第七章 流量测量-2014

第7章流速及流量测量,第二节流量测量概述,定义,流量：单位时间内流过管道或设备某截面流体的数量，亦称瞬时流量。总流量：在一段时间内流过流体量的总和，也可用在这段时间内对瞬时流量的积分，又叫累积流量。平均流量：总流量除以得到总流量的时间间隔称该段时间内的平均流量,qm质量流量kg/sqw重量流量N/sqv体积流量m3/s,转换关系：,按数量表示方法分类：质量流量、体积流量和重量流量标准体积流量：温度为20，压力为101325Pa测得的体积流量为标准体积流量。,速度式流量计：通过测量管道内流速求得流体的体积流量。差压式：孔板、文丘里管、毕托管、转子流量计叶轮转速：水表、涡轮流量计超声波式、电磁式、涡街流量计容积式流量计：流体在单位时间内经过流量仪表排出的固定容积数量的多少来测量流量。如：腰轮、椭圆齿轮、刮板流量计等质量流量计,流量计分类,第三节差压式流量计,一、利用毕托管测量流量,利用毕托管所测得的是点流速，而由于流体的粘性作用，管道内截面上各点的分布并不均匀，而要想得到管道内流体的流量需要得到管道内的平均流速，而管道内哪一点的流体流速等于平均流速呢？,问题？,（1）层流：,r0=0.7071R,（2）紊流：,r0=0.762R,所以知道被测流体的状态，就可根据流体的流速分布情况布置测点,先看看管道内流体的速度分布,矩形管道：矩形每边长度为200mm左右，在小矩形的中心布置测点圆形管道：可采用中间矩形法和对数线性法,测点布置,以等环面法为例：将截面分成几个面积相等的同心圆环。一般要求n5，直径小于300mm时，可取n=3按中间矩形法布置测点：在每一个圆环内布置测点，测点所在圆周恰将圆环面积平分，推荐均布四个。也可按切比雪夫法布置测点。,中间矩形法测点布置图,平均流速等于各点流速的平均值,二利用节流装置进行流量测量,组成：节流装置、导压管、显示仪表,信号变换,仪表组成,节流现象连续流动的流体流过安装在管道内的节流装置时，管内流束局部收束，从而使流速增加，静压降低。在节流装置前后产生一定的静压力差的现象,常用的节流元件型式（a）孔板（b）喷嘴（c）文丘里管,节流元件前后压力和流速变化情况,节流元件前后压力和流速变化情况,伯努利方程：,流体的连续性方程：,结论：截面2处流速最大，流体的静压力最低,1、节流件的工作原理,假设流经管道的流体为不可压缩的流体，对截面1、2列方程式：,代入(2)式得：,由(1)式得：,连续运动方程：,（1）,伯努利方程：,（2）,2、流量基本方程式,（3）,（4）,m3/s,对上式进行如下处理：引入直径比，即引入流束系数比，即引入取压系数，即,则式（4）可写为：体积流量（以节流件开孔面积计算）为,流量系数,m3/s,即体积流量表示为,m3/s,国际上多用流出系数C代替流量系数，两者关系为,用流出系数表示的体积流量公式为,质量流量公式为,kg/s,若流体为可压缩性流体，则,流量系数由实验决定，与节流件形式、取压方式、ReD及孔径比等有关。,kg/s,m3/s,mA0/A2,3、标准节流装置,（1）标准节流装置取压方式,标准喷嘴：角接取压,标准孔板：,角接取压,环室取压,直接钻孔取压,法兰取压,文丘里管：角接取压,想知道结构图吗？