第5章 流量测量.ppt

2020/5/28,1,第5章流量测量,5.1概述,5.2节流式流量计,4.3常用流量计,2020/5/28,2,5.1概述,流量测量就是测量液体、气体或固体颗粒等流体的流量。主要应用领域：工业生产过程控制、能源计量、管道运输、生物技术、科学实验本章主要讨论流量测量的基本概念和一些常用的流量计。,2020/5/28,3,一、流量测量的基础知识,流量的分类：,流量：指在单位时间内流体流经管道或设备某处横截面的体积或质量的数量。(瞬时流量),质量流量：单位时间内通过的流体的质量,体积流量：单位时间内通过的流体的体积,2020/5/28,4,质量流量,体积流量,V流体体积平均流速u管内平均流速A管道横截面积,M流体质量流体的密度,累积流量,2020/5/28,5,流量计的分类：,按测量单位：质量流量计和体积流量计按测量原理：容积式、速度式和压差式流量计按测量方法：直接测量和间接测量式质量流量计,2020/5/28,6,二、流体的物理性质与管流基础知识,流体的黏度：度量流体黏性大小的参数,流体的密度：单位体积的流体所具有的质量。,运动黏度,动力黏度,恩氏黏度,单位面积上的内摩擦力h流体流层间距离du/dh流层间速度梯度,2020/5/28,7,流体的压缩系数和膨胀系数,膨胀系数,压缩系数,V流体原体积V流体体积变化量P流体压力变化量,V流体原体积V流体体积变化量T流体温度变化量,雷诺数：流体流动的惯性力与黏滞力之比,动力黏度运动黏度L特征长度（管径）,2020/5/28,8,管流类型,流速分布和平均流速,圆形截面管，沿半径方向上的流速分布：,ux距管中心距离rx处的流速umax管中心处的流速（最大）R管的内半径,n随流体雷诺数不同而变化,层流状态,紊流状态,2020/5/28,9,流体流动的连续性方程和伯努利方程,连续性方程,任取一管段，设截面、截面处的面积、流体密度和截面上流体的平均流速分别为A1、1、和A2、2、。,2020/5/28,10,伯努利方程,当理想流体在重力作用下在管内定常流动时，对于管道中任意两个截面和有如下关系式：,忽略可压缩性和黏性,2020/5/28,11,三、流量仪表的主要技术参数,流量范围,量程和量程比（最大流量/最小流量）,允许误差和精度等级,压力损失,12,节流式流量计是一种典型的差压式流量计。差压式流量计包括：节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计、靶式流量计、浮子流量计等。,5.2节流式流量计,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。,差压式流量计工作原理：,2020/5/28,13,产生差压的装置有多种型式，包括节流装置（如孔板、喷嘴、文丘里管）、动压管、均速管、弯管等。,组成：产生差压的装置(流体流过差压产生装置形成静压差）和差压计（测量差压值）,常见的节流装置如图,2020/5/28,14,节流装置（取压管及内部的节流孔板）,节流孔板,后取压管,前取压管,流体通过节流孔板时，流速加快，后取压管处的压力减小。,2020/5/28,15,节流装置（文丘利管或文丘利喷嘴）,流体入口,狭窄部位,2020/5/28,16,1-节流元件2-引压管路3-三组阀4-差压计,一、节流式流量计,组成：节流装置、显示装置,工作原理：当流体流经管内固定的节流元件时，在元件前后产生差压，差压和流体流量之间存在一定关系，通过测量差压即可确定流量。,2020/5/28,17,节流装置分类：标准节流装置和非标准节流装置两大类。标准节流装置的型式已经标准化，在规定了取压方式和前后直管段长度、流体的种类和流动条件下，有标准的流量差压关系；非标准节流装置由于使用条件差异大，故没有标准化，用于解决脏污和高粘度流量的测量。,2020/5/28,18,优点：结构简单，无可动部件；可靠性较高；复现性能好；适应性较广，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；装置已标准化。缺点：安装要求严格；流量计前后要求较长直管段；测量范围窄；压力损失较大；对于较小直径的管道测量比较困难；精确度不够高(1%2%)。,2020/5/28,19,节流式流量计外形,2020/5/28,20,流体流经节流件时压力和流速变化图,1.流量方程,设不可压缩理想流体，满管、在重力场中的定常流动,伯努利方程：流体在任何两个垂直于流速的截面均有下式成立：,连续性方程：同一流管内流过两个截面的流体质量相等。,2020/5/28,21,计算流体体积流量和质量流量：,2020/5/28,22,在实际计算过程中，应考虑几个因素：流量系数：,实验证明，在管道直径、节流件型式、开孔尺寸和取压位置确定的情况下，只与流体的雷诺数Re有关。当Re大于临界值时，流量系数可以认为是一个常数。因此节流式流量计应工作在临界雷诺数以上。