东北电力大检测技术及仪表讲义04流量测量

PAGEPAGE224流量测量4.1概述作用：指导操作、经济核算、保障安全的重要参数。4.1.1测量流量的现状现状：迄今为止，流量的测量准确度较低，流量计的通用性很差，单位传递和仪器的检定都有困难，是发展中的领域。原因：流体性质多样：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。管路系统的多样性：圆和非圆、光滑和粗糙、弯曲情况等。流动状态多样：层流，紊流（充分发展与非充分发展）、满管、非满管、明渠…4.1.2概念1）瞬时流量（流量）q：单位时间内流过某一截面的物质数量（质量或体积）。2）总流量（总量、累积流量）Q：在某一时间内流过的物质数量。Q=,4-1q=4-2若q=c则Q=q(t-t)4-33）流量表示法：质量流量：单位：kg/skg/h体积流量：单位：m/sm/h二者之间的关系：4-4ρ——流体的密度kg/m4）说明质量流量是物质的固有属性不随外界条件发生变化，是反映流量的最好方法。凡是没有特殊说明的流量，均指的是瞬时流量。4.1.3流量测量方法的分类1）容积法流体的固定的已知大小的体积逐次的从流量计中排放流出，则计算流出次数，就可以求出总量，计算排放频率，就可以求出q。例如刮板流量计、椭圆齿轮流量计、腰轮流量计。特点：流体的流动状态，雷诺数影响小，易准确计数。但是不宜于高温，高雅，赃、污介质，上限不能很大，漏流以及磨损。2）流速法：应用最多，流通截面积恒定时，截面上的平均流速与体积流量成正比，测出与流速有关的物理量就可以知流量的大小。例如差压法、动压、涡轮等。3）质量法：直接法：由牛顿第二定律，测力，加速度，得出质量。例如：转子，靶式。间接法：体积流量与密度信号综合运算。4）其他：漩涡、热式、电磁、超声波。4.2节流式流量计是目前应用最广的一种流量计，约占70%，今后相当长的时间内还会占40%～45%优点：形式不需要个别标定，能保证相当高的工作精度。4.2.1工作原理以及节流式流量计的组成1）原理流体流经管内固定的节流元件时，在节流件前后产生了差压，利用对差压的测量来反映流量大小。2）流量计的组成：节流装置：显示仪表（差压计）；节流装置、差压变送器、显示仪表；节流装置、差压变送器、开方器、显示仪表、积算器（其中差压变送器和开方器称为流量变送器）4.2.2流量公式依据：能量方程（伯努力方程），连续性方程，定熵膨胀过程（可压缩流体）要求：掌握结果，了解详细推导过程；各种节流元件的公式形式相同，只是系数不同。1）流动状态分析2）不可压缩流体的流量公式：理论公式如上图所示，设液体为满管流动、不可压缩流体在重力场中的定常流动，则列写出A、B面中心流线的一元流动的伯努利方程和连续性方程（忽略A、B面中心流线的位能差别ρ=ρ）4-54-6联立可以求出：4-7则一元流动的理论流量公式为：4-8实际公式由于一元流动得出的流量公式代表的不是总体流量，所以类似，设流体为牛顿流体，无旋转流时的连续性方程和总伯努利方程：4-94-10其中：是平均流速；c和c是动能修正系数；为阻力系数。联立解出，由得实际流量公式：4-11公式分析B面的参数很难实测（即A难测），但是节流件的孔径易测，所以公式中用A代替A，即A=μA，μ是收缩系数。又由于实际取压位置与A、B面并不一致，故测得的压力是p、p（而不是p和p），令,是取压系数。A=A(管径)，令，（）综合得到，可用公式： 4-12令：——称为流量系数——称为流出系数。不可压缩流体综合流量公式：m3/s4-13kg/s4-143）可压缩流体综合流量公式：m3/s4-15kg/s4-16其中：——流束膨胀系数，液体＝1。单位：A—md—mρ—kg/m△P—Pa若已知管道内径和截面积A，则公式中，。4）流量公式说明节流装置的输入—输出关系的静特性：节流装置的输入为q，输出为△P，由公式可知：△P=Kq。即：△P—q为非线性关系；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。流体密度：ρ为节流装置上游取压口处的流体实测密度。可压缩流体的ρ=f（P,T,成分）所以，P,T或成分有变化，则△P就有变化，应进行密度修正。