第四章流量检测与仪表

1、刘玉长刘玉长第四章第四章 流量检测与仪表流量检测与仪表4.1 节流式流量计节流式流量计4.2 均速管流量计均速管流量计 4.3 电磁流量计电磁流量计 4.4 容积式流量计容积式流量计 4.5 质量流量计质量流量计4.6 其它流量计其它流量计刘玉长刘玉长第四章第四章 流量检测与仪表流量检测与仪表1.流量、总流量的定义流量、总流量的定义流量流量:是单位时间内通过管道某一截面的流体数量的大小。是单位时间内通过管道某一截面的流体数量的大小。总量总量(累积流量累积流量):在某一段时间内流过管道流量的总和。在某一段时间内流过管道流量的总和。流量和总量可用流量和总量可用体积体积表示表示,还可用还可用质量质量

2、表示。表示。00ttQQdtMMdt 总总总总流量和总量之间的关系流量和总量之间的关系:测流体流量的仪表叫流量计测流体流量的仪表叫流量计,测流体总量的仪表叫计量表。测流体总量的仪表叫计量表。体积流量体积流量:流体平均流速流体平均流速V与流经管道横截面积与流经管道横截面积A乘积乘积, 即即Q=Av；质量质量流量流量(M)和和体积体积流量流量(Q)之间的关系是之间的关系是:M=Q-流体的密度，流体的密度， M单位为单位为kg/h；Q单位为单位为m3/h,刘玉长刘玉长2.流量计的分类流量计的分类速度式流量计速度式流量计:以测量流体在管道内的流速来计算流量的以测量流体在管道内的流速来计算流量的仪表。如

3、仪表。如节流节流式流量计式流量计.转子流量计转子流量计.均速管流量计均速管流量计.电电磁流量计磁流量计.涡轮流量计等。涡轮流量计等。容积式流量计容积式流量计:以单位时间内所排出流体的固定容积数来以单位时间内所排出流体的固定容积数来计算流量的仪表。如计算流量的仪表。如椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计.活塞式流量计等。活塞式流量计等。质量式流量计质量式流量计:以测量流体流过的质量为依据的流量计。以测量流体流过的质量为依据的流量计。分直接式流量计和间接式流量计。它具有测量精度不受分直接式流量计和间接式流量计。它具有测量精度不受流体的温度、压力、粘度等变化影响的优点。有发展前流体的温度、压力、粘度等变化影

4、响的优点。有发展前途的仪表。如途的仪表。如克里奥利质量流量计克里奥利质量流量计等。等。第四章第四章 流量检测与仪表流量检测与仪表刘玉长刘玉长工作原理工作原理:基于流体流动的基于流体流动的节流原理节流原理,利用流体流经节流利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量的测量。装置时产生的压力差而实现流量的测量。(节流面积不变节流面积不变,差压变化反映流量的大小。差压变化反映流量的大小。)组成组成:节流装置、差压计节流装置、差压计(差压变送器差压变送器) 、显示仪表。、显示仪表。4.1 节流式节流式(差压式差压式)流量计流量计节流装置组成节流装置组成:节流件、取压装置和符合要求的直管段。节流件、取压

5、装置和符合要求的直管段。节流现象节流现象:流体在流经节流装置的管道时流体在流经节流装置的管道时,在节流装置前后在节流装置前后的管壁处的管壁处,流体的静压力产生差异的现象。流体的静压力产生差异的现象。节流式流量计特点节流式流量计特点:结构简单结构简单,性能稳定性能稳定,使用维护方便使用维护方便,且有一部分已标准化且有一部分已标准化,是目前应用最多的一种流量计。是目前应用最多的一种流量计。节流件节流件:使管道中的流体产生局部收缩的元件。使管道中的流体产生局部收缩的元件。标准节流件标准节流件如如孔板、喷嘴和文丘里管孔板、喷嘴和文丘里管等。等。节流装置节流装置变送器变送器显示装置显示装置压差压差 p

