节流式流量计(新)课件

第六章节流式流量计

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节流式流量计是工业上最为广泛使用的一类流量测量仪表。

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工作原理：在管道中放置一节流元件，流体流经节流元件时发生节流，在节流元件的前后两侧产生压力差（差压）。当流体、工况、管道、节流件、差压取出方式一定时，管道流量与差压有确定的关系。因此可通过测量差压来测量流量。节流式流量计也称为变压降式流量计。

●分类：节流式流量计有标准化和非标准化两类。是非通用仪表，即安装在生产过程中使用着的节流式流量计仅适用于该地的情况和工况。因此节流式流量计是根据要求具体设计、安装、使用的。

●标准节流装置的设计计算要严格遵循标准节流装置设计、安装和使用的国家“标准”(GB／T2624—93)或国际“标准”(ISO5176—1)。按“标准”进行设计、安装、使用的标准节流装置，其流量与差压的关系按理论公式标定，并有统一的基本误差、计算方法，一般不需要进行实验标定或比对。●节流式流量计流量的测量系统由节流装置、差压计或差压变送器、二次显示仪表（动圈表、自动电位差计）等组成。

第一节标准节流装置

一、标准节流装置的组成与类型

标准节流装置由三部分组成：节流件、取压装置、测量直管段（节流件前10D，后5D）。

（2）标准喷嘴标准喷嘴有两种结构形式：ISA1932喷嘴、长径喷嘴。

当d＞2D／3时，还应在入口部分切除一部分圆廓形收缩段。其应切去的长度为

2.取压装置角接取压分为环室取压和单独钻孔取压,上、下侧压力在节流件前后端面处取出

。(2)法兰取压装置上、下侧压力在连接法兰上距节流件前后端面25.4mm处取出。角接取压标准孔板的适用范围：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥5×103（0.2≤β≤0.45），ReD＞104（β＞0.45）。法兰取压和径距取压标准孔板的适用范围：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥1260β2D（D：m）。

ISA1932喷嘴角接取压装置有单独钻孔和环室取压。

ISA1932喷嘴的适用范围：50mm≤D≤500mm，0.30≤β≤0.80，7×104≤ReD≤107（0.30≤β≤0.44时），2×104≤ReD≤107（0.44≤β≤0.80时）。

二、适用的流体条件

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标准节流装置适用于测量圆形截面管道中的单相、均质流体，即是可压缩的（气体）或认为不可压缩的（液体）牛顿流体;

●要求流体充满管道；流体流动是稳定的或随时间缓变的；流动不可以是脉动流和旋转流，流束与管道轴线平行；

●流体流经节流件前流动应达到充分紊流，在节流件前后一定距离内不发生相变或析出杂质；流速小于音速。

三、适用的管道条件

1.管道内表面光滑的判定是应不超过表4-1、表4-2给出的相对粗糙度上限值。表4-1标准孔扳上游管段相对粗糙度（Kc/D）上限值

表4-2ISA1932喷嘴上游管段相对粗度（Kc/D）上限值

3.适用于圆形截面管道测量段管道应被流体充满。节流件及取压装置安装在两圆形直管之间。在所要求的整个直管段长度上，管道截面应该是圆形的，没有特殊要求，只是在邻近节流装置附近对管道的圆度有特殊要求，这在“标准”中有详细规定。对于管道的粗糙度、节流件上游10D、下游5D（测量直管段），要求满足给出的相对粗糙度上限值，L的其余部分和L以远的管道可以是粗糙的。

四、压力损失

压力损失与直径比β和流速（或流量）有关，通过实验可得到它们之间的关系。对于角接标准孔板、法兰标准孔板、径距标准孔板、ISA1932喷嘴、长径喷嘴等标准节流装置的压力损失可以用下式近似计算：

五、标准节流装置的误差

按照“标准”进行节流装置的设计、制造、安装、使用时，其基本误差是按照“标准”中提供的计算公式进行计算的。当设计、制造、安装、使用等环节中有违背“标准”要求时，则将由此产生附加误差。附加误差的极性与大小或修正系数是通过大量实验确定的。

