江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明  

 一、引言

      目前，應用zui廣泛的一類流量計是以節流裝置和差壓計組成的差壓式流量計。文^[1]討論了一種新型差壓式流量計，研制了一種流量范圍寬，線性度好，壓力損力小，度高，可適宜于臟污介質的差壓式流量計。本文主要分析此新型流量計的結構參數及其優化。

      二、流量計的性能實驗分析

       1.基本原理

      差壓式流量計是根據安裝在管道中的節流裝置所產生的差壓來測量流量的儀表。它在流體通過節流件時發生節流產生差壓，差壓流量計通過測量差壓從而達到測量流量的目的。實驗證明，差壓Δp與流量Q之間存在著一定的函數關系。

      本實驗流量計的節流裝置示意圖如圖1所示，在直徑為D的圓管內安裝一個底角分別為以α、β，上底寬為B，高為H的梯形楔，為減小流動分離渦以及在使用中磨損造成的新誤差，在頂角處修圓角。在節流部件上游D/2處和梯形楔頂部開有兩個取壓口分別為1和2。

      假設流體是不可壓流體，且流動是一維定常流動，由伯努利方程和連續性方程，可以推導出流體的體積流量Q為

                 （1）

      其中α為流量系數，通常其值是由實驗確定的，它與節流件的結構、直徑比、取壓方式、雷諾數及壁面相對粗糙度等有關；A₀為2點所在斷面面積，m²；Δp為斷面1、2之間的壓差，Pa；ρ為流體的密度，kg/m³。

       2.結構參數設計

      節流式流量計的流量測量度，主要取決于節流裝置的設計、制造和安裝等。本實驗對梯形楔的結構進行討論以得到優化尺寸和改善流量計性能指標。現選用管道直徑D為32mm、α=40°、β=25°，首先討論梯形楔H/D=0.5時，不同底寬的影響，實驗分三種底寬即B=0；B=D/4；B=D/2的情況進行實驗分析。采用不同的底寬B，討論對流量計測量精度的影響。另一方面，為適應不同流量范圍獲得足夠大的壓差信號，采用不同的高徑比H/D，本實驗對H/D=0.4；H/D=0.5；H/D=0.6等尺寸進行實驗分析。

       3.實驗結果

      本實驗是由高位水箱、水泵、多管差壓計、節流件、截止閥、調節閥、稱量標準裝置等組成。調節閥用來調節流量，四個點壓差信息利用多管差壓計讀取。在圖1中，1、2點的壓差為節流件信號差壓用來測量流量。在距節流件上流法蘭1D的上流及距節流件下流法蘭6D的下流處設取壓孔3、4點，其壓差用來測量節流件的水頭損失。利用稱量法（秒表、天平）來作為流量標準裝置。

      設1、2點的差壓水頭高度值Δh_1-2，現以差壓水頭高度值的平方根為橫坐標，流量為縱坐標，不同底寬B的實驗結果分別見圖2（H/D=0.5、B=0）、圖3（H/D=0.5、B=D/4）、圖4（H/D=0.5、B=D/2）。

      由圖2、3、4可見，底寬越大，流量與壓差的線性關系越好，B=D/2時。這說明在迎流底面頭部，由流道的改變形成分離渦區，若底寬小，因流量改變對測壓點有一定影響，底寬越長，則測壓點流動越穩定。當然，底寬的長度將影響節流件的尺寸，從實驗結果看B=D/2時*。

      為適應不同量程的流量范圍，可采用安裝不同高度的梯形楔，以獲得足夠的壓差信號，這也是工程上人們常運用的方法。本實驗在底寬B=D/2的條件下，分別討論了H/D=0.4；H/D=0.5；H/D= 0.6三種情況。實驗結果參見圖4、圖5、圖6，這三種情況都反映了很好的線性關系。

      流體流過節流件時，由于梯形楔前后渦流的形成以及流體的沿程摩擦，使得流體總機械能的一部分不可逆的變成了熱能。為了測量梯形楔的水頭損失，我們在距節流件上流法蘭1D的上流及距節流件下流法蘭6D的下流處設取壓孔，設其壓力分別為h₃和h₄。測量裝有節流件的壓力差Δh″=h₃-h₄，然后取下節流件，接上同直徑同材料的短管，用同樣方法測量差壓Δh′，這樣節流件的水頭損失可用Δh″-Δh′給出^[2]。根據局部水頭損失方程寫出節流件局部水頭損失

                         （2）

      本實驗分別測量了底寬B=D/2，高徑比H/D=0.4；H/D=0.5；H/D=0.6等三種結構的節流件的水頭損失，現以節流件局部阻力因數為縱坐標，雷諾數Re為橫坐標，實驗結果見圖7。

      由圖7可知，當B=D/2時，節流件的水頭損失隨H/D的增大而增大。這主要是由于當H/D增大時，在靠近節流件時，由于流件的黏性和局部阻礙等影響造成的渦流越大，故而由于渦流的形成造成的損失也越大。水頭損失越大，可使我們獲得較大的差壓信號；水頭損失越小，可以節約儀表運行所需的能耗，這樣，在測量的流體流量較大時，可使H/D值較小，同樣在測量的流體流量較小時，可使H/D值較大。另一方面，由圖可見，在這三種情況下，節流件的局部阻力系數都表現為在較小的雷諾數下，就很快趨于一個常數，這表明節流件具有很好的線性特征且量程范圍大。

      本實驗針對B=D/2，H/D=0.5這種結構進行誤差分析，這種結構的相對誤差zui大值不超過2%。

      三、結論

      從以上分析可知，這種梯形楔流量計具有以下特點：

      （1）適當的上底寬是個重要的參數，實驗表明B=D/2是*的結構，這時性能zui穩定。
      （2）節流件部分為流線型結構，部分邊壁與管壁平直，這種結構有利于臟污介質的測量。
      （3）流量計量程比大，線形關系好，精度高，其相對誤差在很寬的流量范圍內都能保持在2%以內。
      （4）水頭損失小，運行能耗低。梯形楔流量計的不可恢復壓損僅占信號壓差的6%～20%，而zui常用的孔板流量計的不可恢復壓損占信號壓差的40%～80%^[3]。因此，從長遠來看，梯形楔流量計的節能效果十分顯著。
      （5）結構、安裝簡單，維修方便，成本低廉。