第四章 流量測(cè)量

第四章流量測(cè)量第一頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

傳感器感受流量Q的變化，Q可以是質(zhì)量流量qm或體積流量qV，其輸出為與流量有關(guān)的某個(gè)物理量，如差壓、速度等。信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置將輸出量轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)，然后由顯示積算裝置直接顯示瞬時(shí)流量或?qū)λ矔r(shí)流量積分得到累積流量。

四、流量計(jì)的校驗(yàn)與標(biāo)定流量計(jì)的標(biāo)定是一件比較困難的工作，因?yàn)榱髁渴琴|(zhì)量或體積對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，難以由定義直接做出流量單位的標(biāo)準(zhǔn)器。一般是在流量不變的前提下，使流體連續(xù)流入標(biāo)準(zhǔn)容器V中，精確測(cè)量流體流動(dòng)的起止時(shí)間和流入容器的流體總量，用平均流量代替瞬時(shí)流量作為標(biāo)準(zhǔn)。因此，在累積時(shí)間內(nèi)，必須保證流體流動(dòng)高度穩(wěn)定，并且計(jì)時(shí)和計(jì)量都要足夠準(zhǔn)確。第二頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二節(jié)

渦輪流量計(jì)

一、渦輪流量計(jì)的組成及測(cè)量原理

渦輪流量計(jì)由兩部分組成：變送器和指示積算器。變送器完成將被測(cè)流量轉(zhuǎn)換成一定頻率的脈沖信號(hào)輸出，指示積算器接受變送器輸出的脈沖信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換、放大、運(yùn)算、邏輯計(jì)數(shù)，顯示瞬時(shí)流量和累積總量。

渦輪流量計(jì)實(shí)質(zhì)上為一零功率輸出的渦輪機(jī)，其變送器主要由渦輪、導(dǎo)流器、磁電轉(zhuǎn)換器組成，結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。殼體和導(dǎo)流器由不導(dǎo)磁材料制成。導(dǎo)流器的作用是支承葉輪并導(dǎo)直流體的流動(dòng)，以減少流體自旋及渦漩的干擾。

渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)

1—渦輪；2—支承；3—永久磁鋼；4—感應(yīng)線圈；

5—?dú)んw；6—導(dǎo)流器

第三頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

（1）流量一轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換原理當(dāng)渦輪處于勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡狀態(tài)時(shí)，假設(shè)不計(jì)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦阻力、流體粘性阻力及感應(yīng)線圈中感應(yīng)電流所引起的電磁反作用力矩的影響。

設(shè)渦輪葉片與軸線的夾角為θ，葉輪的平均半徑為r0，流體的流通面積為A0，流體流經(jīng)葉輪相應(yīng)半徑r0處的軸向流速為v0切向流速為vg，故有

式中C——與葉輪參數(shù)、軸向流速分布有關(guān)的系數(shù)；

——平均流速。

第四頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

（2）葉輪轉(zhuǎn)速的測(cè)量在渦輪流量計(jì)中，葉輪的轉(zhuǎn)速是通過(guò)磁電轉(zhuǎn)換的原理來(lái)測(cè)量的，輸出信號(hào)為代表轉(zhuǎn)速的脈沖頻率信號(hào)。磁電裝置中的永久磁鋼上繞有線圈，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)永久磁鋼的頂部時(shí)，因葉片為導(dǎo)磁材料而改變?cè)怕返拇抛?，從而使磁通發(fā)生變化，故在線圈上感應(yīng)出電勢(shì)信號(hào)。顯然電勢(shì)信號(hào)是脈動(dòng)式的，其頻率為

