流量检测与仪表

第四章流量检测与仪表,流量是指单位时间内流过管道或特定通道横截面的流体数量，称为瞬时(平均)流量。流量分体积流量(Q或qv表示)与质量流量(M或qm表示)，体积流量是流体平均流速V与流经管道横截面积A乘积，即Q=AV；而M=Q。流量计类型很多，常分为以下两类：速度式流量计：通过测量流体在管道内的流速来计算流量。容积式流量计：以单位时间内根据所推出流体固定容积数作为测量依据来计算流量。,第一节节流式流量计第二节均速管流量计第三节电磁流量计第四节容积式流量计第五节质量流量计第六节其它流量计,第一节节流式流量计,流体流经节流件时，流束收缩引起压头转换而在节流件前后产生静压力差，该压差与流过的流量之间存在一定的关系，通过测量压差而求出流量的一种流量计通称节流装置，也称为差压装置。节流装置结构简单，性能稳定，使用维护方便，且有一部分已标准化，是目前应用最多的一种流量计。常用标准节流装置有孔板、喷嘴及文丘里管，如下图所示。,一、节流装置测量原理,当流体连续流过节流孔时，在节流件前后由于压头转换而产生压差。对于不可压缩流体例如水，节流前后流体的密度保持不变。当忽略压头损失p时，由柏努里方程可得：,流体流经节流孔前后的流态变化,式中，P1、P2为流束在截面I、处相应的静压力，Pa；V1、V2为流束在截面I、处的流速，m/s；为流体的密度，kg/m3。,若流体的流速均匀一致，则由式(1)可得：,由流体流动连续性方程：A1V1=A2V2(3)式中，A1、A2截面I、处流束的断面积，A1等于管道的断面积，m2。,设流束收缩系数为=A2/Ad，即A2=Ad(Ad为节流件的开孔面积)，又设管道直径为D和节流体开孔直径为d，则有Ad/A1=d2/D2=2其中，称为直径比，由式(2)和式(3)整理后得：,实际流体流动时有压头损失，流速也不是均匀一致的，并且在节流件前后两侧管壁测量的压差P=P1-P2，并非图中所示的P=P1-P2，考虑到这些因素，在上式中应引入修正系数，则不可压缩流体的体积流量Q与质量流量M为:,式(5)与式(6)本质上一致。但因为流出系数不包括渐近速度系数的因素，它的计算公式和图表较流量系数的简单，故国家标准GB/T2624-2006采纳C值。,不可压缩流体差压-流量方程,可压缩流体差压-流量方程,对于空气、煤气、水蒸汽等可压缩流体，流体流经节流装置前后的流体密度会发生变化，故应引入一个可膨胀系数，则可压缩流体的流量基本方程为：,实用流量方程,(1)流量Q以m3/h表示，在流体工作温度下节流件开孔直径dt以mm表示，压差P以Pa表示，流体工作密度仍以kg/m3表示时的流量方程为：,(2)压差P以kPa表示，其它单位不变，则上式改写为：,(3)如果P以mmH2O(水柱)表示，水的密度(20)998.2kg/m3，其它单位不变时，则流量实用方程为：,二、标准节流装置,在国家标准【GB/T2624-2006用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量，等同于国际标准ISO5167(2003)】规定的使用极限范围内，根据该标准所提供的数据和要求进行设计、制造和安装使用的节流件，称为标准节流装置。标准孔板、标准喷嘴与标准文丘里管(简称孔板、喷嘴、文丘里管)等，毋须经过实液标定即可使用，测量准确度一般为l%2%，能满足工业生产上的一般要求。