流量孔板 孔板流量计结构测量原理问题分析

孔板流量计是测量管道中流体流量的常用装置。由于其结构简单、维护方便、性能稳定、使用可靠、适应恶劣环境等优点，被广泛应用于煤矿瓦斯抽采的瓦斯流量测量。但是在实际应用过程中，我们经常会遇到:测得的数据是否准确？孔板流量计测量的量是在工作状态下，标准状态下还是常温状态下？计算公式有很多种，应该用哪一种？使用的公式是否正确？等等，问题。为此，对孔板流量计的测量原理、结构和公式来源进行分析，找出正确的公式，并对实际应用中常见的问题进行分析和说明。

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，金属板的中心为圆孔。孔的中心位于管道的中心线上，孔板称为节流元件。在孔板入口侧距离孔板一个管径的位置安装压力测量管；压力测量管安装在孔板出口侧，距离孔板半个直径。管道中气体的两个压力由测压管测量，将两个压力之差代入公式即可计算出流量。参见图1。

图1孔板流量计的结构

1.2.孔板前后的流体流量:

孔板前后流体的流动过程如图2所示。流体在管段I-I之前以一定速度流动，管内静压为p1。由于节流元件的孔径小于管道的内径，当流体流经节流元件时，流体的横截面突然收缩，流速增加，静压降低。在流体流过圆孔之后，由于惯性，流体部分继续收缩到流体部分一定距离

图2流体流经孔板时压力和流量的变化

在表面最小，流体截面最小的地方(图2中的ⅱ-ⅱ)，称为脉冲收缩，流体的速度、动能和静压最高，最低。流体流经收缩静脉后，流体截面开始逐渐扩大，达到管道截面ⅲ-ⅲ，流体截面回到整个管道截面。

1.3、孔板流量计测量原理:

根据伯努利原理，当流体在同一高度流动时，速度大，静压小。数学表达式为p +12ρv2+ gρZ = C..那么当流体由低速变为高速时，静压也会由高压P高变为低压P低。高压P高和低压P低的差值△P(△P = P高-P低)与流量有关。因此，我们可以通过测量△p [6-7]来计算流量。

2.孔板流量计公式来源:

根据单位质量能量守恒方程:p1ρ1+12v 21+gz1 =p2ρ2+12v 22+gz2(1)流动连续性方程:v2S1ρ1= v2S2ρ2，其中p1和p2分别为I-I段和ii-ii段的绝对压力，

pa；V1和v2分别是ⅰ-ⅰ段和ⅱ-ⅱ段的平均流速。

m/s；ρ1和ρ2分别是ⅰ-ⅰ段和ⅱ-ⅱ段的流体密度。

kg/m3；S1是管道的横截面积，

m2；S2是流体收缩到最小的横截面积，

m2；S0是孔板的中心孔面积，

m2；g是重力加速度，

m/s2 .对于不可压缩流体，

ρ1= ρ2= C(常数)。对于可压缩流体，ρ暂时设为常数，然后在推导出流动方程后引入膨胀系数。因此，根据公式(1)，P1-p2+12(ρ1v 21-ρ2v 22)+g(ρ1z 1-ρ2z 2)= 0；ρ1 v1 S1 =ρ2 v2 S2；ρ1= ρ2= ρ;μ= s2s 0 = d2d 2；Z1- Z2= 0 .因此:P1-p2 = 12(ρ2v 22-ρ1v 21)；V1 = v2μM12ρ(V22-V21)= P1-p2v 22-V21 = 2(P1-P2)ρV2 = 11-μ2ρm22(P1-p2)ρ通过第二-二段的流体流量为:Q = V2S2 = V2μ S0Q = μ S01

A = μ 1-μ 2平方米；μ是速度收缩系数，

μ= s2s 0；m为孔板中心圆孔面积与管道面积之比。

m = S0S1 = d2D2d是孔板中心孔的直径。

m；d为管径，

m；q是流速，

m3/ s .然后:q = ass02 (P1-p2) ρ对于可压缩气体，因为p2< p1，ρ 2 < ρ 1，引入膨胀系数，方程为:q = ε ass02 (P1-p2) ρ。由于压力对密度影响不大，

ρ2约等于ρ1。因此，对于可压缩流体，膨胀系数ε可以忽略。和:S0=πd24，

P1-p2 =△p so:q = aπd242△pρπ24 ad 2△p ρq = 1。11ad2△p △ p ρ and因为:p0V0T0 = p VTM0 = M；v0 = m0ρ0；在V =Mρ公式中:p0，V0，T0，ρ0和M0是标准状态下气体的压力，体积，温度，密度和质量；p、v、t、ρ、m是工作条件下气体的压力、体积、温度、密度、质量。P0M0T0ρ 0 = P MT ρ ρ = T0ρ 0P0T，所以工况下气体体积流量的计算公式为:

