第6章 流量检测

第六章流体流量的测量方法 流量是工质热力状态的主要参数之一 一 流量的几个名词概念 1瞬时流量 单位时间内通过某一截面的流体数量2积分流量或累积流量 一段时间内流过某一截面流体的总量 是瞬时流量对该段时间的积分3平均流量 流过的总量除以时间质量流量 单位时间内流过的质量 qm体积流量 qv 单位时间内流过的体积 qm qv 为流体密度 给出体积流量 须指明流体状态 变化 尤其在测气体时 常将其体积流量换算成标准状态下的体积流量 qvn qv n 三 流量测量系统四部分 传感器 将流量Q qm或qV 转换成与流量有关的某个物理量 如差压 速度等 信号转换装置 将输出量转成电信号 显示积算装置 直接显示瞬时流量或对瞬时流量积分得到累积流量 二 流量测量方法可归结为容积法 速度法和质量式 第一节容积式流量测量方法 一工作原理 如果使流体以固定的 已知大小的体积V逐次从流量计中排放流出 则计数单位时间内排放次数就可以求得通过仪器的体积流量 这就是容积法的工作原理 qv nV二常用的容积流量计及具体工作原理 标准体积管 椭圆齿轮流量计 腰轮流量计 刮板式流量计 湿式气体流量计等 第一节容积式流量测量方法 1椭圆齿轮流量计 齿轮旋转 每转一周 排出四份齿轮和仪表壳体之间形成的月牙空腔容积的液体 因此只有测出齿轮的转速就能知道流体的容积流量 2腰轮流量计 通过壳体外轴上的一对啮合齿轮带动两腰轮 排出流量 可用来测液体 气体 3刮板式流量计 转子带动刮板在凸轮外缘滚动 转子每转一周就有计量容积液体排出 4湿式流量计用于实验式气体容积流量测量 气体从水面下中心位置气体入口进入 推动转翼转动 从气体出口排出 二常用的容积流量计及具体工作原理 第一节容积式流量测量方法 1椭圆齿轮流量计 每转一周 两个齿轮共送出四个标准体积的流体 三 图示 2腰轮流量计 罗茨流量计 腰轮上没有齿 它们不是直接相互啮合转动 而是通过按装在体外的传动齿轮组进行传动 第一节容积式流量测量方法 1适用于小口径流量和高粘度流体流量的测量 2惯性较大 动态特性不好 仪表有可动部分 3存在漏油量 有测量误差 小流量不精确 1 使用时要求流量要达到15 20 满量程 见P184页误差曲线2 流量不许超量程 转动会部分磨损 3 滑漏量与流体的粘度有关 粘度大 滑漏量小 计量不同粘度的液体 可用粘度修正公式修正 四容积式流量计的测量特点 第一节容积式流量测量方法 五 容积式流量计转速信号的测量1两大类方法 1 机械计数器进行累积计数 2 转换成频率信号 通过电量远传发信器进行远传显示 2电量远传发信器 转换成频率1 种类 干簧继电器 高频振荡发信 电感发信 光电发信 2 干簧继电器发信 减速的齿轮带动一永久磁铁 通过磁铁的吸合来发出一个个电脉冲供远传 此法简单 但干簧继电器寿命短 第一节容积式流量测量方法 2 高频振荡发信器利用电磁感应原理将转速信号变成电脉冲信号 具体作法 在仪表出轴上安装一等距离开槽的测速齿轮 齿轮两侧的机壳上有电感线圈 齿轮旋转 改变互感 由于电感线圈与电容和晶体管组成了振荡器 通过其振荡频率可的转速 f zn 60 五 容积式流量计转速信号的测量 2电量远传发信器 转换成频率 第一节容积式流量测量方法 1 容积式流量计使用时要加滤网 仪表处加旁路 便于清扫 2 被测液体混有气体时 要加装气体分离装置 3 注意被测流体的温度 六 容积式流量计使用时注意 第二节速度式流量测量方法 一工作原理 直接测量管道内流体的速度测流量 如测得是平均流速 