6章 流量测量

6.1,概述,6.2,差压式流量计,6.3,转子流量计,6.4,靶式流量计,6.5,速度式流量计,6.6,容积式流量计,6.7,质量流量计,6.8,流量校验系统,6.9,流量计的应用,第6章流量的测量,6.1概述,6.1.2流量计的分类,重点：流量的概念。难点：流量的计算公式。,重点：流量的测量方法。难点：流量计的测量特性。,6.1.1流量的概念,6.1.1基本概念1）流量定义流量：单位时间内流经管道(通道)中某截面的流动介质的数量体积流量单位时间内通过某截面的流体的体积，用符号qv表示，单位为m3/s。定义式:,A：管道截面积如果流体在该截面上的流速处处相等，则可简写为,质量流量单位时间内通过某截面的流体的质量，用符号qm表示，单位为kgs。定义式:,如果流体在该截面上的密度和流速处处相等，则质量流量可简写为,体积流量与质量流量关系,流体总量在某段时间内流体通过的体积或质量总量称为累积流量或流过总量。描述式：,注意：对于流动体系，压力和温度的变化将引起流体密度的改变。液体：T=101气体：T=10（或p=10kg）3,2）流量检测计的构成、检测方法和分类构成流量计通常由一次装置和二次仪表组成。一次装置安装于流道的内部或外部，根据流体与之相互作用关系的物理定律产生一个与流量有确定关系的信号，一次装置亦称流量传感器。二次仪表（显示仪表）接受一次装置的输出信号，给出相应的流量值大小。,方法分类,流量检测,体积流量,质量流量,直接法(容积),间接法,直接法(推导法),间接法(速度),测定单位时间内排出的标准固定体积的数量。,测定管道内流体平均流速，并乘以管道截面积。,检测元件输出信号直接反映质量流量。,同时测量两个相关参数，通过运算求取质量流量,速度式,差压式,根据流体力学理论，通过截流元件前后压差反映流量。,a.体积流量测量方法分类表,b.质量流量测量方法分类表,6.1.2流量计的测量特性（1）流量方程式表示流量与流量计输出信号之间关系的数学表达式，即（2）仪表系数K(频率型流量计流量特性的主要参数)：定义为单位流体流过流量计时流量计发出的脉冲数。（3）流出系数C：定义为实际流量与理想流量的比值。,（4）流量计的流量范围：可测最大流量和最小流量所限定的范围。（5）范围度：可测最大流量与最小流量的比值。（6）压力损失：安装在流通管道中的流量计实际上是一个阻力件，流体在通过流量计时将产生压力损失，这会带来一定的能源损耗。,6.2差压式流量计,差压式流量计是在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将产生压力差，此压力差与流体流量之间有确定的数值关系，通过测量差压值可以求得流体流量。最常用的差压式流量计是由产生差压的装置和差压计组合而成。,6.2.1节流式流量计测量原理,节流式流量计中产生差压的装置称节流装置，其主体是一个局部收缩的阻力件，称为节流元件。通过节流元件改变流体流通截面，从而在节流元件前后形成压力差。节流式流量计的特点是结构简单，无可动部件；可靠性高，复现性能好；适用性较广，它适用于各种工况下的单相流体，适用的管道直径范围宽，可以配用通用差压计；装置又标准化。其缺点是安装要求严格；流量计前后要求较长的直管段；测量范围窄，一般范围度为3：1；压力损失较大；对于较小直径的管道测量比较困难(D2000，紊流；Re2000，层流。,6.2.2节流装置,节流装置的安装使用,必须保证节流装置的开孔和管道的轴线同心,并使节流装置端面与管道的轴线垂直。在节流装置前后长度为两倍于管径(2D)的一段管道内壁上,不应有凸出物和明显的粗糙或不平现象。任何局部阻力(如弯管、三通管、闸阀等)均会引起流速在截面上重新分布,引起流量系数变化。所以在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管。