对于一定常的流动，在截面A和截面B处将满足流体质量守恒和能量守恒。在充分紊流的理想情况下，流体流动连续性方程和伯努利方程为由上两式解方程组，可得引入如下几个参数：（收缩系数）（截面比）（取压系数）

可写成：

所以，可得质量流量：

定义流量系数α和流出系数C：

于是，不可压缩流体的流量公式为

二、可压缩流体的流量公式

为方便起见，规定公式中的密度仍使用节流件前的流体密度ρ1，α和C值仍取相当于不可压缩流体时的数值，而把全部的流体可压缩性对流体系数和流出系数的影响用一个流束膨胀系数ε来考虑。当流体为不可压缩性流体时，ε=1。所以流量公式可统一写成：

流量公式中各量的单位为：体积流量qV—m3/s；质量流量qm——Kg/s；直径d或D—m；密度ρ1—kg/m3；差压Δp—Pa。

三、标准节流装置的流出系数C值及其不确定度

对于一定形式的标准节流装置，其流量系数α和流出系数C仅与β和雷诺数ReD有关。当雷诺数大到一定值后，α和C就与雷诺数值无关，趋于一定值。

1．标准孔板的C值及其不确定度只要所使用管道在节流件上游侧10D长度内的粗糙度不超过前节所列的限值，C的数值按下列公式计算。在规定条件下，流出系数C主要取决于ReD、β，即C=f(ReD、β)。对于角接取压标准孔板：对于法兰取压标准孔板：

（D：mm，

D20≥58.6mm）

（D：mm，D20<58.6mm）对于D和D/2取压标准孔板：

对于上述三种取压方式，若ReD、β、D和Kc／D是已知的且无误差．则C值的百分率不确定度δc／C（置信概率为95％）为：

对于β≤0.6，δc／C＝0.6％；对于0.6＜β≤0.75，δc／C=β％。

2、标准喷嘴（ISA1932喷嘴）的C值及其不确定度求取标准喷嘴C值的原始实验是在相对粗糙度Kc/D≤3.8×10-4的管道中进行的，但只要喷嘴上游侧至少有10D的长度的管道的粗糙度在前节规定的限值之内，C值仍然可用。标准喷嘴的流出系数C由下式给出：

对于角接取压标准喷嘴（ISA1932喷嘴）：

四、标准节流装置的流束膨胀系数ε值及其不确定度

标准节流装置的形式确定后，其流束膨胀系数ε值决定于Δp/p1、κ和β值。其中κ是被测流体的等熵指数，对于过热蒸汽可近似取κ＝1.3，对空气κ=1.4。为限制流体可压缩性对流量测量的影响，标准规定节流装置的Δp/p1＜0.25，即p2/p1＞0.75。上述三种取压方式的标准孔板的ε值是由实验确定的，可用如下的经验公式计算：

β、Δp/p1和κ是已知且无误差，则标准孔板ε值的百分率不确定度（概率95％）为4%。

标准喷嘴的流束膨胀系数ε值是根据等熵流动过程直接从理论上推导出来的。由于流动过程不可能是等熵过程，所以存在误差，从理论上推导出计算标准喷嘴ε的公式如下：其中标准喷嘴ε值的百分率不确定度=2%，置信概率为95％。

第三节标准节流装置的设计计算

关于标准节流装置的计算一般包括有三类命题：①流量计算；②标准节流装置的设计计算；③最大差压值的计算（选配差压计问题）。这三类命题在实际中最常用到的是①、②类命题。一、流量计算流量计算的已知条件为：管道直径D20、管道材料、管道新旧程度，节流件前后安装阻力件情况，节流件型式、节流孔径d20、节流件材料，流体及工作压力p、工作温度t，节流装置输出的差压值Δp。要求：计算输出的差压值Δp对应的流量。

