第四章-流量测量

传感器感受流量Q的变化 Q可以是质量流量qm或体积流量qV 其输出为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变成相应的电信号 然后由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 四 流量计的校验与标定流量计的标定是一件比较困难的工作 因为流量是质量或体积对时间的导数 难以由定义直接做出流量单位的标准器 一般是在流量不变的前提下 使流体连续流入标准容器V中 精确测量流体流动的起止时间和流入容器的流体总量 用平均流量代替瞬时流量作为标准 因此 在累积时间内 必须保证流体流动高度稳定 并且计时和计量都要足够准确 第二节涡轮流量计一 涡轮流量计的组成及测量原理涡轮流量计由两部分组成 变送器和指示积算器 变送器完成将被测流量转换成一定频率的脉冲信号输出 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 涡轮流量计实质上为一零功率输出的涡轮机 其变送器主要由涡轮 导流器 磁电转换器组成 结构如图4 2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 1 流量一转速的转换原理当涡轮处于匀速转动的平衡状态时 假设不计叶轮转动的摩擦阻力 流体粘性阻力及感应线圈中感应电流所引起的电磁反作用力矩的影响 设涡轮叶片与轴线的夹角为 叶轮的平均半径为r0 流体的流通面积为A0 流体流经叶轮相应半径r0处的轴向流速为v0切向流速为vg 故有式中C 与叶轮参数 轴向流速分布有关的系数 平均流速 2 叶轮转速的测量在涡轮流量计中 叶轮的转速是通过磁电转换的原理来测量的 输出信号为代表转速的脉冲频率信号 磁电装置中的永久磁钢上绕有线圈 当叶片转动经过永久磁钢的顶部时 因叶片为导磁材料而改变原磁路的磁阻 从而使磁通发生变化 故在线圈上感应出电势信号 显然电势信号是脉动式的 其频率为f zn式中z 涡轮上的叶片数 式中 仪表常数 在一定时间间隔内对流量进行积分时 得累积的总流量为 式中N 在t1到t2时间间隔内流过QV流体时输出的脉冲数 仪表常数 的意义为单位体积流量输出的脉冲数 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 这是因为上述条件都将能影响到式中的参数C 在前述qV n关系推导的前提条件中 流体的粘滞阻力将会影响流通截面A0上的流速分布 这种影响也表现为C的变化 从理论上研究各种因素对C的影响较为复杂 对于涡轮流量计 反映C值变化的是仪表常数 它是根据实际情况标定的 而且在使用的范围内按实际标定出的 值是常值 下图是仪表常数 随Re变化的特性曲线 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 二 磁电转换器磁电转换器是把涡轮的转速转换成电气频率信号的装置 它由磁电感应装置和前置放大器组成 转速一频率转换是一种磁阻式磁电感应转换方式 感应装置安装在管道外部壳体上 它是由永久磁钢和感应线圈组成 正对下部的转动涡轮 涡轮转动时 当叶片转到永久磁钢的正下方时 磁路的磁阻最小 当叶片转过时 磁阻变大 由于磁阻的变化 所以磁路中的磁通发生变化 因此在线圈中感应出电势 其电势是脉动电势 频率f zn 感应出的电势信号比较微弱 经置于转换器之中的前置放大器放大后输出 二 流量指示积算器流量指示积算器是涡轮流量计的显示器 它完成瞬时流量的显示和总量显示 它的电路主要有两部分 瞬时流量显示电路和总量显示电路 涡轮流量计的这种显示器 实际上是一个脉冲频率测量和计数的仪表 它将涡轮变送器输出的单位时间内的脉冲数和一段时间内的脉冲总数按瞬时流量和累积流量显示出来 这类显示仪表的类型很多 在仪表设计中可根据实际需要灵活选用 下图是一种显示仪表的工作原理方框图 仪表由整形电路 频率 电压变换电路 仪表常数除法运算电路 电磁计数器和自动回零电路 机内振荡器和电源等部分组成 显示仪表工作原理方框图 第三节转子流量计转子流量计是工业生产过程中应用较为广泛的一类流量计 