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Q: 文丘里管的工作原理是什么？

流体在收缩锥体内加速流动，根据伯努利方程，导致喉部静压下降。差压变送器读取上游和喉部测压口之间的压差；体积流量与该压差的平方根成正比。

Q: 如何清洗燃气烤炉上的文丘里管？

关闭燃气，取出燃烧器，将文丘里管从喷嘴上滑出，用长柄瓶刷或管道清洁刷清理干净，用压缩空气吹净，然后重新组装。每年春天第一次烧烤前都要检查一次。

Q: 文丘里管和孔板有什么区别？

两者都通过产生压差来测量流量。文丘里管利用其发散锥体回收大部分压力（永久损失为 5-20%）；而孔板则会损失 40-95% 的压力，主要以湍流形式存在。文丘里管的成本是孔板的 5-10 倍，但在大流量管线中，其节省的泵能耗足以弥补成本。

Q: 文丘里管能达到怎样的压力恢复效果？

根据β（喉部/管道直径比）和发散锥角，大约80-95%的压差会转化为下游的静压。

文丘里管的作用

文丘里管是一种中间收缩的短管，用于通过感知收缩段两端的压降来测量流体流量。该装置由意大利物理学家乔瓦尼·巴蒂斯塔·文丘里于1797年提出，至今仍是测量水、蒸汽、油和气体流量最精确的元件之一。

该管道由三个部分组成：一个收缩的入口加速流体，一个圆柱形喉部使压力达到最低值，以及一个扩张的出口将大部分动能转化为静压。两个压力测点——一个位于上游，一个位于喉部——连接到一个差压变送器，该变送器输出一个与流量平方根成正比的 4–20 mA 信号。

你会在市政供水干管、发电厂给水管线、冷水机组、原油交接管道以及任何泵送成本使得孔板压力损失无法接受的地方看到文丘里管。

文丘里效应和伯努利方程

物理原理可以用一个方程来解释。对于沿流线方向的不可压缩、稳定、无摩擦流动，上游接头（截面 1）和喉部（截面 2）之间的伯努利方程可以表示为：

P₁ + ½ρv₁² = P₂ + ½ρv₂²

结合连续性（A₁v₁ = A₂v₂），即可得到大多数工程师日常使用的工作形式：

Q = C _d · A2 · √[ 2·ΔP / (ρ · (1 − β⁴)) ]

其中，Q 为体积流量 (m³/s)，A₂ 为喉部面积 (m²)，ΔP 为测得的压差 (Pa)，ρ 为流体密度 (kg/m³)，β 为喉部直径与管道直径之比 (d/D)，C<sub> _{d</sub>为流量系数——对于符合}ISO 5167-4标准的、具有机械加工收敛段和粗糙铸铁喉部的经典文丘里管，其典型值为 0.984 。分母中的 β⁴ 项为接近速度修正项；当 β > 0.3 时，不可忽略。

经典文丘里管的结构

按长度和角度分为三段：

收敛锥： 总夹角为 21°±1°。长度约为 2.7 × (D − d)。
喉：长度等于喉部直径 d。两个直径相对的压力测点（或四个等距测点连接到压电环）位于中点。
发散锥： 总夹角为 7° 至 15°。较小的夹角可以恢复更多压力，但会增加成本和重量；7° 是教科书中实现最大恢复力的数值。

上游压力测点位于距收缩段起始点 ½D 处。这是ASME MFC-3M标准中定义的“经典”文丘里管的几何形状。如果锥角错误，流量系数将超出标准规定的 ±0.7% 的公差范围，需要进行单独校准。

几何学中的五种文丘里管设计

工艺设计	建筑业	典型β	C_d	用例
古典机械加工	青铜或不锈钢，机加工收敛	0.4-0.75	0.995	实验室，监护权移交
古典粗铸	铸铁，铸态收敛	0.3-0.75	0.984	大型供水干管
传统焊接板材	钢制β环喉部	0.4-0.7	0.985	电厂给水
短式（赫歇尔）	缩短的发散角，21°角	0.4-0.7	0.97-0.99	安装严密
矩形	扁平的，非圆形的	变化	0.95-0.99	暖通空调管道，明渠

短型（赫歇尔）文丘里管以5-10%的压力恢复率换取一半的铺设长度。这种权衡在改造项目中通常是合理的，因为这些地方没有足够的空间安装5米长的传统文丘里管。矩形文丘里管则常见于暖通空调送风管道和水渠中，因为圆形流体元件无法安装。有关管道式差压传感的更多信息，请参阅我们的静压与动压指南。

工作流量计算：从ΔP到Q

温度为 20°C 的水流经一个直径为 200 mm、喉部直径为 100 mm 的经典文丘里管。差压变送器读数为 25 kPa。流量是多少？

D = 0.200 m，d = 0.100 m，所以 β = 0.5
A2 = π × (0.100)² / 4 = 0.007854 平方米
ρ = 998 kg/m³（20℃水）
压差 = 25,000 帕斯卡
C_d = 0.984（粗铸收敛度，符合 ISO 5167-4 标准）
1 − β⁴ = 1 − 0.0625 = 0.9375

代入：Q = 0.984 × 0.007854 × √[ (2 × 25,000) / (998 × 0.9375) ] = 0.984 × 0.007854 × √(53.45) = 0.984 × 0.007854 × 7.311 = 0.0565 m³/s ≈ 203 m³/h。