6、标准信号标准信号 Q 刘玉长刘玉长4.1 节流式节流式(差压式差压式)流量计流量计标准节流件孔板、喷嘴及文丘里管标准节流件孔板、喷嘴及文丘里管。如下图所示。如下图所示。( a ) ( b )( c )高 压低 压入 口 部分渐 缩 部分喉 部渐 扩 部 分( a )( b )( c )高 压低 压入 口 部分渐 缩 部分喉 部渐 扩 部 分(b) 喷嘴喷嘴(a )(b )(c)高 压低 压入 口 部分渐 缩 部分喉 部渐 扩 部 分(c) 文丘里管文丘里管(a) 孔板孔板刘玉长刘玉长以孔板为例说明以孔板为例说明节流现象节流现象,如下图所示：如下图所示：流动的流体具有能量流动的流体具有能量,即即

7、静压能和动能静压能和动能。流体由于有。流体由于有压力压力而具有而具有静压能静压能;由于流体有流动由于流体有流动速度速度而具有而具有动能动能。两者。两者在一定的条件下可相互转化在一定的条件下可相互转化,但能量是守恒的。但能量是守恒的。取压装置取压装置孔孔板板-4.1.1 节流装置测量原理节流装置测量原理刘玉长刘玉长v 不可压缩流体的流量基本方程不可压缩流体的流量基本方程v 节流前后流体的密度保持不变。当忽略压头损失节流前后流体的密度保持不变。当忽略压头损失p时时,v 由柏努里方程可得：由柏努里方程可得：221212 (1)22vvpp 流体流经节流孔前流体流经节流孔前后的流态变化后的流态变化4.

8、1.1 节流装置测量原理节流装置测量原理由流体流动连续性方程：由流体流动连续性方程：A1v1= A2v2 (3) 1222212(-)-=2 (/2)ppvvp 设流束收缩系数设流束收缩系数:= A2/Ad, 直径直径比比:=d/D;则则Ad/A1=d2/D2=2(3)式整理得式整理得: v1= 2 v2 (4)由式由式(4)代入式代入式(2) 得：得： 242(1/1)2/ (5)vp 刘玉长刘玉长因压头损失和流速不均匀因压头损失和流速不均匀,则则pp,加修正系数加修正系数 。22d2d24d2 2= 1pQpA vA vAA 4.1.1 节流装置测量原理节流装置测量原理则体积流量则体积流量

9、Q为为:242(1/1)2/ vp -流量系数流量系数,与节流件的类型、取压方式、直径比及与节流件的类型、取压方式、直径比及雷诺数等因素有关雷诺数等因素有关,须由实验确定。须由实验确定。d=2 MQAp(1) 不可压缩流体的流量基本方程不可压缩流体的流量基本方程d2/ QCEAp d=2 M CEAp 41C 流出系数流出系数41/1E 渐近速度系数渐近速度系数242(1/1)2/ vp 刘玉长刘玉长对空气对空气.煤气煤气.水蒸汽等可压缩流体水蒸汽等可压缩流体,流经节流装置前后的流经节流装置前后的流体密度流体密度会发生会发生变化变化,故引入膨胀系数故引入膨胀系数,则可压缩流体的则可压缩流体的流

10、量基本方程为：流量基本方程为：3dd2 , m /s2 , kg/sPQCEAMCEAP 4.1.1 节流装置测量原理节流装置测量原理(2) 可压缩流体的流量基本方程可压缩流体的流量基本方程(3)节流装置测量原理节流装置测量原理:流量方程中流量方程中,当当C.E.Ad.为已知时为已知时,则流量与压差的平方根成比例。则流量与压差的平方根成比例。节流装置测流量时节流装置测流量时,应在应在设计规定条件下使用设计规定条件下使用,流量方程流量方程中各系数才为常数中各系数才为常数,保证测量的准确度。如果保证测量的准确度。如果实际条件偏实际条件偏离设计值离设计值时时,会引入会引入附加误差附加误差,要做要做适

11、当修正。适当修正。 QPMP 因因， , 流量标尺刻度是非均匀的。为了保流量标尺刻度是非均匀的。为了保证测量的准确证测量的准确,被测值不应接近仪表的下限值。被测值不应接近仪表的下限值。刘玉长刘玉长4.1.2 标准节流装置标准节流装置定义定义:国际标准国际标准ISO 5167(2003)或国家标准规定的使用或国家标准规定的使用极限范围内极限范围内,根据该标准所提供的数据和要求进行设计、根据该标准所提供的数据和要求进行设计、制造和安装使用的节流装置。制造和安装使用的节流装置。分类分类:标准孔板、标准喷嘴与标准文丘里管。标准孔板、标准喷嘴与标准文丘里管。 4.1.2.1 标准孔板标准孔板开孔直径开孔