它又称浮子流量计 恒压降变截面流量计 按锥形管材料的不同可分为玻璃管转子流量计和金属管转子流量计 玻璃管转子流量计耐压能力低 一般为就地直读式 金属管转子流量计耐压能力高 一般有就地指示型和信号远传型 转子流量计适用于多种介质的流体 气体 液体 在火电厂中 常用于化学水处理过程的水流量测量和锅炉点火过程控制中的轻油油量测量 它特别适用于小管径 低雷诺数的中小流量测量 一 玻璃管转子流量计 一 结构组成玻璃管转子流量计主要由锥形管 转子两部分组成 玻璃管转子流量计1 罩壳 2 玻璃锥管 3 浮子4 密封填料 5 连接法兰 二 工作原理及流量公式浮子处于锥形管中 相当于通流面积A0可变的节流件 流体流经节流件所产生的差压与体积流量的关系如下 式中 与浮子形状 尺寸等有关的流量系数 流体密度 当浮子处于力平衡情况下 差压对浮子产生向上的作用力加上流体对浮子的浮力 等于浮子的重力 即由此可知式中Af 浮子的有效面积 Vf 浮子体积 f 分别为浮子材料和流体的密度 g 当地的重力加速度 体积流量qV与通流面积A0之间的关系 考虑到锥度很小的锥形管中通流面积A0与浮子在管中的高度H近似成正比 即A0 CH式中C 与圆锥管锥度有关的比例系数 因此可得体积流量与浮子高度的关系式 由上式可知 如果增大锥管长度H 增大锥度 可扩大仪表的量程 提高流量测量范围 流量公式中的流量系数 与浮子的形状以及流体的雷诺数等有关 对于一定的浮子形状 当雷诺数大于某一数值时 流量系数趋于一常数 因此 对于一定材料 形状的浮子和一定密度的流体 雷诺数在低限雷诺数以上 就能得到体积流量和浮子位置之间的线性刻度关系 如图4 9所示三种浮子的转子流量计流量系数 与雷诺数的关系 1为旋转式浮子 它的低限雷诺数约为6000 较其它两种下限值要高 多用于直接指示的转子流量计 2为圆盘式浮子 它的低限雷诺数约为300 3为板式浮子 低限雷诺数约为40 它们在较低的雷诺数下 流量系数 就趋于常数 流量的测量范围比较宽 玻璃转子流量计的示值显示有两种 一种在锥管上由转子的高度直接读出流量值 另一种是采用百分刻度 分为等分和非等分刻度 二 金属管转子流量计金属管转子流量计的锥形管是用金属材料制成的 对于流量的检测原理与玻璃管转子流量计是相同的 很显然 测量时不能直接从锥形管内直接测出浮子的位置 因此都是把浮子的位移再进行传递变换 传递变换后的位移信号可以直接用于就地指示 也可以将该位移进一步进行电气信号的转换 金属管转子流量计有就地指示型和电气信号远传型 由于浮子的位移必须经过传递机构进行转换 所以浮子的位移与流量一般是非线性关系 这主要是位移传递机构所致 第三节涡街流量计涡街流量计 又称旋涡流量计 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 一 测量原理这种流量计的工作原理是利用了流体力学中的卡门涡街现象 即在流体中放置一个外形为对称形状的非流线型柱体 在一定的雷诺数范围内 它的下游两侧就会交替产生两列不对称的的漩涡 两侧漩涡的旋转方向相反 并轮流从柱体上分离出来 在下游侧形成所谓的 涡街 如图所示 涡街 的发生情况 a 圆柱体 b 等边三角形柱体 实验表明 当h L 0 281时 产生的涡街是稳定的 这就是 卡门涡街 且单侧的漩涡脱落的频率f与柱体附近的流体流速v成正比 与柱体的特征尺寸l成反比 即式中St 斯特罗哈尔数 无因次数 l 一柱体的特征尺寸 St是以柱体特征尺寸l计算流体雷诺数Rel的函数 经实验验证 Rel在500 150000的范围内 St基本不变 对于圆柱体 St 0 2 对于等边三角柱体 St 0 16 因此当柱体的形状 尺寸决定后 就可以通过测定单侧旋涡释放频率f来测量流速和流量 对于工业圆管 旋涡流量计一般应用在Rel 1000 100000范围内 设管内插入柱体和未插入柱体的管道通流截面比为m 当l D 0 3时 可以证明根据流动的连续性原理 管道的通流截面比与柱体处的流体流速v及无柱体处的管内平均流速有如下关系 圆管中旋涡的发生频率f与管内平均流速的关系为 所以 体积流量与频率f之间的关系为 二 