节流式流量计

如果在管道中安装一个固定的阻力件，它的中央是一个比管道截面小的孔。 当流体流过该阻力件的小孔时，由于流体束的收缩而使流速加快、静压强降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压强差，该压强差的大小与流量（流速）有关。 把流体流过阻力件时流束收缩造成压强差变化的过程称为节流过程，其中的阻力件称为节流元件。 作为流量检测用的节流元件有标准和特殊两种。 标准节流元件有标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管。 对于标准化的节流元件，在设计计算时有统一标准的规定、要求、计算所需的有关数据、图及程序，可以直接按照标准制造、安装和使用。其中，标准孔板的结构如图2．26所示，d／D应在0．2～0．8；最小孔径应不小于12．5mm；直孔部分的厚度h＝（0．005～0．02）D；总厚度H＜0．05D；锥面的斜角α＝30°～45°。

特殊节流元件也称非标准节流元件，如双重孔板、偏心孔板、圆缺孔板、1／4圆缺喷嘴等，主要用于特殊介质或特殊工况条件的流量测量。 对特殊节流元件，可以利用已有的实验数据进行估算，但必须用实验方法单独标定。

目前，最常用的节流元件是标准孔板。

图2．26 标准孔板

图2．27 流体流过节流元件时的压力及流速分布

（1）测试原理

设稳定流动的流体沿水平管流过节流元件，在节流元件前后产生压强和速度的变化，如图2．27所示。在截面1处，流体未受节流元件的影响，流束充满管道，管道截面积为A1，流体静压强为p1，平均流速为u1，流体密度为ρ1。截面2是经节流元件后流束收缩的最小截面，其截面积为A2，流体静压强为p2，平均流速为u2，流体密度为ρ2。图2．27表示了流体流过节流元件前后流体静压力强和平均流速的变化，充分反映了能量形式的转化。 在节流元件前，流体向中心加速，至截面2处流束截面收缩到最小，流速达到最大，静压强达到最小。 然后流束逐渐扩张，流速逐渐减小，静压强逐渐增大，直到截面3处。 由于存在涡流区等原因，导致流体能量损失，因此在截面3处的静压强p3小于截面1处的静压强p1，而产生永久的压力损失Δpf。

设流体为不可压缩的体流过水平管，1⁃2间流体不对外做功，且与外界无热量交换，则1⁃2间流体密度相等。 由于2截面的位置随流量变化，其流束的截面积难以确定。 忽略能量损失，以水平管道中心线所在水平面为基准面，在1⁃0截面间建立柏努利方程：

将式（2．20）整理得

在实际测量中，流体流过节流元件时有能量损失产生，且能量损失不能被忽略，因此在式（2．21）中引入一校正系数C1，用以校正因忽略能量损失所引起的误差，即

设孔板的流通截面积为A0，由连续性方程，将式（2．22）改写为

由于孔板的厚度很小，如标准孔板的厚度小于管径的0．05倍，一般为6～12mm，所以不能将下游的测压口正好装在孔板上。 比较常用的一种方法是把上下游两个测压口装在紧靠着孔板前后的位置，这种测压方法称为角接取压法，所测压差pa－pb与式（2．23）中的p1－p0有差异。若以pa－pb代替p1－p0，则引入一校正系数C2，用来校正上下游测压口的位置。即

令

则

若以体积流量、质量流量来表达，则

若用U管压差计连接孔板前、后的测压口，U管压差计的读数为R（m），指示液密度为ρA，则

pa－pb＝R（ρA－ρ）g （2．29）

将式（2．29）代入式（2．28）、式（2．27）、式（2．26）可分别测量出流体的质量量、体积流量、孔板处的流速。

（2）讨论

1）取压方法

C0与C2有关。C2是用以校正测量压力pa－pb与流量方程推导中p1－p2的对测量的影响的。显然，C2与取压方式有关。对标准节流装置的取压方法，推荐采用角接取压法或法兰取压法。 所谓角接取压法就是在标准节流元件前后两端面与管壁的夹角处取压。 角接取压方法可以通过环室或单独钻孔结构来实现。 环室取压结构如图2．28（a）所示，它是在管道1的直线段处，利用左右对称的环室2将孔板3夹在中间，环室与孔板端面间留有狭窄的缝隙，再由导管将环室内的压强p1和p2引出。单独钻孔结构如图2．28（b）所示，它是在前后夹紧环上直接钻孔将压强引出。 对于孔板，环室取压用于工作压强即管道中流体的压强为6．4MPa以下， D在50～520mm；而单独钻孔取压用于在工作压力为2．5MPa以下，D在50～1000mm。

