孔板V锥使用说明书.docx
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孔板V锥使用说明书
一、工作原理
1.1测量原理
在充满流体的管道中固定放置一个流通面积小于管道横截面积的节流件，则管内流束在通过该节流件时（如图一所示）就会造成局部收缩。
在收缩处，流束集中，流速增加，静压力降低，于是在节流装置的上、下游两侧产生一个静压力差。
这个静压力差与流量之间呈一定的函数关系，流量愈大，所产生的静压力差愈大，因此可以通过测量节流件前后的差压来测量流量。
1节流件2差压计
图1-1节流装置原理
1.2流量公式
如果流体流经一个收缩（节流）件时，流体将被加速。
这种流体的加速将使它的动能增加，而同时按照能量守恒定律，在流体被加速处它的静压力一定会降低一个相对应的值。
根据能量守恒定律可知：
在一个封闭的系统中，流体的总能量是一个常数。
图1-2管道内流体流动示意图
在横截面1处，流体的平均流速是V1，其密度是ρ1，管道在横截面1处的横截面积是A1；当流体流过横截面2时，相应的平均流速是V2，密度是ρ2，横截面积是A2，根据流体流动连续性原理有如下关系式：
V1·A1·ρ1=V2·A2·ρ2………………
（1）
如果流体是液体，可认为在收缩前、后其密度不变，即：
ρ1=ρ2=ρ
因此流体的体积流量qV=V1·A1=V2·A2………………
（2）
根据伯努利方程和连续性方程，在水平管道上Z1＝Z2，则有如下关系式：
P1+ρ1V12/2=P2+ρ1V22/2……………………（3）
应用伯努利方程和流动连续性原理，在两个横截面上则有如下关系式：
⊿P=P1－P2=（ρ1/2）（V22－V12）………………（4）
由
（2）式得出V1＝（A2/A1）V2………………（5）
将（5）代入（4）式，并整理，则得：
⊿P=（ρ1/2）[1－（A2/A1）2]V22
则⊿P=（ρ1/2）[1－（d/D）4]V22………………（6）
式中：
A1=πD2/4；A2=πd2/4
根据直径比β的定义：
β=d/D，由
（2）式V2=qv/A2
⊿P=（ρ1/a）[1－β4]（qv2/A22）
这样可推导出以下的理论流量公式：
qv2=（2A22△ρ）/[（1－β4）ρ1]
qv=πd2（2△ρ）0.5/[4（1－β4）0.5]
又由于流出系数C的定义是：
C=实际流量/理论流量，最后可得出节流式差压流量计普遍适用的实际流量公式：
体积流量qv=cεπd2（2⊿P）0.5/{ρ0.5[4（1－β4）0.5]}……（7）
质量流量qm=qv·ρ………………（8）
式中：
ε——被测介质的可膨胀性系数，对于液体ε=1；对气体、水蒸汽等可压缩流体ε＜1；
qv——流体的体积流量，[m3/s]（工况下流体的体积流量）；
qm——流体的质量流量，[㎏/s]；
d——工作状况下节流件的等效开孔直径，[m]（对于孔板是孔径，对于文丘里管是喉径，对于V锥流量计是等效开孔直径）；
D——节流件所处位置的内径，与d单位相同。
⊿P—差压，⊿P=P1－P2；[Pa]；
ρ——工作状况下，节流件上游处流体的密度，[㎏/m3]
C——流出系数，无量纲；在一定条件下，流出系数C是一个不随管径D、孔径比β和雷诺数Re变化的常数。
β——孔径比，无量纲。
β=d／D
根据工程上的习惯，孔径的单位用mm，体积流量和质量流量的单位分别用m3/h和kg/h，则公式变为：
流出系数C与流量系数α的关系为
1.3压力损失
在管道中安装节流装置来测量流体流量会造成流体不可恢复的压力损失。
其原因是节流装置前后涡流的形成以及流体的沿程摩擦，使流体的总机械能的一部分不可逆地变成了热能，散失在流体内。
二、孔板节流装置