,(一)标准孔板,1、结构形式主要参数：开孔直径d：满足d12.5mm0.100.75孔板的厚度E：eE0.05D节流孔厚度e：0.005De0.02D,节流装置的取压方式1-1角接取压；2-2法兰取压；3-3径距取压；4-4缩流取压；5-5管接取压,每个取压装置至少有一个上游取压孔和一个下游取压孔，不同取压方式的上、下游取压孔位置都必需符合国家标准的规定。取压口的位置表征标准孔板的取压方式，一般分为角接取压、法兰取压、径距取压、缩流取压和管接取压五种，标准孔板常用角接取压法和法兰取压法。取压方式不同的标准孔板，其取压装置的结构，孔板的适用范围，流出系数的实验数据以及有关技术要求均有所不同。,2、取压装置,(1)角接取压装置,从节流件上下游断面与管壁的夹角处取出待测的压力，称为角接取压，角接取压包括单独钻孔和环室取压两种。,单独钻孔取压,环室取压,单独钻孔取压,环室取压,(2)法兰取压装置,标准孔板的上下游两侧均用法兰连接。,上下游侧取压孔的轴线至孔板上、下游侧端面之间的距离均为25.40.8mm(1inch)。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上。,(3)径距取压(或称D与D/2取压)装置上游取压口中心与孔板上游端面距离名义上等于D，但在0.9D与1.1D之间时，无须对流出系数进行修正。下游取压口中心与孔板上游端面距离为D/2，但当0.60，在0.480.52D之间时，或当0.60，在0.490.51D之间时，都不必对流出系数进行修正。,节流式流量测量系统,(二)标准喷嘴,标准喷嘴分ISA1932喷嘴(左图)和长径喷嘴两种。喷嘴在管道内的部分是圆的，由圆弧形的收缩部分和圆筒形喉部组成。适用范围:50D500mm，0.300.80。当0.300.44时，7104ReD107；当0.440.80时，2104ReD107。,(a)d(2/3)D(b)d(2/3)D,(三)文丘里管,标准文丘里管有两种形式:古典文丘里管(简称文丘里管，见图)与文丘里喷嘴。文丘里管是由入口圆筒段A，圆锥收缩段B，圆柱形喉部C以及圆锥形扩散段E组成。文丘里管内壁是对称于轴线的旋转表面，该轴线与管道同轴。,三、标准节流装置的使用条件,节流装置只适于测量圆形截面管道内的流体，流体必须充满圆管，连续地流过管道。在紧邻节流装置的上游管道内流体的流动状态接近典型的充分发展的紊流状态。流束应与管轴平行，不得有旋转流或旋涡。在进行流量测量时，管道内流体的流动应是稳定的。流体流量基本上不随时间而变化，或者变化是非常缓慢的。流体可以是可压缩的气体或不可压缩的流体；但不适于脉动流与临界流。流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是单相的，均匀的或者可认为是单相的，且流经节流装置时不发生相变。具有高分散程度的胶质溶液例如牛奶，可以认为是单相流体。节流装置的制造和使用条件超出国家标准的极限时，必须标定后才能安装使用。,四、节流装置的安装,节流装置安装在一定长度的直管道上，上下游难免有影响流体流动的拐弯、扩张、缩小、分岔及阀门等阻力件如图所示。节流装置前后直管段及阻力件位置等均需满足国家标准。,节流装置的安装管段1，2，5-局部阻力件，3-节流件，4-引压管,五、非标准节流装置,(一)V锥流量计因为锥体有“整流”作用，即使在极为恶劣的情况下(如紧邻仪表上游有单弯管，双弯管等阻力件)，经过锥体后的流体分布也比较均匀，可保证仪表在恶劣的条件下获得较高的测量精度。因此对上下游直管段的要求小，安装时在上游留0-3D的直管段，在下游留0-1D的直段管即可。