f=zn式中z——

渦輪上的葉片數(shù)。

式中——儀表常數(shù)。在一定時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)流量進(jìn)行積分時(shí)，得累積的總流量為：式中N——在t1到t2時(shí)間間隔內(nèi)流過(guò)QV流體時(shí)輸出的脈沖數(shù)。第五頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五儀表常數(shù)ζ的意義為單位體積流量輸出的脈沖數(shù)。從理論上說(shuō)，在一定條件（流體性質(zhì)、狀態(tài)、變送器結(jié)構(gòu)、流量一定）下，ζ是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)上述條件變化時(shí)，ζ值也隨之變化。這是因?yàn)樯鲜鰲l件都將能影響到式中的參數(shù)C。在前述qV～n關(guān)系推導(dǎo)的前提條件中，流體的粘滯阻力將會(huì)影響流通截面A0上的流速分布，這種影響也表現(xiàn)為C的變化。從理論上研究各種因素對(duì)C的影響較為復(fù)雜，對(duì)于渦輪流量計(jì)，反映C值變化的是儀表常數(shù)ζ，它是根據(jù)實(shí)際情況標(biāo)定的，而且在使用的范圍內(nèi)按實(shí)際標(biāo)定出的ζ值是常值。下圖是儀表常數(shù)ζ隨Re變化的特性曲線。

實(shí)際上，渦輪流量計(jì)出廠時(shí)。ζ值由廠家根據(jù)適用的流體標(biāo)定給出。

第六頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（二）磁電轉(zhuǎn)換器

磁電轉(zhuǎn)換器是把渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電氣頻率信號(hào)的裝置，它由磁電感應(yīng)裝置和前置放

大器組成。

轉(zhuǎn)速一頻率轉(zhuǎn)換是一種磁阻式磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換方式。感應(yīng)裝置安裝在管道外部殼體上，它是由永久磁鋼和感應(yīng)線圈組成，正對(duì)下部的轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪。渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)到永久磁鋼的正下方時(shí)，磁路的磁阻最??；當(dāng)葉片轉(zhuǎn)過(guò)時(shí)，磁阻變大。由于磁阻的變化，所以磁路中的磁通發(fā)生變化，因此在線圈中感應(yīng)出電勢(shì)。其電勢(shì)是脈動(dòng)電勢(shì)，頻率f=zn。

感應(yīng)出的電勢(shì)信號(hào)比較微弱，經(jīng)置于轉(zhuǎn)換器之中的前置放大器放大后輸出。

二、流量指示積算器

流量指示積算器是渦輪流量計(jì)的顯示器。它完成瞬時(shí)流量的顯示和總量顯示。它的電路主要有兩部分：瞬時(shí)流量顯示電路和總量顯示電路。

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渦輪流量計(jì)的這種顯示器，實(shí)際上是一個(gè)脈沖頻率測(cè)量和計(jì)數(shù)的儀表，它將渦輪變送器輸出的單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和一段時(shí)間內(nèi)的脈沖總數(shù)按瞬時(shí)流量和累積流量顯示出來(lái)。這類顯示儀表的類型很多，在儀表設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)際需要靈活選用。下圖是一種顯示儀表的工作原理方框圖。儀表由整形電路、頻率—電壓變換電路、儀表常數(shù)除法運(yùn)算電路、電磁計(jì)數(shù)器和自動(dòng)回零電路、機(jī)內(nèi)振蕩器和電源等部分組成。顯示儀表工作原理方框圖第八頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

第三節(jié)

轉(zhuǎn)子流量計(jì)

轉(zhuǎn)子流量計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用較為廣泛的一類流量計(jì)。它又稱浮子流量計(jì)、恒壓降變截面流量計(jì)。按錐形管材料的不同可分為玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)和金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)。玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)耐壓能力低，一般為就地直讀式。金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)耐壓能力高，一般有就地指示型和信號(hào)遠(yuǎn)傳型。

轉(zhuǎn)子流量計(jì)適用于多種介質(zhì)的流體（氣體、液體），在火電廠中，常用于化學(xué)水處理過(guò)程的水流量測(cè)量和鍋爐點(diǎn)火過(guò)程控制中的輕油油量測(cè)量。它特別適用于小管徑，低雷諾數(shù)的中小流量測(cè)量。

一、玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)

（一）結(jié)構(gòu)組成

玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)主要由錐形管、轉(zhuǎn)子兩部分組成。

玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)

1—

罩殼；2—玻璃錐管；3—浮子

4—密封填料；5—連接法蘭

第九頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（二）工作原理及流量公式浮子處于錐形管中，相當(dāng)于通流面積A0可變的節(jié)流件。流體流經(jīng)節(jié)流件所產(chǎn)生的差壓與體積流量的關(guān)系如下：式中α——與浮子形狀、尺寸等有關(guān)的流量系數(shù)。

