节流式压差流量计

动力工程及工程热物理现代测试技术
学院：冶金与能源工程学院
姓名：谭方关
学号： 2012702009
专业：动力工程
解析节流式压差流量计
谭方关 2012702002 昆明理工大学 冶金与能源工程学院
摘要：差压流量计是一种很有发展前途的流量测量仪表，它具有通用性强、标准节流件不需实际流体标定等优点，因此应用范围十分广泛。

文章介绍了差压式流量计的结构特点和发展应用现状，分析了节流装置的发展状况和使用时的注意事项。

关键词：标准节流装置 取压装置 压差仪表 标准孔板 管道条件 流体条件 Abstract: Differential pressure flow meter is a useful development of the future of flow measurement instruments, it has the versatility, standard cutting pieces without actual fluid calibration, etc., so a very wide range of applications. The article describes the structural
characteristics of the differential pressure flowmeter and development application status, throttling device development and use precautions
Key words: Standard throttling device, a pressure measuring device, differential
pressure meter, standard orifice plate, pipeline conditions, fluid conditions
0前言
节流式流量计是利用节流效应来测量流量的。

在管道中安装一个通径比管道内径小的节流件，当流体流经节流件时，由于通流面积缩小，流束产生收缩，因而流速加快，在节流件的上、下游侧之间产生静压差。

这个静压差的大小与流量有关，因此通过测量节流件上、下游的静压差来获得流量值。

近年来，电子技术的迅猛发展，差压变送器和流量显示技术有突破性的进展，以及节流件加工工艺的提高，使差压式流量计的许多局限性可以得到弥补。

特别是定值节流件、一体化节流式流量计的出现，给传统的节流装置注入了新的活力，使其综合技术经济指标达到一个新的高度。

此外，国内在差压流量计应用方面的研究有所发展，并取得了一定的成果。

它是利用流体流过管道中的节流元件（孔板、喷嘴、进口流量管）所产生的压差（Δp ）来计算流量的，即
1Q K p
=∆
它广泛的用于气体、液体的流量测量。

只是这种测量的计算方程中有平方根项，带来的非线性因素限制了测量范围；其次流体的参数的变化，会造成密度ρ的变化，使得计算变得麻烦并带来了误差，所以节流元件前后压差不能太大；再者，这种形式的流量计(特别是孔板)中的流体压力损失大，在使用中要注意这方面的影响。

1.1基本原理
流体经过孔板。

喷嘴或文丘里管等节流元件时，将产生局部的收缩，其流速增加，静压降低，在节流元件前后产生静压差。

因此，节流装置选定后，压差与流量的关系就确定了，流量越大，这个静压差也越大。

测出节流元件前后的静压差，就可以间接算出流量，所以节流装置也称压差式流量计。

节流式流量计主要由节流装置、压力信号传输管道、差压仪表或差压变送器组所示。

成，如图1-1所示
图1-1节流式流量计组成示意图
1-节流装置2-压力信号传输管
3-差压仪表
2.标准节流装置
节流装置是由节流件、取压装置以及节流件上游侧第一个阻力件、第二个阻力件、下游侧第一阻力件以及它们之间的直管段所组成，如图2-1所示。

节流形式有很多，有孔板，文丘里管，文丘里喷嘴等。

图2-1整套节流装置示意
1-上游侧第二个局部阻力件；2-上游侧第一个局部阻力件；3-节流件；
4-下游侧第一个局部阻力件
目前用得最多的是孔板和喷嘴。

根据节流件的标准差压仪表化与否，节流装置可分为标准节流装置和非标准节流装置。

标准节流装置的流量与差压的关系以及测量误差等都可按标准规定计算得到。

我国已按1989年通过的国际标准IOS5167-1对原国标GB2624进行修订，并于1993.年发布了新的国标GB/T2624-93。

标准节流装置应根据我国流量测量节流装置国家标准和检定规程进行设计、制造、安装和使用。

2.1标准节流件及取压装置
目前，国标规定的标准节流件的形式和取压方式有标准孔板，可采用角接取压、法兰取压；标准喷嘴（也称ISA1932喷嘴），采用角接取压。

另外，国际上还有其他的已标准化的节流件，如径距取压标准孔板，径距取压长径喷嘴，后者也称ASME喷嘴。

(1)标准孔板
标准孔板的全称是“同心薄壁锐缘孔板”，是应用最为广泛的节流件，其形状如图2-1所示。

它是一块中间开圆筒形孔的薄板。

其标准孔板的开孔直径d是一个重要尺寸，其值由设计计算而定，加工公差见表2-1.对制成的孔板，必须严格测定其上游侧端面的孔径d，应在四个大致相等的角度上测得并求其平均值，要求各个单测值与平均值之差在0.05%范围内。