喉部速度 v₂ = Q / A₂ = 0.0565 / 0.007854 = 7.2 m/s，远低于文丘里管的最佳速度范围 1.5–10 m/s。低于 1.5 m/s 时，差压测量噪声会增大。高于 10 m/s 时，液体在喉部开始出现空化风险。关于差压测量的计算，请参阅我们关于差压变送器工作原理的解释，其中涵盖了信号调理。

文丘里管、孔板和流量喷嘴

参数	古典文丘里管	孔板	流量喷嘴
永久性压力损失	ΔP 的 5–20%。	ΔP 的 40–95%。	ΔP 的 30–80%。
流量系数	0.984-0.995	0.60-0.62	0.93-0.99
准确度（未经校准）	±0.7％	±0.6％	±1.0％
调节比	3：1 5到：1	3：1 5到：1	3：1 4到：1
上游直管	5–10 每日	10–44 每日	10–30 每日
资本成本（200 毫米）	$$$（高）	$（低）	$$（中）
最适合	大型管线，浆料	清洁流体，改造	蒸汽，高温

孔板流量计价格实惠，如果您对泵扬程要求不高，它就足够用了。而文丘里管流量计则更胜一筹，因为永久性压力损失会造成实实在在的经济损失——例如，一条1000毫米的供水干管，如果全年节省20千帕的压力，就相当于节省了数十千瓦的泵功率。流量喷嘴流量计则介于两者之间，常用于高温蒸汽环境，因为在高温蒸汽环境中，孔板边缘的磨损会造成校准问题。如需更详细的比较内容，请参阅我们关于流量计K系数的文章。

ASME MFC-3M 和 ISO 5167-4 标准

文丘里管的设计和校准由两份文件规定：

ASME MFC-3M-2004： “利用孔板、喷嘴和文丘里管测量管道中的流体流量。” 定义了收敛角 21° ± 1°、发散角 7° 至 15°、喉部表面粗糙度以及 C 值。_d 方程。
ISO 5167-4:2022： “利用压差装置测量流体流量——第 4 部分：文丘里管。”规定了未经校准使用的直径范围为 50 mm ≤ D ≤ 1200 mm，雷诺数范围为 2×10⁵ ≤ Re ≤ 2×10⁶。

超出这些限制条件（例如管径较小、流量较低、气体温度较高或β值低于0.3）时，不能使用表格中的Cd_值。管子必须在可溯源至NIST的流量测试装置上进行湿式校准。校准费用会使200毫米的传统文丘里管增加约3,000至8,000美元。

安装：直线铺设和水龙头方向

与孔板相比，文丘里管容错性更高，但它仍然需要直管：

单个 90° 弯头上游 5D
在两个垂直平面上的弯管上游 10 D
在部分关闭的阀门上游 20 D 处
在任何干扰发生之前，下游 4D 处

压力测点的方向取决于流体。对于清洁液体，测点应位于 3 点和 9 点钟位置（水平管道）。对于可能含有冷凝液的气体，测点应位于 12 点钟位置。对于蒸汽，测点应位于 3 点和 9 点钟位置，并在下方安装冷凝罐。如果方向错误，要么会导致变送器出现冲击，要么会导致脉冲管路永久积水。我们的差压变送器安装指南涵盖了脉冲管路的倾斜角度和三阀歧管的顺序控制。

有关各种流量计类型的直管经验法则，请参阅我们的流量计直管指南。

压力恢复：文丘里管的能量优势

文丘里管的成本主要体现在其扩张锥体上。通过以7°的锥角使流体从喉部到管径逐渐扩张，流体减速而不会发生湍流分离，并且大部分动能转化为静压。典型的永久压降在β=0.5时为测量压降ΔP的10%，在β=0.7时降至5%。相比之下，在相同的β值下，孔板会损失70%至95%的压降ΔP作为摩擦损失。

一年下来，一个直径 600 毫米、流速 0.5 米/秒的文丘里管可节省 15 千帕的泵扬程，相当于大约 4 千瓦的连续泵功率。按每千瓦时 0.12 美元计算，每年可节省约 4,200 美元——文丘里管的额外成本通常在两年内即可收回。这就是所有冷水机组改造中用文丘里管替换孔板背后的计算原理。

文丘里管清洗（工业+烧烤炉）

两种截然不同的清洗工作都用了同一个名称。工业文丘里流量计在流体清洁的情况下很少需要清洗；对于泥浆或结垢水，通常需要每年进行一次检查，并用高压水冲洗喉部。压力接头是故障点——它们会被碎屑堵塞，导致读数偏低。大多数现代文丘里流量计的接头支腿上都设有冲洗接口。

燃气烤炉是另一种情况。每个燃烧器都有一个小型文丘里管，丙烷或天然气在其中加速流动并吸入空气。蜘蛛很喜欢这些管子；蛛网和卵囊会阻塞气流，导致火焰发黄或回火。清洁烤炉文丘里管的方法：关闭燃气，拆下燃烧器，将文丘里管从喷嘴上滑出，用管道清洁刷或瓶刷清理管内，用压缩空气吹净，然后重新组装。首次使用前，请检查每个弹簧。