ρ——流體密度。當(dāng)浮子處于力平衡情況下，差壓對(duì)浮子產(chǎn)生向上的作用力加上流體對(duì)浮子的浮力，等于浮子的重力，即由此可知

式中Af——浮子的有效面積。

Vf——浮子體積。

ρf，ρ——分別為浮子材料和流體的密度；

g——當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。第十?yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五體積流量qV與通流面積A0之間的關(guān)系：考慮到錐度很小的錐形管中通流面積A0與浮子在管中的高度H近似成正比，即

A0≈CH式中C——與圓錐管錐度有關(guān)的比例系數(shù)。因此可得體積流量與浮子高度的關(guān)系式：由上式可知，如果增大錐管長(zhǎng)度H，增大錐度，可擴(kuò)大儀表的量程，提高流量測(cè)量范圍。流量公式中的流量系數(shù)α與浮子的形狀以及流體的雷諾數(shù)等有關(guān)，對(duì)于一定的浮子形狀，當(dāng)雷諾數(shù)大于某一數(shù)值時(shí)，流量系數(shù)趨于一常數(shù)。因此，對(duì)于一定材料、形狀的浮子和一定密度的流體，雷諾數(shù)在低限雷諾數(shù)以上，就能得到體積流量和浮子位置之間的線性刻度關(guān)系。如圖4-9所示三種浮子的轉(zhuǎn)子流量計(jì)流量系數(shù)α與雷諾數(shù)的關(guān)系。第十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

1為旋轉(zhuǎn)式浮子，它的低限雷諾數(shù)約為6000，較其它兩種下限值要高，多用于直接指示的轉(zhuǎn)子流量計(jì)；2為圓盤式浮子，它的低限雷諾數(shù)約為300，3為板式浮子，低限雷諾數(shù)約為40，它們?cè)谳^低的雷諾數(shù)下，流量系數(shù)α就趨于常數(shù)，流量的測(cè)量范圍比較寬。玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的示值顯示有兩種：一種在錐管上由轉(zhuǎn)子的高度直接讀出流量值，另一種是采用百分刻度（分為等分和非等分刻度）。

二、金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的錐形管是用金屬材料制成的，對(duì)于流量的檢測(cè)原理與玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)是相同的。很顯然，測(cè)量時(shí)不能直接從錐形管內(nèi)直接測(cè)出浮子的位置，因此都是把浮子的位移再進(jìn)行傳遞變換。傳遞變換后的位移信號(hào)可以直接用于就地指示，也可以將該位移進(jìn)一步進(jìn)行電氣信號(hào)的轉(zhuǎn)換。金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)有就地指示型和電氣信號(hào)遠(yuǎn)傳型，由于浮子的位移必須經(jīng)過(guò)傳遞機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以浮子的位移與流量一般是非線性關(guān)系，這主要是位移傳遞機(jī)構(gòu)所致。第十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三節(jié)

渦街流量計(jì)

渦街流量計(jì)，又稱旋渦流量計(jì)，是70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型流量計(jì)。它適用于氣體流量和液體流量測(cè)量。儀表的精確度高（達(dá)±1.0％），量程比寬（B=30：1），輸出線性好。它輸出頻率信號(hào)，抗干擾性能好，便于遠(yuǎn)距離傳輸，在火電廠可用于送風(fēng)流量的測(cè)量。渦街流量計(jì)由檢測(cè)器和轉(zhuǎn)換器組成。

一、測(cè)量原理這種流量計(jì)的工作原理是利用了流體力學(xué)中的卡門渦街現(xiàn)象，即在流體中放置一個(gè)外形為對(duì)稱形狀的非流線型柱體，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，它的下游兩側(cè)就會(huì)交替產(chǎn)生兩列不對(duì)稱的的漩渦，兩側(cè)漩渦的旋轉(zhuǎn)方向相反，并輪流從柱體上分離出來(lái)，在下游側(cè)形成所謂的“渦街”，如圖所示。

