第8章 流量测量技术.ppt

1、现代检测技术,2,第八章 导言,在工农业生产和科学研究试验中，流量都是一个很重要的参数。例如，在石油化工生产过程自动检测和控制中、对物料总量的计量、能源管理和经济核算等。 流量检测仪表是发展生产、节约能源、提高经济效益和管理水平的重要工具。,3,第八章 导言,大型化工企业中，流量是控制工艺过程和保证产品质量的关键因素。,4,第八章 流量测量技术,8.1 流量和流量计,流量和流量计,1,流体的物理性质与管流基础知识,2,流量测量方法与流量仪表的分类,3,5,8.1 流量和流量计,8.1.1 流量和流量计 流量定义：单位时间内流体(气体、液体或固体颗粒等)流经管道或设备某处横截面的数量(瞬时流量)

2、。 体积流量：单位时间里通过横截面的流体体积。 质量流量：单位时间里通过横截面的流体质量。,6,体积流量,质量流量,8.1 流量和流量计,7,平均流速,累积流量,体积流量和质量流量关系,8.1 流量和流量计,8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 1、流体密度：单位体积流体所具有的质量 2、流体粘度：表示流体粘滞性的参数，反应对流体 运动的阻碍程度。 牛顿粘性定律,8,牛顿流体,非牛顿流体,8.1 流量和流量计,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 压缩系数： 膨胀系数：,

3、9,8.1 流量和流量计,4、管流类型：流体充满管道截面的流动状态类型 单项流和多相流；可压缩和不可压缩流体； 稳定流和不稳定流；层流与紊流。 5、雷诺系数：流动的惯性力与粘滞力之比。ReD 判别流体状态的准则 管内流体是层流（ReD 2320）,10,8.1 流量和流量计,6、流速分布与平均流速 流速随流经位置不同而不同； 圆形截面管内流体 1）层流状态时： 2）紊流状态时：,11,圆管内的流速分布,8.1 流量和流量计,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、截面处的面积、流体密 度和截面上流体的平均流速分别为A1、1、1和A2、 2、2。 则： 1*1

4、*A1 = 2*2*A2,12,8.1 流量和流量计,（2）伯努利方程 任取一管段，截面、截面处有：,13,g：重力加速度； Z1、Z2：截面和相对基准线的高度； P1、P2：截面和上流体的静压力； 1、2：截面和上流体的平均流速。,8.1 流量和流量计,14,8.1 流量和流量计,15,8.1 流量和流量计,实际流体在流动过程中，存在能量损耗，则实际流体的 伯努利方程为：,16,8.1 流量和流量计,8.1.3 流量测量方法与流量仪表的分类 1、流量测量方法 利用伯努利方程，通过测量流体差压信号来反映流量的差压式流量测量法； 通过测量流体流速获得流量的速度式流量测量法； 利用标准小容积来连续

5、测量流量的容积式测量； 以测量流体质量流量为目的的质量流量测量法。,17,8.1 流量和流量计,2、流量仪表的主要技术参数 流量范围； 量程和量程比； 允许误差和精度等级； 压力损失。,18,8.2 流量测量仪表,差压式流量计,1,容积式流量计,2,速度流量计,3,19,质量流量计,4,8.2 流量测量仪表,8.2.1 差压式流量计 基本原理：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。,20,8.2 流量测量仪表,1、节流式流量计,21,1-节流元件 2-引压管路 3-三阀组 4-差压计,结构简单，使用寿命长，适应性广 安

6、装要求严格，精度不高,8.2 流量测量仪表,22,8.2 流量测量仪表,（1）测量原理及流量方程 基本原理：流体流动的连续性 方程和伯努利方程,23,流体流经节流件时压力和流速变化,(1),(2),8.2 流量测量仪表,24,质量流量：,体积流量：,不可压缩流体,8.2 流量测量仪表,25,修正后质量流量：,修正后体积流量：,式中：,流出系数C只能通过实验确定，可查表求得。,8.2 流量测量仪表,26,通用质量流量：,通用体积流量：,考虑到可压缩流体在节流过程中流体密度变化 ,1,8.2 流量测量仪表,（2）节流装置 标准节流装置；非标准节流装置 标准节流装置的适用条件 流体必须是牛顿流体，在

