横河差压式流量计测量原理

差压式流量计是指在管道内安装孔板，测量因流量大小不同而在孔板前后产生的差压，从而求出流量的仪表。差压式流量计又称为孔板流量计。

由于其结构简单，适用于液体、气体、蒸汽任意一种的测量，因此早期就开始作为工业用流量计广泛使用。理论上可以根据伯努利定理求得差压和流量的关系，但实际上由于存在种种误差，所以一般使用经验公式来计算两者间的关系。在日本有JIS标准。

差压流量计的测量原理

如图所示，在断面为圆形的水平管道中心安装垂直于流体的孔板。假设理想流体充满了管道，图中上游PH点和下游PL点截面之间，由伯努利公式和流体连续性方程式得出公式（1）和公式（2）。

从以上两个公式中得出的通过孔板的体积流量Q（m³/S）是:

由于实际流体具有黏性，同时考虑到对压缩性流体的应用，所以在实用公式中使用孔板的横截面积πd²/4来代替F2，体积流量Qv（m³/S）如下:

根据Qm＝Qvρ1得出质量流量Qm（kg/s）如下:

层流与紊流

差压流量计的流量与差压的关系为: 层流时成比例特性，紊流时成平方特性。

通过计算出雷诺数Red来辨别层流与紊流状态。雷诺数小于2320时为层流，大于2320时为紊流。一般的差压流量计是在紊流状态下进行测量的。

紊流状态下流量与差压的关系

雷诺数Red的计算公式

雷诺数Red的实用公式

雷诺数Red的计算实例

此值显然在紊流范围内。

流速分布

如下图所示，层流与紊流管内流速分布不同。

孔板种类

孔板的种类很多，其中代表性的为右图中的同心直角边缘孔板。除此之外，还有喷嘴式、文丘里式。另外还有JIS标准以外的1/4圆孔板、圆筒孔板等。如下图所示。

虽然对含有沙子和固态物质的流体，可使用偏心孔板和圆缺孔板。但JIS标准中没有这些类型，所以省略图解。

孔板孔径的计算

质量流量Qm的计算公式（公式5）与孔板的种类无关，可通用。但是流量系数α受孔板种类和差压测得位置的影响，从实验数据中得到直径和雷诺数的关系。

如下图所示，孔板的面积比为β²＝（d/D）²，该值大于雷诺数Red值时流量系数α为一定。一般的情况下，α在一定范围中变化。

求孔板口径

确定孔板的种类。

常用流量及差压。

将上述公式（5）代入以下公式、首先计算公式右边。

根据雷诺数的函数α反复计算得出β²，zui终得到孔板口径d。

参考数据: 流量系数α和雷诺数Red的关系（旧数据）

流量系数和雷诺数的关系（参考用）

孔板的结构选定

孔板种类	用途	特点
同心直角边缘孔板	通用	形状简单、容易制作、价格低、流量系数小、压损大
喷嘴式孔板	高温流体、	机械强度大、流量系数大（端口的1.6倍）、测量泥状流体性能强、比文丘里管压损大
喷嘴式孔板	高压和高速流体	机械强度大、流量系数大（端口的1.6倍）、测量泥状流体性能强、比文丘里管压损大
文丘里管型	低压损流体	压损小（喷嘴的1/4～1/6）、耐久性强、沉淀堆积少，价格高
孔板	低压损流体	压损小（喷嘴的1/4～1/6）、耐久性强、沉淀堆积少，价格高
1/4圆孔板	低雷诺数流体	雷诺数小时的流量系数变化小、圆筒孔板的补充
圆筒孔板	微量流体	用于微量流量，1/4圆孔板的补充，预估误差大

差压流量计的结构

气体差压流量计的代表性结构实例如右图所示。调节阀前后的压力通过导压管和三阀组引导至差压变送器。从差压变送器输出变送信号4-20mA或20～100kPa。使用时应确认三阀组的差压变送器的零点。

气体流量的压力补偿

气体的密度是随压力和温度而变化的。因此，当使用条件和设计条件不同时有必要进行补偿。

测量流体为气体时，根据波义耳-查理定律得出密度ρ1、可用前述公式（5）进行温度压力的补偿运算。

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