12、直径d :d12.5mm,0.10=d/D0.75孔板的厚度孔板的厚度E: e E 0.05D节流孔厚度节流孔厚度e: 0.005D e0.02D锥面的斜角锥面的斜角F: 30 F 60 A 结构形式结构形式上游侧入口边缘上游侧入口边缘G应十分尖锐应十分尖锐,无毛刺无毛刺,无卷口无卷口,亦无可见的任何异常。亦无可见的任何异常。节流件开孔越小节流件开孔越小,边缘尖锐度的影响越大。边缘尖锐度的影响越大。刘玉长刘玉长取压装置应有一个上游取压孔和下游取压孔取压装置应有一个上游取压孔和下游取压孔;不同取压方不同取压方式的上式的上.下游取压孔位置不同下游取压孔位置不同,但必需符合国家标准的规定。但必需符合

13、国家标准的规定。4.1.2.1 标准孔板标准孔板 B 取压装置取压装置分类分类:角接取压角接取压.法兰取压法兰取压.径距取压径距取压.缩流取压缩流取压.管接取压。管接取压。节流装置的取压方式节流装置的取压方式1-1角接取压；角接取压；2-2法兰取压；法兰取压；3-3径距取压；径距取压；4-4缩流取压；缩流取压；5-5管接取压管接取压标准孔板常用角接取压法和法兰取压法。标准孔板常用角接取压法和法兰取压法。标准喷嘴采用角接取压法。标准喷嘴采用角接取压法。取压方式不同的孔板取压方式不同的孔板,取压装置的结构取压装置的结构.孔板适用范围孔板适用范围.流出流出系数的实验数据及技术要求就不同系数的实验数据

14、及技术要求就不同,使用时应注意。使用时应注意。刘玉长刘玉长a 角接取压角接取压装置装置B 取压装置取压装置定义定义:从节流件上下游断面与管壁的夹从节流件上下游断面与管壁的夹角角处取出待测的压力。处取出待测的压力。分类分类:单独钻取压单独钻取压.孔环室取压。孔环室取压。取压孔直径要求取压孔直径要求:对清洁流体或蒸汽对清洁流体或蒸汽,0.65时时, 0.01Db0.02D。 对清洁流体对清洁流体1mmb10mm;对蒸汽或液化气对蒸汽或液化气4mmb10mm对大口径的管道对大口径的管道(D400mm),通常采用单独钻孔取压。通常采用单独钻孔取压。 单独钻孔取压单独钻孔取压:由前由前.后夹紧环上取出。

15、后夹紧环上取出。4.1.2.1 标准孔板标准孔板刘玉长刘玉长a 角接取压角接取压装置装置B 取压装置取压装置环室取压装置环室取压装置:在节流件上下游两侧安在节流件上下游两侧安装前装前.后环室后环室(夹持环夹持环), 用法兰将环室用法兰将环室.节流件和垫片紧固在一起。节流件和垫片紧固在一起。 环室取压特点环室取压特点:压力出口面积比较广压力出口面积比较广,取出平均压差而有利提高测量准确度取出平均压差而有利提高测量准确度;但加工制造和安装复杂。但加工制造和安装复杂。环室取压装置要求环室取压装置要求:环室内径环室内径:11.04D,上下游环室长度上下游环室长度S(S)0.5D, 环室厚度环室厚度 f

16、2a,连通管直径连通管直径: :410mm环室横截面积环室横截面积hc50mm2。孔板上游管道的相对粗糙度应符合有关规定。孔板上游管道的相对粗糙度应符合有关规定。刘玉长刘玉长b 法兰取压法兰取压装置装置标准孔板的上下游两侧均标准孔板的上下游两侧均用法兰用法兰连接连接,在法兰中钻孔取压在法兰中钻孔取压。 法兰取压装置法兰取压装置要求要求:取压孔的轴线至孔板上取压孔的轴线至孔板上.下游下游端面的距离端面的距离(S)=25.41mm。孔经孔经b 13mm。取压孔的轴线与管道的轴线垂直取压孔的轴线与管道的轴线垂直,孔口与管内平面平齐。孔口与管内平面平齐。 B 取压装置取压装置 刘玉长刘玉长上游取压口中