标准孔板节流装置是国家标准中规定的用来实现取压方式的装置。
根据取压方式有角接取压装置和法兰取压装置。
2.1角接取压装置
角接取压装置采用环室或夹紧环（单独钻孔）取得节流件前后的差压。
环室取压装置由节流件前后两个环室组成，其结构如图三所示。
环室取压可以取出节流件前后的均衡差压，提高测量精度，缩短安装时所需最小直管段长度。
图2-1标准环室孔板节流装置（Pg≤25）
1、法兰2、导管3、前环室4、节流件
5、后环室6、垫片7、螺栓8、螺母
2.2法兰取压装置
法兰取压装置由两个带取压孔的取压法兰组成，如图四所示。
它不论管道直径大小，其上、下游取压孔中心均位于距孔板两侧端面各1英寸（25.4mm）处。
它在制造和使用上方便，通用性较强。
图2-2标准法兰孔板节流装置（Pg≥64）
1、取压法兰2、孔板3、导压管4、密封垫5、螺6、螺栓
三、喷嘴节流装置
喷嘴节流装置有标准喷嘴（ISA1932喷嘴）和长径喷嘴。
喷嘴节流装置具有测量精度高、压损小、寿命长等特点，广泛应用于电力、冶金、纺织、轻工等行业各种介质的流量测量、控制和调节。
其设计制造和使用均符合国际标准ISO5167或GB/T2624的规定。
由于其入口部分为圆弧形，且还带有一定长度的圆柱形，其耐磨性和耐蚀较好，常用于高温高压的液体和气体流量的计量。
结构简单、牢固、可靠耐用。
压力损失比标准孔板要小，比较节约能源。
不需要实流标定，精度适中。
3.1标准喷嘴
取压方式：
角接取压
公称压力：
32MPa（高于20MPa可用焊接式）
公称通径：
50～500mm
精确度（不确定度）：
±0.8%～1.2%
开孔直径比β：
0.3≤β≤0.8
图3-1标准喷嘴（ISA喷嘴）
3.2长径喷嘴
取压方式：
D-D/2（径距）取压
公称压力：
50MPa
公称通径：
50～630mm
精确度（不确定度）：
±2%
开孔直径比β：
0.2≤β≤0.8
图3-2长径喷嘴
四、经典文丘里管
经典文丘里管又称古典文丘里管，通常称为标准文丘里管。
其设计制造和使用均符合国际标准ISO5167或GB/T2624的规定，常用于液体和气体流量的计量。
4.1主要特点
1、结构简单、牢固、性能稳定。
2、压力损失小。
3、结构尺寸大，安装尺寸长。
4、可不需要实流标定，当需精度较高时，可进行实流标定。
4.2主要技术参数
1、取压方式：
上游端用径距取压，下游部用喉部取压。
2、公称压力：
6.3MPa。
3、公称通径：
50～2200mm。
4、精确度（不确定度）：
±0.7%～1.5%。
5、适用范围：
开孔直径比β：
0.4≤β≤0.7
雷诺数范围ReD：
2×106≥ReD≥2×105
图4-1经典文丘里管
五、均速管流量计
均速管流量计（阿牛巴）是基于皮托管测速原理发展起来的一种新颖仪表。
其突出优点是结构简单、安装维护方便、重量轻、成本低廉、压力损失小、仪表配套适应性强等。
其适用于圆形、矩形、多面形管道中流体的测量。
在工艺管径日益增大而又要求安装维护方便的情况下，均速管流量计（阿牛巴）更是作为大口径管道流体测量的首选仪表。
该仪表广泛应用于电力、冶金、石化等行业中，常做为对蒸汽、气体、液体等介质的流量测量及控制的首选仪表。
5.1主要特点
1、结构简单、装、拆方便。
2、压力损失小，节约能源。
3、价格较低。
4、准确性和稳定性较好。
5.2主要技术参数
1、公称压力：
≤12MPa
2、公称通径：
25～2600mm
3、精确度（不确定度）：
±3%～±5%
图5-1均速管（阿牛巴）
六、V锥流量计
以孔板、喷嘴和文丘里管为代表的差压式流量计，作为传统的流量仪表已有近百年的发展应用历史。
其优点是已标准化，结构简单牢固，易于加工制造，价格低廉，通用性强。