7、物理学和热力学上是均匀的、单相的，或者可认为是单相的流体 。 流体必须充满管道和节流装置且连续流动，流经节流件前流动应达到充分紊流，流束平行于管道轴线且无旋转，流经节流件时不发生相变。 流动是稳定的或随时间缓变的。,27,8.2 流量测量仪表,标准节流元件的结构形式 标准孔板，标准喷嘴和文丘里管,28,8.2 流量测量仪表,29,标准孔板,简单，加工方便，价格便宜,测量精度低，适用于洁净流体介质，易变性,8.2 流量测量仪表,30,结构复杂，价格高,测量精度高，寿命长，能测量污垢介质,8.2 流量测量仪表,31,尺寸大，笨重，成本高,测量精度高，能测量污垢介质,8.2 流量测量仪表,节流装置的

8、取压方式 理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压、损失取压,32,节流装置的取压方式,8.2 流量测量仪表,测量管道条件 测量管道截面应为圆形 节流件及取压装置安装在两圆形直管之间 节流件附近管道的圆度应符合标准中的具体规定 满足直管段的最小长度要求,33,8.2 流量测量仪表,非标准节流装置,34,8.2 流量测量仪表,（3）标准节流装置的计算 流量计算根据测得的差压值计算被测介质流量。 设计节流装置根据已知条件以及限制要求设计标准节流装置 （4）差压计 工业生产中大多数采用差压变送器,35,8.2 流量测量仪表,2、皮托管流量计 弯成直角的双层空心复合管，带有多个取压孔，能同时 测量流体总

9、压和静压。,36,皮托管结构,总压和静压之差和被测流体的流速有关系,8.2 流量测量仪表,头部迎流方向开有小孔A，距头部一定距离处开有若干 垂直于流体流向的静压孔B，各孔所测静压在均压室均压后 输出。,37,皮托管测量原理,对于不可压缩无粘性流体的 稳定流动，驻点处流速为：,8.2 流量测量仪表,对于一般流体， 存在压缩修正系数 ，并通过实验获得 皮托管修正系数 ：,38,多点测量 平均流速 流量,8.2 流量测量仪表,39,压损小，价格低，适用中大管径测量，洁净空间和空气处理领域，可测温度较高的气体、有颗粒的气体，可测较高风速。 静压可达6bar，温度最高可到650800，精度0.5% 测量

10、风速和风量时能保证2%精度。 受流速分布影响大，计算复杂，难以实现在线测量。,8.2 流量测量仪表,40,L型皮托管,CLY系列皮托管,8.2 流量测量仪表,3、均速管流量计 横跨管道的中空多孔金属管，测量原理与皮托管相同； 直接测量平均流速，精度高，测量简单,41,8.2 流量测量仪表,42,结构简单，便于安装，价格便宜； 准确度和稳定性好； 适用于液体，气体和蒸汽等多种流体以及高温高压介质的流量测量。,差压信号较低； 不适合脏污，有沉淀物的流体；,优点,缺点,8.2 流量测量仪表,43,一体化智能均速管质量流量计,均速管质量流量计,8.2 流量测量仪表,4、转子流量计（恒压降变截面流量计）

11、 节流元件前后差压不变，面积变化,44,转子流量计测量原理,1、从下向上逐渐扩大的锥形管； 2、置于锥形管中且可以沿管的中心线上 下自由移动的转子,8.2 流量测量仪表,45,8.2 流量测量仪表,46,转子流量计测量原理,流量与转子的高度h成近似线性关系,8.2 流量测量仪表,47,8.2 流量测量仪表,48,转子流量计结构: 玻璃管转子流量计 金属管转子流量计,玻璃转子流量计,8.2 流量测量仪表,49,8.2 流量测量仪表,50,塑管转子流量计,分流式转子流量计,8.2 流量测量仪表,51,转子流量计的刻度转换 空气 - 气体流量标定； 水 - 液体流量标定； 测量流量时候，需要按照实际

12、被测介质的密度、温度 、压力等参数进行刻度修正,液体介质,气体介质,8.2 流量测量仪表,5、靶式流量计 适用于测量高粘度、低雷 诺数的流量测量，如测量重油、 沥青、含固体颗粒的浆液及腐蚀 性介质的流量。,52,靶式流量计,靶的受力 流速,8.2 流量测量仪表,53,流体对靶的作用力：,管道直径为D，靶直径为d，环隙通道面积为A， 则流体体积流量：,设：,则：,8.2 流量测量仪表,54,数显靶式流量计,LKB靶式流量计,8.2 流量测量仪表,55,结构简单，便于安装； 压力损失小； 适用于测量含固体颗粒和粘性较大的流体,安装时候需要必要的直管段；,优点,缺点,8.2 流量测量仪表,6、弯道流

