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差压流量计

admin 2017-2-14 1864

测量原理

差压式流量计是指在管道内安装孔板,测量因流量大小不同而在孔板前后产生的差压,从而求出流量的仪表。差压式流量计又称为孔板流量计。
由于其结构简单,适用于液体、气体、蒸汽任意一种的测量,因此早期就开始作为工业用流量计广泛使用。理论上可以根据伯努利定理求得差压和流量的关系,但实际上由于存在种种误差,所以一般使用经验公式来计算两者间的关系。在日本有JIS标准。

差压流量计的测量原理

差压流量计的测量原理

差压流量计的测量原理


如图所示,在断面为圆形的水平管道中心安装垂直于流体的孔板。假设理想流体充满了管道,图中上游PH点和下游PL点截面之间,由伯努利公式和流体连续性方程式得出公式(1)和公式(2)。

由伯努利公式和流体连续性方程式计算

从以上两个公式中得出的通过孔板的体积流量Q(m³/S)是:

通过孔板的体积流量

由于实际流体具有黏性,同时考虑到对压缩性流体的应用,所以在实用公式中使用孔板的横截面积πd²/4来代替F2,体积流量Qv(m³/S)如下:

体积流量

根据Qm=Qvρ1得出质量流量Qm(kg/s)如下:

质量流量


层流与紊流

差压流量计的流量与差压的关系为: 层流时成比例特性,紊流时成平方特性。

通过计算出雷诺数Red来辨别层流与紊流状态。雷诺数小于2320时为层流,大于2320时为紊流。一般的差压流量计是在紊流状态下进行测量的。
 紊流状态下流量与差压的关系
紊流状态下流量与差压的关系
  • 雷诺数Red的计算公式
    雷诺数Red的计算公式
  • 雷诺数Red的实用公式
    雷诺数Red的实用公式
  • 雷诺数Red的计算实例
    20℃的水,以15m³/h的流量在内径为50mm的管中流动时的雷诺数为:
    Red=3.54×15×1000/50/0.01=1.062×105
    此值显然在紊流范围内。
  • 流速分布
    如下图所示,层流与紊流管内流速分布不同。
流速分布

管内的流速分布


孔板种类

孔板的种类很多,其中最具代表性的为右图中的同心直角边缘孔板。除此之外,还有喷嘴式、文丘里式。另外还有JIS标准以外的1/4圆孔板、圆筒孔板 等。如下图所示。

虽然对含有沙子和固态物质的流体,可使用偏心孔板和圆缺孔板。但JIS标准中没有这些类型,所以省略图解。
 同心直角边缘孔板
同心直角边缘孔板
孔板种类

孔板种类


孔板孔径的计算

质量流量Qm的计算公式(公式5)与孔板的种类无关,可通用。但是流量系数α受孔板种类和差压测得位置的影响,从实验数据中得到直径和雷诺数的关系。

如下图所示,孔板的面积比为β²=(d/D)²,该值大于雷诺数Red值时流量系数α为一定。一般的情况下,α在一定范围中变化。

求孔板口径

  • 确定孔板的种类。
  • 指定常用流量及差压。
  • 将上述公式(5)代入以下公式、首先计算公式右边。
    孔板孔径的计算
  • 根据雷诺数的函数α反复计算得出β²,最终得到孔板口径d。
  • 参考数据: 流量系数α和雷诺数Red的关系(旧数据)
流量系数和雷诺数的关系(参考用)

流量系数和雷诺数的关系(参考用)


孔板的结构选定

孔板种类用途特点
同心直角边缘孔板通用形状简单、容易制作、价格低、流量系数小、压损大
喷嘴式孔板高温流体、
高压和高速流体
机械强度大、流量系数大(端口的1.6倍)、测量泥状流体性能强、比文丘里管压损大
文丘里管型
孔板
低压损流体压损小(喷嘴的1/4~1/6)、耐久性强、沉淀堆积少,价格高
1/4圆孔板低雷诺数流体雷诺数小时的流量系数变化小、圆筒孔板的补充
圆筒孔板微量流体用于微量流量,1/4圆孔板的补充,预估误差大


差压流量计的结构

气体差压流量计的代表性结构实例如右图所示。调节阀前后的压力通过导压管和三阀组引导至差压变送器。从差压变送器输出变送信号4-20mA或20~100kPa。使用时应确认三阀组的差压变送器的零点。 气体差压流量计的基本结构
气体差压流量计的基本结构


气体流量的压力补偿

气体的密度是随压力和温度而变化的。因此,当使用条件和设计条件不同时有必要进行补偿。

测量流体为气体时,根据波义耳-查理定律得出密度ρ1、可用前述公式(5)进行温度压力的补偿运算。
 差压式的气体流量补偿
差压式的气体流量补偿
差压式的气体流量补偿

有关温度补偿运算的例子,请参照差压式流量的温度压力补偿运算示例




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