则容积流量 如测得是某点流速v 则体积流量 K为平均流速与被测点流速的比值 1 注意事项 因使用平均流速 故其测量结果的准确度不仅与仪表本身有关 而且与截面上的流速分布情况有关 因此在测量仪表前后有足够长的直管段或加装整流器 2 要充分了解被测流体的速度分布 流体在细管中的流动形式可分为层流和紊流两种 所谓层流 laminarflow 就是流体在细管中流动的流线平行于管轴时的流动 所谓紊流 turbulentflow 就是流体在细管中流动的流线相对混乱的流动 利用雷诺数可以判断流动的形式 如果雷诺数小于某一值时 可判断为层流 而大于此值时则判断为紊流 在层流流动状态下 流速分布是以管轴为中心线的轴对称抛物线分布 在紊流流动状态下 管内流速同样是以管中心线轴对称的分布 但是其分布呈指数曲线形式 第二节速度式流量测量方法 二常用种类涡轮式 电磁式 超声波式 热式和差压式 一 涡轮流量计1组成 两部分 变送器和指示积算器 1 变送器将流量转换成一定频率的脉冲信号输出 2 指示积算器接受变送器输出的脉冲信号 将其转换 放大 运算 逻辑计数 显示瞬时流量和累积总量 1 变送器的结构 涡轮 导流器 磁电转换器 如图所示 壳体和导流器由不导磁材料制成 导流器的作用是支承叶轮并导直流体的流动 以减少流体自旋及涡漩的干扰 涡轮流量计结构1 涡轮 2 支承 3 永久磁钢 4 感应线圈 5 壳体 6 导流器 第二节速度式流量测量方法 一 涡轮流量计 2工作原理 1 紧固件 2 壳体 3 前导向体 4 止推片 5 叶轮 6 电磁感应式 信号检测器 7 轴承 8 后导向体 涡轮流量计结构 2 工作原理 1 在仪表中装一旋转叶轮 流体流过时 推动涡轮旋转 涡轮的转速与流速成正比 2 涡轮转动时 涡轮上导磁的叶片顺次接近管壁上的线圈 改变线圈磁回路的磁阻 使线圈磁通量发生变化 产生与流量成正比的脉冲信号 3 将此脉冲转换成电流信号给出瞬时流量信号 累积得到累计流量流量 同时 这种将转速转换成脉冲信号的方法叫磁阻法 第二节速度式流量测量方法 二常用种类 一 涡轮流量计 2工作原理 第二节速度式流量测量方法 3流量和脉冲信号的转换公式 二常用种类 一 涡轮流量计 1 流量一转速 2 转速 频率 f zn 3 流量 频率 4 仪表常数 仪表常数 意义 单位体积流量输出的脉冲数 值为常数吗 a注意 从理论上说 在一定条件 流体性质 状态 变送器结构 流量一定 下 是一个常数 当上述条件变化时 值也随之变化 见P188图 因为上述条件都将能影响到式中的参数C 第二节速度式流量测量方法 二常用种类 一 涡轮流量计 3流量和脉冲信号的转换公式 4 仪表常数 b实际上 涡轮流量计出厂时 值由厂家根据适用的流体标定给出 第二节速度式流量测量方法 4涡流流量计使用的注意事项注意 1 仪表允许的使用特性在曲线的平直部分 的线性度 0 5 复现性 0 1 2 仪表前后要有直管段 前15D 后5D 防止管内流速分布不均匀的影响 3 仪表前加滤网 防止杂质进入 使用时不超过规定的最高工作温度 压力和转速 水平安装 加逆止阀 一 涡轮流量计 第二节速度式流量测量方法 二 漩涡流量计 涡街 1发展历史 是70年代发展起来的一种新型流量计 它适用于气体流量和液体流量测量 仪表的精确度高 达 1 0 量程比宽 B 30 1 输出线性好 它输出频率信号 抗干扰性能好 便于远距离传输 在火电厂可用于送风流量的测量 涡街流量计由检测器和转换器组成 2工作原理 漩涡流量计是利用流体流过阻碍物时产生稳定的漩涡 