,法兰取压,角接取压,看看吧,（2）标准节流装置的适用条件流体条件和流动条件标准节流装置只适用于圆形截面的管道中单相、均质牛顿流体；流经节流装置时不发生相变流体应充满圆管，流速小于亚音速，并连续稳定流动或随时间缓慢变化流体在到达节流件前应是充分发展的紊流，且流束与管道轴线平行，不得有漩涡,（2）标准节流装置的适用条件管道条件安装节流件的管道必须是直的圆形管道，管道内壁洁净节流件上、下游的直管段长度应符合标准的要求,节流装置示意图1-上游侧第二个局部阻力件2-上游侧第一个局部阻力件3-节流元件4-下游侧第一个局部阻力件,差压式流量计的选用：管径、直径比和雷诺数范围的限制条件测量准确度允许的压力损失要求的最短直管段长度对被测介质腐蚀、磨损和污染的敏感性结构的复杂性和价格、安装使用的方便性及长期稳定性,4、节流式差压流量计的选用和安装,差压式流量计的安装：安装时，必须保证节流件的开孔与管道同心，节流装置端面与管道轴线垂直，节流件上、下游有必须长度的直管段将节流件前后的压差用两根导压管传送至测压仪表，按最短距离敷设。两根导压管应尽量保持相同的温度导压管应垂直安装，防止积存气体和水分。水平安装时，倾斜度不小于1：10，顶部设放气阀，底部设泄水阀测量液体时，差压计低于节流装置安装；测量气体时，差压计最好高于节流装置；测量蒸汽时，相对位置同液体，两导管的冷凝水在同一水平面测量粘性、腐蚀性或易燃流体时，应装隔离器,例采用孔板、差压变送器组成的测量系统测量管道内流体的流量。已知差压变送器的量程为00.6KPa，输出420mA，对应流体的流量为0。求：1）当仪表的指示流量为时，对应的孔板两端的输出压差为多少？2）当差压变送器的输出为12mA时，流体的流量为多少？,测量范围：液体：见M系列标准流量范围表；气体：需要根据具体的用途进行计算量程比：1：10（稳定液体）精度：默认压差（500）毫巴的+/-1%F.S.，相当于液体或气体在推荐条件下的全量程范围+/-2%的流量精度。实际精度取决于安装条件、介质以及流体外形等因素。浸湿材料：铜合金及316L不锈钢，或全部为316L不锈钢型圈：氢化丁腈橡胶（HNBR）或FPM氟橡胶最大压力：10巴补偿温度范围：-1080C外壳材料：PC/ABS内衬导电层保护等级：IP67（NEMA4X）电源：8-28VDC两线制回路供电输出：4-20mA1个低/高报警MOS输出RS485与计算机通过M-WIN软件进行通讯，设定或显示各项参数输入：在现场通过M-WIN对参数重新进行设定软件套件：1张CD、连线及接头（选购件）过程连接：D15-DN25（1/2，3/4，1BSPF）,三转子流量计,恒压降变截面,流量不同，转子的高度不同,A0为转子与锥形管间的环形流通面积,（1）当压差p对转子产生向上的作用力与介质对转子的浮力之和等于转子重量时，转子就处于平衡状态。（2）流量的增加时，平均流速增大，差压增大，转子上升，A0增大，流速降低，静压差减小，转子平衡。反之亦然,看看原理吧,由上面两式,由于锥度小,流量公式,流量公式,转子流量计在出厂时，以标态下空气流量标定测量气体的流量计，以水的流量标定对于测量液体的流量计。当转子流量计用于其他气体或液体流量测量时，应进行密度修正,刻度校正,0、分别为标定流体和实际流体的密度,（2）介质为空气或,（3）介质为非空气或,（1）介质为液体,例某气体转子流量计，厂家用空气在标准状态下（p0=101325Pa、t0=20）标定，现在用来测量p=350000Pa、t=27的气体，求：1）测量空气流量时，流量计显示4m3/s时的实际空气流量为多少？2）测量氢气流量时，流量计显示4m3/s时的实际空气流量为多少？已知标准状态下空气和氢气的密度分别为1.205kg/m3和0.084kg/m,解：1）2）,不同转子形状的流量随直径比的变化曲线,流量系数与雷诺数的关系1-旋转式浮子2-圆盘式浮子3-板式浮子,转子流量计的使用说明,流量系数与转子形状及管道的雷诺数有关，当为常数，体积流量qv与转子高度h成线性；被测介质粘度是影响的主要因素转子流量计主要适用于小流量测量转子流量计必须垂直安装，不允许倾斜介质流向从下向上，不能相反转子流量计有玻璃管和金属管两种,转子流量计的特点,适用于中小