“渦街”的發(fā)生情況（a）圓柱體；（b）等邊三角形柱體第十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)h／L=0.281時(shí)，產(chǎn)生的渦街是穩(wěn)定的，這就是“卡門渦街”。且單側(cè)的漩渦脫落的頻率f與柱體附近的流體流速v成正比，與柱體的特征尺寸l成反比，即式中St——斯特羅哈爾數(shù)，無(wú)因次數(shù)；

l

—一柱體的特征尺寸。St是以柱體特征尺寸l計(jì)算流體雷諾數(shù)Rel的函數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，Rel在500~150000的范圍內(nèi)，St基本不變。對(duì)于圓柱體，St=0.2；對(duì)于等邊三角柱體，St=0.16。因此當(dāng)柱體的形狀、尺寸決定后，就可以通過(guò)測(cè)定單側(cè)旋渦釋放頻率f來(lái)測(cè)量流速和流量。對(duì)于工業(yè)圓管，旋渦流量計(jì)一般應(yīng)用在Rel=1000~100000范圍內(nèi)。設(shè)管內(nèi)插入柱體和未插入柱體的管道通流截面比為m，當(dāng)l/D<0.3時(shí)，可以證明根據(jù)流動(dòng)的連續(xù)性原理，管道的通流截面比與柱體處的流體流速v及無(wú)柱體處的管內(nèi)平均流速有如下關(guān)系：

第十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五圓管中旋渦的發(fā)生頻率f與管內(nèi)平均流速的關(guān)系為:所以，體積流量與頻率f之間的關(guān)系為：

二、旋渦發(fā)生頻率f

的檢測(cè)方法只要測(cè)得旋渦的發(fā)生頻率f，就可以測(cè)得流體的體積流量。旋渦頻率信號(hào)

f的檢出方法很多，可以利用漩渦發(fā)生時(shí)發(fā)熱體散熱條件變化的熱檢出；也可以用漩渦發(fā)生體兩側(cè)產(chǎn)生的差壓來(lái)檢出，差壓信號(hào)可通過(guò)壓電變送或應(yīng)變片變送，等等。

三、渦街流量計(jì)的特點(diǎn)及安裝渦街流量計(jì)具有以下的特點(diǎn)：（1）漩渦的頻率只與流速有關(guān)，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，幾乎不受流體性質(zhì)（壓力、溫度、粘度和密度等）變化的影響，故可不需單獨(dú)標(biāo)定。（2）測(cè)量精度高，誤差約為1級(jí)，重復(fù)性約±0.5級(jí)，不存在零點(diǎn)漂移的問(wèn)題。（3）壓力損式小，流量測(cè)量范圍寬。渦街流量計(jì)特別適于大口徑管道的流量測(cè)量。第十五頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第五節(jié)節(jié)流式流量計(jì)

1概述節(jié)流式流量計(jì)是工業(yè)上最為廣泛使用的一類流量測(cè)量?jī)x表。

工作原理：在管道中放置一節(jié)流元件，流體流經(jīng)節(jié)流元件時(shí)發(fā)生節(jié)流，在節(jié)流元件的前后兩側(cè)產(chǎn)生壓力差（差壓）。當(dāng)流體、工況、管道、節(jié)流件、差壓取出方式一定時(shí)，管道流量與差壓有確定的關(guān)系。因此可通過(guò)測(cè)量差壓來(lái)測(cè)量流量。節(jié)流式流量計(jì)也稱為變壓降式流量計(jì)。

分類：節(jié)流式流量計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化兩類。無(wú)論哪一類，它們都是非通用儀表，即安裝在生產(chǎn)過(guò)程中使用著的節(jié)流式流量計(jì)僅適用于該地的情況和工況。因此節(jié)流式流量計(jì)是根據(jù)要求具體設(shè)計(jì)、安裝、使用的。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置在火電生產(chǎn)過(guò)程中是很重要的一類流量?jī)x表。非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置多用于臟污介質(zhì)、高粘度、低雷諾數(shù)、非圓管道截面、超大及過(guò)小管徑等流量測(cè)量。它們的測(cè)量原理與計(jì)算方法與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置相同，所不同的是非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)、資料、沒有統(tǒng)一的誤差計(jì)算方法等。

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算：要嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置設(shè)計(jì)、安裝和使用的國(guó)家“標(biāo)準(zhǔn)”或國(guó)際“標(biāo)準(zhǔn)”。按“標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝、使用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，其流量與差壓的關(guān)系按理論公式標(biāo)定，并有統(tǒng)一的基本誤差、計(jì)算方法，一般不需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定或比對(duì)。