17、心与孔板上游端面距离上游取压口中心与孔板上游端面距离为为D,但在但在0.9D1.1D之间之间,不用修正流出系数。下游取压口中心与孔板上游不用修正流出系数。下游取压口中心与孔板上游端端面距离为面距离为D/2,但当但当0.60,在在0.480.52D之间时之间时,或当或当0.60,在在0.490.51D之间时之间时,都不必修正流出系数。都不必修正流出系数。 B 取压装置取压装置 c 径距取压径距取压(D与与D/2取压取压)装置装置刘玉长刘玉长 国家标准规定的孔板应用条件国家标准规定的孔板应用条件 角接取压或径距取压角接取压或径距取压(D与与D/2取压取压)法兰取压法兰取压d 12.5 mm50 m

18、m D1000 mm0.10 0.75对于对于0.100.56,ReD5000;对于对于 0.56,ReD160002ReD5000且且ReD 1702D(D:mm)不同取压方式的标准孔板必须满足国家有关标准规定不同取压方式的标准孔板必须满足国家有关标准规定的条件的条件,才能正常使用。才能正常使用。 B 取压装置取压装置 4.1.2.1 标准孔板标准孔板刘玉长刘玉长C 角接取压标准孔板的流出系数角接取压标准孔板的流出系数C GB/T2624.2-2006规定规定,用里德用里德-哈利斯公式计算哈利斯公式计算C值：值： 11.110.76280.361073.541.3242100.59610.0

19、2610.2160.00052110(0.01880.0063)(0.0430.080.123)2(10.11)0.0310.8()111DDLLCReeRLAAL ee若若D71.12mm,应加上应加上:0.011(0.75-)(2.8-D/25.4) 。A = (19000/ReD)0.8；L1l1/D；L2l2/D。C = f(ReD,节流件类型节流件类型,D,)(1) 角接取压时角接取压时:L1=L2=0;(2) 径距取压时径距取压时:L1=1,L2=0.47；(3) 法兰取压时法兰取压时:L1=L2=25.4/D 。刘玉长刘玉长三种取压方式孔板的可膨胀系数三种取压方式孔板的可膨胀系数

20、可用经验公式计算：可用经验公式计算： =1-(0.351+0.2564+0.938)1-(p2/p1)1/p1.p2上下游侧流体的绝对压力上下游侧流体的绝对压力,kPa；等熵指数。等熵指数。 根据空气根据空气.水蒸汽水蒸汽.天然气的试验结果得出的公式天然气的试验结果得出的公式,当当p2/p10.75时才实用。时才实用。D 可膨胀系数可膨胀系数4.1.2.1 标准孔板标准孔板E 压力损失压力损失P 三种取压方式孔板的压力损失可用下式近似计算：三种取压方式孔板的压力损失可用下式近似计算：1.9(1-)Pp 刘玉长刘玉长刘玉长刘玉长(a)d(2/3)D4.1.2.2 标准喷嘴标准喷嘴 分类分类:IS

21、A1932喷嘴喷嘴和长径喷嘴。和长径喷嘴。喷嘴是由圆弧形的收缩部分和圆筒形喉部组成的节流件。喷嘴是由圆弧形的收缩部分和圆筒形喉部组成的节流件。 ISA1932喷嘴组成喷嘴组成:垂直于轴线平面入口部分垂直于轴线平面入口部分A,两段圆弧两段圆弧曲面曲面B和和C构成的入口收缩部分构成的入口收缩部分,圆筒形喉部圆筒形喉部E与防止出口与防止出口边缘损伤的保护槽边缘损伤的保护槽F。各段曲线之间相切。各段曲线之间相切,且光滑。且光滑。要求要求:平面入口部分平面入口部分A是直径为是直径为1.5d且与旋转轴且与旋转轴(喷嘴轴线喷嘴轴线)同心同心的圆周和直径为的圆周和直径为D的管道内圆的管道内圆所限定的平面部分。

