壓差流量計概述及原理

•                                                                                                                        差壓流量計

    壓差流量計是采用介質流體流經節流裝置時產生的壓力差與流量之間存在一定關系的工作原理進行測定的。

 基本介紹

  壓差流量計是一種測定流量的儀器。它是利用流體流經節流裝置時所產生的壓力差與流量之間存在一

定關系的原理，通過測量壓差來實現流量測定。節流裝置是在管道中安裝的一個局部收縮元件，最常用的有孔板、噴嘴和文丘里管。流量Q的計算公式為： 式中：C為流量系數；ε為氣體膨脹修正系數；F為節流部的截面積；g為重力加速度；γ為流體密度；P1和P2分別為節流前后的壓力。對于不可壓縮的氣體，可不考慮氣體膨脹修正系數，即流量公式為： C和ε一般由實驗方法確定。目前，壓差流量計的標準化程度已相當高，它的構造、尺寸嚴格按照規定制作時，則可查出C和ε，無需通過實驗方法確定。

工作原理

  傳統的差壓式流量（如孔板等）儀表都是屬于節流式差壓流量儀表。其工作原理都是基于封閉管道中流體質量守恒（連續性方程）和能量守恒（伯努利方程）兩個定律。在這里大家首先要重溫一下質量守恒（連續性方程）和能量守恒（伯努利方程）這兩個定律的實質內容，只有掌握了這兩個定律才能懂得壓差流量計的工作原理，而且所有的節流式差壓流量儀表的原理也就都明白了，下面通過復習一下兩個定律來說明塔形流量計（或壓差式流量計）的工作原理所說的質量守恒定律（連續性方程）和能量守恒定律（伯努利方程），可以這樣去理解：質量守恒：流體在一個封閉的管道中流動，當遇到節流件時，在節流件前后它的質量是不變的，用連續性方程表示為： V1*A1*ρ1=V2*A2*ρ2（液體為： V1*A1=V2*A2） 能量守恒：用伯努利方程來表示為是指封閉管道中流體的壓力和流速有如下的關系：

P+1/2V2ρ=常數

對于安裝有節流件的管道則有：P1+1/2*(V1)2*ρ1=P2+1/2*(V2)2*ρ2

式中： A1、A2 分別是節流件前后的截面積；

V1、V2 分別是A1、A2處的流速；

P1、P2 分別是A1、A2處的壓力

ρ1、ρ2 分別是A1、A2處的流體密度；

種類

    差壓式流量計由一次裝置和二次裝置組成．一次裝置稱流量測量元件，它安裝在被測流體的管道中，產生與流量(流速)成比例的壓力差，供二次裝置進行流量顯示。二次裝置稱顯示儀表。它接收測量元件產生的差壓信號，并將其轉換為相應的流量進行顯示．差壓流量計的一次裝置常為節流裝置或動壓測定裝置(皮托管、均速管等)。二次裝置為各種機械式、電子式、組合式差壓計配以流量顯示儀表．差壓計的差壓敏感元件多為彈性元件。由于差壓和流量呈平方根關系，故流量顯示儀表都配有開平方裝置，以使流量刻度線性化。多數儀表還設有流量積算裝置，以顯示累積流量，以便經濟核算。這種利用差壓測量流量的方法歷史悠久，比較成熟，世界各國一般都用在比較重要的場合，約占各種流量測量方式的70%。發電廠主蒸汽、給水、凝結水等的流量測量都采用這種表計。

力學原理：屬于此類原理的儀表有利用伯努利定理的差壓式、轉子式；利用動量定理的沖量式、可動管式；利用牛頓第二定律的直接質量式；利用流體動量原理的靶式；利用角動量定理的渦輪式；利用流體振蕩原理的旋渦式、渦街式；利用總靜壓力差的皮托管式以及容積式和堰、槽式等等。

新一代

     以孔板、噴嘴和文丘里管為代表的差壓式流量計（統稱標準節流裝置） 在流量領域已應用近百年，其優點是已標準化、結構簡單牢固、易于加工制 造、價格低廉、通用性強。但是孔板、噴嘴等在測量性能和結構上存在著嚴重的缺陷，所以近百年來人們從未間斷過對它們的研究和改善工作，但是由于先天結構上的缺陷，其本身固有的一些缺點，至今仍然沒能得到很好的解決。如：流出系數不穩定、線性差、重復性不好、準確度也不高。孔板入口銳角這個關鍵部位易磨損、前部易積污、量程比小、壓力損失大，特別是十分苛刻的直管段要求在實際使用中很難滿足等。為了克服上述這些不足，人們曾研制出1/4圓孔板、錐形入口孔板、圓缺孔板、偏心孔板、楔形孔板、可更換孔板、等諸多的非標準節流件，試圖解決這些問題。但是這些節流件同標準孔板一樣，大都沒有突破“流體中心突然收縮”這個模式，只是或多或少改善了局部某一個問題，并沒有從根本上徹底解決所有問題,這種改進工作到了80年代中期才有了突破性的發展： 塔形流量計的出現打破了沿襲近百年的模式結構，使得節流式差壓儀表發生了“質的飛躍”。塔形流量計的重大突破在于：變流體在管道中心收縮為管道邊壁逐漸收縮，即利用同軸安裝在管道中的塔形體（節流件），迫使流體逐漸從中心收縮到管道內邊壁而流過塔形體，通過測量塔形體前后的壓差來得到流體的流量。正是這個邊壁收縮的結構，使得塔形流量計具有了一系列其他差壓儀表無法相比的優點，徹底克服了以孔板為代表的傳統差壓儀表的諸多缺點。經過國外國內十幾年應用和大量的測試數據，已充分證明它能在極短的直管段條件下，以更寬的量程比對各種流體（包括臟污、低流速）進行更準確更有效的測量。從此揭開了差壓式流量儀表劃時代的嶄新一頁。可以預言，隨著人們對它逐漸認識、了解、熟悉和掌握，必將逐漸和完全取代以孔板為代表的傳統差壓儀表。