然而孔板、喷嘴等在测量性能和结构上存在着自身结构上的缺陷，即采用中心收缩式来获取差压的方式。
如流出系数不稳定，线性差，重复性不高从而影响到准确度不高。
孔板入口锐角这个关键部位易磨损，前部易积污，量程比小，压力损失大，特别是十分苛刻的直管段要求在实际使用中很难满足等。
V锥流量计的出现打破了沿袭近百年的模式结构，使得节流式差压流量仪表发生了“质的飞跃”。
V锥流量计源于美国麦克罗米特（McCrometer）公司，因其节流部件呈圆锥形，英文名称为V－ConeFlowmeter即利用同轴安装在管道中的锥形体，迫使流体逐渐从中心收缩到管道内边壁而流过锥形体，通过测量锥形体前后的压差来得到流体的流量。
V锥流量计的节流件是一个悬挂在管道中心的锥形体，它具有改善流场的作用。
高压P1取自锥体前流体尚未节流加速的管壁；低压P2则取自后锥体后部，并通过内锥前方的支管引出管外。
配置差压变送器，其差压（P1－P2）的平方根与流量成正比，据此可推算出流体流量。
该产品广泛用于钢铁、电力、化工等行业液体、气体或蒸汽的流量计量。
图6-1V锥流量计
孔板、锥型体等节流件在管道中是阻挡物，其后部除了产生静压差外还会产生旋涡流。
然而旋涡对于节流式差压流量计来说是有害的干扰。
这个干扰在节流件下游会产生“信号跳动”现象，会严重干扰正常信号的测量。
经过大量的试验和检测证明：
V锥流量计的信号噪声远远低于其它类型节流装置。
V锥体尾部所测得的是高频、低幅值的波动信号，如图6-2（a）所示。
对于孔板，所测得的是低频、高幅值的波动信号，如图6-2（b）。
图6-2（a）V锥流量计信号图6-2（b）孔板的信号
由于其它节流装置使流体被迫收缩到管道中心轴线附近，令流体突然改变流动方向，使得流量测量准确度不高、重复性不好。
而V锥式节流装置使流体逐渐朝向管内边壁的收缩（节流），使节流件的下游产生高频低幅的湍流（小涡流），因而差压变送器所测量的差压⊿P信号是低噪声信号。
在低压处可以测得灵敏度（分辨率）优于25Pa的压力。
充满圆管的流体在管道中流动时，由于流体粘性的存在，流体与管壁之间存在摩擦力，使得流体的流速沿管半径方向形成一定的梯度。
在管道中心部位流速最快，越靠近管壁流速越慢，接触管壁处速度接近零。
在紊流状态下，速度分布梯度还与雷诺数及管壁粗糙度有关，雷诺数越大，速度分布梯度越小。
当流体的流速已经达到充分发展状态时，它的速度分布也是不均匀的。
应用V锥节流装置使流体在管道中流速不均的情况得到很好的解决。
由于锥型节流件安装在管道中心，它直接把流体从高速流动的中心部位分开，迫使流体沿着锥体与管壁间由宽逐渐变窄的狭长环隙通道流动，迫使中心流速快的流体就向四周流速慢的流体靠拢，并使快慢速度不同的流体混合在一起流动。
管道内原有的速度分布的梯度越来越小，流速快慢的差别消失，当流体到达靠近锥型节流边缘时（测量的部位），速度分布的梯度消失，流体变成了真正的匀速流动。
图6-3流速分布
锥型节流件决定测量精度的几何尺寸也是节流边缘。
节流边缘处在节流件后面顺着流体方向，而且是一个钝角。
当流体进入锥体表面时，流体被迫按照由宽变窄的流线路径高速流动，该路径与管内壁相互作用，形成一个边界层。
该边界层效应会使流体离开节流边缘一个微小的距离（流体与锥体的边缘不接触）。
这个微小的距离保护节流边缘不会被磨损，即使高速脏污的流体也不会磨损节流边缘。
节流边缘不磨损意味着它的几何尺寸不变，几何尺寸不变决定了锥形体的β值能长期保持不变，因此它的测量精度不会改变。
V锥流量计投用后不用再标定也能长期稳定工作。
图6-4锥体周围的边界层效应
在其它节流式流量计中，流体在管道中流动时靠近管壁处的流速会变慢，会使一些脏污物或颗粒沉积在管壁上，影响测量精度。
