2013第五章第三至五节节流式流量计等(2013)解析

椭圆圆齿轮流量计
腰轮（罗茨） 流量计
刮板流量计
一容积式流量计的工作原理 容积式流量测量是采用固定的小容积来反复计量通过流 量计的流体体积，它内部有由仪表壳內壁和流量计中转 动部件构成的“计量空间”或“计量室”，这种“计量 空间”或“计量室”的容积就是上述的小容积。 工作原理：流体通过流量计就会在流量计进出口之间产 生一定的压力差。流量计转动部件（简称转子）就会在 这个压力差的作用下产生旋转，并将流体从入口排向出 口。在这个过程中，流体一次次地充满“计量空间”， 然后又不断地被送往出口，在给定流量计的条件下，该 计量空间的体积是确定的，只要测得转子的转动次（周） 数，就可以得到累积体积流量。
第三节 差压式流量计(节流式流量计)
一、概述 差压式流量计—是主要由节流装置和差压计组成的一种 流量测量仪表。由三部分组成： (1)将被测流体的流量变换成差压信号的节流装置。其 中包括节流件、取压装置和前后测量管。节流件是在直 线管道中，使流束产生收缩的装置。 (2)传输差压信号的信号管路。 (3)测量差压值的差压计或差压变送器及显示仪表。
1-节流元件 2-引压管路 3-三阀组 4-差压计
一 体 化 节 流 式 流 量 计 组 成 和 实 物 图
在工艺管道中安装一个直径比管径小的节流件时，流 体在管道中流动，由于流通截面突然缩小，流束必然 要产生局部收缩，流速加快。根据能量守恒定律，动 压能和静压能在一定条件下可以互相转换，流速加快 的结果必然要导致静压能的降低，因而在节流件的上、 下游之间产生了静压差。这个静压差的大小和流过流 体的流量有关，所以，可以通过此静压差来求流量。 采用上述原理测量流量的仪表就是差压式流量计。 通常把流体流过节流件流束的收缩造成压力变化的过 程称节流过程。
作业七
1 请写出节流式流量计的流量方程，说明其中各物理量 的含义。 2 什么叫标准节流装置？ 3 说明节流式流量计的工作原理和基本组成。
第四节 容积式流量计
容积式流量计具有对上游流动状态不敏感，测量准确 度高，可用于高粘度流体，并直接得到流体累积流量 等特点，在各工业部门，尤其是石油化工、贸易和轻 工食品部门得到了广泛的应用。
④流量显示仪表
qm qv
节流装置
p
引压管
p
差压计
I
显示仪表
L(标尺长度)
节流式流量计的组成框图
静态特性： 若流量计无非线性补偿环节（开方器），则流量计 流量指示标尺长度L与质量流量的关系为：
L Kq
2 m
若流量计有非线性补偿环节（开方器），则流量 计流量指示标尺长度L与质量流量的关系为：
（1）取压方式： 标准的取压方式主要有：角接取压法、法兰取压法、 经距取压法（D和D/2取压法）。 角接取压法——在紧靠节流件上下游两侧取压（适用 于标准孔板、标准喷嘴和标准文丘利管） 法兰取压法——这种取压法仅适用于标准孔板，取压 装置是由一对带有取压口的法兰组成，取压口轴线距 孔板端面的距离为25.4mm。 经距取压法（D和D/2取压法）——这种取压法仅适用 于标准孔板，其取压装置就是设有取压口的管段，上 游取压口轴线距孔板上游端面之间的距离为一个D; 下 游取压口轴线距孔板下游端面之间的距离为D/2(D为管 道的直径)。
目前广泛采用的是角接取压法，其次是法兰取压法。角接 取压法比较简便，容易实现环室取压，测量精度较高。法 兰取压法结构较简单，容易装配，计算也方便，但精度较 角接取压法低些。
来自百度文库
对于一定的节流件,一定的取压方式，国家标准中将流 量系数分解成光管流量系数0和管道粗糙度修正系数 rbe的乘积(法兰取压除外)，即:
作为流量检测用的节流件 有标准的和特殊的两种。 标准节流元件有包括标准 孔板、标准喷嘴、标准文 丘里管。见图。
标准孔板
标准孔板节流元件的结构形式：
标准孔板是一块具有与管道同心圆形开 孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口 边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的 锥形。 结构简单，加工方便，价格便宜。