管径和低流速的中小流量测量耐高温高压临界雷诺数低压力损失小而且恒定对上游直管段要求较低，刻度近似直线被测介质与标定流体、工作状态与标定状态不同时，应进行刻度换算受被测介质密度、粘度、温度和压力等因素影响，准确度一般在1.5级左右,HH50系列智能金属管浮子流量计,四、V型锥流量计,V型锥流量计,工作原理伯努利方程计算公式特点改变了节流布局，从中心孔节流改为环状节流，从而改善了速度分布，缩短了节流件前后的直管段测量精度高、长期稳定性好、耐磨损、压损小、测量范围宽、适合于脏污介质流量测量等,第四节叶轮式流量计,一水表分类根据水流特点：切线流：旋翼式（单流束、多流束）轴流式：螺翼式根据流量指示部分位置：湿式水表：流量指示部分处于水中干式水表：流量指示部分处于空气中,大家都见过水表吧,切线流叶轮式水表（a）单流束（b）多流束,自来水表结构图1-安装齿轮处2-上排孔3-出水口4-进水口5-筒状部件6-叶轮7-斜孔,涡轮流量变送器的结构图1-紧固环2-壳体3-前导流器4-止推片5-涡轮叶片6-磁-电转换器7-轴承8-后导流器,二涡轮流量计,1、结构图,2、工作原理,当仪表系数K一定时，输出的脉冲频率与流量成线性关系,仪表系数,3.仪表系数,在使用涡轮流量计时，尽量使仪表工作在平直部分。要求K的线性度在5%内,特点：准确度高，线性好，测量范围宽，惯性小，耐高压，压力损失小，输出脉冲信号，便于远传。但成本高，涡轮高速转动影响寿命，需定期校验，要求介质洁净。主要用于准确度要求高、流量变化快的场合安装：保持水平，减少摩擦，防止涡轮卡死，一般前要加过滤器。仪表前要有20D的直管段，后有5D的直管段。,4.特点与安装,8030涡轮式流量传感器,专为轻腐蚀性无固态的液体设计，整体涡轮和电子模板可通过卡式插头快速方便地连接，传感器产生一个与流量成比例，便于发送和处理的频率信号,第五节电磁流量计,当导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体两端产生电动势，该电动势的大小与磁感应强度B、导体长度L、导体垂直磁场的运动速度成正比。若三者垂直，则感应电动势为,法拉第定律,B磁感应强度，TD管道直径，m平均流速，m/s,工作原理,结论：体积流量与感应电动势e成线性关系，而与其他物理参数无关。即测得的体积流量不受流体的温度、压力、密度、粘度等参数的影响。,由外壳、励磁系统、检测系统、测量导管组成,注意：为了防止磁力线被测量导管的管壁短路，导管由非导磁的高阻材料制成当采用导电材料作导管，测量导管与电极之间需要加绝缘内衬,电磁流量传感器构造1-外壳2-接线插头3-法兰4-励磁线圈5-磁轭6-测量管7-电极,传感器结构,传感器测量导管无可动部件，压力损失最低适用各种特殊液体流量的测量，如脏污、腐蚀性介质及悬浊性液固两相流等。测量结果不受被测介质温度、粘度、密度的影响，只需用水标定即可用于测量导电性液体测量精度可达0.51.0级；输出与流量成线性测量范围广，反应灵敏，可测量脉动流量直管段要求低，使用方便只能测量具有一定电导率的液体，不能测量气体、蒸汽、石油制品或有机溶剂等介质的流量；不能测量高温介质；易受外界电磁干扰的影响，成本较高,特点,HDLDE电磁流量计,广泛适用于化工、冶金等领域，用于电导率大于5s/cm的导电液体的流量测量。测量管内无活动及阻流部件，无压力损失，测量不受介质的密度、粘度、温度、压力和导电率变化的影响。选用衬里材料及电极材料具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。低频矩形波励磁，不受工频及现场各种杂散干扰影响。