图2-1 标准孔板 图2-2 标准喷嘴
E=0.02~0.05D （a ）β＜2／3 (b)β＞2／3
e=0,.005~0.02D
表2-1标准孔板开孔直径d 的加工公差 开孔直径d(mm) 加工公差（mm ）
开孔直径d()mm
加工公差（mm ）
5≤d ≤≤6 ±0.08 10＜d ≤25 ±0.013 6＜d ≤10
±0.010
d ＞25
d 每增加25mm,公差增加0.013
标准孔板适用范围如表2-2所示。

表2-2 标准孔板适用范围 角接取压
法兰取压
径距取压
12.5mm ≤d
50mm ≤D ≤1000mm 0,2≤β≤0.75
当0.2≤β≤0.45时
Re ≥5000
当β
＞＞0.45时 Re ＞＞10000
表中β=d/D ，称直径比，其中D 为管道内径。

2.2标准喷嘴
标准喷嘴的形状如图2-2所示，它是一个以管道为中心线为轴线的旋转对称体，其郭形由进口断面A 、收缩部分第一圆弧面c1，第二圆弧面c2、圆筒形喉部e 和出口边缘保护槽H 所组成。

圆筒形喉部直径即为标准喷嘴的开孔直径d ，圆筒形喉部长度为0.3d 。

开孔直径d 是重要尺寸，应由计算确定。

标准喷嘴只采用角接取压，其使用范围为：D=50~500mm ；0.3≤β≤0.8；当0.3≤β0.44时，
适用的雷诺数Re D 的范围37
710Re 10D ⨯≤≤；当0.440.β≤
≤，适用于
2R e 1260D D β
≥
47210Re 10D ⨯≤≤。

标准喷嘴和标准孔板的加工制造，安装使用等更详细的要求，可参阅国标GB/T2624-93.
2.3角接取压装置
角接取压装置有环室取压和单独钻孔取压两种。

图2-3所示上半部为环室取压装置的结构，下半部为单独钻孔取压结构。

环室取压的前后环室装在节流件的两侧，并用法兰加紧。

节流件上、下游端面之间所形成的连续环隙上取得的，其值为整个圆周上静压的平均值，环隙宽度a 规定为：对于清洁流体，当0.65β≤时0.0050.03D α≤≤；当0.65β>时，
0.010.02D D α≤≤。

对于任意β值，α应该在1mm~10mm 之间。

为起到均压作用，应使环腔截面积h ×c ≥0.5ΠDa
单独钻孔取压的取压孔可以钻在法兰上，也可以钻在法兰之间的，夹紧环上。

测量蒸汽和液化气体时，取压孔直径可在4~10mm 之间，单独钻孔取压适用于节流件上游有足够长的直管段，以及节流件前后压差较大时采用。

图2-3 环室取压和单独钻孔取压装置结构
2.4法兰取压装置
法兰取压装置如图2-4所示，标准孔板夹持在两块压孔直径相同，其值应小于0.13D ，最大不得超过13mm 。

上游侧取压孔中心线到孔板上游侧端面距离为25.4mm ，下游侧取压孔中心线到孔板下游侧端面距离为25.4mm 。

图2-4 法兰取压装置
2.2使用标准节流装置的流体条件和管道条件
流经节流件的流体流量与节流件前后的压差之间的关系不仅与节流件结构形式和取压方式有关，而且还与流体在节流件上、下游的流动情况有关，因此，适用于标准节流装置的流体、流动条件及管道条件等必须符合标准规定。

（1）标准节流装置只适用于测量圆形截面管道中的单相、均质流体的流量，流体应充满管道并作连续、稳定流动，流速应小于音速。

流体在流过节流件前应是充分发展的紊流，不得有旋转流。

（2）节流件上、下游侧直管段长度有一定要求
节流件上、下游第一阻力件与节流件之间的直管段L1 、L2长度（见图7-3)，取决于上、下游第一阻力件的形式和所用节流件的值，如表所列。

