第6章 核电站仪表流量测量

1、主主 要要 内内 容容1235.1 流量测量流量测量概述 5.2 节流式流量计5.3 其它常用流量计简介 在工农业生产和科学研究试验中，流量都是一个很重要的。例如，石油化工和电力生产过程一方面：保证生产安全；另一方面：有效地和生产过程，需要检测各种流体的流量；其他方面：同时为、提供重要依据；2 2、测量流量的现状、测量流量的现状现状： 迄今为止，流量的测量，流量计的，流量计仪器的也很，因此流量计量的研究领域和空间很。原因分析： ：单相与多相、牛顿与非牛顿、粘与非粘、可压和不可压、汽化、结晶和清洁杂质等。 ：圆和非圆、光滑和粗糙、弯曲情况等。 ：层流，紊流、满管、非满管，流量大小。利用伯努利方程

2、原理，通过测量流体差压信号来反映流量的流量测量法；利用标准小容积来连续测量流量的测量；通过直接测量流体流速来得出流量的流量测量法；以测量流体质量流量为目的的流量测量法。 目前已投入使用的流量计已超过100种。从不同的角度出发，流量计有不同的分类方法。P113 1 1）瞬时流量（流量）瞬时流量（流量）单位时间内流过某一截面的物质数量（质量或体积）。2 2）总流量（总量、累积流量）总流量（总量、累积流量）在某一时间内流过的物质数量。dtdQq tqdQ流量表示法流量表示法： 质量流量是反映流量的最好方法（不受温度等环境参数质量流量是反映流量的最好方法（不受温度等环境参数变化）。凡是没有特殊说明的流

3、量，均指的是瞬时流量。变化）。凡是没有特殊说明的流量，均指的是瞬时流量。 流体的物理性质与管流基础知识流体的物理性质与管流基础知识 流体的密度、粘度；压缩系数和膨胀系数；雷诺数；管流类型；流速分布与平均流速；连续性方程和伯努利方程；1）流量范围流量范围指流量计可测的最大流量与最小流量的范围。2）量程和量程比流量范围内最大流量与最小流量值之差称为流量计的量程。最大流量与最小流量的比值称为量程比，3）允许误差和精度等级精度等级有：0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5等。4）压力损失流量仪表选型的一个重要技术指标。压力损失小，测量成本低。反之则能耗大，经济效益相应降低。

4、 6.2 6.2 节流式流量计节流式流量计 节流式流量计是一种典型的差压式流量计。是目节流式流量计是一种典型的差压式流量计。是目前工业生产中用来测量前工业生产中用来测量的最常的最常用的一种流量仪表。在整个工业生产领域中，节流式用的一种流量仪表。在整个工业生产领域中，节流式流量计约占流量仪表流量计约占流量仪表。 优点 结构简单，安装方便，工作可靠，成本低，又结构简单，安装方便，工作可靠，成本低，又具有一定准确度；具有一定准确度；有很长的使用历史，有丰富的、可靠的实验数有很长的使用历史，有丰富的、可靠的实验数据，设计加工已经标准化。据，设计加工已经标准化。6.2.1 节流式流量计的组成及原理节流式

5、流量计的组成及原理 节流式流量计组成示意图1节流装置；2引压管路；3三组阀；4差压计 测量出节流装置两端的差压信号来间接测量流量。将流量转换成差压信号，也称“一次装置”，包括节流件、取压装置和前后直管段。 测量差压、显示流量也称“二次装置”，包括差压信号管路和测量仪表（差压变送器、开方器、显示仪表、积算器）。 p 节流装置的组成和类型节流装置的组成和类型 图5-6节流装置的组成示意图p 标准节流标准节流装置的结构装置的结构 从节流件、取压装置、以及测量管段三方面标准化 通常节流件选用标准孔板或标准喷嘴，取压方式常采用环室取压、角接取压、法兰取压以及D-D/2取压等方式。 由节流件、取压装置、以

6、及测量管段 好的节流件应当使得流量和差压之间的关系较为稳定。常用的节流件有常用的节流件有 标准化的孔板标准化的孔板、圆缺孔板圆缺孔板标准化的喷嘴标准化的喷嘴、非标准化的非标准化的1/41/4圆喷嘴圆喷嘴长径喷嘴、文丘里喷嘴长径喷嘴、文丘里喷嘴和文丘里管、等和文丘里管、等 p 节流装置的取压方式节流装置的取压方式 孔板：结构简单，易加工，省料，造价低；工业上应用多，孔板：结构简单，易加工，省料，造价低；工业上应用多，只能用于清洁的流体。只能用于清洁的流体。文丘里管：结构复杂，难加工，费料，造价高；一般用于有文丘里管：结构复杂，难加工，费料，造价高；一般用于有特殊要求的场合，如低压损高精度。它的流

