节流装置和差压计是工业过程流量测量中最常用、最经典的组合，基于伯努利方程和流体连续性原理工作。

核心原理：差压产生流量信号

1. 节流装置： 安装在管道中，人为造成流通截面积的局部收缩。

   • 当流体流经这个收缩段（如孔板、喷嘴、文丘里管等）时，流速必然增加（根据连续性方程：流量Q = 截面积A × 流速v，A减小，v增大）。

   • 根据伯努利方程（能量守恒），流速增加导致该处的静压力降低。

   • 因此，在节流装置上游（未收缩处）和下游（收缩处或特定取压点）之间产生了一个压力差（差压 ΔP）。

2. 差压计： 这是一个测量压力差的仪表。

   • 它通过取压管（引压管）分别连接到节流装置上游（高压侧 HP）和下游（低压侧 LP）的取压口上。

   • 差压计的核心作用是精确测量这个压力差 ΔP。

流量与差压的关系

• 通过理论推导和实验标定，可以证明：流体的体积流量（Qv）或质量流量（Qm）与节流装置产生的差压（ΔP）的平方根成正比。

• 基本公式：
  Q = K * √(ΔP) 或 Q = C * ε * A * √(2 * ΔP / ρ)

  • Q： 流量（体积或质量）

  • K / C： 流量系数（由节流装置类型、几何尺寸、取压方式、雷诺数等决定，需通过实验标定或查标准提供的数据表获得）

  • ε： 可膨胀性系数（对于气体，考虑流体膨胀修正）

  • A： 节流装置的喉部（最小）截面积

  • ΔP： 测得的差压

  • ρ： 流体密度

简单来说：节流装置产生与流量相关的差压信号，差压计负责测量这个差压信号，然后通过计算（开平方根等）就能得到流量值。

常见的节流装置类型

1. 标准孔板：

   • 结构最简单、最便宜、应用最广泛。

   • 中心带锐边圆孔的薄板。

   • 对安装直管段要求较高，压力损失较大。

2. 喷嘴：

   • 流线型收缩通道。

   • 压力损失比孔板小，精度和重复性较好，对直管段要求稍低，耐磨性优于孔板。

   • 成本高于孔板。

3. 文丘里管：

   • 渐缩渐扩的流线型管道。

   • 压力损失最小，不易磨损和积污，对直管段要求最低，精度高。

   • 结构复杂，体积大，成本最高。

4. 其他： 如1/4圆喷嘴、锥形入口孔板、文丘里喷嘴等，用于特定工况（如低雷诺数、脏污介质等）。

差压计的类型

1. 机械式差压计：

   • 膜盒/膜片式： 差压使膜片/膜盒变形，带动机械指针或记录笔。

   • 双波纹管式： 利用波纹管的变形测量差压。

   • U型管/单管压力计： 测量液柱高度差（如汞、水、油），实验室常用。

2. 电子式差压变送器： (现代主流)

   • 核心传感元件（如电容式、压阻式、谐振式等）感受差压并转换成电信号（如4-20mA、HART、FF、Profibus PA等）。

   • 优点： 精度高、稳定性好、可远传、易于集成到DCS/PLC系统、可进行温度补偿等。

   • 智能变送器： 内置微处理器，功能更强大（如自诊断、远程组态、量程迁移等）。

主要特点与注意事项

• 优点：

  • 原理清晰、技术成熟、标准化程度高（ISO 5167, GB/T 2624等）。

  • 结构相对简单（尤其孔板），易于制造和安装（标准型）。

  • 适用介质广泛（液体、气体、蒸汽）。

  • 适用管径范围宽。

  • 无需供电（机械式）或供电要求低（电子式）。

• 缺点与注意事项：

  • 永久压力损失： 节流造成能量损失，泵送成本增加（文丘里管损失最小）。

  • 量程比有限： 流量与差压的平方根关系，导致低流量时精度显著下降（通常量程比为3:1或4:1，特殊设计可达10:1）。

  • 对安装要求高： 需要足够长的上下游直管段以保证流场稳定（否则测量误差大）。

  • 对流体特性敏感： 测量精度受流体密度、粘度、温度、压力变化影响。对于气体/蒸汽，必须进行温压补偿才能得到准确质量流量。

  • 引压管路问题： 引压管可能堵塞、冻结、泄漏或积存气体/液体（尤其在测量脏污、粘稠、易凝结介质时），需要定期维护（排污、排气）或使用隔离液/膜片密封。

  • 磨损与腐蚀： 节流元件（尤其孔板锐边）可能被磨损或腐蚀，影响精度，需定期检查更换。

  • 不适合极低流速或双向流： 产生的差压可能太小或无法区分流向。

总结

节流装置（产生差压ΔP） + 差压计（测量ΔP） + 流量计算（Q ∝ √ΔP）构成了一个可靠且广泛应用的流量测量系统。虽然存在压力损失和量程比限制等缺点，但其结构简单、技术成熟、成本相对较低（尤其孔板方案）、适用范围广的特点，使其在工业过程控制（如水、蒸汽、天然气、石油化工产品等的流量计量）中仍然占据着非常重要的地位。选择合适的节流装置类型、正确安装和维护是保证测量精度的关键。在现代系统中，智能差压变送器是差压测量的主流选择。