第三章-流量测量..ppt

,第一节概述,第三章流量测量,一、流量的概念和单位,1.瞬时流量,体积流量：,质量流量：,流量测量：,生产过程中：,产品贸易：,油、气、水,完成经济核算所需参数的测量,原油及石油产品的测量主要以计量为主，方法有：质量法和体积法,单位时间内流过某一有效截面的流体数量。,Qv=Avv截面A上的平均流速。单位：m3s、m3h、L/min,Qm=Qv.流体密度。单位：kgs、th,2.累积流量：,一段时间内流过某截面的流体数量的和。V总=Qv.dt单位：m3M总=Qm.dt单位：kg,第一节概述,流量计和计量表,二、流量测量仪表的分类,按测量原理分：,1.速度式流量计:,2.容积式流量计:,3.质量式流量计：,依据介质流动速度v来测量流量。已知A测v，间接求Qv=Av,依据在流量计内连续通过的标准体积V0的数目N来测流量，计算公式：V=V0.N,如：差压式、转子式、电磁流量计、涡轮流量计,如：椭圆齿轮流量计、腰轮流量计。,依质量流量Qm为依据，直接测定M,如：振动式质量流量计。,第二节差压式流量计,利用流体流经节流装置所产生的静压差来显示流量大小。又叫节流式流量计。,标准节流装置：孔板、喷嘴、文丘里管,组成：节流装置、引压管和差压计，如图3-1所示。,节流装置：使流体产生节流的节流元件和压力引出的取压装置，将流量转换为压差。,引压管：连接节流装置和差压计，传递压差信号。,差压计：测量压差信号。,一、节流装置的流量测量原理,节流原理：,流体具有动压能和静压能，它和流体流动克服流体阻力所消耗的能量总和在无外加能量的情况下保持不变。,因此,流速增加，动压能增加，静压力下降。节流装置就是利用了流体的动压能和静压能转换的原理实现流量的测量。,标准节流装置孔板的节流原理,第二节差压式流量计,二、基本流量方程,根据流体力学伯努力方程、连续性方程推到得到：理论流量方程：,实用流量方程：,说明：,Q与P的平方根成正比，流量标尺刻度是非线性的。,三、标准节流装置,第二节差压式流量计,1.标准节流元件,（1）标准孔板,（2）标准喷嘴,（3）标准文丘里管,2.取压方式,取压位置不同，即使是同一节流元件、在同一流量下所得到的压差大小也是不同的。常用取压方式有：,（1）角接取压,（2）法兰取压,（3）径距取压,第二节差压式流量计,四、差压计,差压式仪表均可作为差压式流量计中的差压计使用，通常采用差压式变送器。将节流装置、引压管、三组阀、差压变送器直接组装成一体，成为一体式差压流量计。,五、差压式流量计的安装及应用（略）,第二节差压式流量计,第三节转子流量计,适用于：小管径低流速的小流量测量,一、工作原理,1.测量原理,转子受力分析：,流体对转子产生的上向冲击力Fp,A转子迎流面的最大横截面积；C流体作用力系数；-被测流体的密度；-锥管与转子环隙上的平均流速。,流体对转子的浮力Ff=Vr.,转子自身重力Fw=Vr.r其方向向下,第三节转子流量计,工作原理：,当转子上所受到的浮力与流体上向冲击力之和，恰好等于转子重力时，转子受力平衡，就会稳定地悬停在某一高度上。如果被测流体的流量增大，作用在转子上的流体上向冲击力随之增大，使得转子受力失去平衡，有向上的合力使转子上升。随着转子的位置升高，转子与锥形管间的环形流通面积增大，其环隙上流速减小，转子受到的流体作用力减小。当转子升高到某一新的高度、作用在转子上的作用力再次平衡时，转子会在新的位量稳定下来。流量减小时情况相反，转子位置降低。,流体的流量与转子高度的关系：,忽略有关项，进一步推导得：,第三节转子流量计,忽略有关项，进一步推导得：,式中，为流量系数，取决于转子形状和雷诺数，一般由实验确定。实际应用时，必使流体的雷诺数高于临界值，流量系数就可保证为一常数值，从而使流量与转子高度近似为线性关系。,二、转子流量计的类型与结构,按照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。其外形结构示意图见图312。