设p3、Q3和T3处于常温(一个标准大气压，

20℃)下的压力、体积和温度；然后:p3 = p0 = 101 325 PaT3= 273 + 20 = 293 K .P3Q3T3 = PQTQ3 = T3PQ3TQ3 = 1。11A D2T3 PP3T △ PP0TT0ρ 0PQ3 = 1。11A D2T3 PP0T △ PP0TT0ρ 0PQ3 = 1。11a D2△pp0tt 23p 2t 0ρ0 PP 20 3pt 0ρ0 P0 tq3= 1。11ad2△p T3T0 ρ0T3 ρ Tpp ρ 0是由于:ρ 0 = (1-0。00446c) × 1.293q3 = 1。11ad2 △ pt3t0 ρ0T3 ρ 93T3 Tpp 0Q3= 1。11ad211-0。004 46c △ p t3t0× 1。293T3 TPP 0设置:b = 11-0。00δp = PPσ0 = pσ101 325；δt=T3 T=293 t .因此，Q3= 1。11 d2b△pt3t 0×1.293δtδpq3 = 1。11×t3t 0×293 d2b△pδtδpq3 = 1。11× 293273 SQ3= 60。677ad2b △pδt δp m3/ min。如果k = 60。677ad2，Q3= kb △pδt δp (4)以上公式中，q为常温下管道内气体体积流量。

m3/min；△p为孔板流量计测得的压差。

pa；c为气体浓度；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为实际孔口流量特性系数；a为孔板的结构特征系数，可从《采矿工程设计手册》表8-7-69中获得。d是孔板中心孔的直径。

m；b为气体浓度修正系数；δp是压力修正系数；δt是温度校正系数。

3.常见问题分析:

3.1.测压点选择不合理；

在实际应用和许多书籍中，孔板流量计的测压点选择在管道ⅰ-ⅰ段和ⅱ-ⅱ段，这是不正确的，应在ⅱ-ⅱ段和ⅲ-ⅲ段选择。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)。流体在管道ⅰ-ⅰ段前以一定速度v1流动，管道内静压为p1。接近孔板时，由于节流元件孔板的阻塞，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膨胀，产生局部涡流损失和摩擦阻力损失，使流经孔板的流体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，瓦斯抽放管路中安装孔板流量计会造成很大的瓦斯抽放阻力，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，选择ⅱ-ⅱ段和ⅲ-ⅲ段的参数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段没有能量损失，其机械能符合能量守恒定律，完全符合伯努利原理和质量守恒定律。

3.2.公式(3)用作最终公式:

气体在管道内流动时，管道内各段的压力、体积、温度、密度都有一定的对应关系，即p QT = C；V =Mρ.但在数学推导过程中，公式p1ρ1+12v21+ g Z1=p2ρ2+12v22+ g Z2变为P1-p2+12(ρ1v 21-ρ2v 22)+g(ρ1z 1-ρ2z 2)= 0，再变为Q = 1。11ad2△p ρ ρ是管道内混合气体在工况下的密度，也是确定Q态特性的唯一参数，所以在ρ求解之前，公式(3)不能作为最终公式。

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常取为ρ代入方程(3)计算，不正确。ρ 0 = (1-0.004 46c) × 1。293是标准条件(1标准大气压，0℃)下混合气体的密度，ρ是工作条件下混合气体的密度，不能混淆。

3.4.给很多计算公式加G:

1)一种是用p1ρ1+12gv21=p2ρ2+12gv22作为能量平衡方程推导公式，但这个公式的来源不明。根据伯努利原理和能量平衡定律，p1ρ1+12v21+ g Z1=p2ρ2+12v22+ g Z2。等高(Z2- Z1= 0)条件下，p1ρ1+12v21=p2ρ2+12v22。基于这个公式，g不会出现在孔板流量计的公式推导中。

2)另一个是k = 60。677ad2突然变为k = 60。6779.8ad2= 189。95ad2，而Q = kb中△p的单位△pδtδp仍然是Pa，所以突然增加δ9是不合理的。公式中的8。

3.5.滥用克拉贝龙方程:

在实际应用中，经常会发生无论用哪种公式，在计算出q后，用Clapeyron方程(p1Q1T1=p2QT2)计算出标准状态量或常温状态量，使得最终值非常不准确，不可靠。出现这种情况的主要原因是公式中没有注明计算出的流量，用户无法计算出公式是否已经将工况下的量换算成常温下的量。需要注意的是，计算出的流量是利用《采矿工程设计手册》第八章第七章的公式计算出的常温下的体积流量。

4.结论:

使用孔板流量计测量和计算瓦斯涌出量时，正确的计算公式应为Q = kb △ P △ T △ P，公式的相关参数也应适当选取，选择正确的测点位置。