旋涡发生频率f的检测方法只要测得旋涡的发生频率f 就可以测得流体的体积流量 旋涡频率信号f的检出方法很多 可以利用漩涡发生时发热体散热条件变化的热检出 也可以用漩涡发生体两侧产生的差压来检出 差压信号可通过压电变送或应变片变送 等等 三 涡街流量计的特点及安装涡街流量计具有以下的特点 1 漩涡的频率只与流速有关 在一定雷诺数范围内 几乎不受流体性质 压力 温度 粘度和密度等 变化的影响 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 第五节节流式流量计1概述节流式流量计是工业上最为广泛使用的一类流量测量仪表 工作原理 在管道中放置一节流元件 流体流经节流元件时发生节流 在节流元件的前后两侧产生压力差 差压 当流体 工况 管道 节流件 差压取出方式一定时 管道流量与差压有确定的关系 因此可通过测量差压来测量流量 节流式流量计也称为变压降式流量计 分类 节流式流量计有标准化和非标准化两类 无论哪一类 它们都是非通用仪表 即安装在生产过程中使用着的节流式流量计仅适用于该地的情况和工况 因此节流式流量计是根据要求具体设计 安装 使用的 标准节流装置在火电生产过程中是很重要的一类流量仪表 非标准节流装置多用于脏污介质 高粘度 低雷诺数 非圆管道截面 超大及过小管径等流量测量 它们的测量原理与计算方法与标准节流装置相同 所不同的是非标准节流装置没有统一标准化的数据 资料 没有统一的误差计算方法等 标准节流装置的设计计算 要严格遵循标准节流装置设计 安装和使用的国家 标准 或国际 标准 按 标准 进行设计 安装 使用的标准节流装置 其流量与差压的关系按理论公式标定 并有统一的基本误差 计算方法 一般不需要进行实验标定或比对 组成 节流式流量计流量的测量系统由节流装置 差压计或差压变送器 二次显示仪表 动圈表 自动电位差计 等组成 在 标准 中对标准节流装置结构 适用的条件 安装及检验方法都做了严格的规定 我国在1981年出版了 GB2624 81流量测量节流装置 标准 在国际上 1991年12月由ISO 国际标准化组织 出版了 ISO5176 1用差压装置测量流体流量 的新国际标准 1993年2月3日我国颁布了关于节流式流量计新的国家标准 即GB T2624 93 它的内容与国际新标准是一致的 2 标准节流装置一 标准节流装置的组成与类型标准节流装置由三部分组成 节流件 取压装置 测量直管段 节流件前10D 后5D 如图4 11所示 我国GB T2624 93标准中规定的标准节流装置有 角接取压标准孔板 法兰取压标准孔板 D和D取压标准孔板 角接取压标准喷嘴 ISA1932喷嘴 长径喷嘴 D和D取压 经典文丘里管 入口圆筒段上取压和喉部取压 文丘里喷嘴 上游角接取压和喉部取压 二 适用的流体条件标准节流装置适用于测量圆形截面管道中的单相 均质流体 即是可压缩的 气体 或认为不可压缩的 液体 牛顿流体 同时 要求流体充满管道 流体流动是稳定的或随时间缓变的 流动不可以是脉动流和旋转流 流束与管道轴线平行 流体流经节流件前流动应达到充分紊流 在节流件前后一定距离内不发生相变或析出杂质 流速小于音速 三 适用的管道条件 一 节流件前后应有足够长的直管段L标准节流装置组成部分中的测量直管段 前10D后5D 一般由仪表厂提供 是直管段L 最小直管段 的一部分 对于测量直管段 要求其内表面必须是光滑的 L的其余部分内表面可以是粗糙的 对于管道内表面光滑的判定是应不超过表4 1 表4 2给出的相对粗糙度上限值 节流件上游阻流件的形式及上下游阻力件的位置将影响流速分布 节流孔d与管道内径D之比 d D 直径比 也将影响流速分布 因此 若要求流体流到节流件前1D达到充分紊流的状态 则要在节流件前后有足够的直管段 不然就保证不了测量的精确度 表4 1标准孔扳上游管段相对粗糙度 Kc D 上限值表4 2ISA1932喷嘴上游管段相对粗度 Kc D 上限值 最小直管段L由三段长度 l0 l1 l2 组成 l1是节流件与上游第一阻流件之间的直管段最小长度 由第一阻流件形式和 值决定 按下表查算 l0是上游第一阻流件与上游第二阻流件之间的直管段 由第二阻流件的形式和 