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分享关于孔板流量计鲜有人知的究竟

作者: 来源: 公布时候:2022-02-18 16:13:28

 孔板流量计用于流量测量:一种便宜但有效的初级传感元件这个观点非常简朴。在管道中安排一个限定,然后测量经由过程该限定产生的压降 (ΔP) 以推断流量。

孔板流量计

您可能已看过以下图,说了然孔板流量计的事情道理:

孔板流量计的工作原理

现在,以这类体例测量流量的真正奇特的地方在于,所获得的 ΔP 旌旗灯号与流量其实不线性对应。流速翻倍,ΔP 翻四倍。流量增加三倍,ΔP 增加九倍。用数学体例表达这类关系:

公式1

换言之,孔板流量计的压差(ΔP)与流量(Q 2 )的平方成正比更精确地说,我们可以包含一个具有切确值的系数 (k),它将比例转换为等式:

公式2

以图形情势表示,该函数看起来像抛物线的二分之一:

函数关系图

为了从差压仪表的输入旌旗灯号中获得线性流量测量旌旗灯号,我们必须对该旌旗灯号进行“平方根”,或在变送器外部利用计较机,在领受仪器外部利用计较机,或利用伶仃的计较仪器(“平方根”提取器”)。

按照我们的原始方程,我们可以从数学上看出这是若何产生流量 (Q) 的值的:20220218161945.jpg

重视:因为我们可以挑选我们需求的任何 k 值来使其相称,是以我们不必将 k 保持在 radicand 内,是以您凡是会看到写成如zui后一步所示的方程,此中 k 在内里自由基。

教诲门生压差的构成是活动液体流中能量守恒的成果。当液体进入收缩部分时,它的速率必须增加以申明经由过程减小地区的不异体积速率。

这导致动能增加,这必须伴跟着势能(即压力)的呼应降落以保存总流体能量。

在文丘里管中进行的压力测量证明了这一点:诚恳说,当我听到这个时(我还是门生时较前次),这对我来讲没成心义。我的“知识”奉告我,流体压力会跟着它被塞进收缩而增加,而不是减少。更首要的是,“知识”奉告我,经由过程收缩而落空的任何压力都永久不会规复,这与zui下流的压力表的压力唆使相反。

 

接管这一准绳是我的一种信奉行动,将先入为主的看法放在一边,寻觅新的东西。但是,信奉的奔腾其实不同即是了解的奔腾。我信赖他人奉告我的,但我真的不大白为甚么这是真的。

当我的教员揭示更详细的流量方程时,问题变得更加严峻。这个新方程包含流体密度 (ρ) 项:公式4

这个方程向我们揭示的是孔板流量计流量测量取决于密度。如果流体密度产生转变,我们的仪器校准将不克不及不改变以保持杰出的测量精度。不过,这个方程式让我感到不安,所以我举起了手。后来我和教员的交换是如许的:

我: 粘度呢?

教员:甚么?

我:流体粘度不会像密度一样影响流量测量吗?

教员:你没有在方程中看到粘度的变量,是吗?

我:嗯,不,但它必须对流量测量有一些影响!

师:怎样会?

 

我:想象一下洁净的水流过文丘里管,或流过孔板流量计的孔。在必然的流速下,必然量的 ΔP 会在孔口上产生。

现在想象一样的孔口流过不异速率的液体蜂蜜:与水的密度年夜致不异,但要厚很多。蜂蜜的“厚度”或粘度增加会不会导致经由过程孔口的更多摩擦,从而导致比水产生的压降更年夜?

师:我必定粘度有必然的影响,但它必然是zui小的,因为它不在方程中。

我:那为甚么用吸管吸蜂蜜这么难?

师:再来?

我:吸管是一种很窄的管子,近似于文丘里管的喉部或孔口,对吧?我嘴里的吸力和年夜气之间的压力差就是阿谁孔口的 ΔP。

成果是流过稻草。如果粘度的影响如此之小,那么为甚么液体蜂蜜比水更难经由过程吸管吸吮呢?压力是一样的,密度是差不多的,那按照你刚才给我们的方程,为甚么流速不一样呢?

师:在产业中,我们凡是不会测量像蜂蜜一样稠的流体,所以在活动方程中忽视粘度是宁静的

我教员的烟幕——产业中很少有浓稠的流体活动——并没有加重我的猜疑。固然我对产业世界全无所闻,但我可以很容易地想象出比水、蜂蜜或没有蜂蜜更黏稠的液体。

在某个处所,不知何故,必须有人测量这类液体的流速,并且粘度对孔口 ΔP 的影响必须是不言而喻的。我的教员必定晓得这一点。但是为甚么活动方程中没有粘度变量呢?这个参数怎样可能不首要?