7、通连续变化，所特殊要求的场合，如低压损高精度。它的流通连续变化，所以可用于脏污流体的流量测量，并在大管径流量测量方面应以可用于脏污流体的流量测量，并在大管径流量测量方面应用较多。用较多。喷嘴：居中。由于其坚固性，一般用于高速的蒸汽流量测量。喷嘴：居中。由于其坚固性，一般用于高速的蒸汽流量测量。流出系数的稳定性：孔板差，喷嘴好。流出系数的稳定性：孔板差，喷嘴好。压力损失：孔板大，喷嘴小，文丘里管更小。压力损失：孔板大，喷嘴小，文丘里管更小。p 节流装置的性能比较节流装置的性能比较流体流经节流件时压力和流速变化情况6.2.2 6.2.2 流量公式流量公式 伯努利方程和连续性方程2211222221

8、1122vAvAvpvp212221221222121)(1)(2vAqAAppvvAAvm伯努利方程和连续性方程联立求解，可得出其体积和质量流量分别为：)p-(p24)(11q2124vdDd)p-(p24)(11q2124mdDd 由于，实际测量的是，并且测量过程中总有压力损失，可以引入流出系数进行。替换替换p2d411q24m先替换：先替换：p2d411q24vp242dqv采用流出系数修正后为：p242dqm411ECEC41 另外，如果测量对象为，那么它在节流过程中将发生变化，需要引入流束修正采用节流件前的流体密度，最后，可压缩流体公式表示为： pdqv242pdqm242 标准节流

9、装置的压力损失pp2211压力损失与节流件形式有关，随直径比的减小而增大，随压差的增加而增加。设计节流件是应对压力损失有所限制，不能超出允许范围。qp2pKq pq节流装置的输入为，输出为 ，由流量公式可知：即：差压变送器内增添开方运算功能，将标准电流信号进行开方。q很小时，灵敏度显著降低，使得差压计相对误差急剧增大，测量范围通常为1/3上限上限。 、为非线性关系；截面积或者直径，为实际温度下的数值211, ,/fk PPP P或流束膨胀系数与节流件形式有关，是等熵指数，它与介质有关。p流出系数是在一定的和下，实测的流量值与理论计算的流量值之比。由于实测时总有损失情况，所以60时，附面层分离，

10、产生旋向相反，且交替出现的旋涡。且当涡街宽度h/相邻旋涡间距l =0.2806时，涡街达到稳定。 数量关系：当ReD=20050000时：dvSft涡列频率斯特罗哈数涡列发生体两侧流体的平均流速涡列发生体迎流面的最大宽度tvSdfAvAq 涡列发生体两侧的流通截面积 体积流量斯特罗哈数St主要与漩涡发生体的形状和雷诺数有关，形状确定后，在一定雷诺数范围内St为常数。4.3.3涡街流量计涡街流量计特点特点： 优点：无可动部件，寿命长；优点：无可动部件，寿命长；准确度高，线性范围宽；量程准确度高，线性范围宽；量程范围宽（范围宽（100：1）；压力损失）；压力损失小；不受小；不受P、t、等流体参等流

11、体参数变化的影响；气、液均可以数变化的影响；气、液均可以使用，可用于大口径管道的气使用，可用于大口径管道的气液测量。液测量。 缺点：干扰引起的流量振荡时缺点：干扰引起的流量振荡时影响较大。影响较大。涡街流量计外形图2）频率检测方法）频率检测方法主要方法：主要方法：压力脉动测量法、流速脉动测量法、频率直接检测法；压力脉动测量法、流速脉动测量法、频率直接检测法；热电阻法（热电阻法（P脉动）：脉动）： 把圆柱做成空心，中间放入一个加热的电阻丝，在隔板层开几个导压孔，当一侧产生涡列时，P变化（脉动），另一侧未变，所以流体经过导压孔突然流过电阻丝，使之冷却，温度降低，电阻减小，另一侧再产生涡列时，流体反

12、而再次冷却，电阻减小，测出电阻下降的次数就可以推出f。热敏电阻法（灵敏度高）：热敏电阻法（灵敏度高）：在三角柱体的迎流面上对称的嵌入两个热敏电阻，热敏电阻中通入恒定的电流，使之温度在流体静止的情况下比流体高出10左右。未起漩时，流体的温度相同，交替旋转时，发生漩涡的一侧，能量损失，因此流速降低，此侧对电阻的冷却作用下降，可以产生一个脉冲。电磁检测法：电磁检测法：旋涡发生体后设置一个信号电极，并使电极处于一个磁感应强度为B的永久磁场中，流体旋涡的振动使电极同频率振动，切割磁力线产生感应电动势。特点：不怕管道振动，刚刚兴起的涡街频率检测方法。p直接式质量流量计直接式质量流量计 科里奥利热学法 差压