第十六頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

組成：節(jié)流式流量計(jì)流量的測(cè)量系統(tǒng)由節(jié)流裝置、差壓計(jì)或差壓變送器、二次顯示儀表（動(dòng)圈表、自動(dòng)電位差計(jì)）等組成。在“標(biāo)準(zhǔn)”中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)、適用的條件、安裝及檢驗(yàn)方法都做了嚴(yán)格的規(guī)定。我國(guó)在1981年出版了“GB2624—81流量測(cè)量節(jié)流裝置”標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)際上，1991年12月由ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）出版了“ISO5176—1用差壓裝置測(cè)量流體流量”的新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。1993年2月3日我國(guó)頒布了關(guān)于節(jié)流式流量計(jì)新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即GB／T2624—93，它的內(nèi)容與國(guó)際新標(biāo)準(zhǔn)是一致的。2.標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置

一、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的組成與類型標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置由三部分組成：節(jié)流件、取壓裝置、測(cè)量直管段（節(jié)流件前10D，后5D），如圖4-11所示。我國(guó)GB/T2624—93標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置有：角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板、法蘭取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板、D和D取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板、角接取壓標(biāo)準(zhǔn)噴嘴（ISA1932噴嘴）、長(zhǎng)徑噴嘴（D和D取壓）、經(jīng)典文丘里管（入口圓筒段上取壓和喉部取壓）、文丘里噴嘴（上游角接取壓和喉部取壓）。第十七頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

二、適用的流體條件標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置適用于測(cè)量圓形截面管道中的單相、均質(zhì)流體，即是可壓縮的（氣體）或認(rèn)為不可壓縮的（液體）牛頓流體。同時(shí)，要求流體充滿管道；流體流動(dòng)是穩(wěn)定的或隨時(shí)間緩變的；流動(dòng)不可以是脈動(dòng)流和旋轉(zhuǎn)流，流束與管道軸線平行；流體流經(jīng)節(jié)流件前流動(dòng)應(yīng)達(dá)到充分紊流，在節(jié)流件前后一定距離內(nèi)不發(fā)生相變或析出雜質(zhì)；流速小于音速。

三、適用的管道條件（一）節(jié)流件前后應(yīng)有足夠長(zhǎng)的直管段L

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置組成部分中的測(cè)量直管段（前10D后5D，一般由儀表廠提供）是直管段L（最小直管段）的一部分。對(duì)于測(cè)量直管段，要求其內(nèi)表面必須是光滑的，L的其余部分內(nèi)表面可以是粗糙的。對(duì)于管道內(nèi)表面光滑的判定是應(yīng)不超過(guò)表4-1、表4-2給出的相對(duì)粗糙度上限值。節(jié)流件上游阻流件的形式及上下游阻力件的位置將影響流速分布，節(jié)流孔d與管道內(nèi)徑D之比β=d／D（直徑比）也將影響流速分布。因此，若要求流體流到節(jié)流件前1D達(dá)到充分紊流的狀態(tài)，則要在節(jié)流件前后有足夠的直管段，不然就保證不了測(cè)量的精確度。第十八頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五表4-1標(biāo)準(zhǔn)孔扳上游管段相對(duì)粗糙度（Kc/D）上限值表4-2ISA1932噴嘴上游管段相對(duì)粗度（Kc/D）上限值第十九頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

最小直管段L由三段長(zhǎng)度（l0，l1，l2）組成，l1是節(jié)流件與上游第一阻流件之間的直管段最小長(zhǎng)度，由第一阻流件形式和β值決定，按下表查算。l0是上游第一阻流件與上游第二阻流件之間的直管段，由第二阻流件的形式和β=0.7（無(wú)論產(chǎn)的實(shí)際值為多少）決定，按下表給出值的一半計(jì)算。l2是節(jié)流件到下游阻流件直管段的最小長(zhǎng)度，無(wú)論上游阻流件的形式如何均決定于β的值，由下表查算。