教材P35,1.玻璃管转子流量计,2.金属管转子流量计,结构特点：,（1）连接方式为法兰,（2）指示部分为磁性耦合,（3）可输出流量电信号,优点：,耐高压、高温、安全，读数清晰，可适用于不透明介质和腐蚀性介质的流量测量。,第三节转子流量计,测量原理：,锥管和转子组成流量检测元件。转子2通过内磁钢5一外磁钢4磁性耦合方式，将浮子的位移传给转换部分，使杠杆7偏转。通过四连杆机构9、10、11、12带动指针偏转相应角度，指示流量大小。电远传型转子流量计普遍采用差动变压器结构，在指针现场指示的同时，把转子位移通过另一个四连杆机构13、14、15转换为差动变压器铁芯16的位移。由差动变压器转换为电信号输出至转换器，变成标准电流信号输出，由其他仪表进行显示、记录或控制,第三节转子流量计,为什么要修正？,三、转子流量计示值的修正,转子流量计的流量刻度是在标准状态（空气20,101KPa；水20）下经过单独标定得到的。当被测流体介质不是水或空气，不是标准状态时必须进行修正。,1.液体流量的修正,被测液体不是水但粘度与水的粘度相差不大，只是被测液体密度与水不同,修正公式：,式中：qv0-流量计指示值，m3/h；qv-介质实际流量值，m3/h；w0-水的标准密度，998.2kg/m3；-液体介质实际密度，kg/m3；,第三节转子流量计,2.气体流量的修正,例1.,有一台转子流量计，其转子材料是不锈钢（密度为7900kgm3），用来测量密度为791kgm3的甲醇，当流量计示值为500Lh时，被测甲醇的实际流量为多少,解：,因为甲醇与水的粘度相差不大，所以,对于非空气介质在不同的工作状态下测量时，可按下式进行修正,第三节转子流量计,例2.,式中：qv-被测介质的实际流量，m3/h;qvn-换算到标准状态的实际流量，m3/h;qv0-流量计指示流量，m3/h;a0-空气的标准密度，1.2046kg/m3；0-被测介质的标准密度，kg/m3；,P-被测介质的绝对压力；T-被测介质的绝对温度；P0-标准状态绝对压力，P0=101.325kPa；T0-标准状态绝对温度，T0=293.15K。,有一台气体转子流量计用来测量天然气的流量，工作压力为0.6MPa（表压），工作温度为55。当流量计的读数为100m3h时，天然气的实际流量和换算后的标准流量分别是多少？（此天然气在标准状态下的密度为O.755kgm3）,第三节转子流量计,例2.,解：,有一台气体转子流量计用来测量天然气的流量，工作压力为0。6MPa（表压），工作温度为55。当流量计的读数为100m3h时，天然气的实际流量和换算后的标准流量分别是多少？（此天然气在标准状态下的密度为O。755kgm3）,第三节转子流量计,四、转子流量计的安装与使用,1.转子流量计的特点,2.转子流量计的安装,3.转子流量计的使用,第四节容积式流量计,容积式流量计是利用标准容积累积法测量原理的一类流量计,种类：,腰轮流量计、椭圆齿轮流量计、刮板流量计、旋转活塞流量计,结构：,一个或一对转动部件转子，转子的形状比较特殊，当转子转动时和壳体内壁之间形成一固定容积的空间（称为“计量室”）,工作能源：,在流量计进、出口压力差的作用下转动，属自力式仪表。,基本工作原理：,当流体流经流量计时，因转子的阻挡作用必然在进、出口之间形成压力差，在压力差的作用下转子转动，随着转子的转动，流体一次次地充满流量计的“计量室”，然后又不断地被送往出口。由于“计量室”的容积是一定的，因而由转动部件的转数就可以确定通过流量计的流体体积。,特点：,1.测量精度高，积算精度可达0。10。5。2.测量精度受流体密度、粘度、温度、压力和流态的影响较小，适宜于测量高粘度流体。3.安装较方便。,不足：,1.制造装配精度要求高。,2.对被测流体的洁净度要求严格。,第四节容积式流量计,一、腰轮流量计,容积式流量计是用于原油计量的首选仪表,在油田各计量站、联合站、油库和炼厂等场合得到了广泛的应用,基本组成：,测量主体+显示表头,测量主体,壳体内有一对截面呈“8”字形的柱状转子腰轮，腰轮上下盖以隔板。