0 7 无论产的实际值为多少 决定 按下表给出值的一半计算 l2是节流件到下游阻流件直管段的最小长度 无论上游阻流件的形式如何均决定于 的值 由下表查算 二 适用于圆形截面管道测量段管道应被流体充满 节流件及取压装置安装在两圆形直管之间 在所要求的整个直管段长度上 管道截面应该是圆形的 没有特殊要求 只是在邻近节流装置附近对管道的圆度有特殊要求 这在 标准 中有详细规定 对于管道的粗糙度 节流件上游10D 下游5D 测量直管段 要求满足给出的相对粗糙度上限值 L的其余部分和L以远的管道可以是粗糙的 三 节流件的结构形式 一 标准孔板标准孔板的结构形式如图所示 标准孔板结构简单 加工方便 价格便宜 它的特征孔径是节流孔前段圆筒形孔径d 标准孔板两侧的压力差信号可以采用角接取压 上 下侧压力在孔板前后端面处取出 法兰取压 上 下侧压力在连接法兰上距孔板前后端面25 4mm处取出 和径距取压 上侧压力在测量管段上距孔板前端面1D处取出 下侧压力在测量管段上距孔板后端面D处取出 角接取压标准孔板的适用范围 d 12 5mm 50mm D 1000mm 0 2 0 75 ReD 5 103 0 2 0 45 ReD 104 0 45 法兰取压和径距取压标准孔板的适用范围 d 12 5mm 50mm D 1000mm 0 2 0 75 ReD 1260 2D D mm 孔板的角接取压可采用单独钻孔或环室取压装置 如图 a 所示 法兰取压装置如图 b 所示 二 标准喷嘴标准喷嘴有两种结构形式 ISA1932喷嘴 长径喷嘴 其结构形式见图所示 当d 2D 3时 还应在入口部分切除一部分圆廓形收缩段 显然此时收缩部分的最大直径为D 见图 a 若d 2D 3 则喷嘴的总长度为0 6041d 不包括F护槽 若d 2D 3 由于切除了一部分入口圆廓形收缩段 则喷嘴的总长度变短 其应切去的长度为 ISA1932喷嘴角接取压装置有单独钻孔和环室取压 ISA1932喷嘴的适用范围 50mm D 500mm 0 30 0 80 7 104 ReD 107 0 30 0 44时 2 104 ReD 107 0 44 0 80时 五 压力损失流体流经节流件发生节流时 由于流体微团的碰撞以及在节流件前后附近产生涡流 将产生能量损失 这种能量损失表现为不可恢复的压力损失 压力损失与直径比 和流速 或流量 有关 通过实验可得到它们之间的关系 对于角接标准孔板 法兰标准孔板 径距标准孔板 ISA1932喷嘴 长径喷嘴等标准节流装置的压力损失可以用下式近似计算 六 标准节流装置的误差按照 标准 进行节流装置的设计 制造 安装 使用时 其基本误差是按照 标准 中提供的计算公式进行计算的 按 标准 计算给出的装置测量不确定度 其置信概率为95 当设计 制造 安装 使用等环节中有违背 标准 要求时 则将由此产生附加误差 附加误差的极性与大小或修正系数是通过大量实验确定的 只要标准节流装置符合 标准 要求 就应该按 标准 计算得出其不确定度 3 流量公式流量公式就是差压和流量之间的关系式 它是通过伯努利方程和流动连续性方程来推导 一 不可压缩流体的流量公式流体在管道中发生节流时 管道中各处的流速变化及压力变化情况见图所示 在节流件前没有发生节流的位置上取截面A 对于一定常的流动 在截面A和截面B处将满足流体质量守恒和能量守恒 在充分紊流的理想情况下 流体流动连续性方程和伯努利方程为由上两式解方程组 可得引入如下几个参数 收缩系数 截面比 取压系数 可写成 所以 可得质量流量 定义流量系数 和流出系数C 于是 不可压缩流体的流量公式为 二 可压缩流体的流量公式对于可压缩流体 在截面A 截面B处同样满足质量守恒和能量守恒 由于在截面B处可压缩流体的密度是未知的 并且由于流体的膨胀 值与不可压缩流体也不相同 但考虑到可压缩流体的节流过程仍可视为等熵过程 故在等熵过程的热力学方程中对未知流体密度有一定的约束 为方便起见 规定公式中的密度仍使用节流件前的流体密度 1 和C值仍取相当于不可压缩流体时的数值 而把全部的流体可压缩性对流体系数和流出系数的影响用一个流束膨胀系数 来考虑 当流体为不可压缩性流体时 1 所以流量公式可统一写成 