22、所限定的平面部分。当当d=2D/3时时,A的径向宽度为零的径向宽度为零,d2D/3时时,则管内没有平面则管内没有平面A,如图如图b。刘玉长刘玉长(a)d(2/3)D4.1.2.2 标准喷嘴标准喷嘴 当当0.50, R1=0.2d0.02d,R2=d/30.03d;当当0.50, R1=0.2d0.006d,R2=d/30.01d;要求要求:收缩部分收缩部分由由B.C组成的曲面组成的曲面, B与与A相切相切,B圆心距圆心距A面面0.2d,距喷嘴轴线距喷嘴轴线0.75d;C与与B.E相切相切,C圆心距圆心距A面为面为a=0.3041d,距轴线为距轴线为5d/6; B.C半径半径R1.R2分别为分别

23、为:圆筒形喉部圆筒形喉部E直径直径d,长度长度0.3d。保护槽保护槽F直径直径c1.06d,轴向长度轴向长度0.03d,出口边缘应尖锐出口边缘应尖锐,无毛刺无毛刺.伤痕伤痕.无明显倒角。无明显倒角。刘玉长刘玉长(a) d(2/3)D4.1.2.2 标准喷嘴标准喷嘴 不包括不包括F的喷嘴总长度的喷嘴总长度L:当当0.32/3, 0.50, L=0.6041d; 1/220.40410.75/0.25/0.5225Ld 当当2/3e2, u= e1- e20。当铁心向下移动时当铁心向下移动时, e1e2, u= e1- e20。(1).流量变送部分流量变送部分转子流量计的转子与差动变压转子流量计的

24、转子与差动变压器的铁心连接器的铁心连接,可将流量的大小可将流量的大小转换成输出感应电势的大小。转换成输出感应电势的大小。2.电远传式转子流量计电远传式转子流量计刘玉长刘玉长(2).电动显示部分如下图电动显示部分如下图刘玉长刘玉长刘玉长刘玉长刘玉长刘玉长是非标准仪表是非标准仪表,出厂时在工业基准状态出厂时在工业基准状态(20,0.10133MPa)下用下用水水或或空气空气进行标定的。当被测介质和工作状态发生进行标定的。当被测介质和工作状态发生改变改变, 必须对仪表刻度进行修正。必须对仪表刻度进行修正。(1).液体流量测量时的修正液体流量测量时的修正1212122()2()=,=SSSSSSgCg

25、CQKhQKhAA Q1-用水标定的刻度流量用水标定的刻度流量; Q2-被测介质实际流量被测介质实际流量;212112()=()SSQQ 3.转子流量计的指示值修正转子流量计的指示值修正刘玉长刘玉长例例1:现用一只以水标定的转子流量计来测量苯的流量现用一只以水标定的转子流量计来测量苯的流量,已知转子材料为不锈钢已知转子材料为不锈钢,S=7.9g/cm3,苯的密度为苯的密度为2=0.83g/cm3。试问流量计读数为。试问流量计读数为3.6L/s时时,苯的实际苯的实际流量是多少？流量是多少？苯的实际流量是苯的实际流量是4L/s。解解:已知已知Q1=3.6L/s,求被测介质实际流量求被测介质实际流量

26、(Q2)。212112()=()SSQQ (7.9 0.83) 1=3.64 /(7.9 1) 0.83L s 刘玉长刘玉长测气体时测气体时,制造厂是在工业基准状态制造厂是在工业基准状态(293.15K,101.325kPa)下用下用空气空气进行标定的。对非空气介质在不同于上述基准进行标定的。对非空气介质在不同于上述基准状态下测量时状态下测量时, 要进行修正。要进行修正。当仪表显示刻度为当仪表显示刻度为Q1,实际介质的流量为实际介质的流量为Q2,按下式修正：按下式修正：11221221pTQQpT 工业基准状态工业基准状态被测介质实际状被测介质实际状态态绝对温度绝对温度绝对压力绝对压力(2).气体流量测量时的修正气体流量测量时的修正刘玉长刘玉长例例2:某厂用转子流量计来测量温度为某厂用转子流量计来测量温度为27,表压为表压为0.16MPa的空气流量的空气流量,问转子流量计读数为问转子流量计读数为38m3/h时时,空气的实际空气的实际流量是多少？流量是多少