第二十頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（二）適用于圓形截面管道測(cè)量段管道應(yīng)被流體充滿。節(jié)流件及取壓裝置安裝在兩圓形直管之間。在所要求的整個(gè)直管段長(zhǎng)度上，管道截面應(yīng)該是圓形的，沒有特殊要求，只是在鄰近節(jié)流裝置附近對(duì)管道的圓度有特殊要求，這在“標(biāo)準(zhǔn)”中有詳細(xì)規(guī)定。對(duì)于管道的粗糙度、節(jié)流件上游10D、下游5D（測(cè)量直管段），要求滿足給出的相對(duì)粗糙度上限值，L的其余部分和L以遠(yuǎn)的管道可以是粗糙的。

三、節(jié)流件的結(jié)構(gòu)形式（一）標(biāo)準(zhǔn)孔板標(biāo)準(zhǔn)孔板的結(jié)構(gòu)形式如圖所示。標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，價(jià)格便宜。它的特征孔徑是節(jié)流孔前段圓筒形孔徑d。標(biāo)準(zhǔn)孔板兩側(cè)的壓力差信號(hào)可以采用角接取壓（上、下側(cè)壓力在孔板前后端面處取出）、法蘭取壓（上、下側(cè)壓力在連接法蘭上距孔板前后端面25.4mm處取出）和徑距取壓（上側(cè)壓力在測(cè)量管段上距孔板前端面1D處取出，下側(cè)壓力在測(cè)量管段上距孔板后端面D處取出）。第二十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板的適用范圍：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥5×103（0.2≤β≤0.45），ReD＞104（β＞0.45）。

法蘭取壓和徑距取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板的適用范圍：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥1260β2D（D：mm）。

孔板的角接取壓可采用單獨(dú)鉆孔或環(huán)室取壓裝置，如圖（a）所示。法蘭取壓裝置如圖（b）所示。第二十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（二）標(biāo)準(zhǔn)噴嘴標(biāo)準(zhǔn)噴嘴有兩種結(jié)構(gòu)形式：ISA1932噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴。其結(jié)構(gòu)形式見圖所示。

當(dāng)d＞2D／3時(shí)，還應(yīng)在入口部分切除一部分圓廓形收縮段。顯然此時(shí)收縮部分的最大直徑為D，見圖（a）。若d≤2D／3，則噴嘴的總長(zhǎng)度為0.6041d（不包括F護(hù)槽）。若d＞2D／3，由于切除了一部分入口圓廓形收縮段，則噴嘴的總長(zhǎng)度變短，其應(yīng)切去的長(zhǎng)度為

第二十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

ISA1932噴嘴角接取壓裝置有單獨(dú)鉆孔和環(huán)室取壓。

ISA1932噴嘴的適用范圍：50mm≤D≤500mm，0.30≤β≤0.80，7×104≤ReD≤107（0.30≤β≤0.44時(shí)），2×104≤ReD≤107（0.44≤β≤0.80時(shí)）。

五、壓力損失流體流經(jīng)節(jié)流件發(fā)生節(jié)流時(shí)，由于流體微團(tuán)的碰撞以及在節(jié)流件前后附近產(chǎn)生渦流，將產(chǎn)生能量損失。這種能量損失表現(xiàn)為不可恢復(fù)的壓力損失。壓力損失與直徑比β和流速（或流量）有關(guān)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得到它們之間的關(guān)系。對(duì)于角接標(biāo)準(zhǔn)孔板、法蘭標(biāo)準(zhǔn)孔板、徑距標(biāo)準(zhǔn)孔板、ISA1932噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴等標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的壓力損失可以用下式近似計(jì)算：

六、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的誤差按照“標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用時(shí)，其基本誤差是按照“標(biāo)準(zhǔn)”中提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算的。按“標(biāo)準(zhǔn)”計(jì)算給出的裝置測(cè)量不確定度，其置信概率為95％。當(dāng)設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用等環(huán)節(jié)中有違背“標(biāo)準(zhǔn)”要求時(shí)，則將由此產(chǎn)生附加誤差。附加誤差的極性與大小或修正系數(shù)是通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)確定的。只要標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置符合“標(biāo)準(zhǔn)”要求，就應(yīng)該按“標(biāo)準(zhǔn)”計(jì)算得出其不確定度。