表2-3节流件上下游测的最小直管段长度
β≤节流件上游侧局部阻力件形式和最小直管段长度l1
单个直角弯头或者三通同一平
面上有
多个直
角弯头
空间弯
头（在
不同平
面内有
多个直
角弯
头）
异径管
（大变
小，2D
→D，长
度≥
3D；小
变大
0.5D→
D，长度
≥1.5D）
全开截
止阀
全开闸
阀
节流件下游侧
最小直管段长
度（左面所有的
局部阻力件形
式）
1 2 3 4 5 6 7 8
0.20 10（6）14（7）34（17）16（8）18（9）12（6）4（2）0.25 10（6）14（7）34（17）16（8）18（9）12（6）4（2）0.30 10（6）16（8）34（17）16（8）18（9）12（6）5（2.5）0.35 12（6）16（8）36（18）16（8）18（9）12（6）5（2.5）0.40 14（7）18（9）36（18）16（8）20（10）12（6）6（3）0.45 14（7）18（9）38（19）18（9）20（10）12（6）6（3）0.50 14（7）20（10）40（20）20（10）22（11）12（6）6（3）0.55 16（8）22（11）44（22）20（10）24（12）14（7）6（3）
2
212()
1()A B B A
B A
P P v A
C C A ρξ-=
+-0.60 18（9） 26（13） 48（24） 22（11） 26（13） 14（7） 7（3.5） 0.65 22（11） 32（16） 54（27） 24（12） 28（14） 16（8） 7（3.5） 0.70 28（14） 36（18） 62（21） 26（13） 32（18） 20（10） 7（3.5） 0.75 36（18） 42（21） 70（35） 28（14） 36（18） 24（12） 8（4） 0.80
46（23） 50（25） 80（40） 30（15） 44（22） 30（15） 8（4）
表中所列数值为管道内径的倍数。

上游第一阻力件与第二阻力件之间的直管段长度按上游第二阻力件形式和β≒0.7，不论所用及节流件的实际数值值为多少）， 由表所查的L 值折半。

为保证对节流件上下游管道圆度及粗糙度的要求，应选择几何尺寸及光洁度精度高的金属或非金属管材。

如果使用铸铁等粗糙管道，则需要参考有关设计使用手册，以确其对测量的影响。

3.标准节流装置的的流量公式
节流式流量计是通过测量节流件上、下游侧静压差来获得流量值。

因此，必须确定这个静压差和流量之间有怎样的定量关系。

可以通过分析流体流经节流件前后的流动情况，并利用伯努利能量守恒定律和流体流动的连续性来得到。

3.1标准节流装置的流量公式推导
先讨论不可压缩性流体，如图2-5所示，流体在水平圆管内作连续稳定流动。

这里，对流束还未开始收缩的A 界面和流束收缩至最小时的B 截面，列出它们之间的伯努利能量守恒方程和流动连续性方程。

截面A 和截面B 一元流动的伯努利方程如下：
22211222A A B B B A B P v P v v c c ξρρ*
+=++
式中，B P 、A P 是截面A 、B 中心处的静压力；A ρ、B ρ是A 、B 截面处流体的密
度；
A v 、
B v 是A 、B 截面上流体的平均流速；1
C 、2C 是A 、B 界面处的动能修正系数；ξ
是阻力系数。

流动连续性方程为
式中
A A 、
B A 分别为A 、B 截面的通流面积。

因讨论的是不可压缩流体，所以=A B ρρ，是可表示为
=B A A A v A v
联立方程式解得
则可得流体体积流量为
v B B q A v =
这里要指出的是，由于受流体流动的惯性力的影响，流束收缩到最小截面的位置和大小事岁流量大小的变化而变化，要测出其截面的大小A B 和此处的静压P B 是不现实
=A A A B B B
A v A v ρρ
21
222124
M q d P C C μψπ
ρξμβ=∆+- 2222
11144
22244141M P P q d P C d C D ρρπππαερεεβββ∆∆=∆==-- 的；另外，流束还未收缩的截面位置也不易确定。

因此，静压P A 也不能准确测出。

鉴于以上情况，在实际测量中，用节流件的最小开孔截面A 0带代替A B ,但需要加以修正：
2
04B A A d μμ
∏==
式中，μ~流束收缩系数，用于节流件上，下游侧固定位置上的管道内壁处的静压P 1、P 2来代替P A 、P B ，同样应加以修正：
12()A B P P P P ψ-=-
式中，ψ—取压系数。