,1-上游端开孔(总压管)；2-下游端开孔(静压管)；3-节流件,(二)内文丘里管,内文丘里管与经典文丘里管的测量原理相同，流体流经内文丘里管的流动与节流过程同流经经典文丘里管时相似，通过测量差压，便可得知流体流过内文丘里管流量的大小。它对传统文丘里管结构作了质的变革而集经典文丘里管、环形孔板、耐磨孔板和锥形入口孔板优点为一体的新一代异型文丘里管，其特性与使用性能优于标准节流装置，适于测量各种液体、气体和蒸汽，特别适用于测量各种煤气、非洁净天然气、高含湿气体以及其它各种脏污流体，大多可取代传统孔板、喷嘴、经典文丘里管的理想换代产品。,内文丘里管流量计,(a)结构示意图；(b)芯体结构I；(c)芯体结构II1-圆形测量管；2-文丘里型芯体；3,4-支撑环；5-取压孔；6-前段圆锥(图b)或圆锥台(图c)；7-中段圆柱；8-后段圆锥台；9,10-支撑轴,(三)小管道流量测量,标准节流装置只能用在直径大于50mm管道上，直径小于50mm的管道采用非标准节流装置。1、小管径孔板,2、内藏孔板,把小孔板装在与差压变送器的正、负压室相连的小管中，这种小孔板和小管就成为构成差压变送器整体的构件，故称为内藏孔板(或称整体孔板)。内藏孔板适用于测量清洁气体和液体的小流量，工艺管道直径范围825mm，孔板孔径范围通常为0.5-6mm，测量精度(13)%，流量系数与雷诺数和孔径等因素有关，通常由仪表厂标定。,(四)含悬浮物和高粘度流体的流量测量,含悬浮物和高粘度流体的流量时，在标准孔板前后会积存沉淀物，使管道实际面积减小，测量不准确，甚至管道被堵塞，因而，必需采用特殊节流装置来测量。(1)楔形孔板。(2)圆缺孔板。(3)偏心孔板。,1楔形流量计；2，3取压管段；4差压变送器,适用管径范围8600mm(或达1200mm)，雷诺数3001106，流体温度300，流体压力6MPa，测量范围度1:5,目前已达1:10；测量精度：经标定为0.5%，未标定的约为3%。,楔形流量计,圆缺孔板,圆缺孔板形状似扇形，它的开孔是一个圆的一部分(圆缺部分)，这个圆的直径是管道直径的98%，如图所示。主要用于脏污介质含有固体微粒的液体和气体的流量测量，圆缺开孔一般位于下方，但对于含气泡的液体，其开孔位于上方。测量时管道应水平安装。,圆缺孔板适用范围：管径50mmD350mm(可达500mm)，0.350.75，雷诺数：104ReD106。取压方式采用法兰取压和缩流取压。,偏心孔板,这种孔板的孔是偏心的，它与一个和管道同心的圆相切，这个圆的直径等于管道直径的98%，如图所示。其取压方式也有两种：法兰取压和缩径取压。适用范围：管径100mmD1000mm，直径比0.460.84，雷诺数105ReD106。,(五)低雷诺数情况下的流量测量,管道雷诺数(ReD)与管径、流体粘度、密度和流量大小等有关，某些介质的粘度大、密度小或流量小，则雷诺数低，达不到标准节流装置要求的界限雷诺数(或最小雷诺数)，因而流出系数不稳定，造成较大的测量误差。以下介绍两种低雷诺数使用的非标准孔板：1/4圆孔板与锥形入口孔板。,1、1/4圆孔板,1/4圆孔板(又称1/4圆喷嘴)与标准孔板相似，只是节流孔的入口边缘形状不同，上游入口边缘是以半径为r的1/4圆，其圆心在下游端面上，如图所示，这种孔板结构简单，又具有喷嘴的一些优良性能，如不受磨蚀、腐蚀和孔板表面固体沉积物的影响，适用范围：管径D25mm，直径比0.2450.6，雷诺数500ReD6104，孔径d15mm。