第二十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

3．流量公式流量公式就是差壓和流量之間的關(guān)系式。它是通過(guò)伯努利方程和流動(dòng)連續(xù)性方程來(lái)推導(dǎo)。

一、不可壓縮流體的流量公式流體在管道中發(fā)生節(jié)流時(shí)，管道中各處的流速變化及壓力變化情況見圖所示。第二十五頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五在節(jié)流件前沒有發(fā)生節(jié)流的位置上取截面A，對(duì)于一定常的流動(dòng)，在截面A和截面B處將滿足流體質(zhì)量守恒和能量守恒。在充分紊流的理想情況下，流體流動(dòng)連續(xù)性方程和伯努利方程為由上兩式解方程組，可得引入如下幾個(gè)參數(shù)：（收縮系數(shù)）（截面比）（取壓系數(shù)）第二十六頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

可寫成：

所以，可得質(zhì)量流量：

定義流量系數(shù)α和流出系數(shù)C：

于是，不可壓縮流體的流量公式為

第二十七頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

二、可壓縮流體的流量公式

對(duì)于可壓縮流體，在截面A、截面B處同樣滿足質(zhì)量守恒和能量守恒。由于在截面B處可壓縮流體的密度是未知的，并且由于流體的膨脹，μ值與不可壓縮流體也不相同。但考慮到可壓縮流體的節(jié)流過(guò)程仍可視為等熵過(guò)程，故在等熵過(guò)程的熱力學(xué)方程中對(duì)未知流體密度有一定的約束。

為方便起見，規(guī)定公式中的密度仍使用節(jié)流件前的流體密度ρ1，α和C值仍取相當(dāng)于不可壓縮流體時(shí)的數(shù)值，而把全部的流體可壓縮性對(duì)流體系數(shù)和流出系數(shù)的影響用一個(gè)流束膨脹系數(shù)ε來(lái)考慮。當(dāng)流體為不可壓縮性流體時(shí)，ε=1。所以流量公式可統(tǒng)一寫成：

流量公式中各量的單位為：體積流量qV—m3/s；質(zhì)量流量qm——Kg/s；直徑d或D—m；密度ρ1—kg/m3；差壓Δp—Pa。

第二十八頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

三、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流出系數(shù)C值及其不確定度標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流出系數(shù)C值是通過(guò)在流量試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)定qm和與之相對(duì)應(yīng)的Δp，然后用上述流量公式計(jì)算得到的。對(duì)于一定形式的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，其流量系數(shù)α和流出系數(shù)C僅與β和雷諾數(shù)ReD有關(guān)，圖4-16是標(biāo)準(zhǔn)孔板和ISA1932噴嘴的α、C和ReD、β之間的關(guān)系曲線。從圖中可見，當(dāng)雷諾數(shù)大到一定值后，α和C就與雷諾數(shù)值無(wú)關(guān)，趨于一定值。1．標(biāo)準(zhǔn)孔板的C值及其不確定度

“標(biāo)準(zhǔn)”中取得C值的原始實(shí)驗(yàn)，對(duì)于角接取壓是在相對(duì)粗糙度為Kc／D＜3.8×10-4，而對(duì)于徑距取壓則是在Kc／D＜10×10-4的管道中進(jìn)行的，但只要所使用管道在節(jié)流件上游側(cè)10D長(zhǎng)度內(nèi)的粗糙度不超過(guò)前節(jié)所列的限值，C的數(shù)值仍是可用的。在規(guī)定條件下，流出系數(shù)C主要取決于ReD、β，即C=f(ReD、β)。對(duì)于角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板：對(duì)于法蘭取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板：

（D：mm，

D20≥58.6mm）第二十九頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

（D：mm，D20<58.6mm）對(duì)于D和D/2取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板：對(duì)于上述三種取壓方式，若ReD、β、D和Kc／D是已知的且無(wú)誤差．則C值的百分率不確定度δc／C（置信概率為95％）為：對(duì)于β≤0.6，δc／C＝0.6％；對(duì)于0.6＜β≤0.75，δc／C=β％。

