流量测量节流装置(孔板)技术资料全说明

流量测量节流装置（孔板）技术资料全说明一.概述作用：指导操作、经济核算、保障安全的重要参数。1.1测量流量的现状现状：迄今为止，流量的测量准确度较低，流量计的通用性很差，单位传递和仪器的检定都有困难，是发展中的领域。原因：流体性质多样：单相与多相、牛顿与非牛顿、粘与非粘、可压和不可压、汽化、结晶和清洁杂质等。管路系统的多样性：圆和非圆、光滑和粗糙、弯曲情况等。流动状态多样：层流，紊流（充分发展与非充分发展）、满管、非满管、明渠…1.2概念1）瞬时流量（流量）q：单位时间内流过某一截面的物质数量（质量或体积）。2）总流量（总量、累积流量）Q：在某一时间内流过的物质数量。Q=tqd,4-1q=dtdQ4-2若q=c则Q=q(t2-t1)4-33）流量表示法：质量流量mq：单位：kg/skg/h体积流量vq：单位：m3/sm3/h二者之间的关系：vmqq4-4ρ——流体的密度kg/m34）说明质量流量是物质的固有属性不随外界条件发生变化，是反映流量的最好方法。凡是没有特殊说明的流量，均指的是瞬时流量。1.3流量测量方法的分类1）容积法流体的固定的已知大小的体积逐次的从流量计中排放流出，则计算流出次数，就可以求出总量，计算排放频率，就可以求出qv。例如刮板流量计、椭圆齿轮流量计、腰轮流量计。特点：流体的流动状态，雷诺数影响小，易准确计数。但是不宜于高温，高雅，赃、污介质，上限不能很大，漏流以及磨损。2）流速法：应用最多，流通截面积恒定时，截面上的平均流速与体积流量成正比，测出与流速有关的物理量就可以知流量的大小。例如差压法、动压、涡轮等。3）质量法：直接法：由牛顿第二定律，测力，加速度，得出质量。例如：转子，靶式。间接法：体积流量与密度信号综合运算。4）其他：漩涡、热式、电磁、超声波。二.节流式流量计是目前应用最广的一种流量计，约占70%，今后相当长的时间内还会占40%～45%优点：形式不需要个别标定，能保证相当高的工作精度。2.1工作原理以及节流式流量计的组成1）原理流体流经管内固定的节流元件时，在节流件前后产生了差压，利用对差压的测量来反映流量大小。2）流量计的组成：节流装置：显示仪表（差压计）；节流装置、差压变送器、显示仪表；节流装置、差压变送器、开方器、显示仪表、积算器（其中差压变送器和开方器称为流量变送器）2.2流量公式依据：能量方程（伯努力方程），连续性方程，定熵膨胀过程（可压缩流体）要求：掌握结果，了解详细推导过程；各种节流元件的公式形式相同，只是系数不同。1）流动状态分析2）不可压缩流体的流量公式：理论公式如上图所示，设液体为满管流动、不可压缩流体在重力场中的定常流动，则列写出A、B面中心流线的一元流动的伯努利方程和连续性方程（忽略A、B面中心流线的位能差别ρA=ρB）2vp2vp2BBB2AAA4-5B2BA2AAvAv4-6联立可以求出：)P-(P2)AA(-11vBAA2ABB4-7则一元流动的理论流量公式为：BBAvq4-8实际公式由于一元流动得出的流量公式代表的不是总体流量，所以类似，设流体为牛顿流体，无旋转流时的连续性方程和总伯努利方程：2v2vcp2vcp2B2BBBB2AAAA4-9B2BA2AAvAv4-10其中：v是平均流速；cA和cB是动能修正系数；为阻力系数。联立解出Bv，由BBvAvq得实际流量公式：)p-(p2A)AA(cc1qBAAB2ABABv4-11公式分析B面的参数很难实测（即AB难测），但是节流件的孔径易测，所以公式中用Ad代替AB，即AB=μAd，μ是收缩系数。又由于实际取压位置与A、B面并不一致，故测得的压力是p1、p2（而不是pA和pB），令)p-(pp-p21BA,是取压系数。