孔板流量计结构测量原理分析

孔板流量计是测量管道流体流量的常用装置。孔板流量计因其结构简单、使用方便、性能稳定、使用可靠、适应恶劣环境等优点，在煤矿瓦斯抽采中被广泛用于测量瓦斯流量。但在实际应用过程中，我们经常会遇到以下问题:测量数据是否准确？孔板流量计测量的量是在工作状态下、标准状态下还是在常温下？计算公式有很多种，应该用哪一种？才是正确的？等等。因此，对孔板流量计的测量原理、结构和公式来源进行分析，寻找正确的公式，进而对实际应用中的常见问题进行分析说明。

1.孔板流量计的结构和测量原理；

1.1.结构:

将垂直于管道轴线的金属板插入管道。金属板的中心是一个圆孔。孔的中心位于管道的中心线上。孔板被称为节流元件。在孔板入口侧安装一个测压管，距离孔板1个管径；在孔板出口侧安装一个测压管，距离孔板半个直径。管道中气体的两个压力由压力计测得，将两个压力之差代入公式即可计算出流量。图一。

图1孔板流量计的结构

1.2.孔板前后的流体流量:

孔板前后的流动过程如图2所示。流体在管道I-I段前以一定速度流动，管道内静压为p1。由于节流元件的孔口直径小于管道的内径，当流体流经节流元件时，流体的横截面突然缩小，流速加快，静压降低。当流体流过圆孔时，由于惯性，流体的横截面继续缩小一定距离，直至到达流体止点。

图2流体流经孔板时压力和速度的变化

面积越小，流体的横截面越小(图2中的II-II)称为收缩。收缩处的流体速度较高，动能较大，静压较低。流体流过缩颈后，流体的横截面开始逐渐扩大，流体的横截面在截面III-III处回到管道的整个横截面。

1.3.孔板流量计的测量原理:

根据伯努利原理，流体在同一高度流动时，速度高时静压会降低。数学表达式为:p +12ρv2+ gρZ = C..那么流体由低速变为高速后，静压也会由高压p变为低压p，高压p与低压p之差△p(△p = p高-p低)与流量有关，流量越大△p越大。因此，我们可以通过测量△p来计算流量[6-7]。

2.孔板流量计公式来源:

根据单位质量能量守恒方程，有:p1ρ1+12v 21+g Z1 = p2ρ2+12v 22+g z2(1)流动连续性方程:v2S1ρ1= v2S2ρ2其中P1和p2分别为I-I截面和II-II截面的绝对压力，

pa；V1和v2分别是截面I-I和截面II-II的平均速度。

米/秒；ρ1和ρ2分别是截面I-I和截面II-II处的流体密度，

千克/立方米；S1是管道的横截面积，

m2；S2是流体收缩到较小尺寸的横截面积，

m2；S0是孔板的中心圆孔面积，

m2；g是重力加速度，

米/秒2 .对于不可压缩流体，

1 = ρ 2 = c(常数)。对于可压缩流体，暂时让ρ为常数，推导出流动方程后再引入膨胀系数。因此，由公式(1)可得，P1-P2+12(ρ1v 21-ρ2v 22)+g(ρ1z 1-ρ2z 2)= 0；ρ1v1s 1 =ρ2v2s 2；ρ1= ρ2= ρ;μ= S2 s0 = D2 D2；Z1- Z2= 0 .因此:P1-P2 = 12(ρ2v 22-ρ2v 21)；V1 = V2微米12ρ(v 22-v 21)= P1-p2v 22-v 21 = 2(P1-P2)ρV2 = 11-μ2ρm22(P1-p2)ρ流体通过II-II截面的流量为:Q = V2S2 = V2 μ s0q = μ s01。

a =μ1-μ2×m2；μ是速度收缩系数，

μ= s2s 0；m是孔板的中心圆孔面积与管道面积的比率，

m = S0S1 = d2D2d是孔板中心圆孔的直径，

m；d是管道直径，

m；q是流量，

立方米/秒.然后:Q = As02 (P1-P2) ρ对于可压缩气体，由于p2< p1，ρ 2 < ρ 1，引入膨胀系数，方程为:Q = ε As02 (P1-P2) ρ由于压力对密度影响不大

ρ2和ρ1近似相等。因此，对于可压缩流体，膨胀系数ε可以省略。再次:S0=πd24，

P1-p2 =△p so:Q = aπd242△pχπχ24 ad2△pχQ = 1.11 ad2△pχχ另一个因子:p0V0T0 = p VTM0 = M；v 0 = m0ρ0；V =Mρ公式:p0，V0，T0，ρ0，M0为标准状态下气体的压强、体积、温度、密度和质量；p、V、T、ρ、M为工作状态下气体的压力、体积、温度、密度和质量。M0t 0 ρ 0 = p mt ρ ρ = t0 ρ 0pot，所以计算工作状态下气体体积流量的公式为:

