第六章流量检测110206

1、第六章第六章 流量检测流量检测1。基本概念2。体积流量和质量流量3。标准标定装置6.1.流量检测基本概念流量检测基本概念l6.1.1.流量的概念和单位l流体的流量是指在短暂时间内流过某一流通截面的流体数量与通过时间之比，该时间足够短以致可认为在此期间的流动是稳定的。此流量又称瞬时流量。l流量的表达式：l体积与流量的关系为：l流体的流速v: l流体的总流量： AvdtdMqmAvdtdvqvvmqqAdAvAqvAvtvdtqVtmdtqM6.1.流量检测基本概念流量检测基本概念l流体流量的单位：l体积流量Qv：l立方米/每小时 （M3/h）；立方米/每分钟 （M3/min）；l升/每分钟 （L

2、/min）；升/每秒 （L/s）；l质量流量Qm：l吨/每小时 （T/h）；吨/每分钟 （T/min）；l公斤/每小时 （kg/h）；公斤/每分钟 （kg/min）； l公斤/每秒 （kg/s）；l累计流量的单位：l体积：立方米 M3 ；升 L ；l质量（重量）：吨 T ；公斤 kg ;6.1.1流量测量的意义流量测量的意义l用作计量手段：加油站加油，自来水表计量收费，能源管理等等；l观察物料平衡，监视生产过程：1）锅炉气水系统的进水量F1与出口蒸汽量F2的平衡；当F1F2时：汽包水位上升，当F1F2时：汽包水位下降，F1=F2时：汽包水位平衡不变。2）观察F2的数值，可了解锅炉的负荷大小；6

3、.1.2.0流体特性的复杂性流体特性的复杂性l介质特性介质特性：l气相空气，氧气，各种化工混合气体等等，属于单相气体介质；l液体水，汽油，石油，硫酸等等，属于单相液体介质；l气/液两相液化石油气，气体和液体两相共存；l气/固两相空气传输茶叶加工，气体和固体两相共存；l液/固两相煤的液化传输，液体和固体两相共存；l两相流体的流量测量有一定难度，研究课题。l本课程介绍单相流体的流量测量方法单相流体的流量测量方法。l物性参数特性：物性参数特性：l粘度，密度，压缩性系数，热容系数，等等。6.1.2.0流量测量的特殊性流量测量的特殊性l两种流量定义两种流量定义：l1）瞬时流量某时刻单位时间内的流体速度，

4、体积流量或质量流量；l2）累计流量到某时刻累计的流体体积或质量总量；l适用范围：观察，监督生产过程采用第一种方式测量瞬时流量；计量产品时采用第二种方式累计流量总量；l特殊性特殊性：l1）流体介质不同，测量方法的差异很大；l气体介质与液体介质的差异，l高粘度介质与低粘度介质的差异，l高温环境和常温条件下的不同，以及低温状态下，l压力状况的变化，等等。l2）误差积累问题，特别在累计流量时，总量增大累计误差量随之加大。这不同于其他参数的测量（温度，压力），这是动态的测量，与时间有关。时间越长，积累误差的总量越大。6.1.2.流量检测方法及流量计分类流量检测方法及流量计分类l6.1.2.1.流量检测方

5、法及流量计分类l检测方法可分为：体积流量检测和质量流量检测。l测量流量的仪表称为流量计，测量流体总量的仪表称为计量表或总量计。l 6.1.2.2.流量计的测量特性流量计的测量特性l流量方程式：是流量与流量计输出信号之间关系的数学表达式。l流量计的仪表系数与流出系数： 流出系数定义为实际与理想流量之比： 流量范围及范围度：流量计的流量范围指可测最大流量和最小流量所限定的范围。最大流量与最小流量的比值成为范围度，一般表达为某数与1之比，流量计范围度的大小受仪表的原理与结构所限制。 测量精确度和误差：流量计的精确度用误差表示，流量计在出厂时仪表所标出的精确度为基本误差。 压力损失 各种流量计的压力损