腰轮与壳体及两侧隔板间形成的封闭空间就是“计量室”。与腰轮同轴的两个驱动齿轮在隔板外面相互啮合，以保持两腰轮反向转动。,第四节容积式流量计,一、腰轮流量计,1.工作原理,液体在流量计进出口的压力差P1P2,使腰轮产生力矩。(a)状态：A腰轮上P1、P2两边对称，其上无力距。B腰轮下侧两边分别作用P1、P2产生顺时针力矩，B顺转-A逆转(b)状态：A腰轮下侧、B腰轮上侧分别产生力矩，A、B腰轮均主动转B顺转-A逆转(c)状态：A腰轮上产生逆时针力矩，A逆转-B顺转,第四节容积式流量计,一、腰轮流量计,1.工作原理,结论：A、B两腰轮交替产生力矩、相互驱动，周而复始，连续转动。同时把“月牙”柱液体从入口吸入分隔排出至出口。从a到d腰轮转动半周，排出2倍V0液体。测量腰轮转数N即可确定累积流量Q=4NV。测量腰轮转速n即可确定瞬时流量qv=4nV。,2.显示部分,腰轮流量计的流量显示，有就地显示和远传显示两种。,就地显示：将腰轮的转动通过磁性密封联轴器和一套传动减速机构传递给机械计数器，直接指示出流经流量计的总量,远传显示：附加发信装置后，再配以电显示仪表，就可实现远传指示瞬时流量或累积流量。,第四节容积式流量计,一、腰轮流量计,2.显示部分,1）总量积算结构,在腰轮流量计中，腰轮转数N通过磁性联轴器传递到表头。在表头内，具有一系列传动齿轮、调整齿轮与机械计数器。流量积算机构中的机械计数器原理如下图所示。腰轮转数通过传动齿轮，取得一个恰当的传动比后，使机械计数器的末位数字轮转动，显示流过流量计的体积值。传动齿轮起到了流量换算作用。,注意：,表头中的传动齿轮，只驱动末位数字轮转动。其他高位数字轮都是通过进位齿轮逐级向上驱动的。,第四节容积式流量计,一、腰轮流量计,2.显示部分,2）瞬时流量显示与信号远传,信号远传：传动齿轮系中装发讯器，将腰轮转数转换成电脉冲信号输出。,瞬时流量显示：用瞬时流量显示器直接指示瞬时流量值。瞬时流量显示器是在表头传动齿轮中装上一个小型测速发电机，根据腰轮转速与流量成正北的关系，将流量的大小变为电流，由电流表指示出来。,3.结构特点,基本组成：测量主体、联轴器、显示表头。,1）通过磁性耦合将转子转动传到隔板外。2）大型腰轮流量计，有双对腰轮3）有立式、卧式两种形式。,第四节容积式流量计,一、腰轮流量计,4.安装及应用,腰轮不直接接触，可允许测量含有微小颗粒的流体。具有精度高、可靠性好，测量范围：0.12500m3/h，口径：16500mm。,1）腰轮流量计前应安装消气器和过滤器，并定期清洗。,2）保证安装精度，以减小腰轮和外壳及盖板的磨损，降低轴承受力。,3）为便于维修、校验，流量计必须安装旁通管路。,4）被测流体温度不能超过流量计额定温度，防止零部件热膨胀变形卡死。,5）当被测流体流量偏小、粘度变小时，腰轮与壳体间的泄漏量会变得突出，降低测量精度。,第四节容积式流量计,二、椭圆齿轮流量计,1工作原理,椭圆齿轮流量计的测量部分是由两个装在轴上相互啮合的椭圆形齿轮及壳体构成。椭圆齿轮与壳体之间形成月牙形体积的计量室,椭圆齿轮同样是依靠流量计进、出口流体的压力差来推动旋转的。,2.特点及应用,无外置驱动齿轮，结构相对简单；对流体中的固体颗粒更为敏感，只能测量清洁的流体。与同尺寸腰轮流量计相比，其计量室体积较小，因此一般用来测量中小流量：3Lh540m3h，口径10250mm之间。椭圆齿轮流量计的安装、使用注意事项与腰轮流量计基本相同。,第四节容积式流量计,三、刮板流量计,1凸轮式刮板流量计,适用于含有机械杂质的流体。按其结构特点来分，有凸轮式和凹线式两种。,第四节容积式流量计,三、刮板流量计,圆筒形转子上有4个槽孔，4块刮板两两连接，伸出转子槽孔。凸轮固定不动，刮板随转子转动时，滚柱沿凸轮运动，使刮板在槽内伸出或缩进。,进出口压差作用-刮板带动转筒转动-相邻两刮板在凸轮引导下压向壳内壁-封闭计量室-随上方刮板沿凸轮大弧转动-计量室液体被送至出口。