在V锥流量计中，当流体进入测量管流过锥形两侧时，由于管壁与锥体间的通道由宽变窄，它迫时流体的流速加快，从而形成了对管壁处和锥体表面的吹扫冲刷作用，所有的脏污杂物不可能在这里滞留，再加上锥体近似流线的形状，更不存在孔板那样的积逅死角。
V锥流量计独特的吹扫式设计使其具有自洁功能，因此用来测量脏污流体、湿流体而不会被堵塞。
另外当流体遇到锥形体负压管时，在其前部会产生一个高压分布区（由伯努利定理可知：
在支撑管前部的流体速度受阻变慢，该处的压力会高于其周边处），阻止了颗粒等进入该区，从而不会堵塞正压取压孔（负压孔在锥体后部开孔很大不会堵塞）。
虽然V锥流量计具有以上优点，但是也有不足之处。
当要求V锥流量计具有优于±0.5%的精确度时，对每一台流量计都要求在尽可能的对应雷诺数范围内进行实流校准，即标定它的流出系数C；V锥流量计尚未达到标准化的程度；一台V锥流量计无法适应双向流的流量测量要求。
七、安装要求
为确保节流装置的测量准确性，在安装节流装置时，应充分满足如下安装要求：
7.1节流装置的安装基本要求
1、新装管路系统，必须在管道冲洗和扫线后再进行孔板的安装。
2、注意安装方向“+”号应该向着流束。
3、导压管应垂直或倾斜敷设，其倾斜度不得小于1:
12。
测量粘度较高的流体时，其倾斜度还应增大。
当差压信号传送距离大于3米时，导压管应分段倾斜，并在各最高点和最低点分别装设集气器和沉降器。
4、导压管应按被测流体的性质和参数使用耐压、耐腐蚀的材质制造，其内径不得小于6㎜，长度最好在16米之内，不同长度下的最小内径见表7-3。
5、为了避免差压信号传送失真，正负导压管应尽量靠近敷设，严寒地区还应采取、防冻措施。
可采用电热或蒸汽保温，但要防止被测介质过热汽化和导压管中产生气体造成假差压。
6、在管道中安装时应保证其端面与管道轴线垂直，垂直度误差不得超过±1°。
7、防止有害物质（如高温、腐蚀性介质等）进入差压计。
8、节流件前后的直管段必须是直的，不得有肉眼可见的弯曲。
9、安装节流件用得直管段应该是光滑的，如不光滑，流量系数应乘以粗糙度以修正。
10、凡是调节流量用的阀门，应装在节流件后最小值管段长度以外。
7.2孔板和法兰夹紧式喷嘴安装要求
孔板和法兰夹紧式喷嘴的安装除满足7.1的要求外，还应满足如下要求：
1、在安装前应检查节流装置编号和尺寸是否符合管道安装位置的要求。
2、孔板和法兰夹紧式喷嘴中心应该和管道中心线相重合，同心度误差不得超过0.015（1/β-1）的数值。
3、夹紧孔板和法兰夹紧式喷嘴用的密封垫片（包括环室与法兰、环室与孔板或法兰夹紧式喷嘴间）在夹紧后，不得突入管道内壁。
4、孔板和法兰夹紧式喷嘴安装处必须严密，不允许有泄漏现象存在。
因此，安装工作必须在管道试压前进行。
5、孔板和法兰夹紧式喷嘴安装在垂直主管道上时，取压口位置可在取压装置的平面上任意选择。
7.3节流装置的管道条件
图7-1节流装置管段与管件
1、管道长度
节流装置的安装除了应具备上游10倍管径D、下游4倍管径D长的平直测量管外还应包括节流件上游侧第一个局部阻力件与第二个局部阻力件、节流件下游第一个局部阻力件以及局部阻力件之间的管道长度。
如果节流件前有大于2:
1的骤缩或节流件安装于敞开空间或大容器之后，则除上述要求外，节流件离骤缩处（或大容器入口）不得小于30D（15D）。
直管段L0的长度可按β=0.7查表7-1或7-2中L1的数值再折半。
如果实际的三个直管段长度L0、L1和L2中有一个在括号内和括号外的数值之间，则流出系数的不确定值应算术相加±0.5%。
凡节流件上下游实际直管段长度小于表中括号内的数值或上下游实际直管段长度均在括号内外的数值之间，则国家标准不能给出附加不确定度的数值，应对节流装置进行单独标定。
2、管道圆度
在节流件上游至少2D长度范围内，管道应是圆的。
