充分利用孔板流量计

充分利用孔板流量计

Pankaj K. Khandelwal, Vikram Gupta,

如果恰当地选择孔板的形状及取压口的位置，这些（孔板）流量计在各种不同的情况下都能成功地测量众多流体的流速。

为了控制一个工业过程，知道物料进入和流出过程关键步骤的量是十分必要的。虽然工程师有众多的流量计可供选择以实现此目的，但是简单的孔板流量计却是最常见的选择——由于它们的廉价，结构简单和大流量范围的适应能力。 本文将探讨孔板流量计是如何工作的，怎样正确的选择孔的形状和恰当的取压口的位置。

孔板流量计的工作原理

孔板流量计所应用的原理是流线型流的伯努利能量方程。伯努利能量方程显示当流体被压缩或膨胀时，流体的总能量保持恒定。当流体被压缩时，其动能增加而位能减小，与之相反，流体膨胀时，其位能增加而动能减小。流体静压的变化正反映了其位能的变化。 当流体流经节流孔时，流体截面积

的变小导致其动压头增大，而静压头却

减小。由此，伯努利方程提供了一个联系动压头的增加量和静压头的减小量的基础。根据孔口的锐利程度，流体在板

后与孔板分离，并形成了自由喷射流动，如图1所示。流体的最小截面积处，即缩脉的位置由流速决定。流体在缩脉处的静压力最小。通过在板前和板后的取压口（其正确位置的选择将在后面讨论），就可以测量流体在孔板前后产生的差压。

孔板的选择

按孔的不同的几何形状，孔板可分为数类，每种都有各自的优缺点及典型的应用。 同心孔板 这是在化学过程工业（CPI ）中最常用的孔板。它是一块中心有一个圆孔的金属薄片，在安装时，孔板（或孔）的圆心与管道的轴心重合（见图2）。 方边或锐边孔板的孔的内壁与孔板表面垂直。由于入口的锐边易被腐蚀或因其它因素而损坏，这种孔板不适用于某些流体的测量。为了避免这种对孔板边缘的损坏，这种孔板的孔的板前部分也可以做成圆锥形或圆弧边，分别叫做圆锥边孔板和圆弧边孔板。这些孔板甚至也能提供稳定不变的流出系数。 同心孔板常被用于测干净的液体、气体和低速的蒸汽，但它不能测带固体的液体或湿蒸汽，以及与此相似的情形。

偏心孔板和圆缺孔板 在测量带液体或固体的气体时，若用同心孔板，液体或固体常常会在板前积累起来，而若用偏心孔板或圆缺孔板时，当开孔位于管道上部（或下部）时，就可

图1. 孔板测压

以避免这种情形。此时，取压口位于开孔位置的相反位置上。

若管道的上部或下部被一块具有直方边的板挡住了，则此时管壁起到了孔的边缘的作用，这种情形会导致流出系数（或孔系数）的增加。在某些商品化的圆缺孔板中，其挡板还能像门一样上下移动，这就排除了更换孔板的必要。

由于偏心孔板在管道内的许多地方都不能自由排放，它在自由排放方面的性能要比圆缺孔板差，但在其它方面，它都优于圆缺孔板。

这些孔板能够被安装在水平管道内测量带固体颗粒的液体、湿的蒸汽和含油的水。但当被测液体中所含的固体颗粒具有粘性或其密度与液体密度相近时，这种孔板就不再适用了。环形孔板这种孔板包括一个被共轴安装在管道中由星形轮支撑的盘子。板前和板后的压力通过中心轴被传送到一个压力变送器中。当雷诺数大于10000时，流出系数将保持恒定。环形孔板能使重的物料从管底自由排出，而气体或蒸汽则从管顶通过。

这种孔板能被用于测量可能带有液体或固体的气体，以及含有少量气体的液体。它能够避免板前杂质积累的问题，如液流中的污垢积累和湿气流中的液体积累。这种孔板的不足之处在于缺少标准方程，以及流通面积的确定依赖于管道的尺寸，当孔径与管径的比值较大（β>0.9）时，这种缺陷尤为严重。

整体孔板用于管径很小的情形时，差压变送器能够和孔板作为一个整体；安装于管道中，这种组合尤其多用于流体研究中。这种孔板提供了一种精度达±2-5%的紧凑安装。

图2. 可供选择的孔板

取压类型

任何管径的收缩都会导致流体静压的下降，即下游流体的压降由于管径变小而下降。对孔板而言，从板后至流体恢复为完全流处各点的下降压力都是不同的。在缩脉处静压下降最大。取压口即是用来测取静压的，按其位置分可分为以下几类：

角接取压在这种方式下，取压口在板前和板后紧贴着孔板（见图3）。取压口应尽可能靠近孔板,但这种取压方式对污垢、冻结物和水化物的阻塞很敏感，且与法兰取压和缩脉取压（这两种取压方式随后即讨论）相比，角接取压更易受上游流体波动的影响。

D-D/2取压 此时，取压口位于距孔板上游一个管径和下游1/2个管径处（见图4）。这种设计是出于一种经验观点的考虑，按这种观点可认为，下游取压口位于缩脉的平均位置，而上游取压口却距孔板足够的远以至不会受到贴近孔板处变形流体的影响。在实际应用中，上游取压口甚至可以距孔板2个管径远而不影响测量结果。 管路取压 在这种情形下，上游取压口位于距孔板2.5个管径处，下游取压口位于距孔板8个管径处（如图4所示）。这两个取压口都位于完全流处，所以用这种取压方式测得的差压是孔板导致的永久压力损失，这对决定管路中总的压力损失是很有帮助的。 法兰取压 这种取压

方式将上、下游取压口置

于孔板前后各一英寸处，因为取压口位于法兰表

面且彼此对称靠近，这种取压方式便于检查，还能够测反向流量。

当β值较大时，这种取压方式不适用于管

径小于2英寸的管路中，因为此时下游取压口位于压力非常不稳定的区域内。 缩脉取压 此时，上游取压口位于距孔板1/2-2个管径处，而下游取压口位于静压最小处，即缩脉处。 由于静压在缩脉处最小，故所测得的差压是孔板前后压降中最大的，所以理论上这种取压方式是最优的。但诸如缩脉随流速变化等实际问题限制了这种取压方式的适用范围。

孔板选择指导

化学过程工业包括众多类型的流体，例如干净的液体、湿蒸汽和含固体颗粒的液体。流体的固有特性决定了孔板的适用性。现在，总结一下对于一个给定设备如何选择孔板的类型。 同心孔板最适用于干净液体流、气流和低速蒸汽流。雷诺数大于10000时用方边孔板，小于10000时，由于方边孔板的流出系数受流速和流体粘度的影响严重，因此圆弧边或圆锥边孔板在这种情形下更为适用。同时，圆弧边孔板相对而言更不易被侵蚀、腐蚀或固体在孔板表面沉淀。 如果所测流体包括以下情形，如带有固体颗粒的液体流，蒸汽中出现冷凝液或夹带有蒸汽或气体的液体，那么一般不要用同心孔板。这是因为孔板突出的边缘会在管路内形成一个坝，而这些异类物质在孔板入口管路中的积聚会改变流体的分布。 为了对付这些固体颗粒及冷凝液，可在水平管路中安装下部开孔的偏心孔板或圆缺孔板

图3. 角接取压孔板流量计