,标准节流装置(孔板、喷嘴),一般都用于直径D50mm的管道中。被测介质应充满全部管道并且连续流动。管道内的流束(流动状态)应该是稳定的。被测介质在通过节流装置时应不发生相变。,1.标准节流装置,目前国际上规定的标准节流装置有：标准孔板、标准喷嘴、文丘利管、文丘利喷嘴和长径喷嘴，常用的是前三种。,标准孔板,1孔板是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。,特点：结构简单，加工方便，价格便宜。压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质。,标准孔板要求：斜角F:300450间d：不小于12.5mm=d/D：0.20.75间孔板厚度E：0.005D0.02D间端面平整，表面任何两点连线对垂直与中心线的平面斜率都应不小于1。上游边缘无划痕也无毛刺。,2喷嘴,标准喷嘴是一种以管道轴线为中心线的旋转对称体，主要由入口圆弧收缩部分与出口圆筒形喉部组成。,3文丘里管,特点：压力损失最低，有较高的测量精度。对流体中的悬浮物不敏感，可用于污脏流体介质的流量测量。在大管径流量测量方面应用的较多。但尺寸大、笨重，加工困难，成本高，一般用在有特殊要求的场合。,三种标准节流件特点比较：,2.非标准节流装置（1）1/4圆喷嘴1/4圆喷嘴的开孔入口形状是半径为r的1/4圆弧，它主要用于低雷诺数下的流量测量。（2）锥形入口孔板锥形入口孔板与标准孔板形状相似，只是入口为45锥角，相当于一只倒装孔板。（3）圆缺孔板圆缺孔板主要用于脏污、有气泡析出或有固体微粒的液体流量测量，其开孔在管道截面的一侧，为弓形开孔。（4）V内锥流量计它是利用内置V形锥体在流场中引起的节流效应来测量流量。,6.2.3节流装置的其他辅件,1.冷凝器被测流体是蒸汽或湿气体时，在导压管内要积存凝结水。为了使前后导压管内液位高度保持不变或相等，常采用冷凝器。,2.集气器和沉降器当被测介质为液体时，为防止液体中析出的气体进入差压计，引起测量误差，我们常在导压管的最高处放置集气器。集气器上有排气阀，可定期排出积存的气体。为了防止液体中析出的沉淀物堵塞导压管，我们又在导压管的最低处放置沉降器及排污阀，以便定期排除污物。,3.隔离器对于高粘度，腐蚀性强，易冻结或易析出固体颗粒的液体，应采用隔离器，将被测流体与差压计隔开。,隔开液,被测介质,被测压力,接差压计,1.均速管流量计一般在测量管的迎流方向开有对称的两对总压检出孔，在测量管内平均取得反映截面平均流速的总压。静压检出孔则面向下游，测得流体静压由静压管引出。,6.2.4其他差压式流量计,原理基于动压管测速原理发展而成的均匀的流场里，放置着一个固定不动的物体，紧靠物体前端流体被阻滞，并分两股绕过此物体，在阻滞的中心区域形成驻点，在驻点处流动完全停止，流速为零。对驻点所在的一条线写伯努利方程（能量守恒定律）可得测出压差就能得到流速,1.均速管流量计,6.2.4其他差压式流量计,结构是一个横跨管道的多孔动压管，其结构如图6-10所示。,一般在测量管的迎流方向开有对称的两对总压测出孔，是4个面积相等的半环形和扁型区域，各孔测得的全压由于开口位置不同而不一样，在管内自动取平均后由内插管引出，在测量管的中间位置背着来流方向开一测量静压的圆孔，由内插管引出静压。测压差可求管道截面的平均流速，从而实现测量流量的目的。,均速管的流量方程式为：,式中D为管道内径；k为均速管流量系数，它与测量管的结构尺寸有关，是由实验确定的校正系数。,总压检出口的位置总压的平均值决定了压差，而其与开口位置有关，一般规定总压检出口的位置（中心）与管道中心的距离分别为r2，3=0.4597R；r1，4=0.8881R，R为管道半径,特点结构简单，便于安装，价格便宜，压力损失小，能耗少，准确度及长期稳定性较好，其准确度可达1%，稳定度1%。