,1/4圆孔板1-上游端面A；2-下游端面；3-流向,2、锥形入口孔板,锥形入口孔板的形状与标准孔板相似，相当于一块进出口反装的标准孔板，其入口与中心线夹角为451o，如图所示。它要求的雷诺数下限比1/4圆孔板还要小，适用范围：管径D25mm，直径比0.10.316，孔径d6mm。,锥形入口孔板1-环隙；2-夹持环；3-上游端面A；4-下游端面B；5-轴线；6-流向；7-取压口；8-孔板,七、节流式流量计的选用,(一)节流装置的选择节流式流量计的主要优点是结构简单，使用方便，寿命长，适应性广。不足之处是量程比较窄，一般为(34):1，压力损失较大，需消耗一定的动力；对安装要求严格，需要足够长的直管段。选用时需注意以下问题：允许的压力损失；加工；被测介质的侵蚀性；现场安装条件。,(二)使用节流装置应注意的问题,节流式流量计不仅需要合理选型，精确设计计算和加工制造，更应注意正确安装、使用和维护，方能获得足够的实际测量准确度。使用应注意问题主要包括以下四个方面，以免产生额外误差：(1)被测流体参数与设计条件不符；(2)原始数据不正确；(3)节流装置安装不正确；(4)维护工作疏忽。,第二节均速管流量计,均速管又称为均速流量传感器或均速探头，它通过测量管道内流动流体的速度压力流速来测量流量。均速管流量探头主要有阿牛巴(Annubar)、威力巴(Vrabar)、威尔巴(Wellbar)、德尔塔巴(Deltaflow)、托巴(Torbar)、双D巴等几种。它们的共同特点都是结构简单的插入式探头，适于测量气体、蒸汽和液体的流量，管道内径从十几毫米到几米，使用范围很广。一般要求雷诺数104ReD107，测量准确度通常为(13)。,一、阿牛巴(Annubar)流量计,阿牛巴是一种均速流量探头，配以差压变送器和流量积算器而组成阿牛巴流量计，也属于差压式流量测量仪表，用来测量一般气体、液体和蒸汽的流量。适用范围：管径D=252500mm(特殊达5000mm)，工作压力5MPa，工作温度400，雷诺数ReD104，流速要求气体5m/s，(液体为0.5m/s，蒸汽为9m/s以上。),总压管面对气流方向开有四个取压孔，所测量的是该四个环形截面的流体总压头(包括静压头和动压头)，在总压管内另插入一根引压管，由它引出四个总压头的平均值P1，静压管装在背着流动方向上，取压孔在管道轴线位置上，引出流体的静压头P2。,1-总压管2-静压管,将P1、P2分别引入差压变送器，测出两者的压差P，P便是流体的平均速度头。根据柏努力方程式从平均速度头可求出流体平均速度和流量，实用流量方程式如下：,式中：D管道内径mm；P压差，kPa；流体体密度，kg/m3。,二、热线均速管流量计,热线均速管类似阿牛巴流量计，把管道截面分成几个等面积圆环，每一个热丝感测元件对应测量一个圆环中的流体速度，通过几个圆环流体速度的平均值推算出其质量流量M。,三、威尔巴(Wellbar)流量计,威尔巴(Wellbar)流量计由威尔巴探头，差压变送器和流量积算仪等组成(下图)。,低压取压孔,威尔巴探头,高压取压孔,第三节电磁流量计,一、工作原理当被测流体垂直于磁力线方向流动而切割磁力线时，在与流体流向和磁力线垂直方向上产生感应电势Ex(伏)，Ex与体积流量Q的关系为:Ex=4B/(D)Q10-8=KQ,式中，K为仪表常数，决定于仪表几何尺寸及磁场强度。利用传感器测量管上对称配置的电极引出感应电势，经放大和转换处理后，仪表指示出流量值。,二、电磁流量传感器,(一)电磁流量传感器结构电磁流量传感器由测量管，励磁系统(励磁线圈、磁轭等)、电极，内衬和外壳等组成,如图所示。