压力损失较大，测量精度较低，只适用 于洁净流体介质，测量大管径高温高压 介质时，孔板易变形。
差压式流量计是工业上使用最多的流量计之一。据调 查，在炼油厂、炼钢厂、发电厂等工业生产系统中使 用的流量计80%以上是差压式流量计。差压式流量计 使用之所以广泛，是由于结构简单、安装方便、有很 长的历史背景、有可靠性高的实验数据。
差压式流量计使用也非常方便，一旦按照 “标准”要 求加工成形，并按规定安装以后，进行流量测量时， 不作标定也能进行流量测量。标定过程可以省略，这 一点是很大的优点，这个优点产生的背景是广大研究 人员对实验数据的长期积累。
标准孔板
标准喷嘴节流元件的结构形式：
标准喷嘴是一种以管道轴线为中心线的旋转对称体，主要由 入口圆弧收缩部分与出口圆筒形喉部组成，有ISAl932喷嘴和 长径喷嘴两种型式。
ISA1932喷嘴
长径喷嘴
长径喷嘴
ISA1932喷嘴
标准文丘里管节流元件：
文丘里管有两种标准型式： 经典文丘里管与文丘里喷 嘴。文丘里管压力损失最 低，有较高的测量精度， 对流体中的悬浮物不敏感， 可用于污脏流体介质的流 量测量，在大管径流量测 量方面应用的较多。但尺 寸大、笨重，加工困难， 成本高，一般用在有特殊
要求的场合。
文丘利管
特殊节流件也称为非标准节流件，如双重孔板、偏心
孔板、圆缺孔板、1/4圆缺喷嘴等。
偏心孔板
圆缺孔板
二、流量方程的推导
请见教材P173—P174。
qm A0 2 1P
qv A0
CA0 1
4
α为流量系数； ε为流束膨胀系数（或可膨胀性 系数）；
2P
1
2 1P
2P
qm
qv
ρ1为节流件前的流体密度；
A0为节流件开孔面积； C为流出系数； β为直径比，d为节流件开孔直 径，D为管道内径；
CA0 1 4
1
C 1 4
d D
ΔP为节流件前后所测的压力差。
三、流量方程的讨论


C2 C1 2 m 2
qm qm

qv qv

式中右上角加ˊ 者表示实际状态下的密度和流量， 无ˊ 者表示显示值或设计值。
5 压力损失p 流体经过节流件时，一部分能量用来克服摩擦阻力和消 耗在节流件后形成的旋涡上。因而，通过节流件后流体 的静压力并不能完全恢复，而有一些损失，不能恢复的 这部分压力称为压力损失p，压力损失是在节流件设计 时必须考虑的重要因素之一。
对于给定的节流装置和被测流体， 和ĸ是定值，而 Δp/p1随流量而变，会引起的变化。在设计时应采用 常用差压Δpm来计算值。当未给出Δpm时，可以用差 压Δp上限值的64% 代替Δpm来计算值。
3 节流件的开孔面积A0与材料的热膨胀系数 流量方程中的A0以及在计算 和用到的都是指流体 流动状态下的值。但是，在设计加工时一般都是在 常温20℃下的值。当温度发生变化时，按下面的公 式计算d和D的值：
0 rbe
当采用角接取压法时光管流量系数0只是雷诺数Re和 直径比的函数：
0 f ( ,Re)
见教材图3.118（P175）标准孔板和喷嘴的流量系数0与 雷诺数Re的关系曲线。
（2）雷诺数Re （ 见教材P176） 在进行流量测量时，希望0保持为常数，就要求 Re>ReK （越小， ReK就越小），这就限制了节流式 流量计的测量下限。由于与节流件配套使用的差压计的 量程是有限的，另外，一般希望节流件产生的压力降占 总管道中的压力降的比例不宜过大。因此，节流式流量 计一般均有一个量程比。
2
1 流量系数（流出系数） 主要与节流件的形式和开孔直径（主要对应于m和）、 取压方式（取压点位置， 对应于）、流体的流动状态 （包括雷诺数、管道直径等、对应于C1、C2）和管道条 件（如管道内壁的粗糙度，对应于）等因素有关。它是 一个影响因素复杂、变化范围较大的重要系数，也是节 流式流量计能否准确测量流量的关键。下面讨论影响流 量系数的主要因素。
流量计内装有两个截面为椭圆柱体转子A和B直接或间 接地相互齿合，在进出口压力P1、P2的作用下转动。