AA=AD(管径)，令Dd，DdAAm（2m）综合得到，可用公式：)p-(p2Acc)p-(p2dccq21d42AB21242ABv44-12令：42ABcc——称为流量系数c41——称为流出系数。不可压缩流体综合流量公式：)p-(p2Ac)p-(p2dcq21d42124v141m3/s4-13)p-(p2Ac)p-(p2dcq21d42124m141kg/s4-143）可压缩流体综合流量公式：)p-(p2Ac)p-(p2dcq21d42124v141m3/s4-15)p-(p2Ac)p-(p2dcq21d42124m141kg/s4-16其中：——流束膨胀系数，液体＝1。单位：Ad—m2d—mρ1—kg/m3△P—Pa若已知管道内径和截面积AD，则公式中DdAA2，2411m。4）流量公式说明节流装置的输入—输出关系的静特性：节流装置的输入为q，输出为△P，由公式可知：△P=Kq2。即：△P—q为非线性关系；q很小时，灵敏度显著降低，使得差压计相对误差急剧增大，测量范围通常为1/3上限~上限。流体密度：ρ1为节流装置上游取压口处的流体实测密度。可压缩流体的ρ1=f（P,T,成分）所以，P,T或成分有变化，则△P就有变化，应进行密度修正。截面积或者直径，AD或D为实际温度下的数值流束膨胀系数ε=f（β,x,P2/P1或△P/P1）与节流件形式有关。使用时可以用表格、经验公式或理论公式。（P124式4.17；4.18）。等熵指数x与介质有关（P124）流出系数c：是在一定的β和△P下，实测的流量值与理论计算的流量值之比。由于实测时总有损失情况，所以c1；喷嘴、文丘里管等对流动扰动较小，所以c≈1(0.95)；孔板则对流动扰动比较大，所以c≈0.6。c=f(β,ReD)与节流件形式有关，使用时有经验公式（P123式4.12～4.16）。2.3节流装置的类型与结构1）节流装置的组成和类型组成：节流件、取压装置、测量管段；类型：标准化：孔板、喷嘴、文丘里管、文丘里喷嘴、长径喷嘴；非标准化：1/4圆喷嘴、锥形喷嘴、道尔管、偏心孔板、圆缺孔板（P131）；2）标准节流装置的一般技术要求管道：圆管——圆度有要求，管径有限制，节流件前后应有一定长度的直管段，管内上游10D，下游5D内要求光滑，没有凹坑、毛刺以及沉积物。流体性质：单相、均质的牛顿流体（动力粘度η=常数）而且流经节流件时，不能发生相变或析出杂质。流动状态：1）充满管道，连续，稳定或准稳定流动2)充分发展的紊流（ReD大于一个下限值）3)无旋转流，流线与管轴平行4)流速在截面上对称分布。3）标准节流装置的结构标准孔板（同心孔板）孔板本体形状：圆形薄板，中心开孔，前部为圆筒形，后部为圆锥扩张孔。特征尺寸：孔径d尺寸以及各部位加工由严格的要求（见书P127）标准喷嘴（2SA1932喷嘴）主要讲其形状和作图方法：内表面的形状是一组曲线，以管轴为中心旋转一周形成的收缩喷管。结构：a)进口平面（A）：内界1.5d，外界管内径或环室内径D要求与管轴垂直b)旋转对称的收缩表面（B），由一段圆弧旋转组成，r1=0.2d，与前后成圆滑连接。圆心的位置：距前面0.2d，中心线0.75d.c)旋转收缩面（C）：由一段圆弧构成r2=1/3d，圆心：距离前面0.3041d，距离管轴5/6d。（收缩总长0.3041d）d)圆角形的喉部：开孔直径d，要求精确计算，加工和检查，同心，长度为0.3d。e)凹槽（F）段，保护出口边缘锐利。直径≧1.06d；长度0.3d.若β2/3（D1.5）时：因为管内径小于前平面A的内界，测量时将形成涡流区，影响精度。办法：车去前面的一部分，使得入口边缘直径为D。取压方式：只有角接取压。形式：单孔和环室。长径喷嘴内表面形状：入口收缩段由1/4椭圆绕管中心轴线旋转而成。