节流装置的流量测量原理

差压式流量计作为经典与最古老的流量计，应用范围最为广泛。不过随着电子式流量计如（电磁、涡街等）流量计的兴起，我们有些新的行业朋友，还真不一定熟悉这种流量计，今天这一期，给大家好好讲解这个差压式流量计。

差压式流量计在化工生产中得到最广泛的应用，也是操作人员最为熟悉的一种流量计，它的节流装置（1）安装在生产工艺管道（2）上，并由引压管（3）和差压变送器（4）三个部分组成流量测量系统(如图3—1所示)。下面对差压式流量计，差压变送器及差压式流量计的安装分别予以介绍。

图3-1　差压式流量计的组成

差压式(也称节流式)流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。差压式流量计一般是由能将流体的流量变换成差压信号的节流量(孔扳、喷嘴)和用来测量压差值的差压计或差压变送器及显示仪表组成。

这种流量计，目前在化工、炼油及其它工业中应用很广，应用的历史也较长久，因此已经积累了丰富的实践经验和完整的实验资料。对于常用的孔板、喷嘴等节流装置，国内外已把它们标准化了，并称为“标准节流装置”。因此,这种流量计所用的标准节流装置可以根据计算结果直接投入制造和使用，不必用实验方法进行单独标定。但对于非标准化的特殊节流装置, 在使用时，均应进行个别标定。

一．节流装置的流量测量原理

节流现象及其原理：

流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管璧处，流体的静压产生差异的现象称为节流现象，如图3—2所示

图3—2  流体流经节流装置时的节流现象

现在，我们对流体流经节流装置前后的变化情况作进一步分析。

连续流动着的流体，在遇到安插在管道内的节流装置时，由于节流装置的截面积比管道的截面积小，形成流体流通面积的突然缩小，在压力作用下，流体的流速增大，挤过节流孔，形成流速的扩大而降低。与此同时，在节流装置前后的管壁处的流体静压力就产生了差异,形成静压力差△p(△p=P1- P2)，如图3-3所示。并且p1>p2，

图3—3  孔扳附近流束及压力分布情况

此即为节流现象,从图中可以看出，节流装置的作用在于造成流束的局部收缩从而产生的压差.并且,流过的流量愈大在节流装置前后所产生的压差也愈大， 因此可以通过测量压差来衡量流体流量的大小。由于节流装置造成流束的收缩，  同时流体又是保持连续流动的状态,因此在流束截面积最小处的流速达到最大， 在流速截面积最小处，流体的静压力最低。

同理，在孔板出口端面处，由于流速已比原来增大，因此静压力仍旧比原来的为低(即图中P2

二.标准节流装置

标准节流装置有孔板（下图左）,喷嘴和文丘里管（下图右）等,其中又以孔板应用最广。

我们把应用最广泛的节流装置-----孔板作一简单的介绍。

孔板的结构

标准孔扳是一块圆形的中间开孔的金属扳，开孔边缘非常尖锐，而且与管道轴线是同心的，用于不同管道内径的标准孔板，其结构形式基本是几何相似的，如图3-4所示，标准孔扳是旋转对称的，上游侧孔板端面的任意两点间连线应垂直于轴线。

孔板的开孔，在流束进入的一面做成圆柱形，而在流束排出的一面则沿着圆锥形扩散，锥面的斜角为F。当孔板的厚度E>0.02D(D为管道内径)时，F应在3D一45о之间(通常做成45о的为多)，孔扳的厚度E一般要求在3—10mm范围之内。孔板的机械加工精度要求比较高。

图3—4  标准孔扳

孔板使用条件的规定

(1)．被测介质应充满全部管道截面连续地流动。

(2)．管道内的流束(流动状态)应该是稳定的。

(3)．被测介质在通过孔板时应不发生相变(例如：液体不发生蒸发，溶解在液体中的气体应不会释放出来)，同时是单相存在的。对于成份复杂的介质，只有其性质与单一成分的介质类似时 才能使用。

(4)，测量气体(蒸汽)流量时所析出的冷凝液或灰尘，或测量液体流量时所析出的气体或沉淀物，既不得聚积在管道中的孔板附近，也不得聚积在连接管内。

(5)．在测量能引起孔板堵塞的介质流量时，心须进行定期清洗。

(6)．在离开孔板前后两端面2D的管道内表面上，没有任何凸出物和肉眼可见的粗糙与不平的现象。对于标准喷嘴。标准文丘里喷嘴和标准文丘里管， 这些条件均适用。

孔板因为制造工艺简单，安装方便，成本低。因此被广泛的应用，但在使用时特别要注意，尤其是用于测量腐蚀性介质及含有灰尘的介质有流量时，  要经常观察测量结果是否准确，防止由于腐蚀和堵塞取压口而造成的测量误差过大， 或根本不能测量的现象发生， 每年大检修应进行孔扳的清洗工作，发现腐蚀严重时应立即更换新的孔板。