均速管流量计尤其适用于大口径管道的流量测量。但它产生的差压信号较低，需要配用低量程差压计。被测流体中不能含有固体粉尘和固体物，在测量脏污流体时，建议使用清洗流定时清洗。,原理流体流经管道弯头时，受角加速度的作用而产生的离心力会在弯头的内半径与外半径之间形成压差，其平方根与流量成正比。流量方程式,D为弯头内径，是入口和出口处直径的平均值，K为弯管的流量系数，与其结构参数和流体流速有关，需实验确定特点结构简单，安装维修方便，无附加的压力损失；对介质的要求低。缺点产生的压差非常小，是未标准化的仪表，只用于特殊的管道条件。,2.弯管流量计,2.弯管流量计当流体通过管道弯头时，受到角加速的作用而产生的离心力会在弯头的外半径侧与内半径侧之间形成压差。取压口开在45角处，两个取压口要对准。,6.3浮子流量计,浮子流量计也是利用节流原理测量流体的流量，但它的差压值基本保持不变，是通过节流面积的变化反映流量的大小，故又称恒压降变截面流量计，也有称作浮子流量计。,1.浮子流量计的工作原理,6.3.1浮子流量计的原理及结构,流量方程式,浮子流量计产品图,2.浮子流量计的结构（1）直读式转子流量计直读式浮子流量计主要由玻璃锥形管、浮子、和支撑结构组成。流量标尺直接刻在锥形管上，由浮子位置高度读出流量值。玻璃管转子流量计的锥形管刻度有流量刻度和百分比刻度两种。（2）远传式转子流量计远传式浮子流量计可采用金属锥形管，它的信号远传方式有电动和气动两种类型，测量转换机构将浮子的移动转换为电信号或气信号进行远传及显示。,1.刻度换算转子流量计是一种非通用性仪表，出厂时需单个标定刻度。,6.3.2浮子流量计的刻度换算与量程调整,（1）液体流量的换算,2）当被测气体及其工作压力、温度均与标定时不同时，有,（2）气体流量的换算1）当被测气体的工作压力和温度与标定条件相同时,要求是绝对压力值，为开尔文温度,例6-1用一浮子流量计测量40，压力是55.66kPa（表压）的氧气流量，流量计读数为100m3/h，流量计出厂前是在20，压力是101.32kPa（绝对压力）下用空气标定的，问氧气的实际流量？（已知在标定条件下氧气密度1.331kg/m3，空气密度1.205kg/m3，浮子流量计使用地区的大气压为101.32kPa）,解：首先将压力换算成绝对压力，温度换算成开尔文温度：P0=101.32kPap=(101.32+55.66)kPa=156.98kPaT0=20+273.15=293.15KT=40+273.15=313.15Kqv0=100m3/h,2.量程调整当被测介质与标定介质相同，而浮子材料用密度为f的材质代替密度为f的材质时，有,例6-2现有一台用于测量水流量的浮子流量计，测量范围为050m3/h，浮子密度为2.7g/cm3，欲将此流量计测量范围变更为0100m3/h，需对浮子做何调整？（已知水的密度为1.0g/cm3）,有一台用水刻度的转子流量计，浮子由密度为7900kg/m3不锈钢制成，用它来测量密度为790kg/m3的某液体介质，当仪表读数为5m3/h时，被测介质的实际流量为多少？,练习,6.3.3浮子流量计的安装使用,截止阀,截止阀,旁路阀,1）工作环境温度低于60，防震、防晒、防雨淋，便于操作。2）转子流量计应垂直安装在管道上，倾斜不得大于30，流体必须自下而上通过流量计。3）流量计前后应有截止阀，并安装旁通管道。4）仪表前后应用五倍管道内径的直管段，有时要在仪表之前安装过滤器。,安装使用规程：,6.4靶式流量计,在管道中垂直于流动方向安装一圆盘形阻挡件，称之为“靶”。流体经过时，由于受阻将对靶产生作用力，此作用力与流速之间存在一定关系。通过测量靶所受作用力，可以求出流体流量。,流量方程：,6.4.1靶式流量计的工作原理,沥青流量计,耐腐蚀性衬氟流量计,1.