通过测量其漩涡产生频率而实现流量计量的 3卡门涡街 1911 冯 卡门 在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线性柱形体 加三角柱 圆柱等 称之为漩涡发生体 见图 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列 这就是所谓的卡门涡街 第二节速度式流量测量方法 二常用种类 二 漩涡流量计 涡街 4涡街稳定的条件 h可通过以柱体特征尺寸l保证 5漩涡发生的频率 f Stv lSt斯特劳哈尔数 它是以柱体特征尺寸l计算流体雷诺数Rel的函数 在500 150000范围内基本不变 柱体 0 2 三角体0 16 6体积流量与频率之间的关系 第二节速度式流量测量方法 二 漩涡流量计 涡街 6旋涡发生频率f的检测方法 第二节速度式流量测量方法 二 漩涡流量计 涡街 热检法 差压法 1 热检法 三角柱迎流面中间对称嵌入两个热敏电阻 其中通恒定电流 以这两个热敏电阻为电桥的两臂 当三角柱两侧交替发生漩涡时 发生漩涡处由于流速降低 换热条件变差 这侧热敏电阻温度升高 阻值变小 在电桥对角线就输出电压脉冲 与漩涡频率对应 进而得到流量值 7涡街流量计的特点及安装 1 频率只与流速有关 在一定雷诺数范围内 不受流体性质 压力 温度 粘度和密度等 的影响 故可不需单独标定 2 测量精度高 误差约为1级 重复性约 0 5级 不存在零点漂移的问题 3 压力损式小 流量测量范围宽 涡街流量计特别适于大口径管道的流量测量 使用时前面要有20D长 后面要有5D长的直管段 管段的内壁上要光滑 创造此条件有能有困难 第二节速度式流量测量方法 二 漩涡流量计 涡街 第二节速度式流量测量方法 三 电磁流量计根据法拉第电磁感应定律 测量导电液体 1工作原理 均匀磁场中 垂直于磁场方向直径为D管道 当导电液体流动时 导电液体切割磁力线 在磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势 该电动势和流速成比例 第二节速度式流量测量方法 2体积流量和流速的关系或者K电磁流量计的仪表常数 D B一定 K为常数 电势和体积流量为线性关系 二常用种类 三 电磁流量计 第二节速度式流量测量方法 3 电磁流量计的特点 1 无可动部件和插入管道的阻流件 故压力损失小 2 测量范围大 管径可从1mm 2m 量程 0 5 10m s 3 反应灵敏 可测双相流及脉动流量 4 之前要有长度5 10倍管道直径的直管段 5 工作温度不超过2000C 压力不过高 6 被测介质必须是导电的 不能测气体 蒸汽及石油产品等 第二节速度式流量测量方法 三 电磁流量计 第二节速度式流量测量方法 四 超声波流量计1工作原理 超声波脉冲在流体中向上游流和向下游的传播速度不同 叠加了流体流速 故可根据超生波向上 下游传播速度之差测得流体的流速 2测速度之差法 时差法 测量顺 逆流传播时由于超声波传播速度不同而引起的时间差 相差法 测量超声波在顺 逆流中传播的相位差 频差法 是目前常用的测量方法 第二节速度式流量测量方法 1 时差法静止流体中的声速为c 流体速度为v 发送器与接收器之间的距离为L 则传播时间差为 当c v时 四 超声波流量计 2测速度之差法 第二节速度式流量测量方法 2 相差法如发送器发出的是连续正弦波 则上 下游接收到的波的相位差 但流体的声速c随温度而变化 因此造成误差 须采用流体温度补偿装置 