第07章 流量测量1-(节流式流量计)

第7章流量测量7.1概述7.2节流式流量计7.3速度式流量计7.4容积式流量计7.5质量流量计7.6两相流流量测量介绍7.1流量测量概述流量流体的物理性质与管流的基础知识流量测量方法流量测量系统流量计的校验与标定7.1.1流量定义：流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前者称体积流量，后者称质量流量。注意：流体的密度随流体的状态参数而变化，故在给出体积流量的同时，必须指明流体的状态。对于气体，其密度随压力、温度变化显著，为了便于比较，常把工作状态下气体的体积流量换算成标准状态下(温度为20℃，绝对压力为1atm)的体积流量，用QN表示。累积流量：某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间的积分。流量计:用来测量流量的仪表。测量流量总量的仪表称为流体计量表或总量计。累积流量：平均流速：u流体在流过截面上各点的流速。体积流量和质量流量关系：流量的计量单位 体积流量： m3/s， 质量流量： kg/s； 累积体积流量：m3； 累积质量流量：kg。

工程上使用的流量计量单位还有：

m3/h、L/min、t/h

L、t（吨）

7.1.2流体的物理性质与管流基础知识1.流体的密度 单位体积的流体具有的质量称为流体密度，数学表达式为：

M

流体质量；V流体体积；流体的密度。流体密度是温度和压力的函数。单位是kg/m3。2.流体粘度流体运动过程中阻滞剪切变形的粘滞力与流体的速度梯度和接触面积成正比，并与流体粘性有关，其数学表达式为（牛顿粘性定律）：

F 粘滞力；

A 接触面积；

du/dy 流体垂直于速度方向的速度梯度；

表征流体粘性的比例系数。流体的动力粘度与流体密度的比值称为运动粘度，即

动力粘度的单位为牛顿·秒/米2（N·s/m2），帕斯卡秒（Pa·s）；运动粘度的单位为米2/秒（m2/s）。3.流体的压缩系数和膨胀系数流体的压缩性：在一定的温度下，流体体积随压力增大而缩小的特性；流体的膨胀性：在一定压力下，流体的体积随温度升高而增大的特性。当流体温度不变而所受压力变化时，其体积的相对变化率：—流体的体积压缩系数，（1/Pa）； —流体的原体积，(m3)；—流体压力增量，(Pa)；—流体体积变化量，(m3)；1）压缩系数—流体的体积膨胀系数(1/℃)；—流体的原体积，(m3)；—流体体积变化量，(m3)；—流体温度变化量(℃)。在一定的压力下，流体温度变化时其体积的相对变化率，即2）膨胀系数雷诺数是流体流动的惯性力与粘滞力之比，表示为：—雷诺数（无量纲数）；—流动横截面的平均流速，（m/s）；—动力粘度，（N·s/m2）； —运动粘度，（m2/s）；—流体的密度，(kg/m3)；—特征长度，（m）。4.雷诺数(1)单相流和多相流单相流：管道中只有一种均匀状态的流体流动；多相流：管道中有两种以上的不同相流体同时流动。(2)可压缩和不可压缩流体的流动流体：可压缩和不可压缩流体；流体的流动：可压缩流体流动和不可压缩流体流动。5.管流类型

(3)稳定流和不稳定流稳定流：当流体流动时，若其各处的速度和压力仅和流体质点所处的位置有关，而与时间无关；不稳定流：若其各处的速度和压力不仅和流体质点所处的位置有关，而且与时间出有关。(4)层流与紊流管内流体有两种流动状态：层流和紊流。层流：流体沿轴向作分层平行流动，各流层质点没有垂直于主流方向的横向运动，互不混杂，有规则的流线。紊流：管内流体不仅有轴向运动，而且还有剧烈的无规则的横向运动。圆形截面管道，当管内流体为层流状态时，沿半径方向上的流速分布式表示为：6.流速分布与平均流速流体有粘性，当它在管内流动时，即使是在同一管路截面上，流速也因其流经的位置不同而不同。越接近管壁，由于管壁与流体的粘滞作用，流速越低；管中心部分的流速最快。流体流动状态不同将呈现不同的流速分布。—距管中心距离处的流速；—管中心处最大流速；—距管中心径向距离；—管内半径。当管内流体为紊流状态时，沿半径方向上的流速分布为：n—随流体雷诺数不同而变化的系数

104104

1042.5610.5420.5632.007.07.38.08.338.453.670.084.48.58.89.09.2110.0152.0198.0278.09.49.79.89.9雷诺数与n的关系圆管内的流速分布根据流速求得流量的流量计，一般是检测出平均流速后求得流量。对于层流，平均流速是管中心最大流速的0.5倍()；紊流时的平均流速与n值有关：7.流体流动的连续性方程和伯努利方程(1)连续性方程任取一管段，设截面Ⅰ、截面Ⅱ处的面积、流体密度和截面上流体的平均流速分别为A1、、和A2、、。