6、失大小是仪表选型的一个重要指标。)(xfqmmmqqC6.2.体积流量检测方法体积流量检测方法l6.2.1.容积式流量计 容积式流量计可以计量各种液体和气体的累积流量，由于这种流量计可以精密测量体积量，所以其类型包括从小型的家用煤气表到大容积的石油和天然气计量仪表，广泛地用作管理和贸易的手段。l 6.2.1.1.容积式流量计的测量机构与流量公式： 容积式测量计由测量室、运动部件、传动和显示部件组成。容积流量计的流量方程式可以表示为： 容积式流量计的运动部件有往复运动和旋转运动两种形式。其中，V为容积基本体积量，n为转数，Q为累计总量nVQ 6.2.1.2.几种容积式流量计几种容积式流量计l椭圆

7、齿轮流量计 它的测量本体由一对相互齿合的椭圆齿轮和仪表壳体构成，其工作原理图如下：l 两个齿轮每转动一圈， 流量计将排出4个半月 形容体的流量，可表 示为：l椭圆齿轮流量计适用于高粘度液体的测量。流量计基本误差为： l 范围度为10：1；工作温度要低于120，以防止齿轮卡死。04nVQ %5 . 0%2 . 0几种容积式流量计几种容积式流量计l 腰轮流量计 腰轮流量计的工作原理与椭圆齿轮流量计相同，结构也相似只是一对测量转子是两个不带齿的腰形轮。 它较椭圆齿轮流量计能保持长期的稳 定性。l流量计基本误差为 ；范 围度为10：1；工作温度要低于120，压力损失要小于0.02MPa。%5 . 0%

8、2 . 0几种容积式流量计几种容积式流量计l 皮膜式家用煤气表l皮膜式家用煤气表的工作原理 如图所示： l图中带箭头的实线表示气体进入，带 箭头的虚线表示气体排出，皮膜往复 一次将流过一定体积的煤气，通过传 动机构和计数装置测得往复次数从而 求得总量。 l 此仪表结构简单，维护方便，价廉， 精确度可达 ，是家庭专用仪表。 %26.2.1.3.容积式流量计的安装与使用容积式流量计的安装与使用l 要正确的选择容积式流量计的型号和规格，需要考虑被测介质的物质参数和工作状态。安装地点应满足技术性能规定的条件，仪表在安装之间必须检定。l仪表在使用过程中被测流体应充满管道，并工作在仪表规定的恒流范围内；l

9、当粘度等参数超过规定范围时应对流量进行修正；l仪表要定期清洗和检定。6.2.2.差压式流量计差压式流量计l差压式流量计基于在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将产生压力差，此压力差与流体之间有确定的数值关系，通过测量压差值可以求得流体流量。l6.2.2.1.节流式流量计 可用于测量液体、气体或蒸汽的流量。 节流装置分标准节流装置和非标准节流装置两类 其特点是：1）结构简单，无可动部件；2）可靠性较高，复现性能好；3）适用性较广，适用于各种工况下的单相流体。尤其在高温高压流体环境测量流量；一般的范围度为3：1，压力损失较大，对较小直径的管道测量比较困难，精确度不够高。测量原理及流量方程式

10、测量原理及流量方程式l节流式流量计测量原理及流量方程式l节流式流量计测量原理以 能量守恒定律和流动连续 性定律为基础，在节流元件 前后流体的静压和流速分布 情况如图所示。 水平管道的能量方程式能量方程式和连续连续方程式方程式： 220112222211122vAAvvpvp6.2.2.1流量方程的导出流量方程的导出l能量方程的说明：能量方程的说明：l第一项压力平方/密度，为静压能（压力势能）；l第二项速度平方/2，为流体动能；l伯努利方程认为：理想不可压缩性流体的静压能与动能之和为常数。经过节流元件，流体的速度增加，动能加大，静压能减小。由此可知，流量增大流速加大，节流元件两端压差增大，可通过

