賈志謙 張改蓮

(北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 北京 100875)

在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，經(jīng)常需要測定流量。流量的測量與流量計校正是化學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)的基本內(nèi)容之一[1]。孔板流量計屬于差壓式流量計，是通過測定節(jié)流口前后流動流體的壓強差來反映流量大小，應(yīng)用很廣泛[2-3]，雖然已有儀表廠成批生產(chǎn)，但當(dāng)管徑較小或有其他特殊要求時，仍然需要自行設(shè)計和加工。為此，我們設(shè)計了一個綜合實驗孔板流量計的設(shè)計、制作和標(biāo)定(24學(xué)時)，供我院化學(xué)專業(yè)學(xué)生選作。

1 實驗?zāi)康?/h2>

① 根據(jù)實驗任務(wù)，設(shè)計、制作和標(biāo)定孔板流量計，加深對差壓式流量計原理的理解，提高實驗設(shè)計能力。

② 學(xué)習(xí)小型機床的操作，提高動手能力。

2 實驗原理

在管道中插入一片垂直于管軸、帶有圓孔且孔中心位于管道中心線上的板，這樣構(gòu)成的裝置稱為孔板流量計。小孔孔徑從前到后逐漸擴大，其側(cè)邊與管軸成一銳角(30°～45°)，稱為銳孔。流體流過小孔后，由于慣性，將繼續(xù)收縮一定距離后才逐漸擴大到整個管截面。流動截面最小處稱為縮脈，此處流速最高，靜壓強最低。流體以一定流量流經(jīng)小孔時，將在小孔前后產(chǎn)生一定壓強差。通過測量壓強差，可以度量流體流量。設(shè)不可壓縮流體在水平管內(nèi)流動，取孔板上游流動截面未收縮處為截面1-1′，下游截面應(yīng)在縮脈處，以測得最大壓強差，但縮脈位置及其截面積難以確定，而孔口截面積是固定的，所以，以孔板處為下游截面o-o′，在1-1′和o-o′間列柏努利方程，并略去兩截面間能量損失[4-5]：

(1)

由于Z1=Zo，故有：

(2)

因流體流經(jīng)孔板的能量損失不能忽略，故引入校正系數(shù)C1來校正因忽略能量損失而引起的誤差。

(3)

由于孔板厚度很小，如標(biāo)準(zhǔn)孔板的厚度≤0.1d1，所以，不能把下游測壓口正好裝在孔板上。通常采用兩種取壓方法[5]：① 上、下游兩個測壓口裝在緊靠孔板前后的位置，稱為角接法。② 上游取壓口在距孔板1倍管徑處，下游取壓口在距孔板1/2倍管徑處，稱為徑接法。兩種取壓法所得壓差讀數(shù)差別很小。由于所測孔板前后壓強差(pa-pb)與(p1-po)不同，因此，又應(yīng)引入一校正系數(shù)C2，用來校正上、下取壓口位置引起的誤差：

(4)

以A1、Ao分別代表管道和孔板小孔的截面積，根據(jù)連續(xù)性方程，對于不可壓縮流體有：

(5)

由式(4)和式(5)可得小孔流速為：

(6)

(7)

其中(pa-pb)可由U管壓差計測定。設(shè)R為壓差計讀數(shù)，ρA為指示液密度，則：

pa-pb=gR(ρA-ρ)

(8)

由式(7)和式(8)得：

(9)

流體流過小孔后，流動截面逐漸擴大到整個管道截面。但由于阻力損失，壓強不能恢復(fù)到原值。流體經(jīng)過孔板的能量損失隨Ao/A1減小而增大。孔板流量計設(shè)計的中心問題，是選擇適當(dāng)?shù)拿娣e比，以獲得適宜的壓差計讀數(shù)大小和較小的阻力損失。

3 設(shè)備和儀器

小型機床，手電鉆，五金工具，U管水銀壓差計，穩(wěn)壓高位水槽，球閥，秒表，量筒。

機床是利用刀具和工件之間特定的相對運動進行切削加工的工作母機[7]，包括床身、主軸變速箱(床頭箱)、進給箱、拖板箱、刀架(用以裝夾刀具)、尾架(用以支持工件，尾架套筒可安裝頂尖、鉆頭等)。機床附件包括三爪卡盤、四爪卡盤、頂尖等。切削運動包括主運動(主軸旋轉(zhuǎn))和進給運動(車刀的縱向和橫向運動)。使用頂尖安裝工件時，工件端面應(yīng)先打出中心孔。三爪卡盤能自動定心，但夾緊力較小。車刀分為整體式、焊接式等形式，包括刀頭和刀體兩部分。常用車刀材料有高速鋼、硬質(zhì)合金等。車刀刀尖應(yīng)與工件軸線等高。合理選擇車刀的幾何形狀很重要，但也比較復(fù)雜。