塔形流量計有多種如V形（型）錐、內錐 、環孔流量計、內置文丘里等。盡管名稱各異，但原理結構都是一樣的。單就節流件來講，完全是金屬件組成，不含任何電子器件。它主要由連接法蘭1、測量管2、塔形體6（錐形體）、低壓測量管5（兼支架）、正負測壓

嘴2、3等組成（詳見下圖）。 當口徑≤DN100時，塔體用負壓測量管兼作支撐，口徑≥DN150時，要在塔體后部再加支撐管架9，并在支撐管開測量孔8。 當溫壓一體化型時，需要在后部支撐架前安裝測溫元件套管10，若采用多參數變送器，則不再需要壓力測量點，該變送器差壓、壓力同時測量并能接受溫度信號。

發展

    流量測量的發展可追溯到古代的水利工程和城市供水系統。古羅馬凱撒時代已采用孔板測量居民的飲用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法測量尼羅河的流量。我國著名的都江堰水利工程應用寶瓶口的水位觀測水量大小等等。17世紀托里拆利奠定差壓式流量計的理論基礎，這是流量測量的里程碑。自那以后，18、19世紀流量測量的許多類型儀表的雛形開始形成，如堰、示蹤法、皮托管、文丘里管、容積、渦輪及靶式流量計等。20世紀由于過程工業、能量計量、城市公用事業對流量測量的需求急劇增長，才促使儀表迅速發展，微電子技術和計算機技術的飛躍發展極大地推動儀表更新換代，新型流量計如雨后春筍般涌現出來。至今，據稱已有上百種流量計投向市場，現場使用中許多棘手的難題可望獲得解決。

我國開展近代流量測量技術的工作比較晚，早期所需的流量儀表均從國外進口。

流量測量是研究物質量變的科學，質量互變規律是事物聯系發展的基本規律，因此其測量對象已不限于傳統意義上的管道液體，凡需掌握量變的地方都有流量測量的問題。流量和壓力、溫度并列為三大檢測參數。對于一定的流體，只要知道這三個參數就可計算其具有的能量，在能量轉換的測量中必須檢測此三個參數。能量轉換是一切生產過程和科學實驗的基礎，因此流量和壓力、溫度儀表一樣得到最廣泛的應用。

作用領域

     壓差流量計應用極其廣泛，流量測量技術與儀表的應用大致有以下幾個領域。

一，工業生產過程

流量儀表是過程自動化儀表與裝置中的大類儀表之一，它被廣泛適用于冶金、電力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、輕紡、食品、醫藥、農業、環境保護及人民日常生活等國民經濟各個領域，是發展工農業生產，節約能源，改進產品質量，提高經濟效益和管理水平的重要工具在國民經濟中占有重要的地位。在過程自動化儀表與裝置中，流量儀表有兩大功用：作為過程自動化控制系統的檢測儀表和測量物料數量的總量表。

二，能源計量

能源分為一次能源（煤炭、原油、煤層氣、石油氣和天然氣）、二次能源（電力、焦炭、人工燃氣、成品油、液化石油氣、蒸汽）及載能工質（壓縮空氣、氧、氮、氫、水）等。能源計量是科學管理能源，實現節能降耗，提高經濟效益的重要手段。流量儀表是能源計量儀表的重要組成部分，水、人工燃氣、天然氣、蒸汽和油品這些常用的能源都使用著數量極其龐大的流量計，它們是能源管理和經濟核算不可缺少的工具。

三，環境保護工程

煙氣，廢液、污水等的排放嚴重污染大氣和水資源，嚴重威脅人類生存環境。國家把可持續發展列為國策，環境保護將是21世紀的最大課題。空氣和水的污染要得到控制，必須加強管理，而管理的基礎是污染量的定量控制。

我國是以煤為主要能源的國家，全國有上百萬個煙囪不停地向大氣排放煙氣。煙氣排放控制是根治污染的重要項目，每個煙囪必須是安裝煙氣分析儀表和流量計，組成連櫝排放監視系統。煙氣的流量沆量有很大因難，它的難度為煙囪尺寸大且形狀不規則，氣體組分變化不定，流速范圍大，臟污，灰塵，腐蝕，高溫，無直管段等。

四，交通運輸

有五種方式：鐵路公路、航空、水運、和管道運輸。其中管道運輸雖早已有之，但應用并不普遍。隨著環保問題的突出，管道運輸的特點引起人們的重視。管道運輸必須裝備流量計，它是控制、分配和調度的眼睛，亦是安全監沒和經濟核算的必備工具。

五，生物技術

21世紀將迎來生命科學的世紀，以生物技術為特征的產業將獲得迅速發展。生物技術中需監測計量的物質很多，如血液，尿液等。儀表開發的難度極大，品種繁多。

六，科學實驗

科學實驗需要的流量計不但數量多，且品種極其繁雜。據統計流量計100多種中很大一部分是應科研之需用的，它們并不批量生產，在市面出售，許多科研機構和大企業皆設專門小組研制專用的流量計。

七，海洋氣象，江河湖泊

這些領域為敞開流道，一般需檢測流速，然后推算流量。流速計和流量計所依據的物理原理及流體力學基礎是共通的但是儀表原理及結構以及使用條件有很大差別。