11、测量压差求取流体流量的大小。体现了能量守恒定律。6.2.2.1流量方程的导出流量方程的导出l连续性方程的说明：连续性方程的说明：l方程左边：节流元件前单位时间通过管道横截面的流体体积；l方程右边：经过节流元件孔后的横截面的流体体积；l由物理原理可知：单位时间内，连续流经节流元件前后的流体数量应当平衡相等。即流进的流体应当等于流出的流体，数量相等。l表示物质守恒定律。6.2.2.1流量方程的导出流量方程的导出l假定流体密度不变，既 用节流件开孔面积代替 ，并引入 求出流体流经孔板时的平均流速: 流量与压差 之间的关系 为：流体的体积流量：流体的质量流量： 21204dADd)(2112142pp

12、v21ppppAppAvAqv21)(2140214020pAppAvAqm21)(21402140206.2.2.1流量方程的导出流量方程的导出l由于用节流元件的开孔面积代替最小收缩截面，p有不同的取压位置等因素的影响，必然造成测量偏差。为此引入流量系数，最后推导出的流量方程式为：l 当Re大于某一 数值（称为界 限雷诺数）时， 可以认为是一个常数，因此节流式流量计应 工作在界雷诺数以上。pdpAqpdpAqmv24224220206.2.2.1流量方程的导出流量方程的导出l流速膨胀系数1，它与节流件型式、值、pp1及气体等熵指数有关，可以查阅表图可得，其中p的取值为常用流量时所对应的差压值

13、。节流式流量计的阻力估算： l 实用方程如下： pp2211pDqpDqtmtv222201251.0/01251.0hkghm/36.2.2.1流量方程的导出流量方程的导出l结论结论：l1）根据流量方程，流量Q与差压dP的开方成正比；l2）根据实用流量方程，使用条件符合设计要求时，流量系数a不变，流量Q与差压dP为单值函数关系。测得差压即可获悉流量值。l3）节流装置开孔越小，差压越大，有利于测量流量，但流体经过节流元件的压力损失也越大，即能量消耗增大。l简单公式：（Q2/K）= dP 实际计算常用K为系数。标准节流装置的组成结构标准节流装置的组成结构l节流式流量计的组成和标准节流装置。节流装

14、置产生的差压信号，通过压力传输管道引 至差压计，经差压计转换成电信号l或气信号送至显示仪表。 a.三种标准节流件型式 a).标准孔板是一块中心开有圆孔的金 属薄圆平板，圆孔的入口朝着流动方 向，并有尖锐的直角边缘。 其结构简单，体积小，成本低，应用 广测量精度低，压力损失大。标准节流装置的组成结构标准节流装置的组成结构lb).标准喷嘴是由两个圆弧曲面构成的入口收缩部分和与之相接的圆筒形喉部组成。其结构比较复杂，体积大成本较高。但压力损失小，测量精度高。一般选择喷嘴用于高速的蒸汽流量测量。lc).文丘里管具有圆锥形的入口收缩段和喇叭形的出口扩散段。其加工困难，成本高，一般用在特殊要求如低压损，高

15、精度测量的场合。标准节流装置的组成结构标准节流装置的组成结构l典型节流装置的比较：l1）标准孔板开孔金属园板，结构简单，加工方便，成本低；适合多数应用场合；l2）标准喷嘴结构复杂，加工困难，压力损失小，精度高，适合高流速流体测量，如蒸汽流量测量；l3）文丘利管收缩扩展段均有，最复杂结构，制造加工难度大，成本高，但压力损失最小。适合特殊场合测量，要求微小压差条件下采用。标准节流装置的组成结构标准节流装置的组成结构lb.取压装置 标准节流装置规定了由节流件前后引出差压信号的几种取压方式，有角接取压，环室取压环室取压，法兰取压，径距取压等方式。环室取压：常用的方式，易加工安装，操作相对简单环室取压：

16、常用的方式，易加工安装，操作相对简单 c.测量管段 最小直管段长度与节流件前的局部阻力件形式及直径比有关。节流元件前管段长：10D 节流元件后管段长：5D 以保证流经节流元件的流体状况符合要求。节流装置的设计和运算节流装置的设计和运算l a.已知管道内径及现场布置情况，流体的性质和工作参数，给出测量范围，要求设计节流装置： 选择节流件型式和差压计型式及量程范围 计算确定节流元件开孔尺寸提出要求 建议节流件在管道上的安装位置 估算误差l b.已知管道内径及节流件开孔尺寸，取压方式、被测流体参数等条件测差压值计算流量： 需测流体的温度 测流体的压力参数节流式流量计的安装与使用条件节流式流量计的安装

