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  一、引言

      目前，應用zui廣泛的一類(lèi)流量計是以節流裝置和差壓計組成的差壓式流量計。文^[1]討論了一種新型差壓式流量計，研制了一種流量范圍寬，線(xiàn)性度好，壓力損力小，度高，可適宜于臟污介質(zhì)的差壓式流量計。本文主要分析此新型流量計的結構參數及其優(yōu)化。

      二、流量計的性能實(shí)驗分析

       1.基本原理

      差壓式流量計是根據安裝在管道中的節流裝置所產(chǎn)生的差壓來(lái)測量流量的儀表。它在流體通過(guò)節流件時(shí)發(fā)生節流產(chǎn)生差壓，差壓流量計通過(guò)測量差壓從而達到測量流量的目的。實(shí)驗證明，差壓Δp與流量Q之間存在著(zhù)一定的函數關(guān)系。

      本實(shí)驗流量計的節流裝置示意圖如圖1所示，在直徑為D的圓管內安裝一個(gè)底角分別為以α、β，上底寬為B，高為H的梯形楔，為減小流動(dòng)分離渦以及在使用中磨損造成的新誤差，在頂角處修圓角。在節流部件上游D/2處和梯形楔頂部開(kāi)有兩個(gè)取壓口分別為1和2。

      假設流體是不可壓流體，且流動(dòng)是一維定常流動(dòng)，由伯努利方程和連續性方程，可以推導出流體的體積流量Q為

                 （1）

      其中α為流量系數，通常其值是由實(shí)驗確定的，它與節流件的結構、直徑比、取壓方式、雷諾數及壁面相對粗糙度等有關(guān)；A₀為2點(diǎn)所在斷面面積，m²；Δp為斷面1、2之間的壓差，Pa；ρ為流體的密度，kg/m³。

       2.結構參數設計

      節流式流量計的流量測量度，主要取決于節流裝置的設計、制造和安裝等。本實(shí)驗對梯形楔的結構進(jìn)行討論以得到優(yōu)化尺寸和改善流量計性能指標?，F選用管道直徑D為32mm、α=40°、β=25°，首先討論梯形楔H/D=0.5時(shí)，不同底寬的影響，實(shí)驗分三種底寬即B=0；B=D/4；B=D/2的情況進(jìn)行實(shí)驗分析。采用不同的底寬B，討論對流量計測量精度的影響。另一方面，為適應不同流量范圍獲得足夠大的壓差信號，采用不同的高徑比H/D，本實(shí)驗對H/D=0.4；H/D=0.5；H/D=0.6等尺寸進(jìn)行實(shí)驗分析。

       3.實(shí)驗結果

      本實(shí)驗是由高位水箱、水泵、多管差壓計、節流件、截止閥、調節閥、稱(chēng)量標準裝置等組成。調節閥用來(lái)調節流量，四個(gè)點(diǎn)壓差信息利用多管差壓計讀取。在圖1中，1、2點(diǎn)的壓差為節流件信號差壓用來(lái)測量流量。在距節流件上流法蘭1D的上流及距節流件下流法蘭6D的下流處設取壓孔3、4點(diǎn)，其壓差用來(lái)測量節流件的水頭損失。利用稱(chēng)量法（秒表、天平）來(lái)作為流量標準裝置。

      設1、2點(diǎn)的差壓水頭高度值Δh_1-2，現以差壓水頭高度值的平方根為橫坐標，流量為縱坐標，不同底寬B的實(shí)驗結果分別見(jiàn)圖2（H/D=0.5、B=0）、圖3（H/D=0.5、B=D/4）、圖4（H/D=0.5、B=D/2）。

      由圖2、3、4可見(jiàn)，底寬越大，流量與壓差的線(xiàn)性關(guān)系越好，B=D/2時(shí)。這說(shuō)明在迎流底面頭部，由流道的改變形成分離渦區，若底寬小，因流量改變對測壓點(diǎn)有一定影響，底寬越長(cháng)，則測壓點(diǎn)流動(dòng)越穩定。當然，底寬的長(cháng)度將影響節流件的尺寸，從實(shí)驗結果看B=D/2時(shí)*。

      為適應不同量程的流量范圍，可采用安裝不同高度的梯形楔，以獲得足夠的壓差信號，這也是工程上人們常運用的方法。本實(shí)驗在底寬B=D/2的條件下，分別討論了H/D=0.4；H/D=0.5；H/D= 0.6三種情況。實(shí)驗結果參見(jiàn)圖4、圖5、圖6，這三種情況都反映了很好的線(xiàn)性關(guān)系。

      流體流過(guò)節流件時(shí)，由于梯形楔前后渦流的形成以及流體的沿程摩擦，使得流體總機械能的一部分不可逆的變成了熱能。為了測量梯形楔的水頭損失，我們在距節流件上流法蘭1D的上流及距節流件下流法蘭6D的下流處設取壓孔，設其壓力分別為h₃和h₄。測量裝有節流件的壓力差Δh″=h₃-h₄，然后取下節流件，接上同直徑同材料的短管，用同樣方法測量差壓Δh′，這樣節流件的水頭損失可用Δh″-Δh′給出^[2]。根據局部水頭損失方程寫(xiě)出節流件局部水頭損失

                         （2）

      本實(shí)驗分別測量了底寬B=D/2，高徑比H/D=0.4；H/D=0.5；H/D=0.6等三種結構的節流件的水頭損失，現以節流件局部阻力因數為縱坐標，雷諾數Re為橫坐標，實(shí)驗結果見(jiàn)圖7。

      由圖7可知，當B=D/2時(shí)，節流件的水頭損失隨H/D的增大而增大。這主要是由于當H/D增大時(shí)，在靠近節流件時(shí)，由于流件的黏性和局部阻礙等影響造成的渦流越大，故而由于渦流的形成造成的損失也越大。水頭損失越大，可使我們獲得較大的差壓信號；水頭損失越小，可以節約儀表運行所需的能耗，這樣，在測量的流體流量較大時(shí)，可使H/D值較小，同樣在測量的流體流量較小時(shí)，可使H/D值較大。另一方面，由圖可見(jiàn)，在這三種情況下，節流件的局部阻力系數都表現為在較小的雷諾數下，就很快趨于一個(gè)常數，這表明節流件具有很好的線(xiàn)性特征且量程范圍大。

      本實(shí)驗針對B=D/2，H/D=0.5這種結構進(jìn)行誤差分析，這種結構的相對誤差zui大值不超過(guò)2%。

      三、結論

      從以上分析可知，這種梯形楔流量計具有以下特點(diǎn)：

      （1）適當的上底寬是個(gè)重要的參數，實(shí)驗表明B=D/2是*的結構，這時(shí)性能zui穩定。
      （2）節流件部分為流線(xiàn)型結構，部分邊壁與管壁平直，這種結構有利于臟污介質(zhì)的測量。
      （3）流量計量程比大，線(xiàn)形關(guān)系好，精度高，其相對誤差在很寬的流量范圍內都能保持在2%以?xún)取?br />      （4）水頭損失小，運行能耗低。梯形楔流量計的不可恢復壓損僅占信號壓差的6%～20%，而zui常用的孔板流量計的不可恢復壓損占信號壓差的40%～80%^[3]。因此，從長(cháng)遠來(lái)看，梯形楔流量計的節能效果十分顯著(zhù)。
      （5）結構、安裝簡(jiǎn)單，維修方便，成本低廉。