综合以上所述，可得
式中β为直径比，β=d/D ；D 为管道内径；ρ1为节流件上游测流流体的密度；ΔP=P 1、-P 2。

定义流量系数α和流出系数C 分别为
24
224
1C C C μψαξμβαβ=
+-=-
Α或C 是由实验确定的。

从上面分析可知，α、C 值与节流件形式，取压方式、ββ值、雷诺数Re D 及管道粗糙度等因素有关。

国际上推荐用C 代替αα，是由于有几种节流装置的C 值已有较简单而精确的经验公式。

将α、C 带入，可得
22
22
11144
2224
4
141M P P q d P Cd C D
ρρπ
π
παρβββ∆∆=
∆=
=--
上式为不可压缩流体的力量公式。

对于可压缩流体，情况有所不同。

可压缩性流体流经节流件时，由于压力变化密度也随之变化，不在满足ρA =ρB 的关系，而且，由于流体的膨胀，μ值也与不可压缩流体时不同。

但为了方便起见，规定公式中的ρ一律使用节流件上游侧的流体密度ρ1，α和C 值仍采用不可压缩性流体的数值，而把全部的流体可压缩性对ρ、α和C 值的影响用一个流束膨胀系数ε来修正。

这样可压缩性流体的质量流量及体积流量公式可以表示为 或
2222
11144
22244141V P P q d P C d C D ρρπππαερεεβββ∆∆=∆==--
对不可压缩流体ε=1.
3.压差流量计的特点
3.1压差流量计的优点
节流式差压流量计的主要优点表现在以下几个方面。

1)节流件标准孔板结构易于复制、简单、牢固、性能稳定可靠、使用期限长、价格低廉。

节流式差压流量计应用范围极为广泛，至今尚无任何类型的流量计可与之相比。

2)检测元件与差压显示仪表可分别由不同厂家生产，便于专业化形成规模经济生产，它们的结合灵活、方便。

3)检测元件，特别是对标准型元件的检测，是全世界通用的，并得到国际标准化组织的认可。

对标准型检测元件进行的实验研究是国际性的，其他流量计一般依靠个别厂家或研究群体进行，因此，研究的深度和广度不可同日而语。

从时间上看，标准型检测件自20世纪30年代国际标准化组织确定后始终没有改变，其研究资料及生产实践的积累极其丰富，应用范围广泛。

4)标准型节流装置无需实流校准，即可投入使用，在流量计中也是唯一的。

3．2 节流式差压流量计的缺点
节流式差压流量计的缺点主要有：
1)测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平，由于众多因素的影响，精确度难以提高。

2)范围度窄，由于仪表信号(压差)与流量为平方关系，一般范围度仅为3：1—4：1。

3)现场安装条件要求高，如需要较长的直管般(指孔板、喷嘴)，一般难满足。

4)检测件与压差检测仪表之间引压管线为薄弱环节，易产生泄漏、堵塞、冻结及信号失真等故障。

5)压力损失大(指孔板、喷嘴)。

3．3 流量测量仪表的发展方向
随着工业的发展和技术的进步，综合控制和管理系统会越来越多。

流量测量仪表是传输现场信息的重要部分，流量测量仪表的发展方向主要有：
1)大量地、准确地传输信息，这就需要以可靠性作为首要条件的小型、轻型、低价格、操作容易的流量测量仪表。

2)系统实行分散化，将系统的一部分功能转移到流量测量仪表上，这就需要多功能、高稳定和高精度的智能流量测量仪表。

3.4流量计使用中的注意事项
为了保证节流式(孔板)流量计正常町靠地运行，在使用过程中应注意以下几点：
(1)装置前后要有足够长的直管段或整流装置。

所需长度取决于节流直径比和P游于扰的类型。

最小长度可参考ISO标准5167或GB／T2624系列文件所推荐的数据。

(2)孔板具有方向性，不能装反，即孔板尖锐的一侧迎着流向。

(3)导压管应不受外界热源的影响，并应防止冻结的可能。

(4)压差连接管路上不得有u形状的弯曲和缩径现象。

(5)差压计现场安装的周围条件与使用条件有明显差别时，应采取相应的预防措施，否则应改换安装地点。

4结束语
随着我国对各工业行业项目的重视，流量计市场巨大，积极研究和发展新型流量计产品，应用先进的计算机应用技术相结合来测量流量参数是有重要发展意义的。

同时对差压流量计相关标准、法律法规的修改和颁布将极大促进流量测量事业的发展、国家经济建设。

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