连续性方程示意图(2)伯努利方程理想流体在重力作用下在管内定常流动时，对于管道中任意两个截面Ⅰ和Ⅱ，伯努利方程为：伯努利方程示意图—重力加速度

—截面Ⅰ和Ⅱ相对基准线的高度；

—截面Ⅰ和Ⅱ上流体的静压力；

—截面Ⅰ和Ⅱ上流体的平均流速。实际流体具有粘性，在流动过程中要克服流体与管壁以及流体内部的摩擦阻力，使流体的一部分机械能转化为热能。因此，实际流体的伯努利方程可写为：—截面Ⅰ和Ⅱ之间单位质量实际流体流动产生的能量损失。

(2)实际流体的伯努利方程7.1.3流量测量方法目前，已使用的流量计有100多种。这些方法均可归结为容积法、速度法、质量流量法、差压法等。1、差压法：利用伯努利方程原理，通过测量流体差压信号得到流量的测量方法。2．容积法相当于一个标准容器连续不断地对流体进行度量，单位时间内，度量的次数越多，说明流量越大。特点：受流动状态影响较小，适用于高粘度、低雷诺数的流体；不宜于测量高温高压以及脏污介质的流量；流量测量上限较小。主要类型：椭圆齿轮流量计腰轮流量计刮板流量计等。3．速度法由流体的一元流动的连续方程，截面上的平均流速与体积流量成正比，如果可得到流体密度的信号，便可得到质量流量。

节流式流量计是应用最广泛的一种速度法流量计。其他形式的速度式流量计还有转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声流量计等。平均流速：4．质量流量法方法1：测量流体的体积流量，根据测量得到的流体的压力、温度等状态参数对流体密度的变化进行补偿。方法2：测量与流体质量流量有关的物理量(如动量、动量矩等)，从而直接得到质量流量。这种方法与流体的成分和参数无关，具有明显的优越性。但目前的质量流量计结构复杂，价格昂贵。在线测量流体密度的难度很大，影响了质量流量的测量准确性。类别工作原理仪表名称可测流体种类适用管径mm测量精度％安装要求、特点体积流量计差流压量式计流体流过通管道中的阻力件时产生的压力差与流量之间有确定关系，通过测量差压值求得流量节流式孔板液、气、蒸汽50～1000±1～2需直管段，压损大喷嘴50～500需直管段，压损中等文丘里管100～1200需直管段，压损小均速管液、气、蒸汽25～9000±1需直管段，压损小转子流量计液、气4～150±2垂直安装靶式流量计液、气、蒸汽15～200±1～4需直管段，弯管流量计液、气±0.5～5需直管段，无压损容流积量式计直接对仪表排出的定量流体计数确定流量椭园齿轮流量计液10～400±0.2～0.5无直管段要求，需装过滤器，压损中等腰轮流量计液、气刮板流量计液±0.2无直管段要求，压损小速流度量式计通过测量管道截面上流体平均流速来测量流量涡轮流量计液、气4～600±0.1～0.5需直管段，装过滤器涡街流量计液、气150～1000±0.5～1需直管段电磁流量计导电液体6～2000±0.5～1.5直管段要求不高，无压损超声波流量计液＞10±1需直管段，无压损直接式直接检测与质量流量成比例的量来质量流量热式质量流量计气±1冲量式质量流量计固体粉料±0.2～2科氏质量流量计液、气±0.15间接式同时测体积流量和流体密度来计算质量流量体积流量经密度补偿液、气±0.5温度、压力补偿体积流量计质量流量计 任何流量计都有其适用范围，对流体的特性以及管道条件都有特定的要求。目前生产的各种容积法和速度法流量计，都要求满足下列条件：流体必须充满管道内部，并连续流动；流体在物理上和热力学上是单相，流经测量元件时不发生相变；流速一般低于音速。 虽然两相流动是工业过程中广泛存在的流动现象。但目前尚无成熟的两相流流量仪器。7.2节流式流量计原理及流量方程结构有关参数测量误差使用范围设计计算非标节流元件差压式流量计基于流体在通过设置于流通管道上的流动阻力件时产生的压力差与流体流量之间的确定关系，通过测量差压值求得流体流量。1-节流元件2-引压管路3-三阀组4-差压计

节流式流量计组成图7-3流体流经节流件时压力和流速变化情况7.2.1节流装置测量原理及流量方程在充满流体的管道中放置一个固定的、有孔的节流元件，造成流束的局部收缩。对一定结构的节流元件，其前后的静压差与流量成一定的函数关系。节流元件、静差压取出装置和节流元件前后的直管段的组合体，称为节流装置。根据截面1、2处的压力能、动能和势能的关系，可写出伯努利方程：

(7-2)C1,C2：截面1，2处流速不均匀，以平均流速计算动能时采用的修正系数；Z1,Z2：截面1，2处流体对参考水平面的距离；g: 重力加速度；: 能量损失系数。根据流体流动的连续性方程，有