靶式流量计的结构靶式流量计由靶装置和测力装置两部分组成。靶装置主要是将流动流体在靶上产生的力，通过挠性管或支点膜片传递给测力装置。测力装置是把靶装置传递过来的力通过力平衡机构和放大装置，转换成统一电信号或气信号输出，由显示仪表显示流量值。,6.4.2靶式流量计的结构及安装使用,温压补偿式流量计,2.靶式流量计的安装使用由于靶有节流作用，在靶的前后也要保证一定长度的直管段。一般地，靶前是(68)D的直管段长度，靶后是(45)D的直管段长度。要保持靶与管道同轴，迎着流向的面要与管道轴线垂直。,1.干式标定法干式标定法的实质是对靶式流量计测力装置的标定。,6.4.3靶式流量计的标定,2.湿校靶式流量计主要是用来测量液体流量的，而液体介质的种类很多，制造厂不可能用各种介质进行标定，只能采用统一的有代表性的液体进行校验，这个介质就是水。所以，湿校也叫水校。,靶式流量计结构比较简单，维护方便，不易堵塞，适于测量高黏度、高脏污及有悬浮固体颗粒介质的流量。其缺点是压力损失大，测量精度不太高。,6.4.4靶式流量计的特点,6.5速度式流量计,速度式流量计的测量原理均基于与流体流速有关的各种物理现象，仪表的输出与流速有确定的关系，即可知流体的体积流量。工业生产中使用的速度式流量计种类很多，新的品种也不断开发，它们各有特点和适用范围。,1.结构和流量方程流量计主要由壳体、导流件、轴承、涡轮和磁电转换器组成。,6.5.1涡轮流量计,线圈两端产生交流感应电动势（交流感应电动势的频率与被测流体的转速成正比）,:仪表常数，与流量计的涡轮结构等因素有关。,磁电转换原理：涡轮转动,涡轮叶片周期性地扫过磁钢,磁通变化,2涡轮流量计的特点和使用,特点：主要用于中小口径(2mm500mm)的流量检测；涡轮流量计一般应水平安装，并保证其前后有一定的直管段，以使流向比较稳定，即要求仪表前10D和后5D以上。,场合:通常涡轮流量计主要用于量精度要求高、流量变化快的场合，还用作标定其他流量的标准仪表。,缺点:制造困难，成本高；涡轮高速旋转，轴承易磨损，影响使用寿命。,优点:可测量气体、液体（洁净）流量；其测量精度高（0.5级）；量程范围宽，量程比可达(1020):1；信号便于远传；对流量变化反应迅速，可测脉动流量。,6.6.2涡街流量计一种应用流体振动原理测量流量的仪表。,流体流过漩涡发生体时，在其两侧会产生旋转方向相反、交替出现的漩涡，并随着流体流动，在下游形成两列不对称的漩涡列。,1）组成涡街流量计的主体是漩涡发生体。在均匀流动的流体中，垂直地插人一个具有非流线型截面的柱体，称为漩涡发生体。,旋涡发生体,管道,涡街示意图：,卡门涡街：根据冯卡门的理论证明，当两列漩涡之间的距离h和同列中相邻漩涡的间距L满足关系hL=0.281时，涡街是稳定的。,2）检测原理实验证明，在一定的雷诺数范围内，稳定的漩涡产生频率（f）与漩涡发生体形状和流体流速v的关系如下：,d：漩涡发生体的特征尺寸；St：称为斯特罗哈尔数。St与漩涡发生体形状及流体雷诺数有关，并且在一定的雷诺数的范围内，St值基本不变。,2.涡街流量计的优缺点及安装使用（1）涡街流量计的优点（2）涡街流量计的局限性（3）涡街流量计的安装使用：涡街流量计可以水平安装，也可以垂直安装。在垂直安装时，流体必须自下而上通过，使流体充满管道。在仪表上、下游要求一定的直管段，下游长度为5D，上游长度根据阻力件形式而定，约15D40D，且上游不应设流量调节阀。,1）测量原理和结构,原理:基于法拉第电磁感应定律,感应电势与流速成正比。,E:感应电势C：比例系数B：磁场磁感应强度D：管道直径v：流体平均流速,6.5.3电磁流量计,b.流量方程,k：仪表常数；注意：上式必须符合以下假定条件时才成立，即：磁场是均匀分布的恒定磁场；被测流体是非磁性的；流速轴为对称分布；流体电导率均匀且各向同性。