2、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴（ISA1932噴嘴）的C值及其不確定度求取標(biāo)準(zhǔn)噴嘴C值的原始實(shí)驗(yàn)是在相對(duì)粗糙度Kc/D≤3.8×10-4的管道中進(jìn)行的，但只要噴嘴上游側(cè)至少有10D的長(zhǎng)度的管道的粗糙度在前節(jié)規(guī)定的限值之內(nèi)，C值仍然可用。標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的流出系數(shù)C由下式給出：對(duì)于角接取壓標(biāo)準(zhǔn)噴嘴：第三十頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五對(duì)于長(zhǎng)徑噴嘴：若不考慮ReD、β、D的不確定度，并假定管道的Kc／D在規(guī)定的限值之內(nèi)，則C值的百分率不確定度δc／C（概率為95％）為：對(duì)于β≤0.6時(shí)，δc／C＝0.8％時(shí)；對(duì)于β>0.6，δc／C=（2β-0.4）％。

四、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流束膨脹系數(shù)ε值及其不確定度

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的形式確定后，其流束膨脹系數(shù)ε值決定于Δp/p1、κ和β值。其中κ是被測(cè)流體的等熵指數(shù)，對(duì)于過(guò)熱蒸汽可近似取κ＝1.3，對(duì)空氣κ=1.4。

為限制流體可壓縮性對(duì)流量測(cè)量的影響，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定節(jié)流裝置的Δp/p1＜0.25，即p2/p1＞0.75。

上述三種取壓方式的標(biāo)準(zhǔn)孔板的ε值是由實(shí)驗(yàn)確定的，可用如下的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

若β、Δp/p1和κ是已知且無(wú)誤差，則標(biāo)準(zhǔn)孔板ε值的百分率不確定度（概率95％）為4%。

第三十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的流束膨脹系數(shù)ε值是根據(jù)等熵流動(dòng)過(guò)程直接從理論上推導(dǎo)出來(lái)的。由于流動(dòng)過(guò)程不可能是等熵過(guò)程，所以存在誤差，從理論上推導(dǎo)出計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)噴嘴ε的公式如下：其中

標(biāo)準(zhǔn)噴嘴ε值的百分率不確定度=2%，置信概率為95％。

4．標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的計(jì)算關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的計(jì)算一般包括有三類命題：①流量計(jì)算；②標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算；③最大差壓值的計(jì)算（選配差壓計(jì)問(wèn)題）。這三類命題在實(shí)際中最常用到的是①、②類命題。第三十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

一、流量計(jì)算流量計(jì)算的已知條件為：管道直徑D20、管道材料、管道新舊程度，節(jié)流件前后安裝阻力件情況，節(jié)流件型式、節(jié)流孔徑d20、節(jié)流件材料，流體及工作壓力p、工作溫度t，節(jié)流裝置輸出的差壓值Δp。

要完成已知條件下的流量計(jì)算（求Δp對(duì)應(yīng)的流量qm），所依據(jù)的基本公式是流量公式：從流量公式中可以看出，Δp、ρ1、dt、ε、β都是直接或間接已知的，而流出系數(shù)C=f(β，ReD）是未知的（認(rèn)為測(cè)量直管段相對(duì)粗糙度不超過(guò)規(guī)定的上限值）。因此不能用流量公式直接計(jì)算出所需計(jì)算的流量值。由于已知雷諾數(shù)ReD的計(jì)算公式：同時(shí)C=f(β，ReD）聯(lián)立以上三式，即刻求解上述代數(shù)方程組，就可以得到問(wèn)題要求計(jì)算的流量qm值。

第三十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

（－）輔助計(jì)算根據(jù)已知條件，通過(guò)查表和相應(yīng)的計(jì)算給出解上述方程組所必需的參數(shù)值，這些計(jì)算稱為輔助計(jì)算。要計(jì)算的量值有：工作壓力p1=pe+p0(pe—

表壓；p0—

大氣壓力)、流體密度ρ1（p，t）(查表)、流體粘度η（p，t）(查表)、管道線膨脹系數(shù)λD（查表）、節(jié)流件線膨脹系數(shù)λd（查表）、流體的等熵指數(shù)κ（過(guò)熱蒸汽κ=1.3；空氣κ=1.4）；計(jì)算時(shí)的管道直徑D和節(jié)流件的節(jié)流孔徑d都應(yīng)使用節(jié)流件工作溫度下的數(shù)值，即Dt、dt，節(jié)流件直徑比β。（二）迭代計(jì)算在計(jì)算流體流量時(shí)，由于流量公式中的未知數(shù)不只一個(gè)，且未知數(shù)之間有一定的關(guān)系，所以通常需用迭代算法求解，即