,1-外壳；2-励磁线图；3-磁轭；4-内衬；5-电极；6-绕组支持件,三、电磁流量转换器,将传感器输出的电势信号Ex经转换器信号处理和放大后转换为正比于流量的420mADC电流信号或脉冲信号，输出给显示记录仪表，因励磁波形的不同，电磁流量转换器的电路有多种形式。,四、电磁流量计的选用,(一)流量计的特点优点：测量导管内无可动部件，几乎没有压力损失，也不会发生堵塞理象；无机械惯性，反应灵敏，可以测量脉动流量；测量范围很宽，精度较高。不足：被测介质温度有限制(一般为-40130)；要求被测介质必须具有导电性能。,(二)电磁流量计的安装维护,(1)电磁流量计要求传感器的测量管内必须充满液体，不允许有气泡产生(最好垂直安装)；(2)应有足够长的直管段，一般要求5D；(3)应远离大功率电气设备安装，并应妥善地单独接地；(4)电磁流量传感器及转换器应用同相电源；(5)传感器必须定期维护清洗，保持测量管内部清洁，电极光亮平整。,第四节容积式流量计,应用容积法测量流体流量的仪表，称为容积式流量计。它有一个已标定容积的计量室，容积是在仪表壳体与旋转体之间形成的。当流体经过仪表时，利用仪表入口和出口之间产生的压力差，推动旋转体转动，将流体从计量室中容积V0一份一份地推送出去。所推送出的流体流量为Q=nV0式中，n转动的次数，r/s(转秒)。因为计量室的容积是已知的，故只要测出旋转体的转动次数，根据计量室的容积和旋转体的转动频率，求出流体的瞬时流量和累计流量。,一、椭圆齿轮流量计,在流体差压(p1-p2)作用下，推动椭圆齿轮A和B反方向旋转，不断地将充满半月形固定容积中的流体推出去，其转动与充液排液过程如图。齿轮每转一周就推出四个半月形容积的流体，从齿轮的转数可计算出排出流体的总流量。椭圆齿轮的转动通过减速传动机构带动指针与机械计数器，仪表盘中间的大指针指示流体的瞬时流量，经过齿轮计数器显示体积总流量。,椭圆齿轮转动与充液排液过程,(1)t=0,=0，流体进入计量室；(2)t=T/8,=45，流体排出计量室；(3)t=T/4,=90，流体全部排出，开始下一个循环，每次周期完成4次计量。,二、腰轮流量计(罗茨流量计),椭圆齿轮换为无齿的腰轮：由于腰轮没有齿，不易被流体中尘灰夹杂卡死，同时腰轮的磨损也较椭圆齿轮轻一些，因此使用寿命较长，准确度较高，可作标准表使用。,(1)选择这种流量计时，不能简单地按连接管道的直径大小去确定仪表规格；应注意实际应用时的测量范围，保持在所选仪表的量程范围以内。(2)为了避免液体中的固体颗粒进入流量计，磨损运动部件，流量计前应装配筛网过滤器，并注意定期清洗和更换过滤网。(3)如被测液体含有气体或可能析出气体时，在流量计前方应装气液分离器，以免气体进入流量计形成气泡而影响测量准确度。(4)在精密测量中应考虑被测介质的温度变化对流量测量的影响，过去都采用人工修正，现在已有温度与压力自动补偿并自动显示记录的容积流量计。,三、容积式流量计的选用注意事项,第五节质量流量计,质量流量计大致分为三大类：(1)直接式：即直接检测与质量流量成比例的量，检测元件直接反映出质量流量。(2)推导式：即用体积流量计和密度计组合的仪表来测量质量流量，同时检测出体积流量和流体密度，通过运算得出与质量流量有关的输出信号。(3)补偿式：同时检测流体的体积流量和流体的温度、压力值，再根据流体密度与温度、压力的关系，由计算单元计算得到该状态下流体的密度值，最后再计算得到流体的质量流量值。