,主要技术指标准确度等级：0.5级、1级量程比：1：20最大流速范围：0.310m/s规格(口径mm)：10、15、20、25、32、40、50、65、80、100、125、150、200、250、300、350、400、500、600、700、800、900、1000输出信号：脉冲信号：02KHz,幅度：05V模拟信号：010mA.DC，负载能力为01.5千欧；420mA.DC,负载能力为075千欧,第六节超声波流量计,顺向：,逆向：,测量原理,一般情况下,即:,上式可写成：,缺点：必须已知声速c，并且声速随着温度的变化而变化，给测量带来测量误差。因此用时差法不易精确测量流量。,1、时差法,由和可改写为,两式相减可得:,结论：消除了温度对测量结果的影响，只要测出顺向传播的时间及时间差，就可求出流速，进而得到流量。,顺向：,逆向：,声循环频率差：,结论：流速只与频率差有关，消除了声速的影响，但一般频差很小，往往采用倍频电路,超声波传播时间法原理图,、声循环法,时差法与声循环法测量的速度是超声波传播途径上的平均速度，与截面的平均速度不同。引入速度修正系数K,测量的体积流量为,固定式便携式特点：使用方便，不与被测介质接触，对流场无干扰,分类,PT300+便携式超声波流量计,英国梅克罗尼公司,DCT7088便携式时差流量计,宝丽声DCT7088是目前先进的便携式时差流量计，主要针对干净液体设计,主要参数流速范围：015m/s精度：流速大于0.3m/s时0.5%流速流速小于0.3m/s时0.01m/s线性：0.9mm/s灵敏度：0.3mm/s管径范围：255000mm显示：两行40字符LCD背光显示探头温度：-40150存储：65000个重量：4.9kg,第七节涡街流量计,当两列旋涡间距为h，同列中相邻旋涡间距为l，对于圆柱体当满足时，产生稳定的涡街列,Sr为斯特劳哈尔数,1、测量原理,卡门旋涡列,公式中的流速为圆柱体与管道的流通截面积的流速，即对应的流通面积不是管道的横截面积。在d/D小于0.3时，流通面积可用近似公式：,体积流量为：,注意,在测量腔内装一恒流铂电阻或热敏电阻，温度高于流体温度，流体通过电阻带走热量，改变铂电阻的阻值，铂电阻阻值的改变频率与旋涡频率相对应。,2、流量信号的检测,常用的检测方法有热敏式、超声式、应力式、应变式、电容式、光电式和电磁式等几种,涡街流量计,LUGB型涡街流量传感器,采用国际先进技术而特别设计LUGB型涡街流量传感器，性能更稳定，抗振性能更好，是替代差压式(如孔板等)和其他流量传感器量理想的流量传感器。,主要特点无可动部件，长期运行可靠性较高输出信号是与流量成正比的脉冲信号，便于实现数字化测量及与微机连接在一定的雷诺数内，输出的频率不受流体物性和组分的变化影响，测量精度高量程比大，可达1：10，而差压式流量计只有1：3压力损失较小结构简单而牢固，安装、维护较方便,使用场合生产企业：车间能源考核：测量蒸汽、压缩空气、水等生产工艺过程：测原材料等能源供给单位：测量蒸汽、热水、自来水等,第八节容积流量计,以椭圆齿轮流量计为例：,关键！,精密的固定容积,A轮产生逆时针力矩，B轮力矩为0，在A轮的带动下B轮顺时针转动上下两轮都有转动力矩，继续转动A（下）轮力矩为0，B轮产生顺时针力矩，B轮为主动轮，带动A轮旋转,看看原理吧,显示原理图,薄膜式气体流量计工作原理,薄膜式气体流量计工作原理,优点测量准确度高，测量液体的基本误差一般可1%一般不受流体状态的影响，也不受雷诺数的限制除脏污介质和特别粘稠流体外，用于各种液体和气体的流量测量安装管道条件对流量计测量准确度没有影响量程比较宽，典型的为5:1到10:1。直读式仪表，不需外部能源，使用方便,缺点机械结构复杂，体积庞大笨重被测介质工作状态等适应范围不够宽大部分容积式流量计只适用于洁