让p3、Q3和T3处于常温(一个标准大气压，

20℃)压力、体积和温度；那么:p3 = p0 = 101 325 PaT3= 273 + 20 = 293 K .P33t3 = Pqtq3 = T3pqp3t所以:Q3 = T3pqp3tq3 = 1。11ad2t3pp3t△ PP0TT0ρ 0 ρ PQ3 = 1。11ad2t3pp0t △ PP0TT0ρ 0 ρ PQ3 = 1。11ad 2△PP 0 TT 23 p 2t 0ρ0p 20 3pt 0ρ0p 0 tq3= 1。11ad 2△p t3t 0ρ0t 3ρTppρ0ρ0 =(1-0.00446 c)×1。293Q3 = 1。11ad 2△pt 3t 0ρ0t 3ρ0ρ3t 3t t . PP . 0q 3 = 1.11 ad 211-0.004 46c△p . t3t 0×1。93T3。t PP . 0:B = 11-0.004δ= PPω0 = pω101 325；δt=T3 T=293 T因此:Q3= 1。11ad2b △pT3T0× 1。293 δ t δ pq3 = 1。11× t3t0× 1。293ad2b △ p δ t δ pq3 = 1。11× 293273.SQ3= 60。677ad2b，δ P δ T δ Pm3/min，k = 60。677ad2，则:Q3= kb，δ P δ T δ P (4)上式中:Q为常温下管道内气体的体积流量，

立方米/分钟；△p为孔板流量计测得的压差，

pa；c是气体浓度；p是管道中气体的绝对压力，

pa；t是管道中气体的绝对温度，

k；k是实际孔板流量特性系数；a为孔板的结构特性系数，见《采矿工程设计手册》表8-7-69。d是孔板中心圆孔的直径，

m；b是气体浓度修正系数；p为压力修正系数；δt是温度校正系数。

3.常见问题分析:

3.1.测压点位置选择不合理；

实践中及许多书籍中，孔板流量计的测压点位置选在管道的I-I段和II-II段，这是不正确的，应选在II-II段和III-III段。原因如下:

从上述公式的推导过程可以看出，孔板流量计计算公式的理论基础是伯努利原理、能量平衡定律和质量平衡定律(运动连续性方程)。在管道的I-I段之前，流体以一定的速度v1流动，管道内的静压为p1。当接近孔板时，由于孔板的堵塞，管壁附近流体的有效流速降低，一部分动压能转化为静压能，静压迅速上升到p'1，大于管道中心的压力，从而在孔板入口端面产生径向压差，使流体收缩。流体在孔板前后突然收缩和膨胀，产生局部涡流损失和摩擦阻力损失，使流体流过孔板后静压无法恢复到初始值，即孔板前后存在静压损失。实际应用证明，在瓦斯抽采管道中安装孔板流量计会造成很大的瓦斯抽采阻力，p1ρ1+12v21+g Z1≠p2ρ2+12v22+ g Z2。因此，用孔板前后截面I-I和II-II上的参数来推导孔板流量计的计算公式是不正确的，不符合能量守恒定律。

从以上分析可以看出，选取II-II和III-III段的参数来推导孔板流量计的计算公式是正确的。由于II-II段和III-III段在节流元件的同一侧，流体从II-II段流向III-III段，基本没有能量损失，其机械能符合能量平衡定律，完全符合伯努利原理和质量平衡定律。

3.2.公式(3)用作最终公式:

气体在管道中流动时，管道中各段的压力、体积、温度、密度有一定的对应关系，即:p QT = C；V =Mρ然而，在数学推导的过程中，公式p1ρ1+12v21+ g Z1=p2ρ2+12v22+ g Z2就变成了P1-P2+12(ρ1v 21-ρ2v 22)+g(ρ1z 1-ρ2z 2)= 0，然后就变成了Q = 1。11ad2△p ρ是ρ条件下管道内混合气体的密度，也是决定Q条件特性的唯一参数。因此，等式(3)不能用作最终公式，直到ρ被求解。

3.3.取ρ 0 = (1-0.004 46c )× 1.293为ρ:

在实际应用中，ρ 0 = (1-0。004 46c )× 1。293常被认为是ρ，代入公式(3)进行计算是不正确的。ρ = (1-0.004 46c )× 1。293是标准状态下(1个标准大气压，0℃)混合气体的密度，ρ是工作状态下混合气体的密度，不能混淆。

3.4.将G添加到许多计算公式中:

1)一种是用p1ρ1+12gv21=p2ρ2+12gv22作为能量平衡方程，推导公式。这个公式的来源不得而知。根据伯努利原理和能量守恒定律，有:p1ρ1+12v21+ g Z1=p2ρ2+12v22+ g Z2。在等高的情况下(Z2- Z1= 0)，p1ρ1+12v21=p2ρ2+12v22。基于这个公式，G就不会出现在孔板流量计公式的推导中。

2)另一个是k = 60。677ad2突然变成k = 60。6779.8ad2 = 189。95ad2，而Q = KBωpωtωp中的单位仍然是Pa，所以突然增加ω9是不合理的。公式中的8。

3.5.克拉普朗方程的滥用；

在实际应用中，经常会出现这样的情况，无论用哪一个公式，在计算Q后，都是用克拉珀伦方程(p1Q1T1=p2QT2)来计算标准态量或常温态量，使得最终值非常不准确，不可靠。造成这种情况的主要原因是公式没有表明计算的流量是什么状态，用户搞不清楚公式是否把工况下的量换算成了常温下的量。需要注意的是，计算流量是利用《采矿工程设计手册》第8章第7节第7章中的公式计算出的常温下的体积流量。

4.结论:

用孔板流量计测量计算瓦斯抽放时，正确的公式应为Q = KB△δpδtδp，并应适当选择公式的相关参数，选择正确的测点位置。

免责声明：本网站内容来源网络，转载是出于传递更多信息之目的，并不意味赞成其观点或证实其内容真实性。转载稿涉及版权等问题，请立即联系网站编辑，我们会予以更改或删除相关文章，保证您的权利。
标签:  孔板,测量,流体,结构,原理,截面,管道,流量,m2,p2