17、与使用条件la.标准节流装置的使用条件lb.节流式流量计的安装lc.取压口位置的引压管路的安装ld.差压计用于测量差压信号差压计的安装示意图(c)(b)差压计差压计-电磁流量计电磁流量计习题与思考习题与思考1lP113 ： 6-1, 6-3 , 6-4 l思考题：采用节流方式测量蒸汽流量，应用标准喷嘴作为节流元件，常用流量变化范围100T/h - 150T/h，工作压力5MP，温度450C，最大流量时的差压为：dPmax=400mmHg。请设计一差压式流量测量系统，作图说明各部件的作用，选择合适的差压计（量程，耐压等），并用简单流量公式计算100T/h时的差压值？(5)非标准节流装置非标准节流

18、装置lA.1/4圆喷嘴 主要用于低雷诺数下的流量测量lB.圆锥形入口孔板 锥形入口孔板于标准孔板形状相似，主要用于低雷诺数测量lC.圆缺孔板 圆缺孔板主要用于脏污，有气泡析出或有固体微粒的液体流量测量6.2.2.2.均速管流量计均速管流量计l均速管流量计是基于动压管测速原理发展而成的一种流量计，流体流经均速管产生差压信号，此差压信号于流体流量有确定的关系，经过差压计可测出流体流量。l均速管的实用流量方程式写作l均速管流量计结构简单，便于安装，价格便宜，压力损失小，能耗少，准确度及长期问帝国内性比较好。pkDvDqv244226.2.2.3.弯管流量计弯管流量计l当流体通过管道弯头时，受到角加速

19、度的作用而产生的离心力会在弯头的外半径侧于内半径侧之间形成差压，此差压的平方根于流体流量成正比l弯管流量计的流量方程式写作l弯管流量计的特点是结构简单，安装维修方便；在弯管内流动无障碍，没有附加压力损失；对介质条件要求低。其主要缺点是产生的差压非常小。pkDqv2426.2.2.4.靶式流量计靶式流量计l在流管中垂直于流动方向安装一圆盘形阻挡件，称之为“靶”。通过测量靶所受的作用力，来求出流体流量。l体积流量与靶上受力F的关系为：l以直径比 表示流量公式可写成如下形式l靶式流量计适用于高粘度、低雷诺数的流体。可用挂重校验即干校的方法调整仪表的零点和满量程FddDkvAqav2220FDkqav

20、2)1(Dd /6.2.2.5.浮子流量计浮子流量计l利用节流原理测量流体流量，其差压值基本不变，是通过节流面积的变化反映流量的大小，又称为恒压降变截面流量计或转子流量计。l测量原理及结构 当流体流过环隙面时，因节流作用在浮子上下端面产生差压形成作用于浮子的上升力。当上升力与浮子的重力相等时，浮子稳定在平衡位置，通过平衡位置的高度与流量的对应关系测得流量值。浮子受力平衡公式：将上式代入节流流量方程式：小锥度锥管，有 其流量方程为：浮子流量计的类型：玻璃锥管的直读式浮子流量计 金属锥管的远传式浮子流量计。gVAPfff)(ffvAgVAqf)(20chA 0ffvAgVchqf)(2浮子流量计的

21、使用和安装浮子流量计的使用和安装浮子流量计的刻度换算 测量液体的浮子流量计用常温水标定，测量其它的浮子流量计用常温常压的空气标定。 在实际测量中，如果被测介质不是水或空气，则流量计的指示值与实际值存在差别，要进行刻度换算修正。换算公式如下：一般液体介质： 气体介质： )()(000ffvvqq00vvqq水平安装，垂直安装，示值修正水平安装，垂直安装，示值修正l浮子流量计的安装使用 在安装使用前必须核对所需测量范围、工作压力和介质温度是否与选用流量计规格相符。 当被测介质的物性参数和 状态参数与流量计标定介 质不同时，必须对流量计 指示值进行修正。6.2.3.速度式流量计速度式流量计l 涡轮流

