差压式流量计在能源计量中的应用

差压式流量计用于测量流量, 它具有结构简单, 使用寿命长, 适应性广, 并且结构标准化,不需要单独标定等优点, 在我公司得到充分应用。

1 差压式流量计的应用

对于不可压缩性理想流体, 如果流速为 v,密度为 ρ, 静压为 P, 则流体充满管道流动时,其能量方程:

对于可压缩性理想流体, 由于压力变化时,流体的温度也可能随之发生变化, 因此不能用上述等温过程的柏努利方程去描述。假设流动过程是等熵过程, 可压缩性流体的性质满足理想气体的条件。由于等熵过程流体的密度只随着压力而变化, 即

这就是可压缩性流体的柏努利方程。与不可压缩性流体的方程相比, 此式考虑了流体内变化的影响。式中 K 为气体的等熵指数。可压缩性流体和不可压缩性流体的能量方程表明, 流体在管道中流动时, 对于理想的流体, 在同一管道的任一截面的动能和压力位能的总和是不变的, 但是能量的形式可以相互转化。方程并给出了流速和静压力的关系。因此, 可以采取一定方式 (如节流) 造成动能和压力位能的转化, 通过测量静压的变化得出流速和流量。工业中最常用的方法是在流通管道中插入一个流通面积较小的节流件,在节流件的上下游之间产生静压力差, 通过测量差压求出流量值。

节流件的形式较多, 最常用的有同心圆锐孔板、喷嘴等。在管道中放置节流件后, 流体经过节流件的流动状态和在节流件附近静压力、流速的分布情况发生了变化。以孔板为例, 流速在孔板前大约等于 D (管道直径) 处开始收缩, 即位于边缘处的流体开始向中心加速, 流速中央的压力开始下降。流速通过孔板后, 因惯性力的作用继续收缩, 大约在孔板后 D/2 处流速截面积最小, 流速最快, 静压力最低。在这以后, 流速开始扩展, 压力逐渐恢复到最大, 但不能恢复到收缩前的最大压力值, 这是由于实际流体经过孔板和管道是会有压力损失。

流体的静压力和流速在节流件前后的分布情况, 充分的反映了能量形式的转换。由于流动是稳定不变的, 亦即同一时间内通过管道截面 A 和节流件开孔截面 α的流体分子数相同, 而流通截面积 α远小于截面积 A, 所以流体通过截面 α的流速必然要比通过截面 A 时快。为了产生这个速度的变化, 必须引起动能的增加, 同时另一种形式的能量要减少。特别是构成位能的静压力要降低, 因而节流件前后出现了静压力差。通过测量此静压力差便可以求出流速和流量。下面讨论静压力差和流量的关系。

假如节流件上游入口前的流速为 v1、密度为ρ1、静压力为 P1,流经节流件时的流速、密度和静压力分别为 v2、ρ2和 P2,根据伯努利方程可写出下述能量关系。对于不可压缩性理想流体, 其能量关系为: