中国石油大学化工检测仪表第五章-流量测量1

第五章流量测量及变送 概述节流式流量计动压式流量计转子流量计容积式流量计质量流量计电磁流量计超声流量计离心式流量计小结 第一节概述 流量 流经管道 或设备 某一截面的流体数量 1 流量计量仪表是能源管理和经济核算不可缺少的工具 是交接双方进行贸易结算的依据 流量测量的准确性就显得尤其重要 2 在工业自动化控制系统中只要有流体的系统 都需要进行流量的检测和控制 流量仪表具有两大功用 第一节概述 一 瞬时流量单位时间内流过某一截面的流体数量 1 体积瞬时流量单位时间内流经某一有效截面的流体体积 常用单位 L h m3 h等 2 质量瞬时流量单位时间内流经某一有效截面的流体质量 常用单位 t h kg h等 可采用体积或质量流量来表示 流量 流经管道 或设备 某一截面的流体数量 第一节概述 二 累积流量 总量 某一段时间内流经某一有效截面的流体总和 1 体积累积流量某一段时间内流经某一有效截面的流体体积总和 常用单位 L m3等 2 质量累积流量某一段时间内流经某一有效截面的流体质量总和 常用单位 t kg等 测量瞬时流量的仪表一般称流量计 测量累计流量 总量 的仪表称为计量表 总量表 可以采用体积或质量来表示 4 3 4 4 第一节概述 三 关于气体体积流量测量 气体体积与温度 压力有关流量 标准状态 压力是1个标准大气压 即101 325kPa 但是温度就不尽相同 分为三种 1 当用于贸易结算时 采用标况流量 标准立方米 h Nm3 h 2 对于工艺上 可采用工况流量 立方米 h m3 h 或采用标况流量 标准立方米 h Nm3 h 1954年第十届国际计量大会 CGPM 协议 温度273 15K 0 世界各国科技领域广泛采用这一标准状态 国际标准化组织和美国国家标准规定 288 15K 15 我国 天然气流量的标准孔板计算方法 293 15K 20 各种不同状态的气体体积流量的相互转换 利用以下两个等式 qv0 0 qv20 20 qv15 15 qv qm 2 由理想气体定律 例1 两种不同标准状态流量的相互转换 qv0qv20 例2 工况到标准状态流量的相互转换 qvqv20 1 质量流量相等 空气 1 293 1 205 四 流动状态 当流体充满水平管道并水平流动时 流动状态可分为层流 紊流 1 层流层流是流体的一种流动状态 流体在管内流动 当流速很小时 流体分层流动 互不混合 流体质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动 亦有称为直线流动的 层流状态下 流体的流速在管中心处最大 其近壁处最小 这种流动状态各点的流速相差较大 在测量中 如果仅用某个局部的流速代表整个截面流速 会产生较大的测量误差 2 紊流随着流速的增加 流线不再清楚可辨 流场中有许多小漩涡 此时的水流在沿管轴方向向前运动的过程中 各层或各微小流束上的质点形成涡体彼此混掺 从每个质点的轨迹看 都是曲折错综的 没有确定的规律性 但是从整个管道截面来看 流体每个质点的运动速度接近一致 这种流动状态称为紊流 又湍流 五 流量仪表的分类 1速度式流量计 测量管道中的平均流速 如 差压式 浮子式 靶式 电磁式 涡轮式 涡街式 超声波式等 2 与流体速度分布有关 流量计前后需要直管段或整流器 1 测量平均流速 精度较低 特点 第一节概述 2容积式流量计 3质量式流量计 直接测量体积流量 如 椭圆齿轮流量计 腰轮流量计 刮板式流量计等 直接测量质量流量 如 热式 补偿式 振动式等 特点 1 不需要直管段 特点 1 不需要直管段 2 精度最高 测量精度不受温度 压力 粘度等影响 2 精度高 但与温度 压力有关 第一节概述 五 流量仪表的输出信号 返回 1模拟量输出信号 标准信号4 20mADC二线制或三线制 2脉冲输出信号 如 0 015m3 Pulse Q总 0 06m3 qv 0 06 5 3600 43 2m3 h 第一节概述 3数字输出信号 2 RS485 RS232 RS422 MODBUS协议 1 Hart 节流式流量计 在管道中设置了一个节流元件 节流件上下游产生的差压与流体流量有关 第二节差压式流量计 节流元件 安装于管道中 改变管道中流体流通面积的元件 differentialpressureflowmeter 一 节流原理及流量方程 1 节流原理 第二节差压式流量计 但是 流体流经节流元件将Q P 测量 P进行流量测量 节流原理 能量守恒定律 总能量 动压能 静压能 常数 质量守恒定律 D 管道直径 d 节流元件开孔直径 令 2 流量方程 对理想流体 由能量守恒方程 根据流体连续性方程 质量守恒 不可压缩流体 1 理论方程 由能量守恒方程 等熵指数 可压缩流体 对于理想气体 流体经过节流件是等熵过程 密度与压力的关系 令 P2 P1 可膨胀性系数 低静压 高压差时存在不可忽略的误差 根据流体连续性方程 质量守恒 2 实际流量方程 引入C值修正实际流量与理论流量的差异 则实际流量方程为 C 流出系数 无量纲数 由实验方法按下式得到 雷诺数Red Rek 临界值 C趋于常数 Rek 测量时必须保证流量计工作在大于Rek的区域 1 节流元件前的流体密度 不同的节流元件和不同取压方式其C值不同 标准孔板流出系数与雷诺数的关系 体积流量实用公式 3 实用流量公式 实际工程应用时 流量公式中通常不采用国际单位 kg h d mm P Pa kg m3 流量系数 m3 h 第一节测量原理 质量流量实用公式 直径比 d D C 流出系数 节流装置上游流体密度 D 工作条件下上游管道内径 P 节流装置前后测得的差压 可膨胀性系数 液体 1 可压缩流体 1 A0 节流件的开孔截面积 d 工作条件下节流件的孔径 K通常可用一常数表示 流量与差压的平方根成正比 而且流量值与流体密度有关 当介质密度变化时应考虑密度影响 要想通过差压 P 计算qv或qm 必须已知流量系数K 流量系数K如何得到 第二节差压式流量计 d D K与以下条件有关 1 几何尺寸 d D 2 额定流体条件 P T Q等 第二节差压式流量计 对节流装置进行标定 通过实验得到Q P 的数据 进行数据处理可得到K 特点 精度高 0 5级 费用高 工艺额定流体条件不易满足 1 通过实验标定得到 耗时耗力 不方便 第二节差压式流量计 2 通过查表 计算得到 数据表数据来源 世界各国专家试验总结 ISO5167 1和GB T2624 2008标准 b 已知的额定流体条件和管道 节流元件的几何尺寸等 a 节流装置为国际上规定的标准节流装置 特点 精度较低 1 5级 费用低 直接查表 方便 无需标定 可直接用于流量测量 其误差不会超出规定的数值 查表条件 二 差压式流量计的组成 第二节差压式流量计 差压式流量计的组成 1 节流装置 节流元件和取压装置 2 引压管路与三阀组 3 差压计 差压变送器 P 4 20mA信号输出 将 P 差压计 回零检查及维护 v P决定 第二节差压式流量计 一 标准节流装置 标准节流元件 标准取压方式 ISO5167 1GB T2624 2008标准 标准化 按照国家 国际标准条件和数据设计 加工 制造及安装的节流装置 不必再经单独标定 系数K可查表得到 即可投入使用 其误差不会超出规定的流量不确定度 精度可达1 5级 非标准化 必须用实际流体标定 包括 标准节流元件标准取压方式 取压位置 第二节差压式流量计 1 标准节流元件 标准孔板 标准喷嘴 标准文丘利管 按统一标准进行设计 加工和安装 ISO5167 1GB T2624 2008标准 1 标准孔板 孔板是一块上游具有锐利直角边缘的同心圆形薄板 技术要求 对图中的 及 标准中均有具体规定 a 压力损失较大 b 一般适用于洁净流体 喷嘴的结构形式 喷嘴的结构形式 总体形状 入口平面 收缩部分 喉部 保护槽 其他 ISA1932喷嘴 长径喷嘴 技术要求 2 标准喷嘴 由两个圆弧曲面构成的入口收缩部分及与之相接的圆筒形喉部组成 特点 a 压力损失略小于孔板 b 对带有污垢的流体介质较为适宜 第二节差压式流量计 3 标准文丘利管 包括经典文丘里管和文丘利喷嘴 在标准喷嘴的基础上 增加了扩张段 有利于减小压力损失 经典文丘里管 由入口圆筒段A 圆锥收缩段B 圆筒形喉部C及圆锥扩散段E组成 文丘里喷嘴 ISA1932喷嘴 第二节差压式流量计 三种标准节流元件的区别 压力损失 孔板 喷嘴 文丘利管 加工安装难度 孔板 喷嘴 文丘利管 成本 孔板 喷嘴 文丘利管 标准孔板最常用 其次是标准喷嘴 文丘利管使用较少 同一流量 不同的取压方式 即取压孔在节流件前后的位置不同 取出的差压值也不同 所以 不同的取压方式 对同一个节流件的系数也将不同 K不同 角接取压法法兰取压法 2取压法 也称径距取压法 第二节差压式流量计 2标准取压方式 标准取压方式 按标准规定的位置取压 第二节差压式流量计 1 角接取压 环室 用于400mm以下管径 精度高 单独钻孔 安装方便 紧靠节流件前后端面取压 适于孔板 ISA1932喷嘴 第二节差压式流量计 3 径距取压 2 法兰取压 距节流件前后端面1英寸 25 4mm 处取压 仅适用于孔板 均距节流元件前端面1D 后端面D 2处取压 适用于孔板和长径喷嘴 D D 2取压 第二节差压式流量计 角接取压 法兰取压 径距取压 对同一个节流元件 不同的取压方式 K不同 第二节差压式流量计 1D 最小界面处压力最小 2 5D 8D 文丘里管取压 上 下游取压口应做成管壁多个单独钻孔取压口形式 由均压环将几个取压口连接起来 1 孔板采用角接取压 法兰取压 D D 2取压三种方式 2 ISA1932喷嘴只能采用角接取压 长径喷嘴只能采用D D 2取压 3 文丘里管的取压方式另有规定 归纳 第二节差压式流量计 标准节流装置 标准节流元件 标准取压方式 同时满足 角接取压标准孔板节流装置 K可查表获得 二 差压计 第二节差压式流量计 返回 差压计由两种类型 qv P 节流装置 节流元件和取压方式 的作用 就地指示 I0远传到控制室 节流装置仅产生 P 由差压计测量 P就地指示或I0远传 用于显示 记录或控制 第二节差压式流量计 1 引压管路 将 P 差压计 2 三阀组 回零检查及维护 三 引压管路与三阀组 作用 第二节差压式流量计 三阀组作用 1 防止差压计启动和停运时 因单向受压损坏 2 差压计回零检查 差压变送器能承受 流体压力大 差压小 6 2MPa 6 0MPa 差压计测量 0 400KPa 启动顺序 打开平衡阀2 打开切断阀1 关闭平衡阀2 打开切断阀3 关闭顺序 关闭切断阀1 2 先后无关 打开平衡阀2 为下次运行准备 对于带隔离液的介质流量测量 不能三阀同时打开 第二节差压式流量计 节流装置 节流元件和取压方式 的作用 qv P 3 确定K 根据标准节流装置 流体条件 查表计算获得 2 确定被测流量qv的测量范围 流体条件 由工艺决定 三 流量计算 一旦节流装置确定 这个关系就确定不变了 由此调整差压变送器的测量范围 安装前 需设计计算 4 确定差压变送器的测量范围 由qv的测量范围 可得 1 选择标准节流装置 节流元件和取压方式 第二节差压式流量计 线性 非线性 根据设计要求安装后 正常使用时 下列条件是已知的 使用时计算 1 K 有时是隐含的 一一对应关系 线性 测量范围下限为0 不需迁移 例4 1用一台差压变送器与节流装置配用测量流量 设计流量范围0 125m3 h 差压范围0 80kPa 密度103kg m3 当差压变送器输出12mA时 实际流量为多少 第二节差压式流量计 1 第一种计算方法 由题意 已知 密度不变 计算 P 采用体积流量 线性 第二节差压式流量计 2 第二种计算方法 由题意知 密度不变 不需计算K1 线性 例4 2用一台差压变送器与节流装置配用测量流量 原先设计流量范围0 125m3 h 差压范围0 80kPa 密度103kg m3 实际用于测量密度800kg m3的介质流量 实际流量范围为多少 当差压变送器输出12mA时 实际流量为多少 第二节差压式流量计 由题意知 K不变 采用体积流量 线性 P范围不变 0 80KPa 第二节差压式流量计 由题意知 1 第一种计算方法 当差压变送器输出12mA时 实际流量为多少 线性 第二节差压式流量计 由题意知 2 第二种计算方法 当差压变送器输出12mA时 实际流量为多少 不需计算K 3 确定K 根据标准节流装置 流体条件 查表获得 由此调整差压变送器的测量范围 安装使用前 先需要设计计算 4 确定差压变送器的测量范围 由qv的测量范围 可得 调整后 再安装差压变送器就可以测量了 线性 使用时计算 1 选择标准节流装置 节流元件和取压方式 2 确定被测流量qv的测量范围 流体条件 由工艺决定 可测可压缩或不可压缩流体 流体须是牛顿 单相流体 1 直管段长度 2 管束式流动调整器 四 标准节流装置的管道 安装和使用条件 1 对流体和流动状态的要求 2 管道条件 保证管内流体达到紊流状态 流体要充满管道 不适合脉动流测量 对可压缩流体 节流元件前后压力比应满足 P1 P2 0 75 安装示意图 孔板 喷嘴 文丘里喷嘴的直管段要求 一 优点 1 标准节流装置 有可靠的实验数据和完善的国家 国际标准 结构简单 易于复制 成本低 50 1000mm 不需单独标定 2 可应用领域极其广泛 单相流体 气体 蒸汽 液体 包括天然气的计量 第二节差压式流量计 四 特点 二 缺点 1 精度低 1 5 3级 2 量程比小 3 压力损失大 4 节流件前后有直管段要求 5 不适合测量带颗粒 高粘度的流体 孔板 流量计是按给定操作条件设计计算而成 实用时 被测流体的工作状态变化 需要修正 若变化较大 必须按新的工艺条件重新设计计算 变化较小可据流量基本公式加以必要的修正 五 其它非标准节流装置 特点 自整流 四孔孔板 内锥式 第三节动压式流量计 概述5 3 1靶式流量计5 3 2皮托管和均压管 流体在水平管道中流动时 根据能量守恒定律 有 动压式流量计的种类 靶式流量计 挡板流量计 动压管流量计 皮托管等 概述 式中 u2 2为动压力 与流速u有一定关系 如果迎着流体流动的方向安放阻力体或使管道弯曲 则由于流体流动受阻或迫使流束方向改变 流体必然要冲击此障碍物 失去动量并加在阻力体或弯曲管道上一个等于u2 2的动压力 测出这个动压力或者作用在阻力体上的作用力 便可以知道流速 进而求出流量 这就是应用流体动压力测量流量的方法 5 3 1靶式流量计 孔板 中间流体流通 靶式 两边流体流通 不能测带颗粒流体 带颗粒流体可以通过 一 工作原理 K 比例常数 与靶形状及雷诺数有关 Ad 垂直于流速的靶面积 流体密度 v 环形流通截面平均流速 测量部分 靶 杠杆 密封膜片 测量管路 转换部分 原理同力平衡式差压变送器 靶上作用力可分为三部分 1 流体对靶的冲击力 即流体动压力 2 靶节流作用 在前后侧产生的压差 3 流体对靶的粘滞摩擦力 流体动压原理 动压 F 差压式 中间流体流通 靶式 两边流体流通 targetflowmeter 测得F 可知qv 流量系数 与靶形 管径 直径比 雷诺数等有关 设管径为D 靶径为d 则环形流通面积为 靶式流量计 5 3 1靶式流量计 力平衡式 应变式 实用方程 ReD Rek 常数 与 D有关 与节流式流量计相比 相同 值下 Rek要小 同D值下 Rek 同 值下 D Rek 二 流量系数 相同 值下 压损低于节流式流量计 同流量下 p 三 压力损失 5 3 1靶式流量计 四 流量计算 前面提到大多数变送器的输出电流I与测量输入信号呈线性关系 但 例5 3用一台靶式流量计测量流量 设计流量范围0 125m3 h 密度103kg m3 当变送器输出12mA时 实际流量为多少 由题意 已知 例5 4用一台靶式流量计测量流量 原先设计流量范围0 125m3 h 密度103kg m3 实际用于测量密度800kg m3的介质流量 实际流量范围为多少 当差压变送器输出12mA时 实际流量为多少 第三节靶式流量计 K不变 5 3 1靶式流量计 五 特点 1 可测量含杂质的脏污流体 高温渣油 浆液 沥青等 2 用于小口径 DN15 50 高粘度 低雷诺数流体 3 可测压力高达数十MPa 温度达450 4 压力损失较低 约为标准孔板的一半 5 感测件为无可动部件 结构简单牢固 6 可采用干式 挂重法 校验 给用户周期校验带来方便 六 校验 1 流量计的湿式校验 实际流体实验 2 流量计的干式校验 流量计的干式校验安装简图如图所示 将靶板中心的固定螺钉换成尾部带有小孔的挂重专用螺钉 装好靶板 通过螺钉的小孔挂上砝码盘 使砝码盘重心始终位于靶板的中心轴线上 重力方向垂直于靶平面 由于P0与P不是同一位置引入修正系数 只能测量某一点压力 流速 一 皮托管 由能量守恒得 P0 总压 P 管路静压 5 3 2皮托管和均压管 不是平均流速 总压孔 静压孔 P P0 Pitottube 3 如果需要较高的测量精度 一般是把管道圆形截面积用同心圆方法分成n个相等的圆环面积 测出各环的面积中心速度为ui 再计算平均流速 动压测量管测得的流速 是它所在那一点的流速 而不是平均流速 1 在圆管内作层流流动的流体 距管中心0 707R R为圆形管道的半径 处的流速 等于截面上的平均流速 理论和实践均证明 2 如果圆管内达到充分发展的紊流流动 在直管段大于50倍管径的情况下 根据实验 距管中心0 762R处的流速近似等于平均流速 测量点的分布 一般取n 5 每个环形面积要测4点流速 均压管测量示意图 二 均速管 在取压管中间插入一根取总压力平均值的导管 导管取压孔开在管道轴线位置 背着流束方向安置一根导管取静压力 由均压元件组成的流量计称为均速管流量计 动压平均管流量计 Annubar流量计 又名笛形管 也称阿牛巴流量计 是在皮托管流速测量原理的基础上发展起来的 annubarflowmeter 阿牛巴流量计特点 1 精度1 0级 2 安装简便 压损小 强度高 不受磨损影响 无泄漏等特点而成为替代孔板的理想产品 第四节转子 浮子 流量计 流通面积A0 第四节转子 浮子 流量计 一 工作原理 转子在竖直锥管中随流量变化而升降 改变流通面积测量流量 转子受力分析 转子在某一位置平衡时 流体差压 转子重力 浮力 转子流量计 不变 不变 又称变面积流量计 又称恒压降流量计 rotermeter 返回 流量 转子工作过程 在某一位置平衡时 返回 计算公式推导 在某一位置平衡时 由节流原理 下面看A的计算公式 其中A是环隙面积 如果锥半角足够小 则忽略二次项 锥形管锥度为40 3 二 分类 1 玻璃管转子流量计 用于就地指示 不适用高温 高压场合 不能远传 易碎 2 金属管浮子流量计 用于远传 高温 高压场合 远传式转子流量计 三 转子流量计示值修正 国产仪表 流量计刻度在工业标准状态 20 0 101325MPa 下 以水或空气为介质单独标定所得 返回 若介质密度或工作状态不同 须修正 中国 20 0 101325MPa 国际上 0 0 101325MPa 流量计刻度在工业标准状态 20 0 101325MPa 下 以水或空气为介质单独标定所得 1 液体流量的修正 标定时 刻度状态 实测时 工作状态 则修正公式为 Q0 水标定的刻度流量 w 水的密度 Q 密度 的实际流量 返回 流量计显示流量 修正后的实际流量 2 气体流量的修正 工作状态下实际流量 如需将工作状态下流量换为工业标准状态下气体流量 标定时 实测时 则修正公式为 将 和qv代入 得 介质 空气 实际工况流体 标准状态下实际流量 例 4 5 用转子流量计测CO2气体流量 测量时被测气体t 40 P 0 49 105Pa 若流量计读数为120Nm3 h 问CO2实际标况流量是多少 解 已知Q0 120Nm3 h T0 293 15K P0 0 10133MPaP 0 049 0 10133 0 15033MPa T 40 273 15 313 15K 由气体性质表查得 20 0 10133MPa条件下 0 1 205kg m3 0 1 842kg m3 则代入修正公式得 在低压下Z Z0 四 特点 1 适用于小管径 小流量气体或低粘度液体测量 常用仪表口径 40 50mm以下 最小为1 4mm 玻璃管最大口径100mm 金属为150mm 4 只能用于自下向上竖直流动管道 3 受被测介质密度 粘度 温度 压力等因素影响 精度较低 最高1 0级左右 2 压力损失较低 平衡时为恒压降 缺点 1 与流体速度分布有关 需要直管段 2 测量平均流速 精度较低 3 测量瞬时流量 间接测量Q 第五节容积式流量计 前面介绍的流量计属于速度式流量计 特点是 主要用于 在工业生产过程中保证生产的正常进行 需要进行流量的检测和控制 下面介绍用于 交接双方进行贸易结算的流量计 计量表 流量测量的准确性就显得尤其重要 属于累计流量 容积式流量计 第五节容积式流量计 常用 椭圆齿轮流量计 罗茨流量计 腰轮流量计 刮板流量计 旋转活塞流量计等 工作原理 利用机械测量元件把流体连续地分割成已知固定体积的单元流体 根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量 即容积分界法 V0 固定体积 N 测量元件的转数 k 与流量计结构有关的系数 容积式流量计 又称定排量流量计 positivedisplacementflowmeter 简称PD流量计 常应用于 油品 天然气等 的总量测量 用于贸易结算 5 5 1椭圆齿轮流量计 ovalgearflowmeter 图a P1 P2 A为主动轮 B为从动轮 图b A B均为主动轮 图c B为主动轮 A为从动轮 椭圆齿轮 误差 泄漏量 齿轮间隙 8 要求被测流洁净 在流量计前加装过滤器 6 压损大 结构复杂 体积笨重 故适合于中 小口径 7 不适用于高温或低温场合 温度范围 30 160 压力 10MPa 特点 1 精度高 可达0 2 0 5级 一般用于计量仪表 累计流量 2 管道安装条件对计量精度没有影响 不要求直管段 3 通过进出口之间产生一定的压力差推动 直读式无需外部能源 若要远传可以另接发讯器 输出脉冲信号 4 特别适合高粘度流体测量 5 量程比大 一般为10 30 1或更大 允许微小颗粒通过 可测液体或气体 缺点 体积大 笨重 维修不便 压损较大 运行中有震动 精度 0 1 0 5 可作标准流量计 口径 16 500mm 5 5 2腰轮流量计 由一对表面光滑的 8 字形转子 腰轮 代替椭圆齿轮 由于测量室内没有齿轮 泄漏量减小 可以用来测量低粘度介质 甚至气体 rootsflowmeter 又称罗茨流量计 5 5 3刮板流量计 在流量计测量室内有两对或三对可旋转的刮板 在转子圆筒的槽内刮板沿径向滑动 在有压流体的作用下 推动刮板与转子旋转 slidingvaneflowmeter 特点 除了具有一般容积式流量计的特点外 与椭圆齿轮 腰轮相比还有以下特点 1 刮板不易磨损 能承受高压力 2 比速度式流量计压降大 但优于其它容积式流量计 3 流体内的杂质和气体含量较少时 可以直接测量 含量较高时 建议在流量计前加装过滤器 消气器或消气过滤器 4 由于刮板的特殊运行轨迹 使流体通过流量计时基本不受干扰 不产生涡流 震动和噪音小 5 5 4双转子流量计 又称螺杆流量计 流量计的一对特殊齿型的螺旋转子直接啮合 无相对滑动 不需要同步齿轮 靠进 出口处较小的压差推动转子旋转 两个转子各自作等速 等转矩旋转 排量均衡无脉动 biRotormeter 双转子流量计的特点 1 精度可达 0 1 特别适用于食品 化学溶液 氨水 液化气 苯 醇 醚和醛类 原油 高凝油 高含水原油 等石油制品的商贸交易计量和工程自动化计量管理控制 2 转子等速转 等转矩旋转 流量均匀 无脉动 振动 噪声小 而且转子之间互不受力 齿面力为零 4 压力损失比前几种容积式流量计小 即使在小流量范围内运行也能准确计量 3 与同种口径前几种容积式流量计相比 流量大30 40 5 5 5湿式气体流量计 在使用前 必须进行水平及液位调整 一个圆形封闭的壳体 后面有进气管 上面是出气管 进气和出气以水或油封闭隔离 底部是3个可调底脚 可调整使整机呈水平状态 侧面有一个控制液面的溢水阀口 侧面视图 wettypegasmeter 5 5 5湿式气体流量计 4 工作压力一般不高于1500Pa 1 精度 0 5级 0 2级 无泄漏 2 规格通常有0 5L 1 5L l0L 20L等 3 压力损失小 一般只有几百帕 特点 多用于实验室小气体流量测量 或作为标准表来校验膜式燃气表等小流量类的气体流量计 1 被测气体不能溶于液体或与液体反应 需注意的问题 2 必须保证水平 液位高度 5 量程比很宽 100 1 5 5 6膜式气体流量计 膜式气体流量计又称为风箱式流量计 皮膜式干气表 煤气表等 主要用于家庭燃气的流量测量 燃气计量表最先叫煤气表 湿式燃气计量表发明于1815年 它是由英国工程师塞缪尔 克莱格和塞缪尔 科思莱兄弟共同协作研制出来的 1833年 詹姆斯 博格达斯发明了干式燃气计量表 现在的膜式燃气表就是在此基础上不断完善和发展起来的 至今已经经过了170多年的发展历程 5 5 6膜式气体流量计 膜式燃气表是一种机械仪表 膜片运动的推动力是依靠燃气表进出口处的气体压力差 皮膜 联动滑阀盖移动 限位 两皮膜四测量室结构 膜式气体流量计主要是由测量室 控制阀门 联动机构和计数器等4个部分组成 测量室 用浸油羊皮或合成树脂薄膜制成的可伸的皮囊 有限位 控制阀门 是滑阀 盖移动 用来交替控制气体流入或流出测量室 联动机构 由主轴 连杆 曲柄等组成 用来保持皮膜和滑阀动作的同步 计数齿轮等机构 将皮膜运动的循环次数转换成流体的体积总量给出 膜式燃气表是一种机械仪表 皮膜运动的推动力是依靠燃气表进出口处的气体压力差 到达限位位置联动机构带动滑阀盖移动 限位 第一过程 第二过程 第三过程 第四过程 每一个运动周期 燃气表都进入和排出四个固定体积的气体 通过计数齿轮等机构将皮膜运动的循环次数转换成流体的体积总量 远传 IC卡 测量的是工况累计流量 从经济考虑 不测压力 温度 精度不高 1 5 3级 常用于家庭贸易结算 工业大用户 一般不用 P小于5kPa 检定温度 20 2 5 5 6容积式流量计的主要特性 1 容积式流量计具有精度高 稳定性好 寿命长等优势 常用于贸易结算的累积流量计量 2 直读式流量计无需外部能源可直接获得累计总量 操作简单 如果需要显示瞬时流量或远传 还需附加其他装置 3 结构复杂 体积较大 在大流量 大管径计量上已逐渐被涡轮式 电磁式 涡街式流量计替代 4 工作条件局限性较大 不适用于高 低温场所 只适用于洁净的单相流体 容易产生噪声及振动 缺点 优点 所以 容积式流量计的压力损失主要是由上述的机械阻力和流体的粘滞性所引起的 并且比较大 5 5 6容积式流量计的主要特性 一 压力损失特性 容积式流量计的测量元件的动作都是依靠流体压差的作用来推动的 为克服运动件动作所产生的机械阻力 就要消耗掉流体的一部分能量 另外 流体具有粘滞性 在流体流过流量计时也要消耗掉流体的部分能量 因而在流量计两端出现不可恢复的压力降 并称之为压力损失 一般是把流量计的入口法兰和出口法兰处的压力差作为流量计的压力损失 5 5 6容积式流量计的主要特性 二 泄漏量与误差 多数容积式流量计由于间隙的存在 泄漏是不可避免的 泄漏流量可用下式关系表示 压力1 2 3 4 如果需要输出4 20mA或脉冲信号 需要另配发讯器 对于容积式流量计 标配是用于就地指示 不配置信号输出 罗茨 腰轮 流量计 刮板流量计 5 5 7容积式流量计的附属设备 一 发讯器 光电式脉冲转换器 发讯器 罗茨 腰轮 流量计 5 5 7容积式流量计的附属设备 二 过滤器 为防止管线及油中的铁屑 焊渣 石块等杂质和脏物进入流量计 影响流量计正常运行 延长流量计的使用寿命 因此在每台流量计的进口处安装过滤器 过滤器主要由筒体和过滤网组成 被计量的液体经过过滤网时 杂质和脏物被留在过滤网内 当需要清洗时 只要把筒体上盖打开 就能把过滤网提出来清洗 它的主要优点是清洗 检修方便 为便于清洗时排出油污 在它的底部安装了排油阀 5 5 7容积式流量计的附属设备 三 消气器 气体的产生 1 管线是空的 新管线 2 油流在经过弯路 流动方向的改变 节流等情况 排放出溶解于液体中的气体 以气泡的形式存在 3 管路中出现负压 大气中的气体被吸入液流中 这样大小不等的气泡在管路中就占据一定的容积 流量计对输送的油流计量时 就会把气体占有的体积量也一并计算在内 产生误差 5 5 6容积式流量计的附属设备 三 消气器 消气器首先是使油品和气体分离开 当含有气泡的液体顺输油管道进入消气器 在油气底部遇到中间筒底的斜板而形成漩涡 又沿着中间筒外围的环状空间上升到容器的上部 逐渐形成一个气体空间 出现油气界面 随着气体空间的扩大 油气界面下降 当油气界面下降到一定程度 安装在消气器内的浮球连杆机构动作 打开排气阀 将分离出来的气体排出 容积式流量计安装示意图 1 消气器2 6 压力计3 过滤器4 8 9 10 12 14 阀门5 温度计7 流量计11 13 检漏阀 1 安装时 流量计上的箭头方向应与流体的流动方向一致 流量计与两侧的直管应为同轴线 2 为便于观察和检查 旁路管道的切断可采用关闭装置 它由两个开关阀串联 并在两个阀间的连接短管上 设一小口径检漏阀 可方便地检查阀的切断性能 速度式流量计 特点 1 与流体速度分布有关 需要直管段 2 测量平均流速 精度较低 第六节质量流量计 间接测量Q 容积式流量计 直接测量体积流量qv 如 椭圆齿轮流量计 腰轮流量计 刮板式流量计等 特点 1 不需要直管段 2 精度高 但与温度 压力有关 质量式流量计 精度最高 测量精度不受温度 压力 直接测量质量流量 第六节质量流量计 1 直接式 直接检测与qm成比例的变量 2 间接式 推导式 同时检测qv和 经运算得qm 温度 压力补偿式 同时检测qv t p 由t p计算修正 测量方法 测量的流量计与测量的流量计组合 用差压式流量计 用容积式或速度式体积流量计 测量体积流量计与密度计的组合 第六节质量流量计 科里奥利质量流量计 液体或高压气体 高密度 热式质量流量计 小流量气体或液体 5 6 1科里奥利质量流量计 利用科里奥利力制成的质量流量计 1 科里奥利力 在匀角速度转动参照系中的运动物体 除附加惯性离心力作用外 所附加的另外一种惯性力 科氏力的大小取决转动角速度 和物体的径向速度v fc存在条件 运动速度v和转动角速度 必须同时存在 v与 垂直fc最大 两者平行fc 0 1 右手握起四指为旋转角速度 运动方向 拇指垂直向上的方向为 法线方向P 2 四指由质点运动 流速 方向 向 90 的 法线方向P握起 拇指垂直向上的方向即fc方向 fc方向由右手法则判定 m 5 6 1科里奥利质量流量计 第六节质量流量计 2 科里奥利质量流量计 流量测量管在电磁系统驱动下 以固有频率作周期性振动 频率约80Hz 振幅约1mm U型管流入 流出侧流动方向相反 艾默生旗下高准 MicroMotion 公司 CoriolisMassFlowmeter U型管流入 流出侧流动方向相反 两侧受到大小相同 方向相反的科氏力 则扭转力矩为 返回 则扭转力矩为 U形管刚性作用形成的反作用力矩 Ks U形管扭转变形角 弹性系数 返回 但方向相反 但方向一致 r Ks由U形管材料和几何尺寸所确定的常数 M与w 密度无关 t 两个检测器脉冲之间的时间间隔 第六节质量流量计 返回 德国Endress Hauser 返回 返回 密度测量 密度测量 密度测量 密度测量 德国Endress Hauser 流量管振幅弯管振幅为0 8mm微弯管振幅为0 1mm 驱动频率弯管驱动在80 180Hz直管 微弯管驱动在500 1 000Hz 质量流量计 直管 弯管 微弯管 5 6 1科里奥利质量流量计 用户的需求 直管 微弯管可清洁自排空 无堵塞卫生型 弯管卓越的精度可靠性抗现场干扰能力宽量程比大流量和小流量 CMF010和400 气体应用贸易交接 3 特点 1 直接测量 适合各种液体 足够密度的高压气体或含少量气体的两相流 精度高 0 1或0 2级 2 无直管段要求 3 多参数测量 如同时测量密度 并由此派生出测量溶液中溶质所含的浓度 优点 4 测量值对流体特性不敏感 粘度 密度等变化对测量值得值的影响微小 5 6 1科里奥利质量流量计 缺点 1 对外界振动干扰较为敏感 为防止管道振动影响 大部分型号CMF的流量传感器安装固定要求较高 4 体积笨重 价格较高 2 不能用于较大管径 限于200mm以下管径 3 压力损失较大 与容积式仪表相当 有些型号CMF甚至比容积式仪表大100 科里奥利质量流量计 液体或高压气体 高密度 热式质量流量计 小流量气体或液体 5 6 2热式质量流量计 ThermalMassFlow TMF 主要用于气体测量 有两类 1 量热式流量计利用流动流体传递热量 改变流体或测量管壁温度 2 金氏定律热式流量计 King slawTMF 利用流动流体改变热源热消散 冷却 量的金氏定律 按照热式质量流量计的原理 有的公司也推出了适用于液体微小流量测量的TMF 5 6 2热式质量流量计 利用流动中的流体与热源 流体中外加热的物体或测量管外加热体 之间热量交换关系来测量流量的仪表 式中 T 被测气体的温升 q 流过的被测气体吸收的热量 m 流过的被测气体的质量 Cp 为被测气体的定压比热容 在定压条件下 加热时单位时间内气体的吸收热量为 一 量热式热式流量计 在被测流体中放入一个加热电阻丝 在其上 下游各放一个热电阻测温元件 通过测量 加热电阻丝中的加热电流I得到功率 上 下游的温差 热电阻 来测量质量流量 在 t时间内 加热气体所需能量与气体温度升高之间的关系为 气体吸收热量与该气体的质量成正比 如果管道绝热较好 加热电阻丝只对被测气体加热 热量全部用于温升 内热式 1内热式 I T 利用流动流体传递热量 改变流体 一 量热式热式流量计 在加热线圈两边对称位置绕有两个感温热电阻R1和R2 用于测量与加热线圈对称的上 下游处管壁的温度T1 T2 R1 R2与另外两个电阻R3 R4组成惠斯登电桥 以测量温差 T T T2 T1 加热器提供恒定的热量 通过线圈绝缘层 管壁 流体边界层传导热量给管内流体 边界层内热量的传递可以看作是由热传导方式实现的 2外热式 流量传感器由细长的测量管和绕在其外壁上的加热器及感温元件组成 加热器线圈布置在测量管的中央 它将管壁及管内的流体加热 测量管 采用导热性能良好的金属材料 镍或不锈钢 制成的薄壁管 外热式 利用流动流体传递热量 改变流体或测量管壁温度 影响因素 内热式 I T 1 组分 2 流速分布 二 金氏定律热式流量计 式中 H L 单位长度热散失率 J m h T 热丝高于自由流束的平均升高温度 K 流体的热导率 J h m K cv 定容比热容 J kg K 密度 kg m3 v 流体的流速 m h d 热丝直径 m 金氏定律 热丝热散失率表述各参量间的关系 消耗功率与温差间的关系 式中 E是与所测气体物性如热导率 比热容 粘度等有关的参数 如果气体成份和物性恒定则视为常数 D是与实际流动有关的常数 电阻丝加热 测量流体温度 利用流动流体改变热源热消散 冷却 量 传感器由两个基准级热电阻组成 一个是测量气体温度变化的温度传感器RMG 一个是速度传感器RH 由IH电流进行加热 保持这两个热电阻之间的温度差恒定 1功率测量法 恒温差测量法 2温度差测量法 恒功率测量法 结构 插入式 管道式 整体 小管道 整体 优点 5 量热式仪表用于H2 N2 O2 CO NO等接近理想气体的双原子气体 不必用这些气体专门标定 直接用空气标定的仪表 实验证明差别仅2 左右 用于Ar He等单原子气体则乘系数1 4即可 用于其他气体可用比热容换算 但偏差可能稍大些 气体的比热容会随着压力温度而变 但在所使用的温度压力附近不大的变化可视为常数 5 6 3热式质量流量计的特点 1 可测微小流量量热式可测量低流速 气体0 02 2m s 微小流量 浸入式可测量低 中偏高流速 气体2 60m s 插入式适合于大管径 2 压力损失小 3 广泛适用于各种管道 从毛细管到大管径和方型管等各种管道的测量均可使用 最大可测9000mm直径的管道 4 量程比宽 量程比可达100 1以上 缺点 1 响应慢 时间常数一般为2 5s 响应较快者为0 5s 2 工作时流体的比热容和热导率必须保持恒定才能测量准确 被测气体组份变化较大的场所 因cp值和热导率变化 被测介质工况温度 压力变化范围不大 仅在工作点附近波动 比热容变化不大 可视为常数 4 由于测的是点速度 有直管段的要求 3 测量精度不高 1 3 不能做计量交接仪表 第七节电磁流量计 1 测量原理 法拉第电磁感应定律 导体在磁场中切割磁力线运动时产生感应电动势 其电动势的大小为 B 磁感应强度 L 导体有效长度 v 导体运动速度 运动方向与磁场方向的夹角 前面介绍的流量计有个共同缺点 存在压力损失 ElectromagneticFlowmeter 其电动势的方向与导体运动和磁场的方向有关 遵循弗来明右手定则 1 展开四指 大拇指与四指垂直 2 让磁力线的方向竖直穿过手心 3 大拇指的方向 导体运动方向 4 四指的方向 感应电动势的方向 也可这样判断 食指 磁力线的方向 B 中指 电流 电动势 的方向 I 大拇指 运动方向 F 2 电磁流量计 测量管内的导电介质 导体流体流动V 导体切割磁力线 传感器测量管上下装有励磁线圈 产生磁场B 从两个电极上感应出电势 其电动势的方向遵循弗来明右手定则 B 磁感应强度 D 管道内径 相应于导体有效长度L v 垂直于磁力线方向的流速 C 比例系数 单位换算系数 k 仪表常数 取决磁感应强度 管径 其电动势的大小为 根据以上测量原理 可引出几个重要问题 1 只能测量导电液体 电导率 某一阈值 1 5uS cm 水 20uS cm 但 只要 阈值后 与电导率大小无关 不能测非导电介质 气体 油类 根据以上测量原理 可引出几个重要问题 2 测量管必须是非导磁材料 保证磁场通过 3 测量流速v为垂直于磁场方向的有效速度 测量的是平均速度 需要直管段 2 特点及使用 1 无压损 无阻力件 可测含固体颗粒 悬浮物 液固两相等介质 给排水工程 污水 纸浆 矿浆 强腐蚀液等 2 在管道直径确定 磁感应强度不变的条件下 体积流量与电磁感应电势有一一对应的线性关系 而不受介质的流体密度 粘度 温度 压力和电导率 阈值 等物理性质的影响 3 测量范围宽 量程比可达50 1 100 1 口径1 3000mm 精度较高 可达0 5 1 0级 4 反应速度快 可测脉动流和正 反两向流 优点 1 仅适用于导电液体 阈值 不能测量电导率很低的液体 如石油制品和有机溶剂等 不能测量气体 蒸汽和含有较多较大气泡的液体 缺点 2 由于与磁场强度B有关 易受外界电磁场干扰影响 必须有良好的屏蔽措施 不能安装于强磁场附近 3 测量平均速度 需要直管段 前5D 后2D 4 由于衬里材料和电气绝缘材料的限制 不能用于测量较高温度的液体 超声的一些基本概念 特点在上一章已介绍 第八节超声流量计 传播速度法 多普勒法 超声流量计是一种补充 通过检测流体流动对超声束 或超声脉冲 的作用以测量流量的仪表 电磁流量计不能测量非导电流体 如石油制品和有机溶剂等 不能测量气体 蒸汽和含有较多较大气泡的液体 1传播速度法 第八节超声流量计 ultrasonicflowmeter 顺流 L方向声速 逆流 L方向声速 声速 流速 要求测量 1 时间法 缺点 必须补偿声速c 与温度有关 介质成分等有关 现在常采用时间法 2 时差法 测量顺逆传播时传播速度不同引起的时差计算被测流体速度 3 相位差法 测量顺逆传播时传播时由于时差引起的相位差计算速度 早期由于技术限制 相位差比时差容易测量 现在基本不用 顺流 L方向声速 逆流 L方向声速 声速 流速 4 频差法 测量顺逆传播时传播是的声波频率差 只测 f 现在常用 多通道测量提高精度 四通道 常用于大管道 2多普勒效应法 第八节超声流量计 声源和接收体作相对运动时 接收体接收到的声波频率发生变化 称为多普勒效应 熟悉的多普勒效应 如果波源和观察者之间有相对运动 那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了 这种现象叫做多普勒效应 测出 f就可得到运动速度 169 定量分析 声源 频率f 移动速度u 媒质 声波的速度c 接收者 频率f 移动速度v 声源和接受者相对静止 u 0 v 0 多谱勒效应 170 声源不动 接受者运动u 0v 0 相向 接受者向着声源运动 相背 接受者离开声源运动 多谱勒效应 v 171 声源运动 接受者静止u 0v 0 相向 声源向着观察者运动 相背 声源远离观察者运动 多谱勒效应 uT 声源和接受者都运动u 0v 0 若S和R的运动不在二者连线上 注意 符号规则 超声波多普勒测量车速 超声发射换能器为声源 车作为接受者时 接受者远离 车为声源 超声接收换能器作为接受者时 声源 车 远离 多普勒 效应 流量计 超声换能器A向流体发出频率为fA的超声波 经流体中的散射体 固体颗粒或气泡 散射的超声波产生多普勒频移fD 接收换能器B收到频率为fB的超声波 超声换能器A为声源 散射体作为接受者时 接受者远离 散射体作为声源时 超声换能器B作为接受者 声源远离 优点 2 完全非接触式测量 外夹式 无压损 3 特别适合大口径 大流量 几乎不增加成本 精度提高 1 精度较高 液体 0 5 1 0 气体 1 0 2 5 4 可测量非导电性液体 对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充 2 多普勒法测量精度不高 缺点 1 传播时间法只能用于清洁液体和气体 而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体 应用概况 1 传播时间法应用于清洁 单相液体和气体 典型应用有工厂排放液 液化天然气等 气体应用方面在高压天然气领域 长输管道主干道 已有使用良好的经验 2 多普勒法适用于异相含量不太高 必须有 的双相流体 例如 未处理污水 工厂排放液 脏流程液 通常不适用于非常清洁的液体 流体振动原理 在特定的流动条件下 一部分流体的动能转化为流体振动 其振动频率与流速成正比 分为自然振动和强迫振动方式 第九节流体振动式流量计 5 9 1 涡街流量计 垂直于流体方向插入非流线形柱状物 流速大于某值时 下游两侧交替产生方向相反的非对称旋涡 称卡门涡街 流体自然振动 1911年 空气动力学家冯 卡门发表了 卡门涡街 的论文 解释了水流过圆柱体后的漩涡现象 1911年冯卡门与钱学森 vortexsheddingflowmeter 一 工作原理 在自然界可以见到很多 卡门涡街 现象 如水流过桥墩 风吹过高塔 烟囱 电线等都会形成卡门涡街 漩涡对自