13、量计 可用于任何工艺管道流量测量 弯管离心力 外侧壁压力， 内侧壁压力 压差 流量,56,实用计算公式：,8.2 流量测量仪表,57,8.2 流量测量仪表,8.2.2 容积式流量计 基本原理：机械测量元件分隔成固定容积排出计数 优点：测量精度高，量程比宽，对直管段无要求，适合 高粘度介质测量 缺点：对被测流体中的污物较为敏感，且较为笨重 椭圆齿轮流量计，腰轮流量计，和刮板流量计等,58,8.2 流量测量仪表,1、椭圆齿轮流量计,59,椭圆齿轮流量计,8.2 流量测量仪表,60,8.2 流量测量仪表,椭圆齿轮每旋转一周，流量计将排出4个半月形(测量室 )体积的流体（4V） 累积流量： Q = 4

14、NV N：转数 单位时间内的流量： qV = 4nv n：转速,61,8.2 流量测量仪表,62,8.2 流量测量仪表,2、腰轮流量计 腰轮流量计又称罗茨流量计。 转动过程中两腰轮不直接接触而保持微小的间隙。 具有运行磨损小，稳定性高优点,63,8.2 流量测量仪表,64,8.2 流量测量仪表,3、刮板式流量计 优点：精度高，适用于含有机械杂质的流体 缺点：结构复杂，成本高,65,转子的转速和流速有关系，需要进行调整,8.2 流量测量仪表,4、伺服式容积流量计 间隙和压差容易产生测量误差 是目前解决微小流量测量的最好 仪表之一。,66,伺服电机转动的快慢，随流体入、出口压力差的大小而改变。,8

15、.2 流量测量仪表,8.2.3 速度式流量计 基本原理：通过测量管道内流体流动速度来测量流量,67,要求：流量计前后必须有足够长的直管段或加装整流器， 使得流速稳定,8.2 流量测量仪表,1、涡轮流量计 （1）工作原理与结构 在定范围内，涡轮的转速与流体的平均流速成正比。,68,除了磁电转换方式，还可以用光电元件，霍尔元件等方式进行转速测量。,8.2 流量测量仪表,（2）流量方程,69,叶片的切向速度：,涡轮转速,8.2 流量测量仪表,70,磁电转换器所产生的脉冲频率：,Z涡轮叶片的数目,体积流量方程：,单位体积流量通过磁电转换器所输出的脉冲数,流量转换系数与流量的关系图,8.2 流量测量仪表

16、,（2）涡轮流量计的特点和使用 优点： 测量精度高，复现性和稳定性好； 量程范围宽，量程比可达(1020):1,刻度线性； 耐高压，压力损失较小； 对流量变化反应迅速，可测脉动流量； 抗干扰能力强，信号便于远传及与计算机相连。 缺点： 制造困难，轴承易磨损，寿命低成本高。 适用场合： 测量精度要求高、流量变化快的场合，还用作标定其他流量的标准仪表。,71,8.2 流量测量仪表,72,8.2 流量测量仪表,2、涡街流量计 （1）工作原理 在流动的流体中放置一根非流线型柱形体(如三角柱、圆 柱等)，称之为漩涡发生体。当流体沿漩涡发生体绕流时，会 在漩涡发生体下游产生如图所示不对称但有规律的交替漩涡

17、 列，这就是所谓的卡门涡街。,73,8.2 流量测量仪表,74,8.2 流量测量仪表,冯.卡门对涡街的稳定条件进行了研究，于1911年得到 结论： 只有当两漩涡列之间的距离H和同列的两漩涡之间的距 离L之比满足下面的关系时，所产生的涡街才是稳定的。,75,8.2 流量测量仪表,实验证明：在一定的雷偌数范围内，每一列漩涡产生的 频率 f 与漩涡发生体的形状和流体流速 u 有确定的关系。,76,则体积流量为：,每一列漩涡产生的频率； u流体流速； d直径漩涡发生体的特征尺寸； St斯特罗哈尔数； D管道内径；A在漩涡发生体处的流通截面积。,8.2 流量测量仪表,（2）漩涡频率的测量 流体在下侧产生