22、量计的构成和流量方程式 涡轮流量计主要由壳体、导流气、支承、 涡流和磁电转换器组成，结构如图所示：l涡轮流量计的流量方程式为： 仪表常数 与流量计的涡轮结构 等因素有关。在流量小时， 随流 量增大而增加，当流量达到一定值 时接近常数。 fqv6.2.3.1.涡轮流量计涡轮流量计l涡轮流量计的特点和使用 可以测量气体、液体流量，但要 求被测介质干净，且不适用于粘度大的液体测量。 涡轮流量计一般应水平安装，并保证其前后有一定的直管段。 通常涡轮流量计主要用于测量精度要求高、流量变化快的场合。6.2.3.2.涡街流量计涡街流量计l它是利用流体振荡的原理进行流量测量的。l 涡街流量计的组成及流量计的方

23、程式 涡街流量计的主体是涡流发生体。 在一定的雷诺数范围内，稳定的涡流产生频率f与涡流发生体处的流速v有确定的关系： 方程式为： l 涡街流量计特点及使用 适用于气体液体和蒸汽介质 的流量测量 可以水平安装也可以垂直安装。dvStf Kfqv6.2.3.3.电磁流量计电磁流量计l电磁流量计基于电磁感应原理，通过测量电势可求得流量。l电磁流量计的组成及流量方程式 电磁流量计的测量主题由磁路系统、测量导管、电极和调整转换装置等组成。 流量方程式为： 电磁流量计的特点及应用 无阻力件，压力损失小测量范围宽仪表反应快，受流动状态的影响小，可以测量脉动流和两相流不宜测电导率低的流量。CBDvE KEEC

24、BDVDqv426.2.3.4超声流量计超声流量计l利用超声波在流体中传播特性实现流量测量。l超声波测量流量按作用原理分有传播速度差法，多普勒效应法，声束偏移法，相关法等。工业中应用最普遍的是传播速度差法。l传播速度差法的原理 利用超声波在流体中顺流 与逆流传播的速度变化来 测量流量。测量方法有时 间差法，相差法和频差法。速度法的计算时间差法速度法的计算时间差法l顺流与逆流传播时间与流速之间的关系 则时间差与流速的关系 频率差法 频率与流速的关系 则频率与流速的关系 超声流量计的范围度一般为20：1， 误差为vcLt1vcLt22122cLvtttLvctf111Lvctf221Lvfff22

25、1%3%26.3.质量流量检测方法质量流量检测方法l质量流量检测方法可以分两大类： 间接式质量流量计和直接式质量流量计l 6.3.1.间接式质量流量测量方法 根据质量流量与体积流量的关系用多种仪表的组合实现质量流量测量。l6.3.1.1.体积流量计与密度计的组合方式 差压式流量计与密度计的组合 差压计输出信号正比于 ，密度计测量流体密度 ，则其计算式为：vq2qqqvm2l其他体积流量计与密度计组合l用速度式流量计，的输出信号与密度计输出信号组合运算：l6.3.1.2.体积流量计与体积流量计的组合l压差式流量计（或靶式流量计）与涡轮 流量计（或电磁流量计等）组合，计算 式为：l6.3.1.3.温度、压力补偿式质量流量计 流体密度是温度、压力的函数，通过测量流体温度和压力与体积流量测量组合可以求出流体质量流量 。vmqqvvvmqqqq26.3.2.直接式质量流量计直接式质量流量计l6.3.2.1.科里奥利质量流量计 利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的的科里奥利力的测量原理。 U形管以O-O为轴，按固有的自振频率垂直于其所在平面振动，此时流体将产生一科里奥利加速度，产生的科氏力大小相等方向相反，使U管发生扭曲，通过两电磁传感器测出扭角的大小，就能得知质量流量。l扭角的大小与质量流量的关系： l时间差与质量流量的关系：l科式力流量计还有平行直管、形管和环形管。其特