,一、科里奥利质量流量计,科里奥利质量流量计(简称CMF)是利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的科里奥利力而制成的一种直接式质量流量仪表。(一)基本结构和工作原理双U形科里奥利流量传感器的结构如下图：,工作原理,如图，被测流体从U形管流过，其流动方向与振动方向垂直，由理论力学可知，当某一质量为m的物体在旋转(在此为振动)参考系中以速度u运动时，将受到一个力的作用(m)，从而在直管段产生扭矩，在该力矩作用下，U形管产生扭矩转角(qm)。通过测量U形管两端管通过振动中心N-N所需的时间差即可测量得到qm。,二、热式质量流量计,利用流体热交换原理构成的流量计称为热式流量计。它有两种形式，即量热式与冷却式，前者为分布式仪表，测量范围有限；后者为插入式仪表，测量范围较大。,三、推导式质量流量计,用测量体积流量的流量计配合密度计，利用qm=qv计算得出质量流量(如右图)。密度计可采用同位素、超声波、振动管等连续测量密度的仪表。,第六节其它流量计,一、转子流量计在一个向上略为扩大的均匀锥形管内，放一个较被测流体密度稍大的浮子(也叫转子)，当流体自下而上流动时，浮子受到流体的作用力而上升，流体的流量愈大，浮子上升愈高。浮子上升的高度就代表一定的流量。从而可从管壁上的流量刻度标尺直接读出流量数值。,二、涡轮流量计,(一)电磁感应涡轮流量计涡轮是用高导磁的不锈钢制成的，涡轮体上有数片螺旋形叶片(故也称叶轮流量计)，整个涡轮支承在前后两个摩擦力很小的轴承内。流体流动推动涡轮旋转(涡轮旋转速度与流体速度相当)，通过测量涡轮转速而测定流量。,1-涡轮；2-轴承；3-永久磁钢；4-线圈；5-外壳；6-导流器,两个反射型光纤传感器被并列装配在涡轮流量计上，这两个传感器可检测同一涡轮叶片不同位置的反射信号fo1与fo2，这两个传感器信号与流体流量成正比(fo1=KQ，fo2=KQ)，互不干扰，相位差为j，如图所示。通过检测电路得到流体流量，且可实现双向测量。,双向流量测量原理及输出信号,(二)光纤涡轮流量计,三、涡街流量计,流体在流动过程中，遇到障碍物必然产生回流而形成旋涡。在流体中垂直插入一根圆柱体(或三角柱体、方柱体等)作为旋涡发生体，流体流过柱体，当流速度高于一定值时，在柱体两侧就会产生两排交替出现的的旋涡列，称为卡门涡街，简称涡街。当管道内径和圆柱体的几何尺寸确定后，单列旋涡产生的频率f与流体体积流量成正比。故通过测量旋涡即可测得流量。,根据卡门涡街形成原理，单列旋涡产生的频率f为：,式中，V1、V分别为圆柱体两侧的流体速度和管道流体的平均流速，m/s；d圆柱体直径，m；m流速比，mV/V1；St斯特劳尔数，在ReD510215104范围内，St常数；设管道直径为D，管道截面积为A0，令=d/D，当0.35时，m=(1-1.27)，则流体的体积流量Q为:,当管道内径和圆柱体的几何尺寸确定后，体积流量只与涡街产生的频率成正比，而与流体的物理性质(温度、压力、密度、成分等)无关，于是得：Q=Kf如采用三角柱体作为旋涡发生体，其迎流面的边长或宽度为d，流体的体积流量Q为：,四、弯管流量计,流体流过弯曲管道(如图所示)时，因流向改变产生惯性离心力，弯管外侧与内侧间形成压差P(P=pg-pd)，流量的大小与该压差的平方根成比例关系:,五、超声波流量计,超声波流量计是一种非接触式流量测量仪表。它利用超声波在流体中的传播特性来测量流体的流速和流量，有时差法、速差法、频差法、多普勒法以及相关法等。这里只介绍频差法与超声多普勒法。超声波的发射和