,（2）电磁流量计的结构电磁流量计的测量主体由磁路系统，测量导管，电极和调整转换装置等组成。,2）电磁流量计的特点及应用,优点：适用于含有颗粒、悬浮物等流体的流量测量；可以用来测量腐蚀性介质的流量；流量测量范围大，量程比10：1；流量计的管径范围大（小到1mm，大到2m以上）；测量精度高（0.5级）；无机械惯性，对流量变化反应速度快，可以测量脉动流量。缺点：被测介质必须是导电的液体，不能用于气体、蒸汽及石油制品的流量测量；对流量计上下游有一定直管段要求（一般上游10D，下游5D）；结构比较复杂，成本较高。,1.超声流量计的工作原理利用超声波在流体中的传播特性实现流量测量。,6.5.4超声流量计,时间差法,6.6容积式流量计,容积式流量计是直接根据排出体积进行流量累积的仪表，他利用运动元件的往复次数或转速与流体的连续排出量成比例的关系对被测流体进行连续的检测。,6.6.2腰轮流量计,6.6.1椭圆齿轮流量计,6.6.3皮膜式家用煤气表,重点：各种容积流量计的工作原理、结构、特点。难点：各种容积流量计的特点。,1.原理两个椭圆齿轮在转动过程中连续不断地将充满在齿轮与壳体之间的固定体积内的流体一份份地排出。齿轮的转数可以通过机械的或其他的方式测出，从而可以得知流体总流量。,6.6.1椭圆齿轮流量计,2.特点椭圆齿轮流量计基本误差为0.2%0.5%；范围度为10:1；工作温度要低于120，以防止齿轮卡死。在使用时要注意防止齿轮的磨损与腐蚀，以延长仪表寿命。当被测液体的黏度30103Pa.s时，其压力损失0.04MPa。,6.6.1椭圆齿轮流量计,腰形轮形状保证在转动过程中两轮外缘保持良好的面接触，以依次排出定量流体，而两个腰轮的驱动是由套在壳体外的与腰轮同轴上的啮合齿轮来完成。,6.6.2腰轮流量计,在刚性容器中由柔性皮膜分隔而成和、和四个计量室。,6.6.3皮膜式家用煤气表,几种流量计性能比较,6.7质量式流量计,质量流量测量仪表通常可分为两大类：间接式质量流量计和直接式质量流量计。间接式质量流量计采用密度或温度、压力补偿的办法，通过运算求得质量流量。直接式质量流量计则直接输出与质量流量相对应的信号，反映质量流量的大小。,6.7质量式流量计,6.7.2冲量式流量计,重点：各种质量流量计的工作原理、特点、使用。难点：原理。,6.7.1热式质量流量计,6.7.3科里奥利式质量流量计,6.7.4间接式质量流量的测量方法,原理：利用加热源对流体进行加热，在其前后各放一个测温元件，通过测温度变化及加热功率即可测质量流量。质量流量可表示为：,6.7.1热式质量流量计,分类：恒定功率法（测量温差可以求得质量流量）和恒定温差法（测出热量的输入功率就可以求得质量流量）。根据加热源的位置可分为内热式和外热式。特点：适用于微小流量。结构简单，压力损失小。非接触式使用寿命长。缺点是灵敏度低，测量时还要进行温度补偿。,冲量式流量计用于测量自由落下的固体粉料的质量流量。冲量式流量计由冲量传感器及显示仪表组成。,6.7.2冲量式质量流量计,特点：结构简单，安装维修方便，使用寿命长，可靠性高。适用：各种固体粉料、块状物和浆状物料。选择流量计时要考虑：被测介质的大小、重量和正常工作流量，正常工作流量应在流量计最大流量的30%80%之间。,科里奥利,科里奥利(Gaspard-GustavedeCoriolis),法国著名科学家，1835年发现科里奥利力，并用数学方法进行了论述。,6.7.3科里奥利式质量流量计,科里奥利力,1835年科里奥利提出，并最先用数学方法描述了这种效应，所以科学界用他的姓氏来命名此种力。当某一质量为m的物体在旋转参考系中以速度u运动时，将受到一个力的作用，其值为,科里奥利力的重要工程应用质量流量计,很早就有人试图利用科氏力测量质量流量，但发明家始终未能解决以简单方法使流体在直线运动的同时又处于旋转体系中的难题。