1 标准节流件—孔板 2 标准取压装置
3 直管段
以上部分请自学，见教材。
qm qv
节流装置
p
引压管
p
差压计
I
显示仪表
L(标尺长度)
节流式流量计的组成框图
五、节流式流量计 组成：
①节流装置，其中包括节流件、取压装置和测量所 要求的直管段；
②传送差压信号的引压管路；
③检测差压信号的差压计或差压变送器；
假设计量空间的体积为V，一定时间内转子的转动周 数为N，转子转动一周，排出m份计量空间体积的流体， 则在该段时间内流过的流体体积为：Qv=NVm 如果需要瞬时流量，可以根据计量空间的容积和转动 部件的旋转频率求出。 常见的容积式流量计有橢圆齿轮流量计、腰轮（罗茨） 流量计、刮板流量计等。 二 橢圆齿轮流量计的工作原理
L Kqm
节流式流量计的特点:
节流式流量计具有结构简单、便于制造、工作可靠、
使用寿命较长、适应性强等优点。几乎能测量各种工 况下的介质流量，是一种应用很普遍的流量计。使用 标准节流装置，只要严格按照有关规定和规程设计、 加工和安装节流装置，流量计不需进行标定可直接使 用。但是节流式流量计压力损失大，流量计的刻度一 般是非线性的，流量测量范围也较窄（正常情况下量 程比只有3:1）,不能测量直径在50mm以下的小口径与 大于1000mm的大口径的流量，也不能测量脏污介质和 粘度较大的的流量，同时要求流体的雷诺数要大于临 界值。
（3）直径比 （见教材P176） 当一定时， 0只是雷诺数的函数。这说明几何相似
的节流件，不论管道直径D为多大，当Re>ReK时， 其流量系数相等（仅适用于角接取压法）。 越小， 0也越小，说明相同流量下节流件前后的 差压越大，从而导致压力损失δp增加，造成过大的 能力损失。但减小，可降低ReK，有利于测量小流 量。所以，在设计节流件时，要根据被测物体的最 小流量以及允许的压力损失合理选择值。
四、标准节流装置 “标准节流装置”就是在某些确定的条件下，规定了 节流件的标准形式以及取压方式和管道要求，无需对 该节流装置进行单独标定，也能在规定的不确定度 （表征被测量的真值在某个测量范围内的一种估计） 范围内进行流量测量的节流装置。 国家标准GB/T2624-93规定：标准节流装置中的节 流件为孔板、喷嘴和文丘利管；取压方式为角接取压 法、法兰取压法、经距取压法（D和D/2取压法），适 用条件为：流体必须是充满圆管和节流装置，流体通 过测量段的流动必须是保持亚音速的、稳定的或仅随 时间缓慢变化的，流体必须是单相流体或者可以认为 是单相流体；工艺管道公称直径在50~1200mm之间； 管道雷诺数高于3150。
（4）管道粗糙度 （见教材P176）
当管道内壁的相对平均粗糙度满足一定的条件时称为 光管，否则称为粗管，此时流量系数= 0rbe，rbe称为 管道粗糙度修正系数，rbe与、Re和K/D有关（K为管 道内壁的绝对平均粗糙度），它可由经验公式或查表 得到。
综上所述，流量系数受多个因素的影响，而且关系较 为复杂。目前使用的流量系数完全是由实验得到的实 验数据，但是，在一定的范围内，对于标准节流装置 和标准取压方式，流量系数可按标准的经验公式计算。
（5）流出系数C的常用计算公式 见教材P211－212
2 可膨胀性系数 （见教材P176-177）
可压缩性流体流经节流元件时会发生体积膨胀，所以
在流量方程中引入进行修正。膨胀系数的大小与、 Δp/p1（p1为流体的工作压力）和被测气体的等熵指数 ĸ等因数有关。计算的经验公式见教材P176。
d d20 1 d (t 20)
D D20 1 D (t 20)
d20 为20℃时的节流件开孔直径；D20为20℃时的管道 的内径；λd为节流件材料的热膨胀系数；λD为管道材 料的热膨胀系数；t为工作状态下被测流体的温度。
4 流体密度 （见教材P177） 流量方程中的流体密度为节流件前的实际密度。流体 的密度会随着流体的压力和温度变化。当流体密度改 变，流量系数不变的情况下，可按下面的公式计算实 际流量：