思考：计算的步骤是什么？

（－）辅助计算根据已知条件，通过查表和相应的计算给出解上述方程组所必需的参数值，这些计算称为辅助计算。要计算的量值有：工作压力p1=pe+p0(pe—表压；p0—大气压力)、流体密度ρ1（p，t）(查表)、流体粘度η（p，t）(查表)、管道线膨胀系数λD（查表）、节流件线膨胀系数λd（查表）、流体的等熵指数κ（过热蒸汽κ=1.3；空气κ=1.4）；节流件工作温度下管道直径D和节流件的节流孔径d，即Dt、dt，节流件直径比β。（二）迭代计算在计算流体流量时，由于流量公式中的未知数不只一个，且未知数之间有一定的关系，所以通常需用迭代算法求解，迭代计算中的一个不变量：迭代计算中的变量：

迭代方程为：故迭代计算流程如图所示。

二、标准节流装置的设计计算

这类命题是根据用户提出的已知条件以及限制要求来设计标准节流装置。

已知条件：被测流体及其工作压力p1、工作温度t、最大流量qmmax、常用流量qmch、最小流量qmmin、管道内径D20，管道材料、新旧程度、节流件前后管道及阻力件的情况。

限制要求：最小直管段L＜Lx（实际直管段长度）；压力损失δpmax≤δpx。

要求设计计算：

（1）选定节流件的形式（类型、取压方式）；（2）选定差压计；（3）计算C、ε、β、d20；（4）计算所需最小直管段l0、l1、l2，并验算L≤Lx（L=l0十l1＋l2）；（5）计算最大压损δpmax，并验算δpmax≤δpx；（6）计算基本误差对于该命题根据已知条件完成设计计算，其结果不是唯一的，即满足设计已知条件可以有多种结果。

从物理意义上看很容易理解，在被测流体的管道上安装的节流件，其β值是可大可小的。在一定流量下，当β小时，节流装置输出的差压值大；当β大时，输出的差压值小。由于在已知条件中用户提出了限制要求（L≤Lx，δpmax≤δpx），所以这种设计结果的多样性也受到了一定的限制，即是满足限制要求下的多种设计结果。明确:设计计算是在常用流量qmch下进行的。

（－）选定节流件的型式

●在相同情况下，标准孔板的压力损失大于标准喷嘴、文丘利管等。

●对于取压方式，根据“标准”中提供的方式确定。

●常用的材料为不锈钢。

●目前在火力发电厂常用角接标准孔板测量锅炉给水流量，用角接标准喷嘴（ISA1932）或径距取压长径喷嘴测量过热蒸汽流量。（二）选定差压计

选定差压计主要是确定如下内容：选定差压计的型号；确定差压计的满刻度流量q*mmax以及对应的最大差压Δpmax。

●差压计型号的选定主要取决于现有的差压计产品。

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q*mmax的确定是根据用户给出的最大流量qmmax向上圆整到规定系列值中的一个邻近值。规定的流量计满刻度系列值为

qk＝a×10n其中a=1，1.2，1.6，2，2.5，3，4，5，6，8；n=0或任意正整数或负整数。

例如qmmax=230t/h圆整到q*mmax=250t/h。

●从用户提出的限制要求出发，确定出Δpmax的取值范围，在Δp的取值范围内定出Δpmax适当的数值。

（1）满足L≤Lx时的Δpmax取值范围的确定

具体方法:由l0=f（β=0.7，上游第2阻力件形式）确定出l0值。取l2=5D，则l1=lx一l0一l2，由l1=f（β，上游第1阻力件形式）确定出β*。β*是最小直管段L=Lx时对应的直径比。根据最小直管段长度L与β的关系可知，要满足L≤Lx则必须使得设计确定的β满足β≤β*。通过以下计算可确定Δpmax的取值范围。

C=f（β*，ReDch）

（令ε=1）而

（令ε=1）显然应有Δp1≤Δpmax（2）满足δpmax≤δpx时Δpmax取值范围的确定要满足用户压力损失限制的要求时，则应有≤δpx(标准孔板)

≤δpx(标准喷嘴)即Δp2=2δpx(标准孔板)

