孔板流量计的设计、制作和标定——综合设计型化学实验

贾志谦 张改莲

(北京师范大学化学学院 北京 100875)

在科学研究、工业生产和日常生活中，经常需要测定流量。流量的测量与流量计校正是化学专业实验教学的基本内容之一[1]。孔板流量计属于差压式流量计，是通过测定节流口前后流动流体的压强差来反映流量大小，应用很广泛[2-3]，虽然已有仪表厂成批生产，但当管径较小或有其他特殊要求时，仍然需要自行设计和加工。为此，我们设计了一个综合实验孔板流量计的设计、制作和标定(24学时)，供我院化学专业学生选作。

1 实验目的

① 根据实验任务，设计、制作和标定孔板流量计，加深对差压式流量计原理的理解，提高实验设计能力。

② 学习小型机床的操作，提高动手能力。

2 实验原理

在管道中插入一片垂直于管轴、带有圆孔且孔中心位于管道中心线上的板，这样构成的装置称为孔板流量计。小孔孔径从前到后逐渐扩大，其侧边与管轴成一锐角(30°～45°)，称为锐孔。流体流过小孔后，由于惯性，将继续收缩一定距离后才逐渐扩大到整个管截面。流动截面最小处称为缩脉，此处流速最高，静压强最低。流体以一定流量流经小孔时，将在小孔前后产生一定压强差。通过测量压强差，可以度量流体流量。设不可压缩流体在水平管内流动，取孔板上游流动截面未收缩处为截面1-1′，下游截面应在缩脉处，以测得最大压强差，但缩脉位置及其截面积难以确定，而孔口截面积是固定的，所以，以孔板处为下游截面o-o′，在1-1′和o-o′间列柏努利方程，并略去两截面间能量损失[4-5]：

(1)

由于Z1=Zo，故有：

(2)

因流体流经孔板的能量损失不能忽略，故引入校正系数C1来校正因忽略能量损失而引起的误差。

(3)

由于孔板厚度很小，如标准孔板的厚度≤0.1d1，所以，不能把下游测压口正好装在孔板上。通常采用两种取压方法[5]：① 上、下游两个测压口装在紧靠孔板前后的位置，称为角接法。② 上游取压口在距孔板1倍管径处，下游取压口在距孔板1/2倍管径处，称为径接法。两种取压法所得压差读数差别很小。由于所测孔板前后压强差(pa-pb)与(p1-po)不同，因此，又应引入一校正系数C2，用来校正上、下取压口位置引起的误差：

(4)

以A1、Ao分别代表管道和孔板小孔的截面积，根据连续性方程，对于不可压缩流体有：

(5)

由式(4)和式(5)可得小孔流速为：

(6)

(7)

其中(pa-pb)可由U管压差计测定。设R为压差计读数，ρA为指示液密度，则：

pa-pb=gR(ρA-ρ)

(8)

由式(7)和式(8)得：

(9)

流体流过小孔后，流动截面逐渐扩大到整个管道截面。但由于阻力损失，压强不能恢复到原值。流体经过孔板的能量损失随Ao/A1减小而增大。孔板流量计设计的中心问题，是选择适当的面积比，以获得适宜的压差计读数大小和较小的阻力损失。

3 设备和仪器

小型机床，手电钻，五金工具，U管水银压差计，稳压高位水槽，球阀，秒表，量筒。

机床是利用刀具和工件之间特定的相对运动进行切削加工的工作母机[7]，包括床身、主轴变速箱(床头箱)、进给箱、拖板箱、刀架(用以装夹刀具)、尾架(用以支持工件，尾架套筒可安装顶尖、钻头等)。机床附件包括三爪卡盘、四爪卡盘、顶尖等。切削运动包括主运动(主轴旋转)和进给运动(车刀的纵向和横向运动)。使用顶尖安装工件时，工件端面应先打出中心孔。三爪卡盘能自动定心，但夹紧力较小。车刀分为整体式、焊接式等形式，包括刀头和刀体两部分。常用车刀材料有高速钢、硬质合金等。车刀刀尖应与工件轴线等高。合理选择车刀的几何形状很重要，但也比较复杂。