环室取压能得到较好的测量精度，但是加工制作和安装要求严格，如果由于加工和现场安装条件的限制，达不到预定的要求时，其测量精度仍难保证。 所以，在现场使用时，为了加工和安装方便，有时不用环室取压而采用单独钻孔取压，尤其是对于大流量的测定。

图2．28 角接取压方式

1—管道法兰；2—环室；3—孔板；4—夹紧环

法兰取压法只适合于标准孔板，其取压装置由一对带有取压口的法兰组成，取压口轴线距孔板端面距离为24．5mm。

除了角接取压法和法兰取压法外，另一种只能用于标准孔板的取压方法是D—D／2取压法。 其取压装置就是取压口的管段，上下游取压口轴线与相应孔板端面之间的距离分别为一个D和D／2（D为管道直径）。

2）Re准数

图2．29 流量系数C0随Re及A0／A1的变化

流量系数与Re、A0／A1的关系如图2．29所示。流量系数C0与C1有关。C1是用以校正流体流过孔板的能量损失对测量结果的影响的，能量损失越大，则C1的值越小。Re准数表示了流体在管道内的流动类型，对于给定流体和流动条件，它反映了流体的流速。 在给定的节流元件截面积与管道截面积之比和取压方式时，当Re大于某一临界值Rec时，流量系数C0随Re的变化而趋于定值。采用角接取压法检测流量时，为了保证测量精度，要求流量系数保持常数，因此限制了节流式流量计的测量下限。 从原理上而言，测量上限是没有限制的，但由于与节流元件配套使用的压差计的量程是有限的，从而限制了节流式流量计的测量上限。 另外，一般希望节流元件产生的压降占总管道压降比例不宜过大。 所以，节流型流量计均有一个量程比（可测量的最大流量与最小流量之比），由标准节流元件构成的流量计的流程比通常为1～3。 有关能量损失的大小与准数有关。

3）截面积之比

由图可以看出，只要孔板的流通截面积与管道流通截面积之比一定，流量系数C0只与Re有关。这说明，对于几何相似的节流元件，无论管道流通截面有多大，当Re＞Rec时，其流量系数C0相等（仅对角接取压）。图2．28还表明：m值对流量系数C0的影响较大。m值越小，流量系数C0越小，说明在相同流量下节流元件两端的压差越大，从而导致永久的压力损失增加，造成过大的能量损失。但减小m值，可以降低Rec，即流量计的允许流量测量下限减小，有利于测量小流量。 因此，在节流元件设计时，要根据被测流体的最小流量以及允许的压力损失合理选择m值。

4）管壁粗糙度

现有的流量系数是纯实验数据，它与实验管道内壁的粗糙度有关，因此必须注意节流元件前后的管道粗糙度应符合有关规定的要求。 对于标准孔板的流量系数，角接取压法是在相对粗糙度ε／d≤3．8×10－4的管道中测定的，法兰取压法和D⁃D／2取压法是在ε／d≤10×10－4的管道中测定的，其中ε是管道内壁的平均绝对粗糙度。

5）可压缩流

当采用节流型流量计测量可压缩流体时，由于可压缩流体流过节流元件时会发生体积膨胀，应引入可膨胀性系数β进行修正，其流量与压差的关系为

膨胀系数β的大小与m，Δp／p1以及气体的等熵指数κ等因素有关。在满足Δp／p1≤0．25及表2．10的条件下，无论是对角接取压法，还是法兰取压法或D⁃D／2取压法，标准孔板的膨胀系数β可由下列公式计算

对标准喷嘴的膨胀性系数，可由下式计算

对于一个实际的节流装置和被测流体，m和κ是定值，而Δp／p1会随流量而变，同样也会引起β的变化。为了减小β变化而引起的误差，在设计时应采用常用差压Δpcom来计算β。当未给出常用值时，可以取差压上限值的64％作为常用差压值进行计算。

表2．10 标准孔板的适用范围（d0和d） （mm）

（3）节流式流量计的误差

节流式流量计的应用是十分广泛的。 但在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差，有的甚至高达10％～20％，应当指出的是造成这么大的误差实际上完全是由于使用不当引起的，而不是仪表本身的测量误差。 特别是采用节流式流量计作为工艺过程中物料的计量，进行经济核算和测取物料衡算数据时，这一矛盾更显得突出。 然而在只要求流量相对值的场合下，对流量指示值与真实值之间的偏差往往不被注意，但是实际上误差却客观存在。 因此，必须引起注意的是：不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造，更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等，才能保证节流式流量计有足够的实际测量精度。