管道内径D应该实测，不得用管道公称直径。
任意管道内径的单测值与平均值的偏差不得大于±0.3%。
表7-1孔板、喷嘴所要求的最小直管段长度（管径D的倍数）
直径比
β≤
节流件上游侧阻流件形式和最小直管段长度L1
节流件
下游最
小直管
段长度
L2
单个
90°弯头或一
个支
管的
三通
同平面上两个
或两个以上
90°弯头
不同平面两个或两个以上
90°弯头
渐缩管（1.5～3D）度内由2D变为D
渐扩管（1
～2D）长度内由0.5D变D
全开
球阀
全开
闸阀
0.20
10（6）
14（7）
34（17）
5
16（8）
18（9）
12（6）
4
（2）
0.25
10（6）
14（7）
34（17）
5
16（8）
18（9）
12（6）
4
（2）
0.30
10（6）
16（8）
34（17）
5
16（8）
18（9）
12（6）
5（2.5）
0.35
12（6）
16（8）
36（18）
5
16（8）
18（9）
12（6）
5（2.5）
0.40
14（7）
18（9）
36（18）
5
16（8）
20（10）
12（6）
6（3）
0.45
14（7）
18（9）
38（19）
5
17（9）
20（10）
12（6）
6（3）
0.50
14（7）
20（10）
40（20）
6（5）
18（9）
22（11）
12（6）
6（3）
0.55
16（8）
22（11）
44（22）
8（5）
20（10）
24（12）
14（7）
6（3）
0.60
18（9）
26（13）
48（24）
9（5）
22（11）
26（13）
14（7）
7（3.5）
0.65
22（11）
32（16）
54（27）
11（6）
25（13）
28（14）
16（8）
7（3.5）
0.70
28（14）
36（18）
62（31）
14（7）
30（15）
32（16）
20（10）
7（3.5）
0.75
36（18）
42（21）
70（35）
22（11）
38（19）
38（19）
24（12）
8（4）
0.80
46（23）
50（25）
80（40）
30（15）
54（27）
44（22）
30（15）
8（4）
表7-3导压管的内径和长度（mm）
导压管长度
导压管内径
被测流体
≤16000
16000～
45000
45000～90000
水、水蒸汽、干汽体
7～9
10
13
湿汽体
13
13
13
低、中粘度表的油品
13
19
25
脏的液体和气体
25
25
38
表7-2经典文丘里管所要求的最小直管段长度（管径D的倍数）
直径比β
单个90°短半径弯头
同平面上两个或两个以上
90°弯头
不同平面两个或两个以上
90°弯头
渐缩管3.5D长度内由
3D变为D
渐扩管D长度内0.75D变为D
全开球阀或闸阀
0.30
0.5
16（8）
34（17）
0.5
1.5（0.5）
1.5（0.5）
0.35
0.5
16（8）
36（18）
1.5（0.5）
1.5（0.5）
2.5（0.5）
0.40
0.5
18（9）
36（18）
2.5（0.5）
1.5（0.5）
2.5（1.5）
0.45
1.0（0.5）
18（9）
38（19）
4.5（0.5）
2.5（1.0）
3.5（1.5）
0.50
1.5（0.5）
20（10）
40（20）
5.5（0.5）
2.5（1.5）
3.5（1.5）
0.55
2.5（0.5）
22（11）
44（22）
6.5（0.5）
3.5（1.5）
4.5（2.5）
0.60
3.0（1.0）
26（13）
48（24）
8.5（0.5）
3.5（1.5）
4.5（2.5）
0.65
4.0（1.5）
32（16）
54（27）