Δp2=3δpx(标准孔板)由此可知Δpmax的取值要求为：Δpmax≤Δp2

（3）满足最小雷诺数推荐值Re*Dmin时的Δpmax取值范围的确定

令ReDmin=Re*Dmin（β*），估算相应的β*值。对于角接标准孔板来说，待设计的β值应有β≤β*；对于标准喷嘴来说，在0.35≤β＜0.6范围内应有β≤β*；在0.6≤β≤0.75范围内应有β≥β*，在0.75≤β≤0.8范围内应有β＜β*。通过下面计算可确定Δpmax的取值范围。C=f（β*，ReDch）（令ε=1）

而（令ε=1）则应有Δp3≤Δpmax（角接取压标准孔板）

Δp3≤Δpmax（0.35≤β≤0.6，角接取压标准喷嘴）Δp3≥Δpmax（0.6＜β≤0.75，角接取压标准喷嘴）Δp3≤Δpmax（0.75＜β≤0.8，角接取压标准喷嘴）（4）可压缩流体满足＜0.25（即＞0.75）时的Δpmax取值范围的确定

设Δp4=0.25p1，则应有Δpmax≤Δp4

对于此项限制，在确定Δpmax时，可暂不考虑，只是在确定Δpmax后再进行检验是否满足上述要求即可。（5）不可压缩流体满足流体流经节流件不发生汽化（不发生相变）要求的Δpmax取值范围的确定

设Δp5＝p1－（1.2～1.3）ps

（ps为当时温度下的饱和压力）

则应有Δpmax≤Δp5

在确定Δpmax时，如果出现矛盾的情况，则要适当放宽已知条件中的限制要求。最后确定Δpmax的值时，要考虑选择差压值满量程规定的系列值，这些系列值包括：1，1.6，2.5，4，6×10n，其中n为0或正、负整数。选择连续可调量程的差压计更容易满足限制要求。（三）设计计算：设计计算的任务主要是：算出C、ε、β、压力损失δpmax、最小直管段L的具体数值以及节流装置的基本误差。

确定Δpmax值后，常用流量对应的差压Δpch应为：在常用流量qmch和差压Δpch下，利用相关的公式进行设计计算。涉及到的公式有：C=f(β，ReDch）（1）辅助计算

辅助计算的过程与流量计算的辅助计算过程大致相同。

查出以下量：流体密度ρ(p1，t）、管道线膨胀系数λD、管道粗糙度Kc、节流件材料线膨胀系数λd、流体等熵指数κ（过热蒸汽κ=1.30；空气κ=1.40）、流体的动力粘度η（p1，t）。、值及以下量：

（2）迭代计算

迭代计算中的不变量A为：迭代计算中的变量为C、ε、β，故有

所以，迭代方程为：

迭代结束的终结判据为：Z

n=1×10-n，一般n≥5。计算流程:

标准节流装置流量测量的不确定度

标准节流装置的流量测量误差是用置信概率95％时的不确定度来估计的。质量流量测量的不确定度计算公式如下：

（1）流出系数和流束膨胀系数的不确定度和：其估算方法上节已述。

（2）节流件孔径的不确定度：一般在按照标准规定的方法实测的情况下，按置信概率95%估算，最大值估计为±0.07%。（3）管径的不确定度：在按标准规定实测的情况下，按置信概率95%估算，的最大值估计为±0.4%，若所用的D为管径的公称尺寸，则最大值估计为±2%。

（4）差压测量值的不确定度：

按变送器和差压计的精确度等级来估计差压测量误差。一般认为差压计的最大绝对误差3倍于差压计测量Δp的标准偏差。根据差压计的精确度等级估算出置信概率95%时的值：=（差压计允许绝对误差）。（5）密度值的不确定度：

查表计算第四节流量测量的补偿

一、补偿的原因

标准节流装置是在一个确定工况（设计工况）下设计的，当实际工况偏离设计工况，因实际工况下的参数C、ε、β，不同于仪表刻度所使用的参数，故显示仪表显示的流量将不是被测流量值。

二、补偿方法流量示值的压力、温度修正——流量仪表的显示值；——被测流量值。2、自动补偿在线测量时，自动取得现时的工况参数（温度、压力、差压）后，由仪表自动进行流体密度或其他参数值的计算。举例：

1、直径D=760mm的抽水管道，采用标准孔板测量抽出水的流量，孔板的开孔直径比，管道内压力