与Re及的关系对于不同的节流件型式各有相应的经验公式计算，并列有图表可查。,2020/5/28,23,可膨胀系数,节流式流量计的流量方程的普遍形式：,结论：流量与压力差的平方根成正比,2.节流装置的类型与结构,标准节流件标准孔板、标准喷嘴、文丘里管,标准孔板是一块中心开有圆孔的金属薄圆平板，圆孔的入口朝着流动方向，有尖锐的直角边缘。圆孔直径d由所选取的差压计量程而定，0.20.75。其结构简单体积小，加工易成本低，应用多。精度低，压力损失大，用于清洁的流体。,2020/5/28,25,标准喷嘴由两个圆弧曲面构成的入口收缩部分和与之相接的圆筒形喉部组成，0.320.8。压力损失小，精确度高；结构较复杂，体积大，加工困难，成本较高。用于高速蒸汽。,文丘里管具有圆锥形的入口收缩段和喇叭形的出口扩散段。压力损失少，精度高；加工难，成本高，用于低压损、高精度测量的场合。它的流道连续变化，所以可以用于赃污流体的流量测量，并在大管径流量测量方面应用较多。,2020/5/28,26,三种标准节流件比较：压力损失：孔板喷嘴文丘里管成本：孔板喷嘴文丘里管精度：孔板喷嘴文丘里管,标准节流装置的适用条件,标准节流元件的结构形式,非标准节流件,根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压五种。,节流装置的取压方式,3.标准节流装置的计算,流量计算这类计算命题是在管道、节流装置、取压方式、被测流体参数已知的情况下，根据测得的差压值计算被测介质流量。属校核计算，常用在使用现场，所依据的基本公式是流量公式。设计节流装置这类计算命题是要根据用户提出的已知条件以及限制要求来设计标准节流装置，属设计计算。,差压计经导压管与节流装置连接，接受被测流体流过节流装置时所产生的差压信号，并把差压信号传递给显示仪表，从而实现对流量参数的显示、记录和自动控制。差压计的种类很多，凡可测量差压的仪表均可作为节流式流量计中的差压计使用。,节流件形式的选择,差压计的选择,2020/5/28,30,4.流体参数偏离节流装置设计值时的校正,流体参数流量、压力、温度、成分等补偿途径计算补偿在线自动补偿密度补偿,2020/5/28,31,5.3常用流量计,一、皮托管和均速管流量计,皮托管结构,1.皮托管皮托管是一根弯成直角的双层空心复合管，带有多个取压孔，能同时测量流体总压和静压。,2020/5/28,32,皮托管头部迎流方向开有一个小孔A，在距头部一定距离处开有若干垂直于流体流向的静压孔B，各孔所测静压在均压室均压后输出。,皮托管的工作原理可分析如下：,皮托管测量原理示意图,2020/5/28,33,设流动为不可压缩无粘性流体的稳定流动，驻点处流体的伯努利方程为：,由此可以得该点的流速为：,2020/5/28,34,考虑到实际测量情况与理论上的差别，引入皮托管系数(数值由实验确定)对上式进行修正：,对于可压缩流体，考虑到压缩性的影响，实际流速计算公式为：,为流体压缩性修正系数，对不可压缩流体=1。,2020/5/28,35,皮托管主要应用于HVAC，洁净空间和空气处理领域。可以测量温度较高的气体和有颗粒的气体，还可测量较高风速。,2020/5/28,36,2.均速管流量计,均速管将整个管道圆截面分为四个单元面积，两个半圆及两个半环，两对测压孔分别位于各单元面积中央。,均速管流量计是由一根沿直径插入管道中的中空金属杆，正对流体流动方向有两对测压孔，测量总压；在均速管背向流体一侧有一个检测孔，测量静压。,2020/5/28,37,均速管测量流速的原理与皮托管相同，流体平均速度和体积流量可分别表示为：,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%。,2020/5/28,38,二、电磁流量计电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。,可以测量各种腐蚀性介质：酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液。,2020/5/28,39,1.测量原理和结构原理：当被测导电流体在磁场中沿垂直磁力线方向流动而切割磁力线时，在对称安装在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，此电势与流速成正比。,B为磁感应强度；D管道内径；u流体平均流速；k常系数。,电磁流量计原理图,流体流量方程为：,2020/5/28,40,2.电磁流量计的特点,优点：可测腐蚀性介质的流量；被测介质在测量管内，无压力损失；输出与流量呈线性关系；流量测量范围大；无机械惯性，反应灵敏，可以测量脉冲流量；流量计的管径小到1mm，大到2m以上。,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；流速测量下限有一定限度；工作压力受到限制。