二常用种类 四 超声波流量计 2测速度之差法 第二节速度式流量测量方法 3 频率法 1 好处 可消除声速的影响 二常用种类 四 超声波流量计 2测速度之差法 2 频差和流量的关系 f与管道直径的平均速度vD有关 流量与管道截面的平均速度V有关 二者有系数的差别 超声波换能器 既能发射超声波 又能接受超声波 两者结构性能完全相同 接收和发射的换向由定时器4控制的切换开关完成 第三节差压式流量测量方法 1工作原理 伯努利定律 通过测量流体流动过程中产生的差压来测量流速或流量 2种类 毕托管 均速管 节流变压降流量计 流体伯努力方程 第三节差压式流量测量方法 一 毕托管1差压和流速关系 1 不可压缩流体 按照伯努里方程 假设全压与静压取压口在同一点上 有 整理得 对可压缩流体 1 可压缩性校正系数 流体为液体时 0 2 3 由于各种误差存在 流速和差压的公式还要乘以校正系数 标准毕托管为1 第三节差压式流量测量方法 2毕托管的结构 1 对毕托管部件尺寸有要求 2 测量时必须将毕托管固定 3 毕托管探头的轴线必须与管道中心轴线平行 4 前后要有足够长的直管段 一 毕托管 第三节差压式流量测量方法 3平均流速的测量 1 毕托管只能测管道某一点的流速 并不是平均流速 2 在层流中 平均流速从管壁算起为y 0 2929R处 3 紊流由于截面的流速与雷诺数有关 故用实验法在截面上取若干个测点处 确定平均流速 推荐用 对数 线性 方法确定测点位置 一 毕托管 圆形取3或5个 位置见书 各点权值相同 矩形取26个 位置也见书 各点的权值不同 第三节差压式流量测量方法 1起因 1 毕托管的问题 用实验法求平均流速 计算繁琐 测试时间长 且只应用于稳定工况及大口径流量计 2 均速管 阿纽巴 可自动平均个测点得到得差压 求取截面的平均流速和体积流量 二均速管 第三节差压式流量测量方法 1 均速管的迎流面上有四个取压孔 测取此四点的全压 取平均后被引出 此四孔的位置用切比雪夫数值积分法确定r1 R 0 4597 r2 R 0 8881 r为取压孔距管道中心的距离 2 另一压力由均速管背流面的管道中心处取得3 用上两压力差代表平均流速和体积流量 二均速管的工作过程 4 均速管流量公式 流量系数 制造厂给出 修正系数 规定的雷诺数 结构和流体状态 KRe雷诺数偏离的修正系数 K 可压缩修正系数 K 流体状态修正系数 第三节差压式流量测量方法 1 其前直管段7 24D 后直管段3 4D2 均速管的特点 结构简单 安装维护方便 价格低 压力损失小 适用管径范围宽 缺点 差压输出小 灵敏度低 量程比小 3 1 很难用于带尘气流的测量 二均速管的使用及特点 五质量流量计 质量流量计通常可分为两大类 直接式质量流量计和间接式 推导式 质量流量计 直接式质量流量计直接输出与质量流量相对应的信号 反映质量流量的大小 间接式质量流量计采用密度或温度 压力补偿的方法 即在测量体积流量的同时 测量流体的密度 或者测量流体的温度 压力值 按一定的数学模型自动换算出相应的密度值 再将密度值与体积流量值相乘可求得质量流量 科里奥利质量流量计是利用流体在振动管中流动时能产生与流体质量流量成正比的科里奥利力这个原理制成的一种直接式质量流量仪表 科氏质量流量计适用于密度较大或粘度较高的各种流体 含有固体物的浆液和含有微量气体的液体 以及有足够密度的高压气体 否则不够灵敏 利用流体热交换原理构成的流量计称为热式质量流量计 其工作机理是利用外热源对被测流体加热 测量因流体流动造成的温度