直至美国的JamesSmith于1977年发明了基于振动方法的结构，简单的将两种运动巧妙的结合起来的振动管式质量流量计，才使CMF走出困境。,原理：基于牛顿第二定律流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力。组成：由检测科里奥利力的传感器与转换器组成。,在U形管两臂的中心平面处安装两个电磁传感器，可测出扭角的大小，就可以得知质量流量：由于入口段和出口段流体流向是相反的，入口段管与出口段管在振动的时间先后上会出现差异，这叫做相位时间差。时间差与流过管子的流体质量流量的大小成正比。,科氏力质量流量计的结构形式,总的类型有：按测量管形状分，有弯管型和直管型；按测量管配置分，有单管型和双管型；为便于振动，提高材料弹性，降低刚性，管壁尽量薄。,单直管,双直管,单U形管,双U形管,双S形管,B形管,管,双环管,优点科里奥利质量流量计直接测量质量流量，有很高的测量精确度。可测量流体范围广泛，包括高粘度液的各种液体、含有固形物的浆液、含有微量气体的液体、有足够密度的中高压气体。测量管的振动幅小，可视作非活动件，测量管路内无阻碍件和活动件。对应对迎流流速分布不敏感，因而无上下游直管段要求。测量值对流体粘度不敏感，流体密度变化对测量值得值的影响微小。可做多参数测量，如同期测量密度，并由此派生出测量溶液中溶质所含的浓度。,缺点科里奥利质量流量计零点不稳定形成零点漂移，影响其精确度的进一步提高，使得许多型号仪表只得采用将总误差分为基本误差和零点不稳定度量两部分。科里奥利质量流量计不能用于测量低密度介质和低压气体；液体中含气量超过某一限制（按型号而异）会显着著影响测量值。科里奥利质量流量计对外界振动干扰较为敏感，为防止管道振动影响，大部分型号科里奥利质量流量计的流量传感器安装固定要求较高。不能用于较大管径，目前尚局限于150（200）mm以下。,测量管内壁磨损腐蚀或沉积结垢会影响测量精确度，尤其对薄壁管测量管的科里奥利质量流量计更为显着。压力损失较大，与容积式仪表相当，有些型号科里奥利质量流量计甚至比容积式仪表大100%。大部分型号科里奥利质量流量计重量和体积较大。价格昂贵。国外价格500010000美元一套，约为同口径电磁流量计的25倍；国内价格约为电磁流量计的28倍。,安装：传感器与大的变送器或电动机之间至少要有0.6m的距离。安装于牢固基础之上，避免振动。测量液体时，安装应保证液体满管，以降低密度变化对测量精确度的影响；传感器外壳应朝下安装，以避免空气集聚在流量管内。测量气体时，为不使传感器内部聚集液体，应避免安装在管道的低点；传感器外壳应朝上安装，以避免冷凝水集聚在流量管内。当测量液体浆料时，传感器应垂直安装，像一面旗，以避免颗粒聚积在流量管内。工艺介质应由下往上流动以避免喷流空管。如工艺介质产生气液两相流，就应将传感器外壳朝下安装，或安装在垂直管道上。这种安装方式能有效避免介质中的气体聚积在流量管中。,1.体积流量计与密度计的组合方式（1）差压式流量计（或靶式流量计）与密度计的组合，其计算式为,6.7.4间接式质量流量的测量方法,（2）其他体积流量计与密度计组合，其计算式为,差压式流量计和靶式流量计的输出信号正比于，速度式流量计的输出信号正比于，将二者的输出进行除法运算：,2.体积流量计与体积流量计的组合方式,3.温度、压力补偿式质量流量计流体密度是温度、压力的函数，通过测量流体的温度和压力，得出工作条件下的密度，与体积流量计输出进行乘法运算，可求出流体质量流量。,1.腐蚀现象腐蚀是金属在其环境中由于化学作用而遭受破坏的现象。一切金属与合金对于某些特定环境是耐腐蚀的，但在另一些环境中又对腐蚀很敏感。2.流量测量中的防腐措施（1）定期更换仪表（2）避重就轻（3）采用法兰式差压计（4）采用隔离器（5）对于腐蚀性导电液体采用电磁流