1）被测流体工作状态变动

如果实际使用时被测流体的工作状态（如温度、压强、湿度等）以及相应的密度、粘度等参数与设计计算时有较大变化，则会造成原来由压差计算得到的流量与实际的流量值之间出现较大的偏差。 为了减小这种误差，必须按新的条件对流量计进行设计计算，或者将所测得的数值加以必要的修正。

图2．30 节流元件上下游阻力件及直管段长度

2）节流装置的安装

节流装置安装不正确，也是引起节流式流量计测量误差的重要原因之一。 节流装置应安装在符合要求的两段直管段之间。 节流装置上下游的直管段如图2．30所示分为三段：节流元件至上游第一个局部阻力件的距离为l0，上游第一与第二个阻力件的距离为l1，节流元件至下游第一个阻力件的距离为l2。标准节流元件对直管段的要求如下：

①应是有恒定截面积的圆形管道，且管道应是直管。

②管道内表面应清洁，无积垢和其他杂质。 节流元件上游10d以上长度的管道内表面相对平均粗糙度应符合规定，对标准孔板的规定见表2．11。

表2．11 标准孔板上游管道ε／d的上限值

③节流元件上下游最短直管段长度随上游侧阻力件的形式和节流元件的直径比而异，最短直管段长度见表2．12所示。 表中所列长度为最小值，实际应用时建议采用比所规定的长度更大的直管段。 表中的阀门应全开，调节流量的阀门应位于节流元件下游。 如果直管长度选用表中括号内的数值时，流量系数的不确定度要加上±5％的附加不确定度。 如果在节流元件上游串联几个阻力件（除全为90°弯头外），则第一个与第二个阻力件之间的长度l0可按第二个阻力件的形式，并取d0／d＝0．7（无论实际的d0／d是多少）取表中数值的一般，串联几个90°弯头时l0＝0。

在节流元件的安装时，还应特别注意节流装置的安装方向。 一般而言，节流装置露出部分所标注的“＋”号一侧，应当是流体的入口方向。当采用孔板作为节流元件时，应使流体从孔板90°锐角口的一侧流入。

另外，节流装置除了必须按相应的规程正确安装外，在使用中，要保持节流装置的清洁。如在节流装置处有沉淀、结焦、堵塞等现象，也会引起较大的测量误差，必须及时清洗。

3）孔板入口边缘磨损

节流元件使用日久，特别是在被测流体中夹杂有固体颗粒等机械物的情况下，或者由于化学腐蚀，都会造成节流元件的几何形状和尺寸发生变化。 对于使用广泛的孔板而言，它的入口边缘的锐度会由于冲击、磨损、腐蚀而变钝。 这样，在相同数量的流体流过时所产生的压差Δp将变小，从而引起示值偏低。 因此，应注意检查维修，必要时应更换新的孔板。

表2．12 孔板、喷嘴和文丘里管所要求的最短直管段长度／mm

4）导压管

由于导压管的安装不正确，或是导压管有堵塞、渗漏，则会引起较大的测量误差。 对于不同的被测流体，导压管的安装也有不同的要求。

测量液体的流量时，应该使两根导压管内都充满相同的液体且无气泡，使两根导压管内的液体密度相等。 这样，由两根导压管内液柱所附加在压差计正、负压室的压力可以互相抵消。为了使导压管内没有气泡，原则是：

①取压点应位于节流元件的下半部，与水平线的夹角α应为0～45°，如图2．31所示，如果从底部引出液体，液体中夹带的固体杂质会沉积在导压管内，引起堵塞；

②导压管最好垂直向下，如果条件不许可，导压管也应下倾一定的坡度，至少1∶20～1∶10，使气泡易于排除；

③在引压管的管路中，应有排气装置，如果压差计只能安装在节流元件的上方，则应加装贮气罐，这样即使有少量气体也对压差的测量没有影响。

图2．31 测量液体流量时的取压点位置

测量气体流量时，为了使两根导压管内气体密度相等，必须使管内不积聚气体中可能夹带的液体。 可以采取的措施有：

①取压点应位于节流元件的上半部；

②导压管最好垂直向上，至少也应向上倾斜一定坡度，以使导压管中不滞留液体；

③如果压差计必须装在节流元件上方，应加装贮液罐和排放阀。

测量蒸汽时，要实现上述原则，必须解决蒸汽冷凝液等的液位问题，以消除冷凝液液位的高低对测量精度的影响。 通常取压点从节流元件的水平位置接出，并分别安装冷凝液罐，并在两导压管之间安装平衡阀，这样可以使两导压管内充满冷凝液，而且冷凝液罐的液位相同，从而实现压差的准确测量。