孔板流量計測量原理及流量計算存在問題分析

孔板流量計是一種測量管道流體流量的裝置，因其具有結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，性能穩(wěn)定，使用可靠，適應(yīng)惡劣環(huán)境等特點，廣泛應(yīng)用于煤礦瓦斯抽采氣體流量測量。然而在實際應(yīng)用過程中常常會遇到：測量數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確？孔板流量計測出的量是工況量、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的量、還是常溫狀態(tài)下的量？計算公式種類很多，應(yīng)該用哪一個？所用的公式是否正確？等等問題。因此，對孔板流量計測量原理、結(jié)構(gòu)、公式來源進(jìn)行分析，找到正確的公式，然后對實際應(yīng)用過程中常見的問題進(jìn)行分析解釋。

1 孔板流量計結(jié)構(gòu)及測定原理

1.1 結(jié)構(gòu)

在管道里插入1個與管軸垂直的金屬板，金屬板中心為1個圓孔，孔的中心位于管道的中心線上，孔板稱為節(jié)流元件。在孔板進(jìn)氣側(cè)距離孔板1個管道直徑的位置，安裝1個測壓管；在孔板出氣側(cè)距離孔板半個直徑的位置，安裝1個測壓管。通過測壓管測出管道內(nèi)氣體的2個壓力，2個壓力之差代入公式就可以計算出流量。如圖1。

 

流體在管道截面I－I以前，以一定的速度流動，管內(nèi)靜壓力為p1。由于節(jié)流元件的孔徑小于管道內(nèi)徑，當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流元件時，流體截面突然收縮，流速加快，靜壓降低。當(dāng)流體流過圓孔以后，由于慣性作用，流體截面繼續(xù)收縮一定距離，到流體截面zui小處，流體截面zui小處（圖2中Ⅱ－Ⅱ）稱為縮脈，流體在縮脈處的流速高，動能zui大，靜壓zui低。流體流過縮脈后，流體截面開始逐漸擴(kuò)大，到管道截面Ⅲ－Ⅲ處，流體截面恢復(fù)到整個管道截面。

1.3 孔板流量計測量原理

根據(jù)伯努利原理：流體在等高流動時，流速大，靜壓就小。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：。那么，流體從低速變?yōu)楦咚俸?，靜壓也會從高壓p高變?yōu)榈蛪簆低，高壓p高與低壓p低之差△p（△p=p高－p低）的大小與流量有關(guān)，流量越大，△p也越大。因此，我們可以通過測量△p，推算出流量。

2 孔板流量計公式來源

根據(jù)單位質(zhì)量能量守恒方程有：

    （1）

流動連續(xù)性方程：

    （2）

式中：p1、p2分別為截面Ⅰ－Ⅰ和截面Ⅱ－Ⅱ處的正壓力，Pa；υ1、υ2分別為截面Ⅰ－Ⅰ和截面Ⅱ－Ⅱ處的平均流速，m/s；ρ1、ρ2分別為截面Ⅰ－Ⅰ和截面Ⅱ－Ⅱ處流體的密度，kg/m3；S1為管道的截面積，m2；S2為流體收縮到zui小處的截面積，m2；S0為孔板中心圓孔面積，m2；g為重力加速度，m/s2。

對于不可壓縮流體，ρ1=ρ2=C（常數(shù)）。對于可壓縮流體，暫設(shè)ρ為常數(shù)，推導(dǎo)出流量方程后，再引入膨脹系數(shù)。因此，由式（1）可得：

所以：

 

流體通過截面Ⅱ－Ⅱ的流量為：

 

式中：a為孔板結(jié)構(gòu)特性系數(shù)，為流速收縮系數(shù)，m為孔板中心圓孔面積與管道面積之比，d為孔板中心圓孔直徑，m；D為管道直徑，m；Q為流量，m3/s。

則：

對于可壓縮氣體，因p2＜p1，所以ρ2＜ρ1，引入膨脹系數(shù)，方程式為：。由于壓力對密度影響很小，ρ2與ρ1近似相等。所以對于可壓縮流體，膨脹系數(shù)ε可以省略。

又：

所以：

又因：

式中：p0、V0、T0、ρ0、M0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的壓力、體積、溫度、密度和質(zhì)量；p、V、T、ρ、M為工況狀態(tài)下氣體的壓力、體積、溫度、密度和質(zhì)量。

 

所以工況狀態(tài)下氣體的體積流量計算公式為：

    （3）

設(shè)：p3、Q3、T3為常溫狀態(tài)（一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，20℃）下的壓力、體積、溫度；則：p3=p0=101325Pa；T3=273+20=293K。

 

所以：

 

又因：ρ0=（1－0.00446C）×1.293

 

設(shè)：

所以：

 

設(shè)：k=60.677ad2，則：

    （4）

上述各式中：Q為常溫狀態(tài)下管道內(nèi)氣體體積流量，m3/min；△p為孔板流量計測出的壓差，Pa；C為瓦斯?jié)舛?；p為管道內(nèi)氣體的正壓力，Pa；T為管道內(nèi)氣體的絕對溫度，K；k為實際孔板流量特性系數(shù)；a為孔板結(jié)構(gòu)特性系數(shù)，可查《采礦工程設(shè)計手冊》中表8－7－69獲得；d為孔板中心圓孔直徑，m；b為瓦斯?jié)舛刃Ｕ禂?shù)；δp為壓力校正系數(shù)；δt為溫度校正系數(shù)。