18、漩涡，下侧压力 上侧压力 流体在上侧产生漩涡，上侧压力 下侧压力 交替压力变化 流体脉动流动 电阻丝交替冷却 阻值改变 脉冲信号,77,圆柱体涡街检测器原理图,8.2 流量测量仪表,流体在下侧产生漩涡，下侧压力 上侧压力 流体在上侧产生漩涡，上侧压力 下侧压力 交替压力变化 流体脉动流动 电阻交替冷却 阻值改变 桥路电压改变,78,三角柱体涡街检测器原理图,8.2 流量测量仪表,（3）涡街流量计的特点 优点： 测量精度较高；量程比宽，可达30:1； 使用寿命长，压力损失小，安装与维护比较方便； 测量几乎不受流体参数变化的影响； 易与数字仪表或计算机接口，对气体、液体和蒸汽介质均适用。 缺点：

19、流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度； 流量计前后有足够长的直管段。,79,8.2 流量测量仪表,80,8.2 流量测量仪表,3、电磁流量计 （1）工作原理 基本原理：法拉第电磁感应定律，导体作切割磁力线运 动时会感应电势。,81,测量导电流体,8.2 流量测量仪表,导电液体在内径为D，磁场强度为B的导管内以平均速度u 流动时，产生的感应电动势为：,82,基本条件： 均匀磁场；非导磁管道；流速轴对称分布；流体电导率均匀,8.2 流量测量仪表,83,电磁流量计的结构,8.2 流量测量仪表,84,8.2 流量测量仪表,（2）电磁流量计的特点 优点： 适用于含有颗粒、悬浮物等流体，以及腐蚀性介

20、质； 流量测量范围大，测量精度为0.5-1.5级； 对直管段要求不高； 电磁流量计的输出与流量呈线性关系。 反应迅速，可以测量脉动流量。 缺点： 被测介质必须是导电的液体； 结构较复杂，成本较高； 流速测量下限有一定限度，工作压力受到限制。,85,8.2 流量测量仪表,4、超声流量计 基本原理：流速不同会使超声波在流体中传播的速度发 生变化，通过分析计算改变的超声波信号，可以检测到流体 的流速，进而可以得到流量值。,86,主要介绍传播速度差法和多普勒法,8.2 流量测量仪表,（1）传播速度法测量原理,87,通过测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到到被测流体的流速。, 时差法,8

21、.2 流量测量仪表,88,将时间差转换为超声波传播的相位差, 相差法,超声波脉冲： s(t) = Asin(t+0 ),8.2 流量测量仪表,89,测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频率差, 频差法,顺流时：,逆流时：,脉冲循环频差：,8.2 流量测量仪表,90,上述测量获得的流速u是超声波传播途径上的平均流速，与截面平均流速是不相同的。, 流量方程,层流时：,紊流时：,8.2 流量测量仪表,（2）多普勒法测量原理,91,多普勒效应,从发射晶体T发射的超声波束遇到流体中运动着颗粒或气泡，再反射回来由接收晶体R接收。 发射信号与接收信号的多普勒频率偏移与流体流速成正比。,可以用于两相流测量,8.2

22、流量测量仪表,（3）超声波流量计的特点与应用 优点 流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没有压力损失 用于任何液体，也能测量气体的流量 非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量 量程比较宽 输出与流量之间呈线性 缺点 只能用于测量200以下的流体 需要一定长度的直管段 结构复杂，成本较高,92,8.2 流量测量仪表,93,8.2 流量测量仪表,8.2.4 质量式流量计,94,为什么需要质量流量计?,1. 在工业生产中，由于物料平衡，热平衡以及储存、经济核算等所需要的都是质量，并非体积； 2. 在测量工作中，常需将测出的体积流量，乘以密度换算成质量流量，设备复杂，测量耗时； 3. 密度随温度、压力而变化，在温度、压力变化比较频繁的情况下，难以达到测量的目的。 用质量流量计来直接测量质量流量，则无需再进行上述人工换算。,8.2 流量测量仪表,95,1、直接式 2、间接式,质量流量计大致分为两大类：,8.2 流量测