三、差压变送器变送器是用于生产过程参数的检测，供各种工业过程参数的测量、变换及信号传送用。其中以差压变送器的使用最为广泛，用来测量流量、液位、压力、密度等参数。

电容式变送器采用电容式变换元件，把压力参数转换成电容量的变化，主要完成对压力或差压信号进行检测和变送的任务。变送器把被测参数转换成标准信号：4-20mA.DC输出。它的特点是精度高、体积小、性能好、可靠性好、长期稳定性且调整方便。一般精度为0.25级。

电容式差压工作原理

电容式变送器的测量部分是由敏感部件和法兰组件构件，法兰组件通过锥管螺纹与被测介质相连。法兰和敏感部件用四个双头螺栓夹固，分为高、低压两室，用H．L表示。如果低压室用盲孔法兰，则构成压力变送器，如果低压室抽真空密封，则构成绝对压力变送器。

图3-5为电容式变送器的测量部分---δ室

敏感部件的核心是δ室（也包括检查线路板），δ室为对称结构，由完全相同的左右两室构成差动电容的固定极板，测量膜片焊接在两室中间，作为差动电容　的活动极板，在两室的空腔中充满硅油（或氟油），以便传送测量压力。当被测压力P1，P2作用于隔离膜片时，差压ΔP经硅油传送到测量膜片，引起微小的位移量Δd从而改变了两差动电容的值，将适当的激励电压在差动电容，将它产生的交变电流经整流，控制，放大等转换电路的处理后，在变送器上就得到与测量压力成比例的4-20MADC信号，这就是电容式差压变送器的基本原理。

运行维护方法

电容式变送器无机械传动部分，敏感组件采用全焊接结构，转换部分的线路板采用接插式安装，坚固，耐用，故一般几乎不需要大的维修，如出现不正常情况时，可从以下几方面检查：

1．系统输送偏高

可能的原因和较正方法：

a．导压管：检查导压管上的接头和焊口，是否有堵塞和渗漏，在某些容易结晶的化工介质中使用时，更应特别注意沉积物有堵塞导压管。

b．电路连接:要经常保持电气回路中的接插件清洁干燥，特别注意检查敏感部件的连接情况，指示表头是否断路，电源电压，极性对否。

c．电气故障：其原因都已检查后,可用备用线路板去代替，如故障消除，则可确定为线路的故障,应于更换修理.

d．敏感元件:若发现敏感部件的故障时，可参考有关规程进行检查.

2．系统输出偏低或无输出

可能的原因及较正方法：

a．引压管：检查连接是否正确，有无泄漏或堵塞。检查引液导管中是否有气体。法兰中有无沉积物。

b．电气部件的连接：

检查敏感部件的引线是否有短路。确保接插件的清洁、可靠靠、绝缘良好。用好的线路板去检验，找出故障的线路板并给予更换。

3.系统输出不稳定

可能的原因及较正方法：

a. 检查电气回路是否有短路，开路及多点接地。

b. 调整阻尼时间，加大阻尼量，能否消除系统振荡。

c．导压管的检查，检查液体导压管中是否有气体。在气体导压管中是否有液体。

差压式流量计的安装

要使差压式流量计能够精确地实现流量测量，除了正确地选用和计算外，还必须正确地安装节流装置，引压管和差压变送器，以保证信号的正确获取、变送和指示。

1．节流孔扳要求装得和管道轴线同心，并垂直于管道轴线，孔扳的锐边要向着流动方向，不得装反。

2．节流孔板应安装在直管段部分，否则弯头、阀门等局部阻力的影响，造成测量不准，有关节流装置的前后安装直管长度，可从仪表手册或相关的资料中查得。

3．当测量液体流量时，测压孔开在水平管道下半部，差压变送器应安装在孔板之下。当差压计不得不放在节流装置上方时应在导压管最高点加放气阀，以保证导压管内没有气体，如图3—6所示。

图3-6　测量液体流量时信号管路的安装方法

a) 显示仪表位于节流装置下方.

b) 显示仪表位于节流装置上方且中间有隔墙.

4．当测量气体流量时，测压孔开在管道的上半部，差压变送器应安得高于孔板。当无法满足此要求时，必须在导压系统最低处加冷凝和放水阀，以保证导压管内没有液体。如图3-7所示。

图3-7　测量气体流量时信号管路的安装方法

5．当测量蒸汽流量时，测压孔开在管道水平直径上，必须在孔板引压孔附近装置冷凝罐，蒸汽在此冷凝后并充满导压管，使差压变送器与高温蒸汽隔开，如图3-8所示。

图3-8　测量蒸汽流量时信号管路的安装方法

6．安装差压变送器时，必须在差压变送器附近（常为上方）装置“三阀组”如图3-9所示。

图3-9差压变送器三阀组安装示意图

作差压计的三阀组，必须注意两个原则：

①不能让导压管内的凝结水或隔离液流失

②不能使测量元件（膜盒或波纹管）受压和受热

三阀组的起动顺序应是，打开正压阀1，关闭平衡阀2，打开负压阀3，停动的顺序应与上述相反，即关闭负压阀3，打开平衡阀2，关闭正压阀1。这样就可以免除由于一时疏忽，而把某一高压引入测量室而造成测量室单相受压而损坏仪表的危险。

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