13、法p推导式质量流量计推导式质量流量计 双通道检测法双通道检测法（测两个与流量有关的信号，处理后得到质量流量） 组合法组合法（差压+体积流量；体积流量+密度计；差压+密度计）补偿法补偿法（体积流量+温度+压力） 图5-26 节流式流量计与密度计组合图5-27 体积流量计和密度计组合图5-29 节流式流量计和其它体积流量计组合一般是采用体积流量计和一般是采用体积流量计和密度计或两个不同类型的密度计或两个不同类型的体积流量计组合，实现质体积流量计组合，实现质量流量的测量。常见的组量流量的测量。常见的组合方式主要有三种合方式主要有三种 热式气体质量流量计u 热式质量流量计（测气体）热式质量流量计（测气

14、体）图5-30 热式质量流量计示意图TCEqpm可分为恒定功率法和恒定温差法 直接式质量流量计直接式质量流量计图 双孔板差压式质量流量计u 差压式质量流量计（双孔板式）差压式质量流量计（双孔板式） 221()AvpppKqq223()BvpppKqq1314BAvvppppK q qKq在双孔板流量计中，要求在双孔板流量计中，要求 ，又发展了四，又发展了四孔板流量计孔板流量计 vqq 利用流体在振动管中流利用流体在振动管中流动而产生与质量流量成动而产生与质量流量成正比的科里奥利力的原正比的科里奥利力的原理来直接测量质量流量理来直接测量质量流量u 科里奥利质量流量计科里奥利质量流量计图5-35双

15、型管科里奥利流量传感器结构图5-36 型检测管工作原理a）振动中的传感器 b）向上运动时在一根传感管上的作用力c）表示力偶及管子扭曲的传感管端面视图 5.3.7 靶式流量计靶式流量计 原理原理: :它属于它属于节流变压降类节流变压降类，在管道的中心设置一，在管道的中心设置一圆盘形靶子圆盘形靶子作为节流件，靶子与管壁之间形成环形流通截面，故又把靶作为节流件，靶子与管壁之间形成环形流通截面，故又把靶子称为子称为环形孔板环形孔板。流体。流体P P使靶子受一推力，测出此力便可以使靶子受一推力，测出此力便可以知道流量。知道流量。图5-42 靶式流量计工作原理示意图AuF221靶式流量计插入式高温型矢量机

16、构型动压测量原理动压测量原理l 应用条件：沿同一流线，定常流动，无粘性，不应用条件：沿同一流线，定常流动，无粘性，不可压缩，只有重力作用下的流体。可压缩，只有重力作用下的流体。 由流体力学中的由流体力学中的伯努力伯努力方程：方程：2gvgpz2gvgpz2222211121流速的测量测量（以点流速代替平均流速）（以点流速代替平均流速） 压力水头流速水头位置水头02011200110pv2p p2vp 0,zz)p-2(pv010B点流速为零，称之为驻点点流速为零，称之为驻点 总压总压 动压动压 + 静压静压 2gvgpz2gvgpz20002111若能测出流体中某一点的动压若能测出流体中某一点

17、的动压(或者总压和或者总压和静压静压)，按照伯努力方程就可以求出该点的，按照伯努力方程就可以求出该点的流速。流速。P1:总压 P0:静压为了测量方便，把总压和静压测量为了测量方便，把总压和静压测量管管套在一起，在图中，套在一起，在图中，A端是测端是测量量的管口，的管口，B点是点是测量点测量点形成驻点，在形成驻点，在A、B两点根据伯努力方两点根据伯努力方程则有：程则有：5.3.15.3.1皮托管和均速管流量计皮托管和均速管流量计 2102ppu122upppp皮托管皮托管图5-16皮托管测量原理示意图B、pppu2221pu2pu211、实际测量情况与理论的差别，引入皮托管系数修正2、流体压缩系

18、数修正皮托管的结构示意图动压测量管尺寸设置要求动压测量管尺寸设置要求 皮托管结构简单，使用方便，用途很广，特别用于飞行速度测量。 如飞机头部或机翼前缘常装设皮托管，测量相对空气的飞行速度，又称空速管。 通常装有两对，水平方向，垂直方向。注意：若气体速度比音速大的时候，不适用了。 前面介绍了，速度面积型流量计主要在于测量流体； 皮托管测量的是管道中心处的速度（或者动压），这样理论分析偏大。问题：平均速度（平均动压）测量因此主要在于的设计。p动压平均管（阿纽巴管、笛形管）动压平均管（阿纽巴管、笛形管）用一根圆管（总压平均管）沿被测管道直径插入管道，在总压平均管上按照要求开几个孔（取压口），总压在管中平均后由细管引出，静压从背后引出： )p-2(pvJz其中， 由试验确定，目前只适用于圆形管道。2对或者3对总压口，一个或多个静压口。圆形：受雷诺数影响，导致流量系数不稳定，主要在于其阻力使得压力分布不均匀。菱形：不受雷诺数限制，保证流量系数稳定，普遍采用。机翼