,转子每转一周，排出4个计量室流体，测量转数-表头-指示累计流量。,特点：,适宜测量高粘度、带砂液体。转子不易卡。压损小（30kPa),适于、大流量测量。振动及噪音小。,第五节其它流量计,二、漩涡流量计,旋涡流量计是基于流体振荡原理工作的一种流量计。,由测量管、旋涡发生体（具有非流线型截面的柱体，垂直插于流通截面内）组成和转换器组成。,分类：,涡街流量计，基于流体自然振荡旋进旋涡流量计，基于流体强迫振荡,1.涡街流量计,基于流体力学中的卡门涡街原理工作。,卡门涡街：,（1）组成结构及工作原理：,当流体流过旋涡发生体时，在发生体两侧会交替地产生旋涡，并在它的下游形成两列不对称的旋涡列。当每两个旋涡之间的纵向距离h和横向距离L满足hL=0.281关系时，两个旋涡列稳定（称为“卡门涡街”）,二、漩涡流量计（涡街）,实验证明:在一定的雷诺数范围内，稳定的旋涡产生频率f与旋涡发生体处的流速V有确定的关系：,f单位时间内单列漩涡产生的个数d为旋涡发生体的特征尺寸St称为斯特罗哈尔数St与旋涡发生体形状及流体雷诺数有关，在一定的雷诺数范围内，St数值基本不变。,因此,当旋涡发生体的形状和尺寸确定后，可以通过测量旋涡产生频率来测量流体的流量。其流量方程为:,As管道内漩涡发生体处的流通截面积K为仪表系数单位体积脉冲个数，一般是通过实验测得。,1.涡街流量计,（2）旋涡频率检出,旋涡频率信号的检测方法有热敏式、差压式、超声波式、应变式等多种,环流原理：当圆柱体一侧出现漩涡时，惯性作用其他部分产生反向旋转流-逆环流。下方产生漩涡时：逆环流使上侧VP，下侧VP产生由下向上的力F(茹科夫斯基力)F=1.7dV2。上方产生漩涡时：产生由上向下的力。,频率检出原理：在漩涡发生体内腔连通孔中，嵌入一个热敏电阻（或铂电阻），通入恒定电流加热电阻。产生漩涡的一侧，流速降低、静压升高；另一侧反之。流体从导压孔进入、向未产生漩涡的一侧流出。带走热电阻的热量，热电阻温度降低、电阻增大。在交替产生的旋涡的作用下，热电阻被周期地冷却，使其阻值周期性改变，阻值变化的频率是单列漩涡产生频率f的2倍，阻值的变化由桥路测出，即可测得旋涡产生频率，从而测知流量。,二、漩涡流量计（涡街）,（3）旋涡流量计的特点,1）精度较高(0.5l)，量程宽；频率脉冲信号输出，抗干扰。2）测量不受流体参数及状态的影响。3）无可动部件，压力损失小；使用寿命长；4）安装简便，维护量小，故障率低。5)流速分布情况和脉动影响测量精度，旋涡发生体粘污会引起误差。,1）安装时必须保证流量计的前后有足够的直管段长度，以确保产生旋涡的必要流动条件，前15D、后5D。2）涡街流量计不能用于强振动场所。3）允许安装在水平或垂直的管道上，但必须保证管道为满管流动。垂直安装时流体必须自下而上流动。4）在高粘度、低流速、小口径情况下，应注意检验雷诺数是否满足ReD2104条件。5)被测流体的流速必须在规定范围（切记）气体流速范围为460ms液体流速范围是0.387ms测量蒸气时流速范围不超过70ms。,（4）旋涡流量计的安装与使用,二、漩涡流量计（涡街）,三、超声波流量计,超声波：频率大于16kHz的声波超声波流量计：通过检测流体流动时对超声波传播速度的作用来测量流体流量的一种速度式流量仪表。,时差式和多普勒式,1.工作原理：,1）时差式,声波在流体中传播速度受流体流动速度的影响，顺流方向声波的传播速度会增大，逆流方向声波的传播速度则会减小。,利用传播速度之差与被测流体流速之间的关系，即可确定被测流体的流量。,AB顺流传播时间：,AB逆流传播时间：,L,A,B,v,三、超声波流量计,传播时间差为：,Vc，忽略得：,注意：c受介质温度的影响而变。,三、超声波流量计,2.结构特点与应用,结构：超声波流量计主要由安装在测量管道上的超声波换能器和转换器组成，换能器和转换器之间由专用信号传输电缆连接。,特点:(1)测量管内无任何阻流元件，无额外压力损失，特别适用于大管径、大流量测量，适合在天然气长距输送