结构也比较复杂，成本较高。,2020/5/28,41,3.选用及安装要求,选用原则：被测流体必须是导电液体；常测流量最好超过满量程的50%；使用压力必须低于电磁流量计额定工作压力；被测介质温度不能超过衬里材料的容许温度。,安装要求：推荐垂直安装；水平安装时要保持两电极在同一水平面流量计外壳、屏蔽线、测量导管都要接地；安装地点要远离磁源；流量计前必须有10D左右的直管段，以消除各种局部阻力对流线分布对称性的影响。,三、涡街流量计,当两列旋涡间距为h，同列中相邻旋涡间距为l，对于圆柱体当满足h/l=0.28时，旋涡体稳定。,卡门涡街,在流体中,垂直地插入一个具有非流线型截面的柱体,则柱体的下游两侧会产生旋转方向相反、交替出现的漩涡，这些漩涡多数不稳定。,2020/5/28,43,原理：当流体流过非线性阻挡体时产生稳定的旋涡，旋涡的产生频率与流体速度有着确定的对应关系，测量频率的变化，就可以得知流体的流量。,d直径漩涡发生体的特征尺寸；St斯特罗哈尔数涡列发生体两侧流体的平均流速；管内平均流速；m漩涡发生体两侧弓形面积与管道内横截面积之比,2020/5/28,44,其体积流量方程式为:,涡街流量计仪表系数:,2020/5/28,45,结构：,由传感器和转换器两部分组成。传感器包括旋涡发生体（阻流体）、检测元件、仪表表体等；转换器包括前置放大器、滤波整形电路、DA转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块亦装在转换器内。,2020/5/28,46,频率检测方法：,压力脉动测量（热电阻法）,流速脉动测量（热敏电阻法）,频率直接检测（电磁检测法）,2020/5/28,47,缺点:流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度，因此适用于紊流流速分布变化小的情况，并要求流量计前后有足够长的直管段。,特点：,优点:测量精度较高；量程比宽,可达30:1；使用寿命长，压力损失小，安装与维护比较方便；测量几乎不受流体参数变化的影响，用水或空气标定后的流量计无须校正即可用于其它介质的测量；易与数字仪表或计算机接口,对气体、液体和蒸汽介质均适用。,2020/5/28,48,四、质量流量计,质量流量计的测量方法，可分为间接测量和直接测量两类。间接式测量方法通过测量体积流量和流体密度经计算得出质量流量，这种方式又称为推导式；直接式测量方法则由检测元件直接检测出流体的质量流量。,2020/5/28,49,2020/5/28,49,1.间接式质量流量计,一般是采用体积流量计和密度计或两个不同类型的体积流量计组合，实现质量流量的测量。常见的组合方式主要有3种。,节流式流量计与密度计的组合,2020/5/28,50,体积流量计与密度计的组合,2020/5/28,51,节流式流量计与其他体积流量计的组合,2020/5/28,52,2.直接式质量流量计,直接式质量流量计的输出信号直接反映质量流量，有许多种型式。,热式质量流量计,基本原理：因为流体吸收或放出的热量均与该流体的质量成正比。因此可由加热流体所需要的能量或由此能量使流体温度升高之间的关系来测量流体的质量流量。,2020/5/28,53,工作原理：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：,2020/5/28,54,分类：根据测量方法：恒定功率法：使加热功率恒定，测量温差可以求得质量流量。恒定温差法：使流体温差恒定，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：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。,2020/5/28,55,差压式质量流量计差压式质量流量计是以马格努斯效应为基础的流量计，实际应用中利用孔板和定量泵组合实现质量流量测量。有双孔板和四孔板与定量泵组合两种结构。,双孔板与定量泵组合,2020/5/28,56,四孔板差压式质量流量计,一般用于0-O.5kg/h到0-250kg/h的流量范围，范围度为20:1，测量精确度可达0.5%R，常用于汽车发动机等试验台测量燃油流量。,2020/5/28,57,科里奥利质量流量计,原理：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，通过测量科里奥利力反映质量流量。组成：由检测科里奥利力的传感器与转换器组成。,2020/5/28,58,工作过程：,扭角与通过流体的质量有关,2020/5/28,59,质量流量与U形管扭角的关系式为：,式中为扭角；Ks为扭转弹性系数；为振动角速度；R为U形管跨度半径；L为U形管总长度。,也可由传感器测出U形管两侧通过中心平面的时间差t来测量，其关系式为：,此时，所得测量值与U形管的振动频率f及角速度均无关。