(7-3)1、不可压缩流体的流量方程不可压缩流体：1=2=

水平管道：Z1=Z2非水平管道：因截面距离很近，也可认为Z1=Z2。将上述关系带入方程(7-2)、(7-3)，得定义节流元件开孔面积A0，收缩系数(7-5)(7-4)(7-8)可得：流体的质量流量G：定义流量系数a定义即不可压缩流体的流量方程。方程中的流量系数a也可用流出系数C代替。流出系数——指实际流量与不考虑能量损失，并取C1=C2=1，=1，=1时的计算流量的比值。可证明2、可压缩流体的流量方程7.2.2标准节流装置对于不同几何形状的节流元件及不同的取压方式，流量方程中的(或C)、各不相同，受多种因素影响，须由实验求出。因此，任意节流装置使用起来不方便，必须使其标准化。建立标准化节流装置的理论基础对于一定粗糙度的管道，几何相似（相等）的节流装置在流体动力学相似（管内ReD相等）的条件下，流量系数相等。值完全可由实验确定。节流元件的标准形式包括：和的实验数据保证与试验时几何相似和流体动力学相似的具体条件（如节流元件的结构尺寸、取压方式、管道条件、流体条件）符合国际规定的条件。标准节流装置可直接使用给出的、值，流量与压差的关系不必校准，可在规定的误差范围内通过计算求得。我国国家标准GB2624-93规定的标准节流装置为：①标准孔板，角接取压；②标准孔板，法兰取压；③ISAl932喷嘴(标准喷嘴)，角接取压。其他标准节流装置，长径喷嘴文丘里喷嘴。1、标准节流元件(1)标准孔板标准孔板为中间开孔、两面平整且平行的薄板，由不锈钢制成。(2)ISA1932喷嘴(标准喷嘴)

ISA1932喷嘴的型线的组成进口端面A；收缩部分第一圆弧面C1第二圆弧面C2圆筒形喉部e圆筒形出口边缘保护槽H圆筒形喉部长0.3d，其直径即节流件开孔直径d。ISA1932喷嘴的加工安装要求2、取压装置

环室有均压作用，压差比较稳定，所以被广泛采用。但当管径超过500mm时，环室加工麻烦，一般都采用单独钻孔取压。法兰取压角接取压装置法兰取压装置角接取压：简便，容易实现环室取压，测量精度较高。法兰取压：结构较简单，容易装配，精度较角接取压低。3、标准节流装置的管道条件节流件前后直管段ll，l2的要求见附表7-1(P249)。ll的长度取决于节流件上游第一个阻力件形式和节流件的值，表中所列数值是管道内径D的倍数。如果实际的ll在括号内和括号外的数字之间，则应对流量测量的极限误差算术值加上±0.5％。若节流件上游有两个阻力件，其间的直管段长度l0，取按上游第二个阻力件形式和=0.7(不论实际为多少)查附表7-1所得ll的一半。如节流件上游有温度计套管，它与节流件的距离应为5D(3D)(当温度计套管直径＜0.03D时)或20D(10D)(当温度计套管直径在0.03D~0.13D之间时)。一般应尽可能把温度计装于节流件之后，此时要求它与节流件的距离大于5D。如果节流件上游有直径大于2D的容器造成突然收缩或有开敞空间，其与节流件的距离不得小于30D(15D)。如实际使用的节流件上游的阻力件的形式没有包括在附录表7-1内，或要求的三个直管段长度(ll，l2，l3)有一个小于括号内的数值或有两个都在括号内外数值之间，则整套节流装置需单独标定。在节流件上游10D和下游4D的范围内，管道内壁应没有肉眼可见的凸凹不平、沉积物或结垢。为了得到精确的D值和满足管道圆度的要求，应在节流件上游0D，0.5D，1D，2D处取与管道轴线垂直的四个截面，对每个截面等角距地测量四个管道内径，这十六个测量值的算术平均值作为D值，并且平均值与任一单测值的偏差不大于±0.3％。对于节流件下游管道，也要在2D范围内这样测量，但要求可降低，单测值可少些，任一单测值与平均值的偏差不大干±2％。4．标准节流装置的流体条件标准节流装置测量流体必须满足如下要求，满管，流体必须充满管道内部，并连续流动；单相，流体在物理上和热力学上是单相，流经测量元件时不发生相变；流体的速度一般低于音速。流体必须是在圆管内流动，且已知密度和粘度，流速稳定，不存在旋涡，只允许流量缓慢变化。7.2.3标准节流装置的参数1、流量系数与、ReD、管道粗糙度有关。管道粗糙，大。管道粗糙度用绝对粗糙度kc或相对粗糙度kc/D来表示。常用管道的粗糙度如附表7-2所示。为了使用方便，标准节流装置，往往在光滑管道(kc/D＜0.0004)上，根据式(7-12)测定流量系数，称为光管流量系数或原始流量系数0，并编成图7-8所示的0＝f(2,ReD)的图形。分析：不同的节流装置，0不同。同一节流装置，在某一值,0随ReD变化。随着ReD的增大，0的变化越来越小。流量变化时，0跟随发生变化