鉆削常用于加工小孔，鏜削用于加工大孔和精度較高的孔。鉆削包括鉆孔、擴孔、鉸孔等。鉆頭通常為麻花鉆，由柄部、頸部、導(dǎo)向部分(用以導(dǎo)向、修光孔壁、排屑、輸送冷卻液等)和切削部分組成。鉆孔前，應(yīng)采取正確定心措施(劃線鉆孔時，孔中心可用中心鉆先鉆出小圓窩)。工件材料較硬或孔較深時，在鉆孔過程中，應(yīng)不斷將鉆頭抽出孔外，排除切屑，防止鉆頭過熱。錐度鉸刀用于在圓柱孔上鉸削錐孔，選用時其規(guī)格應(yīng)與錐孔的錐度及尺寸相適應(yīng)。磨削是指用砂輪、油石或磨料對工件表面進行切削加工。磨粒在磨具上排列的間距和高低都是隨機分布的，磨粒是一個多面體，其每個棱角都可看作是一個切削刃，尖端是半徑為幾微米至幾十微米的圓弧。大多數(shù)情況下，磨削是最終加工工序，直接決定工件的質(zhì)量。

4 設(shè)計任務(wù)

采用d=16mm的管道輸送20℃的水，流量為70～250L/h，采用U管水銀壓差計測定壓差，已知U管高度為300mm，標(biāo)尺最小刻度為1.0mm。試設(shè)計和制作孔板流量計，要求壓差計的最大讀數(shù)誤差不大于5%，并作出標(biāo)定曲線。

5 實驗步驟

5.1 計算和設(shè)計

通過查閱文獻和計算，選定孔板的孔徑、銳角角度和厚度，計算流量計上、下游所需直管長度。然后，根據(jù)實驗內(nèi)容設(shè)計實驗流程，畫出流程示意圖。

5.2 孔板流量計制作和標(biāo)定

5.2.1 機床切削練習(xí)

使用機床前，應(yīng)先進行切削練習(xí)，內(nèi)容包括：① 不開車練習(xí)。熟悉機床組成、手柄作用，了解刻度盤每轉(zhuǎn)過一小格時車刀的移動量。② 開車不切削練習(xí)。在開車情況下，手搖進給，力求均勻連續(xù)。③ 開車切削練習(xí)。切削時均需試切，步驟包括：開車對刀，使車刀與工件輕微接觸；切削1～3mm，退出車刀，進行度量；正式切削。切削練習(xí)后，制定孔板的切削方案。

5.2.2 孔板流量計的制作和標(biāo)定

這部分實驗內(nèi)容包括：① 利用機床進行鉆孔和切削加工，制得孔板。② 安裝流量計標(biāo)定的實驗裝置，要求規(guī)范美觀。③ 調(diào)試設(shè)備，對發(fā)現(xiàn)的問題進行分析和解決。④ 調(diào)節(jié)流速，采用容量法測定流量，在雙對數(shù)坐標(biāo)上作出壓差計讀數(shù)與體積流量的關(guān)系曲線，即校正曲線。⑤ 計算不同流量時的流量系數(shù)Co，作出Co-Re關(guān)系曲線。⑥ 寫出孔板流量計的簡明使用說明書并思考本實驗得到的標(biāo)定曲線能否用于其他流體。

6 注意事項

使用機床時，應(yīng)配戴防護眼鏡和工作帽，注意扎緊袖口，防止頭發(fā)和衣服被機床絞住而發(fā)生危險；不得隨意改變機床各部件的設(shè)置。

在實驗過程中，學(xué)生存在的問題主要有以下幾方面：面對設(shè)計任務(wù)感到無從下手，對機床操作有畏懼心理，設(shè)計制作的實驗裝置不規(guī)范不美觀等。教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生如何根據(jù)設(shè)計任務(wù)進行計算和裝置設(shè)計，演示機床操作，并在現(xiàn)場具體指導(dǎo)操作。在近5年的教學(xué)實踐中，學(xué)生普遍反映該實驗綜合性和設(shè)計性強，化工特色鮮明，加深了對差壓式流量計原理的理解，掌握了機床的切削和鉆削操作，提高了實驗設(shè)計能力和動手能力，達到了實驗?zāi)康摹?/p>

參 考 文 獻

[1] 化學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會.大學(xué)化學(xué),2005,20(6):30

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

[3] 史曉軍.自動化儀表，2010(2):72

[4] 姚玉英.化工原理.天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,1999

[5] 譚天恩，麥本熙，丁惠華.化工原理.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1984

[6] 陳敏恒，叢德滋，方圖南.化工原理.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1985

[7] 劉煉，葉寒芳，劉志剛.金屬工藝學(xué).成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1985