钻削常用于加工小孔，镗削用于加工大孔和精度较高的孔。钻削包括钻孔、扩孔、铰孔等。钻头通常为麻花钻，由柄部、颈部、导向部分(用以导向、修光孔壁、排屑、输送冷却液等)和切削部分组成。钻孔前，应采取正确定心措施(划线钻孔时，孔中心可用中心钻先钻出小圆窝)。工件材料较硬或孔较深时，在钻孔过程中，应不断将钻头抽出孔外，排除切屑，防止钻头过热。锥度铰刀用于在圆柱孔上铰削锥孔，选用时其规格应与锥孔的锥度及尺寸相适应。磨削是指用砂轮、油石或磨料对工件表面进行切削加工。磨粒在磨具上排列的间距和高低都是随机分布的，磨粒是一个多面体，其每个棱角都可看作是一个切削刃，尖端是半径为几微米至几十微米的圆弧。大多数情况下，磨削是最终加工工序，直接决定工件的质量。

4 设计任务

采用d=16mm的管道输送20℃的水，流量为70～250L/h，采用U管水银压差计测定压差，已知U管高度为300mm，标尺最小刻度为1.0mm。试设计和制作孔板流量计，要求压差计的最大读数误差不大于5%，并作出标定曲线。

5 实验步骤

5.1 计算和设计

通过查阅文献和计算，选定孔板的孔径、锐角角度和厚度，计算流量计上、下游所需直管长度。然后，根据实验内容设计实验流程，画出流程示意图。

5.2 孔板流量计制作和标定

5.2.1 机床切削练习

使用机床前，应先进行切削练习，内容包括：① 不开车练习。熟悉机床组成、手柄作用，了解刻度盘每转过一小格时车刀的移动量。② 开车不切削练习。在开车情况下，手摇进给，力求均匀连续。③ 开车切削练习。切削时均需试切，步骤包括：开车对刀，使车刀与工件轻微接触；切削1～3mm，退出车刀，进行度量；正式切削。切削练习后，制定孔板的切削方案。

5.2.2 孔板流量计的制作和标定

这部分实验内容包括：① 利用机床进行钻孔和切削加工，制得孔板。② 安装流量计标定的实验装置，要求规范美观。③ 调试设备，对发现的问题进行分析和解决。④ 调节流速，采用容量法测定流量，在双对数坐标上作出压差计读数与体积流量的关系曲线，即校正曲线。⑤ 计算不同流量时的流量系数Co，作出Co-Re关系曲线。⑥ 写出孔板流量计的简明使用说明书并思考本实验得到的标定曲线能否用于其他流体。

6 注意事项

使用机床时，应配戴防护眼镜和工作帽，注意扎紧袖口，防止头发和衣服被机床绞住而发生危险；不得随意改变机床各部件的设置。

在实验过程中，学生存在的问题主要有以下几方面：面对设计任务感到无从下手，对机床操作有畏惧心理，设计制作的实验装置不规范不美观等。教师应指导学生如何根据设计任务进行计算和装置设计，演示机床操作，并在现场具体指导操作。在近5年的教学实践中，学生普遍反映该实验综合性和设计性强，化工特色鲜明，加深了对差压式流量计原理的理解，掌握了机床的切削和钻削操作，提高了实验设计能力和动手能力，达到了实验目的。

参 考 文 献

[1] 化学类专业教学指导分委员会.大学化学,2005,20(6):30

[2] Pan Z,Chen B,Shang L,etal.EnergSourcePartA,2011,33(4):370

[3] 史晓军.自动化仪表，2010(2):72

[4] 姚玉英.化工原理.天津:天津科学技术出版社,1999

[5] 谭天恩，麦本熙，丁惠华.化工原理.北京：化学工业出版社，1984

[6] 陈敏恒，丛德滋，方图南.化工原理.北京：化学工业出版社，1985

[7] 刘炼，叶寒芳，刘志刚.金属工艺学.成都：四川科学技术出版社，1985