差压式流量计节流现象与流量基本方程式

差压式流量计节流现象与流量基本方程式
    差压式(也称节流式)流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。它是目前生产中测量流量最成熟，最常用的方法之一。通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以及显示仪表所组成。在单元组合仪表中，由节流装置产生的压差信号，经常通过差压变送器转换成相应的标准信号(电的或气的)，以供显示、记录或控制用。
    1.节流现象与流量基本方程式
    (1)节流现象  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称为节流现象。
    节流装置包括节流件和取压装置，节流件是能使管道中的流体产生局部收缩的元件，应用最广泛的是孔板。其次是喷嘴、文丘里管等。下面以孔板为例说明节流现象。
具有一定能量的流体，才可能在管道中形成流动状态。流动流体的能量有两种形式，即动能和静压能。由于流体有流动速度而具有动能，又由于流体有压力而具有静压能。这两种形式的能量在一定的条件下可以互相转化。但是，根据能量守恒定律，流体所具有的静压能和动能，再加上克服流动阻力的能量损失，在没有外加能量的情况下，其总和是不变的。图2-3-1表示在孔板前后流体的速度与压力的分布情况。流体在管道截面I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挡，使靠近管壁处的流体受到节流装置的阻挡作用最大，因而使一部分动能转换为静压能，出现了节流装置人口端面靠近管壁处的流体静压力升高，并且比管道中心处的压力要大，即在节流装置人口端面处产生一径向压差。这一径向压差使流体产生径向附加速度，从而使靠近管壁处的流体质点的流向就与管道中心轴线相倾斜，形成了流束的收缩运动。由于惯性作用，流束的最小截面并不在孔板的孔处，而是经过孔板后仍继续收缩，到截面Ⅱ处达到最小，这时流速最大，达到V₂ ，随后流束又逐渐扩大，至截面Ⅲ后完全复原，流速便降低到原来的数值，即v₃=v₁。

    由干节流装置造成流束的局部收缩，使流体的流速发生变化，即动能发生变化。与此同时，表征流体静压能的静压力也要变化。在I截面，流体具有静压力P₁’。到达截面处Ⅱ，流速增加到最大值，静压力就降低到最小值P₂’，而后又随着流束的恢复而逐渐恢复。由于在孔板端面处，流通截面突然缩小与扩大，使流体形成局部涡流，要消耗一部分能量，同时流休流经孔板时，要克服摩擦力，所以流体的静压力不能恢复到原来的数值P1’，而产生了压力损失δ_p=P₁’-P₃’。
    节流装置前流体压力较高，称为正压，常以“+，标志;节流装置后流体压力较低，称为负压(注意不要与真空混淆)，常以“一”标志。节流装置前后压差的大小与流量有关。管道中流动的流体流量越大，在节流装置前后产生的压差也越大，我们只要测出孔板前后两侧压差的大小，即可表示流量的大小，这就是节流装置测量流量的基本原理。
    值得注意的是:要准确地测量出截面I与截面Ⅱ处的压力对P₁’，P₂’是有困难的，这是因为产生最低静压力P₂’的截面Ⅱ的位置随着流速的不同会改变的，事先根本无法确定。因此实际上是在孔板前后的管壁上选择两个固定的取压点，来测量流体在节流装置前后的压力变化的。因而所测得的压差与流量之间的关系，与测压点及测压方式的选择是紧密相关的。
(2)流量基本方程式  流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的，即
   
由流量基本方程式可以看出，要知道流量与压差的确切关系，关键在于α的取值。α是一个受许多因素影响的综合性参数，对于标准节流装置，其值可从有关手册中查出;对于非标准节流装置，其值要由实验方法确定。所以，在进行节流装置的设计计算时，是针对特定条件，选择一个口值来计算的。计算的结果只能应用在一定条件下。一旦条件改变(例如节流装置形式、尺寸、取压方式、工艺条件等等的改变)，就不能随意套用，必须另行计算。例如,按小负荷情况下计算的孔板，用来测量大负荷时流体的流量，就会引起较大的误差，必须加以必要的修正。
    由流量基本方程式还可以看出，流量与压力差△p的平方根成正比。所以，用这种流量计测量流量时，如果不加开方器，流量标尺刻度是不均匀的。起始部分的刻度很密，后来逐渐变疏。因此，在用差压法测量流量时，被测流量值不应接近于仪表的下限值，否则误差将会很大。
 
 
本文来自：孔板流量计  http://www.360abg.com/products/liuliangyibiao/kongbanliuliangji/