结构：`A——前平面B——1/4椭圆C——圆筒（0.6d长）取压方式：径距取压上游取压口的中心线位置在距离入口端面1D±2.01.0D；下游取压口的中心线位置在距离入口端面0.05D±0.01D。取压方法（包括取压口的位置和取压口的结构）位置：a)理论取压：取压位置在流束的未受干扰处和最小截面处b)法兰取压：在安装法兰上钻孔取压，孔板两侧距离相等（25.4mm）c)径距取压：固定上下游距离径管上取压（上游D，下游D/2处）。d)角接取压：取压口设在孔板角位置上。（常用）e)损失取压：取出δp的值。结构：角接取压：环室取压：信号稳定，有平均效果，费料，加工不便；单独钻孔取压：取压方便，可以用多孔环通式改善效果。测量管段（节流装置上下游的直管段）标准节流装置规定，节流装置上游10D，下游5D为直管段且内表面相对粗糙度有要求（详见P129表4.2）。2.4节流装置的性能比较孔板：结构简单，易加工，省料，造价低；文丘里管：结构复杂，难加工，费料，造价高；喷嘴：居中。流出系数的稳定性：孔板差，喷嘴好。压力损失：孔板大，喷嘴小，文丘里管更小。2.5标准节流装置计算［本节内容是节流式流量计中学过的知识的综合应用，也是最为实用的知识。目前应用上，节流装置是单个设计的，不同的使用条件下需要用不同的节流装置，所以这一节的内容对于自专业的学生是要求掌握的］第一类命题：按照节流装置的实测差压，计算对应的流量（常在试验、标定情况下用）第二类命题：由待测流量范围，设计出合格的节流装置。1）第一类命题目的：按照节流装置的实测差压，计算对应的流量。已知条件：管道条件：D20、材料线膨胀系数（）、粗糙度（管道新旧）节流件数据：形式（标准、非标准）］d20、材料取压形式：角接、法兰等流体的种类参数（P、T）密度、等实测的△P数值。待求量：该△P对应的qv或者qm计算依据：p2Acp2dcqd424m141计算分析：由公式可以看出，要求出qm，未知量只有流出系数c，而c=f(β,ReD)DqRmeD可见，qm未知→ReD求不出→c未知→qm求不出，产生了矛盾。计算方法——迭代算法：设c初值，逐步迭代逼近：实际计算步骤：先进行辅助计算：由流体的种类和温度T1，绝对压力P1，查表求出密度ρ1和动力粘度η，由管道条件（材料，温度）、节流件条件（材料、温度）查表得出材料的线膨胀系数λd和λD计算工作温度下的管径和孔径Dt=D0t[1+λD(t-t0)]，dt=d0t[1+λd(t-t0)]，再求出kq。∵c未知也不可求出∴先令eDR，则c0=c(已知β，所以c已知)]p2d[cq24m04110tmeDDqR00令p2dk24q411流体的动力粘度由上游的取压口参数P1和t1决定。再令c1=c+c0DRe∴算出q1m=c1×kq——R1eD——c1ReD可求。同理c2=c+c1ReDq2m=c2×kq——R2eD——c2ReD可求……如此迭代，每算出一次qmi与q1mi比较，，直到qmi≈q1mi为止。一般，判据En≦105或106，即可以停止迭代。2）第二类命题目的：节流装置的设计计算，其中包括：选定节流装置的类型计算出节流件的孔径d决定差压上限，选取差压计决定上下游直管段长度估算流体不确定度最大压损验算。已知条件：被测物体：状态参数（P1，t1，流量）管道条件：D，材料，阻力件分布情况等允许的压力损失待求量：节流装置（d），选取差压计计算依据：流量公式p2Acp2dcqd424m141整理得：41221)kc(其中：2218)qd(Pkmt设计分析由公式可以看出，要求出β的数值，就要知道c、ε、K，而c=f1(β,ReD)，ε=f2(β,x,△P/P1),K=f3(△P,ρ1,qm,d),即c、ε、K只有β,△P已知方可以求出，这样就出现可矛盾设计方法——因为未知参数较多，故只能采取迭代计算，不能用简单的代数方法求出。结果不唯一。实际设计步骤｛详见P133