, 所以可把正常使用的差压放在较低的范围内, 满量程差压一般为(4~5)kPa或更低, 正常流量对应的差压大概在2kPa左右, 永久压损在1kPa左右。

3)改变流速轮廓

一个V型锥体悬挂在管道中心, 改变了管道内流体速度分布, 从而达到使流速相对“匀化”的效果, 这使得V型锥体流量计在流速较低时, 仍能产生足够的压差。

2.4 双锥流量计

双锥流量计在V形内锥流量计的基础上对其尾部进行了改进, 通过一段喉部连接一个锥体, 这对尾部的流体有一定的导流作用, 减少漩涡, 从而有效地降低压力损失。这种流量计具有如下特点:

1)双锥形流量计结构简单、加工方便、在管道中坚固结实、无可动部件、性能稳定可靠;由于流量计结构设计是流体扫过型结构, 不容易截留流体中夹带的气、液或固相污物, 也不易磨损, 非常适用于对脏污流体的流量测量, 使用寿命长。

2)适用范围广泛。所有单相流体, 包括液、气、蒸汽皆可测量, 部分混相流, 如气固、气液等亦可应用。一般工业生产过程的管径、工作状态(压力、温度)皆可测量。

3)检测件与差压变送器、显示仪表可分别由不同厂家生产, 这种生产方式便于专业化和规模经济生产, 并且两者可以自由组合, 非常灵活方便。

4)具有整流与混合作用。双锥流量计的头部能将流体流动调整为稳定的环形通道流动, 对各种复杂的非规则来流具有很强的适应能力, 因此不需要在流量计的上游安装流动调整器, 也可以大大缩短传统差压流量计所必需的较长上游直管道。

5)永久压损相对小。流体流过双锥节流件时, 节流装置的尾部可使高速流体在扩张的环形通道中避免因剧烈的减速增压而造成流动分离, 使永久压损相对降低。在得到较大差压信号的条件下, 65%左右的压力得到恢复, 且流量越大, 相对压损越小。

3 结论

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唯一能达到最新国际标准ISO5167-1、ISO 5167-2、ISO 5167-3和ISO 5167-4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。本文介绍了几种差压式流量计在实际工程中的选型方法和使用技巧, 经过实际工程使用证明它对提高检测精度、增加流量计的稳定性和延长使用寿命都有一定的作用。

参考文献：（不少于10篇，格式一致）