流量公式中各量的单位为 体积流量qV m3 s 质量流量qm Kg s 直径d或D m 密度 1 kg m3 差压 p Pa 三 标准节流装置的流出系数C值及其不确定度标准节流装置的流出系数C值是通过在流量试验台上测定qm和与之相对应的 p 然后用上述流量公式计算得到的 对于一定形式的标准节流装置 其流量系数 和流出系数C仅与 和雷诺数ReD有关 图4 16是标准孔板和ISA1932喷嘴的 C和ReD 之间的关系曲线 从图中可见 当雷诺数大到一定值后 和C就与雷诺数值无关 趋于一定值 1 标准孔板的C值及其不确定度 标准 中取得C值的原始实验 对于角接取压是在相对粗糙度为Kc D 3 8 10 4 而对于径距取压则是在Kc D 10 10 4的管道中进行的 但只要所使用管道在节流件上游侧10D长度内的粗糙度不超过前节所列的限值 C的数值仍是可用的 在规定条件下 流出系数C主要取决于ReD 即C f ReD 对于角接取压标准孔板 对于法兰取压标准孔板 D mm D20 58 6mm D mm D20 58 6mm 对于D和D 2取压标准孔板 对于上述三种取压方式 若ReD D和Kc D是已知的且无误差 则C值的百分率不确定度 c C 置信概率为95 为 对于 0 6 c C 0 6 对于0 6 0 75 c C 2 标准喷嘴 ISA1932喷嘴 的C值及其不确定度求取标准喷嘴C值的原始实验是在相对粗糙度Kc D 3 8 10 4的管道中进行的 但只要喷嘴上游侧至少有10D的长度的管道的粗糙度在前节规定的限值之内 C值仍然可用 标准喷嘴的流出系数C由下式给出 对于角接取压标准喷嘴 对于长径喷嘴 若不考虑ReD D的不确定度 并假定管道的Kc D在规定的限值之内 则C值的百分率不确定度 c C 概率为95 为 对于 0 6时 c C 0 8 时 对于 0 6 c C 2 0 4 四 标准节流装置的流束膨胀系数 值及其不确定度标准节流装置的形式确定后 其流束膨胀系数 值决定于 p p1 和 值 其中 是被测流体的等熵指数 对于过热蒸汽可近似取 1 3 对空气 1 4 为限制流体可压缩性对流量测量的影响 标准规定节流装置的 p p1 0 25 即p2 p1 0 75 上述三种取压方式的标准孔板的 值是由实验确定的 可用如下的经验公式计算 若 p p1和 是已知且无误差 则标准孔板 值的百分率不确定度 概率95 为4 标准喷嘴的流束膨胀系数 值是根据等熵流动过程直接从理论上推导出来的 由于流动过程不可能是等熵过程 所以存在误差 从理论上推导出计算标准喷嘴 的公式如下 其中标准喷嘴 值的百分率不确定度 2 置信概率为95 4 标准节流装置的计算关于标准节流装置的计算一般包括有三类命题 流量计算 标准节流装置的设计计算 最大差压值的计算 选配差压计问题 这三类命题在实际中最常用到的是 类命题 一 流量计算流量计算的已知条件为 管道直径D20 管道材料 管道新旧程度 节流件前后安装阻力件情况 节流件型式 节流孔径d20 节流件材料 流体及工作压力p 工作温度t 节流装置输出的差压值 p 要完成已知条件下的流量计算 求 p对应的流量qm 所依据的基本公式是流量公式 从流量公式中可以看出 p 1 dt 都是直接或间接已知的 而流出系数C f ReD 是未知的 认为测量直管段相对粗糙度不超过规定的上限值 因此不能用流量公式直接计算出所需计算的流量值 由于已知雷诺数ReD的计算公式 同时C f ReD 联立以上三式 即刻求解上述代数方程组 就可以得到问题要求计算的流量qm值 辅助计算根据已知条件 通过查表和相应的计算给出解上述方程组所必需的参数值 这些计算称为辅助计算 要计算的量值有 工作压力p1 pe p0 pe 表压 p0 大气压力 流体密度 1 p t 查表 流体粘度 p t 查表 管道线膨胀系数 D 查表 节流件线膨胀系数 d 查表 流体的等熵指数 过热蒸汽 1 3 空气 1 4 计算时的管道直径D和节流件的节流孔径d都应使用节流件工作温度下的数值 即Dt dt 节流件直径比 二 迭代计算在计算流体流量时 由于流量公式中的未知数不只一个 且未知数之间有一定的关系 所以通常需用迭代算法求解