9.5（1.5）
4.5（2.5）
4.5（2.5）
0.70
4.0（2.5）
36（18）
62（31）
10.5（2.5）
5.5（3.5）
5.5（3.5）
0.75
4.5（3.0）
42（21）
70（35）
11.5（3.5）
6.5（4.5）
5.5（3.5）
3、测温元件与测压元件的安装
测温元件安装在节流装置的下游，其距离节流件的长度应符合7.3的规定。
测压元件安装在节流件的上游，测量管道不得探入到测量管内部。
图7-2测温元件与测压元件的安装
7.4安装方式
7.4.1测量液体
1、差压变送器安装在节流装置下方
测量液体流量时且工艺管道水平安装，差压变送器的位置处于节流装置下方时，取压口应在节流装置的水平中心轴线下偏小于45°角引出。
1、仪表2、节流装置3、冲洗阀4、导压管5、沉积器
图7-3测量液体，仪表低于节流装置
2、差压变送器安装在节流装置上方
若差压变送器处于节流装置的上方时，除取压口下偏小于45°角然后向上引导压管外，应在导压管上的最高点装置集气器和排气阀。
7.4.2测量蒸汽
测量蒸汽时，差压变送器的安装与7.4.1相同，但在节流装置与导压管之间安装冷凝器。
若导压管足够长也可不加冷凝器。
7.4.3测量气体
测量介质为清洁的气体时，安装方式一般有差压变送器高于、低于节流装置两种。
取压口位置应符合7.4.1的安装要求。
当差压变送器低于节流装置时，导压管必须向下弯成U型连接至差压变送器，并在U型弯最低处装置放水阀和沉积器。
1、仪表2、节流装置3、排气阀
4、导压管5、沉积器6、空气收集器。
图7-4测量液体，仪表高于节流装置
7.4.4测量腐蚀性液体或气体
测量对仪表有腐蚀性作用的液体或气体时，必须在仪表和节流装置之间装有隔离器，在隔离器及后部的导管内，均注入隔离液。
要求隔离液在隔离器中的液面高度相等以保证测量的准确度，并且被测介质不能进入仪表的高低压室。
1、当被测介质的重度大于隔离液重度时，采用隔离器安装如图7-5所示。
2、当被测介质的重度大于隔离液重度时，采用隔离器安装如图7-6所示。
1、节流装置2、截止阀3、隔离器4、导压管
图7-5被测介质比重小于隔离液比重
1、节流装置2、截止阀3、隔离器4、导压管
图7-6被测介质比重大于隔离液比重
7.5V锥流量计的安装要求
V锥流量计的安装要求除直管段要求与其它节流装置不同外，其它要求都相同。
由于V锥流量计的特殊结构，其前后必需的直管段长度较短，一般上游只需0～2D，下游只需3～5D。
7.6均速管流量计（阿牛巴）的安装要求
均速管流量计（阿牛巴）的安装要求除直管段要求和安装位置与其它节流装置不同外，其它要求都相同。
7.6.1安装位置要求
1、在垂直管道中安装时，允许其在管道圆周360°范围内任意安装。
图7-7垂直安装
2、在水平管道中安装时，若测量液体向下倾斜安装。
若测量气体则向上倾斜安装。
图7-8水平安装
7.6.2前后直管段要求
表7-3节流件前后直管段要求
八、节流装置附件
1、冷凝器
为了防止高温介质对差压变送器造成损坏，需在节流装置和差压变送器之间的导压管上装上冷凝器，以达到保护差压变送器的目的。
图7-9冷凝器
型号
适用范围
ORB-L6.3
压力≤6.3MPa
ORB-L10
压力≤10.0MPa
ORB-L20
压力≤20.0MPa
ORB-L30
压力≤30.0MPa
2、隔离器
为了防止腐蚀性介质对差压变送器造成损坏，需在节流装置和差压变送器之间的导压管上装上隔离器，以达到保护差压变送器的目的。
当介质重度大于隔离液重度时，采用ORB-A型；当介质重度小于隔离液重度时，采用ORB
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