,2020/5/28,60,振动管形状还有平行直管、形管或环形管等，也有用两根U形管等方式。下图所示为U型管和型管科氏力流量计结构示意图。,1-支承管2-检测管3-电磁检测器4-电磁激励器5-壳体,2020/5/28,61,特点：可直接测得质量流量信号，不受被测介质物理参数的影响，精度较高；可以测量多种液体和浆液，也可以用于多相流测量；不受管内流态影响，因此对流量计前后直管段要求不高；其范围度可达100：1。但是它的压力损失较大，存在零点漂移，管路的振动会影响其测量精度。,2020/5/28,62,涡轮流量计是利用安装在管道中可以自由转动的叶轮感受流体的速度变化，从而测定管道内的流体流量。,五、涡轮流量计,结构：,流量计主要由壳体、导流器、轴承、涡轮和磁电转换器组成，涡轮是测量元件。,2020/5/28,63,工作原理：在定范围内，涡轮的转速与流体的平均流速成正比，通过磁电转换装置将涡轮转速变成电脉冲信号，以推导出被测流体的瞬时流量和累积流量。,2020/5/28,64,与流量的关系曲线,流量方程：,f磁电转换器产生的脉冲频率；单位体积流量通过磁电转换器所输出的脉冲数，也称仪表常数,涡轮流量计的显示仪表是一个脉冲频率测量和计数的仪表，根据单位时间的脉冲数和一段时间的脉冲数，分别显示瞬时流量和累积流量。,2020/5/28,65,涡轮流量计的特点和使用：优点：测量精度较高（0.5级）；复现性和稳定性好；线性刻度；仪表的工作范围较宽；量程比可达(1020):1；耐高压，压力损失小；抗干扰能力强，输出频率信号便于远传及与计算机相连。缺点：制造困难，成本高。由于涡轮高速转动，轴承易磨损，降低了长时期运行的稳定性，影响使用寿命。,2020/5/28,66,安装：一般应水平安装，并保证其前后有一定的直管段。为保证介质洁净，表前应装过滤装置。如果被测液体易气化或含有气体时，要在仪表前装消气器。通常涡轮流量计主要用于测量精度要求高、流量变化快的场合，还用作标定其他流量的标准仪表。,2020/5/28,67,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，也称作转子流量计。适用范围：可测量液体、气体等多种介质的流量，特别是中小管径、中小流量和较低雷诺数的流量测量。（节流式流量计在管径过小时，节流装置未实现标准化，常采用浮子式流量计。）,六、浮子流量计,2020/5/28,68,结构：测量主体由一根自下向上扩大的垂直锥管和一只可以沿锥管轴向上下移动的浮子组成。流体由锥管的下端进入，经过浮子与锥管的环隙从上端流出。,测量原理及结构：,测量原理：流体自下而上流经流量计测量管，管中浮子的位置与所流经的流体流量有关。将测量管的高度以流量值刻度时，则从浮子位置可得流量的大小。,2020/5/28,69,流量公式：,A转子与锥形管间的环形流通面积；,2020/5/28,70,浮子流量计分类：,玻璃管浮子流量计主要由玻璃锥形管、浮子和支撑结构组成。流量示值刻在锥形管上。只能就地显示，不能远传流量信号。,金属管浮子流量计金属管浮子流量计的锥形管采用金属材料制成，其流量检测原理与玻璃管浮子流量计相同。金属管浮子流量计有就地指示型和电气信号远传型两种。,2020/5/28,71,浮子流量计的刻度换算：浮子流量计是一种非通用性仪表，出厂时刻度需单独标定。仪表厂在工业标准状态下，以空气标定测量气体流量的仪表；以水标定测量液体流量的仪表。若被测介质不是水或空气，则流量计的指示值与实际流量值之间存在差别，必须对流量指示值按照实际被测介质的密度、温度、压力等参数进行刻度修正。,2020/5/28,72,一般液体介质：,气体介质:,式中qv为被测介质的实际流量；qv为流量计标定刻度流量；为被测介质密度；为标定介质密度；f为浮子密度。,2020/5/28,73,作业：某转子流量计测二氧化碳气的流量，测量时被测气体的温度是40，压力是49.03kPa（表压力），若流量计的读数为120m3/h，问实际流量是多少？,已知标定时绝对压力P=98.06kPa,t=20，此时二氧化碳的重度为18.07N/m3,空气的重度为11.82N/m3。,2020/5/28,74,特点：结构简单，使用维护方便，对仪表前后直管段长度要求不高，压力损失小而且恒定，测量范围比较宽，刻度为线性。但仪表测量受被测介质的密度、粘度、温度、压力、纯净度影响，还受安装位置的影响。,2020/5/28,75,靶式流量计由靶式流量变送器和显示仪表两部分组成。,七、靶式流量计,原理：流体在管道中流动时，受到靶式节流件的阻力而在靶的前后形成静压差，靶上所受流体的作用力与流速之间存在着一定的关系。通过测量作用力可知流速，从而确定流量。,靶式流量计工作原理示意图,2020/5/28,76,D管道直径，A环隙通道面积,阻力系数；u流体流速；密度；A靶的受力面积；d靶直径,流体对靶的作用力：,流量公式：,2020/5/28,7