不过,像年夜多数门生一样,我可以看到争辩会让我无处可去,并且我的成绩zui好服从教员所说的,而不是强求他无法给出的答案。换句话说,我在“学习”的地毯下打扫我的疑虑,实现了信奉的奔腾。

以后,我们研究了不合范例的孔板流量计、不合范例的取压口地位和其他推理性初级传感元件(皮托管、目标仪表、管道弯甲等)。他们都按照伯努利经由过程限定降落压力的道理事情,并且都需求对压力旌旗灯号进行平方根提取以获得线性化的流量测量。

究竟上,这成为肯定我们是不是需求对旌旗灯号进行平方根提取的weiyi标准:流量测量是不是源自差压仪表?如果是如许,那么我们需求对旌旗灯号进行“平方根”。如果没有,我们没有。

清楚的辨别,将基于 ΔP 的流量测量与所有其他流量测量(磁性、涡流零落、科里奥利效应、热力等)分开。不错,洁净,简朴,整齐,只需 95% 精确,正如我后来发明的那样。

快进十五年。我现在是一所技术学院的教员,在十五年前给像我如许的门生传授仪器仪表。这是我较前次筹办传授流量测量,所以我在一本技术册本(Liptak,Bela G)上复习了我的知识,发明了一种我之前从未见过或传闻过的流量计:层流流量计当我浏览这本书的这一部分时,我的下巴撞到了地板上。

这是一个基于差压的线性流量计!也就是说,底子不需求提取平方根来将 ΔP 测量值转换为流量测量值。别的,它的操纵是基于一些称为 Hagen-Poiseuille 定律而不是伯努利定律的奇特方程。

在本节会商该流量计的初期,有几段诠氏缢称为活动流雷诺数的含义,和这对层流流量计的首要性。现在,我之前在产业界事情时传闻过雷诺数,但我一向不晓得它是甚么意义。

我所晓得的是,它与流量计范例的挑选有关:必须晓得流体的雷诺数,然后才气精确挑选在特定利用中利用哪一种范例的流量测量仪器。我几近不晓得雷诺数是了解我多年前的“蜂蜜经由过程一根稻草”问题的关头,和了解(不但仅是信赖)孔板流量计实际上是若何事情的。

层流流量计仅对低雷诺数有效,凡是低于 1200。凡是,典范孔板流量计雷诺数要年夜很多(10000 或更高)。别的,孔板部分包含关于技术册本的有见识的段落,我现在将在此援引。斜体字表示我本身的重点,定位我的“啊哈!”的切当点。时刻:

根基的活动方程假定流速在给定的横截面上是均匀的。在实际中,任何横截面的流速在靠近管壁的鸿沟层中都靠近于零,并且跟着直径的转变而转变。

这类流速漫衍对水头计中产生的流速和压差之间的关系具有光鲜明显影响。1883 年,英国迷信家奥斯本雷诺兹爵士在皇家学访问会眼前颁发了一篇论文,提出了一个单一的、无量纲的比率,现在称为雷诺数,作为描述这类征象的标准。这个数字 Re 表示为公式5

此中 V 是速率,D 是直径,ρ 是密度,μ 是绝对粘度。

雷诺数表示惯性力与粘性力之比。在非常低的雷诺数下,粘性力占主导职位,而惯性力几近没有影响。压差靠近与均匀流速和粘度成正比。在高雷诺数下,惯性力占主导职位,粘性阻力效应可以忽视不计。

上一段的意义是,对迟缓挪动的粘性流体(比方吸管中的蜂蜜),摩擦力(流体“拖”在管壁上)远年夜于惯性力(流体动量) . 这意味着使这类流体挪动经由过程管道所需的压力差首要用于降服该流体与管道壁的摩擦。

对年夜多数产业活动,流速很快且流体粘度很小(如净水),经由过程孔板流量计的活动被以为是无摩擦的。是以,经由过程收缩手降落的压力不是流体和管道之间摩擦的成果,而是必须将流体从低速加快到高速经由过程狭小孔口的成果。

几年前,我的错误是假定流过孔的水会产生很年夜的摩擦力,这就是在孔板流量计上产生 ΔP 的启事。这是我的“知识”奉告我的。在我的脑海中,我想象着水必须掠过管壁,流过孔板的大要,并以非常高的速率经由过程孔的收缩部分,才气流到另外一边。

 

我记着了教员奉告我们的关于能量互换和压力若何跟着速率增加而降落的内容,但我从未真正将其内化,因为我仍然对峙我的错误假定,即摩擦是孔板流量计中压降的首要机制。

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