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差压孔板流量计的工作原理

差压孔板流量计在各个行业都应用广泛、历史悠久,在各类流量仪表中其使用量占居首位。近年来,由于各种新型流量计的不断涌现,致使它的用量有所下降。
 
差压孔板流量计由三部分组成,即由节流装置、导压管和差压计。差压孔板流量计是利用流体流动的节流原理来实现流量测量的。节流原理是流体在有节流装置的管道中流动时,在节流装置前后的管壁处,流体的静压力产生差异的现象.
 
1、差压孔板流量计的原理
流动流体的能量有静压能和动能两种形式.流体具有静压能是因为有压力,具有动能是因为有流动速度,在一定条件下,这两种形式的能量是可以相互转化.根据能量守恒定律,在没有外加能量的前提下,流体所具有的静压能和动能,再加上用以克服流体流动阻力的能量损失,其能量总和是相等的。
图1表示在节流装置前后截面Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ处流体压力与速度的分布情况。流体在到达截面Ⅰ之前,以一定的流速v1流动,此时静压力为p1。在接近节流装置时,由于遇到节流装置的阻碍,使靠近管壁处的流体受到节流装置的阻挡作用,使部分动能转化为静压能,使得节流装置入口端面靠近管壁处的流体静压力升高,并且远大于管径中心处的压力,因此节流装置入口端面处产生一径向压差。
 
在径向压差的作用下,流体产生径向加速度,从而使靠近管壁处的流体质点的流动方向倾斜于管道中心轴线,出现缩脉现象。由于受到惯性作用,流速的最小截面并不在节流装置的孔口处,而是经过节流装置之后仍继续收缩,到截面Ⅱ处流速达到最小,此时流速大,即v2,之后流速又逐渐扩大,至截面Ⅲ后完全恢复,流速逐渐降到原值,即v3=v1。
 
由于节流装置产生流速的局部收缩现象,使流体的流速随之变化,即动能也跟着变化.根据能量守恒定律,表征流体静压能的静压力也要变化。在截面Ⅰ处,流体具有静压力p1。在截面Ⅱ处,流速增到最大v2,静压力就降到最小p2,而后又随着流速的恢复而恢复。由于在节流装置端面处流通面突然缩小,而节流装置之后流通面积突然又扩大,使流体形成局部涡流,部分能量被消耗,同时流体流经孔板时,为克服摩擦力也需消耗能量,所以流体在截面Ⅲ处的静压力p3不能恢复到原值p1,而产生的压力损失.截面Ⅰ与Ⅱ处的压差(δp=p1- p2)与流体在节流装置前的流量有一一对应关系,只要测出节流装置前后的压差大小即可表示流量大小。
 
2、差压式流量方程推导
流体流经节流装置时,不对外做功,没有外加能量,流体本身也没有温度变化.在管道内流动的流体,对于管道中任意两个截面都符合伯努利方程,现选截面Ⅰ和Ⅱ(见图2)进行分析。
流体的伯努利方程:
 
从上式可以看出:流量与压力差ΔP的平方根成正比。
对于可压缩流体流量监测,因其易发生体积变化,所以在流量方程中要引入膨胀系数ε,则流量基本方程可写为:
 
式中:qv、qm分别为被测介质的体积流量和质量流量;A0节流装置的开孔截面积;ρ节流装置前的流体密度。
式(13)、(14)为节流式流量计的流量方程,即压差和流量间的定量关系。
由流量基本方程可以看出,在其他条件不变的前提下,流量与压差的平方根成正比,要知道流量与压力差的真实关系,关键在于α的取值。α是受许多因素影响的综合性系数,对于标准节流装置,其值可以从有关手册中查出;对于非标准节流装置,其值主要由实验方法得到。