截面积或者直径，A或D为实际温度下的数值流束膨胀系数ε=f（β,x,P/P或△P/P）与节流件形式有关。使用时可以用表格、经验公式或理论公式。（P124式4.17；4.18）。等熵指数x与介质有关（P124）流出系数c：是在一定的β和△P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c<1；喷嘴、文丘里管等对流动扰动较小，所以c≈1(>0.95)；孔板则对流动扰动比较大，所以c≈0.6。c=f(β,R)与节流件形式有关，使用时有经验公式（P123式4.12～4.16）。4.2.3节流装置的类型与结构1）节流装置的组成和类型组成：节流件、取压装置、测量管段；类型：标准化：孔板、喷嘴、文丘里管、文丘里喷嘴、长径喷嘴；非标准化：1/4圆喷嘴、锥形喷嘴、道尔管、偏心孔板、圆缺孔板（P131）；2）标准节流装置的一般技术要求管道：圆管——圆度有要求，管径有限制，节流件前后应有一定长度的直管段，管内上游10D，下游5D内要求光滑，没有凹坑、毛刺以及沉积物。流体性质：单相、均质的牛顿流体（动力粘度η=常数）而且流经节流件时，不能发生相变或析出杂质。流动状态：1）充满管道，连续，稳定或准稳定流动充分发展的紊流（R大于一个下限值）无旋转流，流线与管轴平行流速在截面上对称分布。3）标准节流装置的结构标准孔板（同心孔板）孔板本体形状：圆形薄板，中心开孔，前部为圆筒形，后部为圆锥扩张孔。特征尺寸：孔径d尺寸以及各部位加工由严格的要求（见书P127）标准喷嘴（2SA1932喷嘴）主要讲其形状和作图方法：内表面的形状是一组曲线，以管轴为中心旋转一周形成的收缩喷管。结构：进口平面（A）：内界1.5d，外界管内径或环室内径D要求与管轴垂直旋转对称的收缩表面（B），由一段圆弧旋转组成，r=0.2d，与前后成圆滑连接。圆心的位置：距前面0.2d，中心线0.75d.旋转收缩面（C）：由一段圆弧构成r=1/3d，圆心：距离前面0.3041d，距离管轴5/6d。（收缩总长0.3041d）圆角形的喉部：开孔直径d，要求精确计算，加工和检查，同心，长度为0.3d。凹槽（F）段，保护出口边缘锐利。直径≧1.06d；长度<0.3d.若β>2/3（D<1.5）时：因为管内径小于前平面A的内界，测量时将形成涡流区，影响精度。办法：车去前面的一部分，使得入口边缘直径为D。取压方式：只有角接取压。形式：单孔和环室。长径喷嘴内表面形状：入口收缩段由1/4椭圆绕管中心轴线旋转而成。结构：`A——前平面B——1/4椭圆C——圆筒（0.6d长）取压方式：径距取压上游取压口的中心线位置在距离入口端面1D±D；下游取压口的中心线位置在距离入口端面0.05D±0.01D。取压方法（包括取压口的位置和取压口的结构）位置：a)理论取压：取压位置在流束的未受干扰处和最小截面处b)法兰取压：在安装法兰上钻孔取压，孔板两侧距离相等（25.4mm）c)径距取压：固定上下游距离径管上取压（上游D，下游D/2处）。d)角接取压：取压口设在孔板角位置上。（常用）e)损失取压：取出δ的值。结构：角接取压：环室取压：信号稳定，有平均效果，费料，加工不便；单独钻孔取压：取压方便，可以用多孔环通式改善效果。测量管段（节流装置上下游的直管段）标准节流装置规定，节流装置上游10D，下游5D为直管段且内表面相对粗糙度有要求（详见P129表4.2）。4.2.4节流装置的性能比较孔板：结构简单，易加工，省料，造价低；文丘里管：结构复杂，难加工，费料，造价高；喷嘴：居中。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。4.2.5标准节流装置计算［本节内容是节流式流量计中学过的知识的综合应用，也是最为实用的知识。目前应用上，节流装置是单个设计的，不同的使用条件下需要用不同的节流装置，所以这一节的内容对于自专业的学生是要求掌握的］第一类命题：按照节流装置的实测差压，计算对应的流量（常在试验、标定情况下用）第二类命题：由待测流量范围，设计出合格的节流装置。1）第一类命题目的：按照节流装置的实测差压，计算对应的流量。已知条件：管道条件：D20、材料线膨胀系数（）、粗糙度（管道新旧）节流件数据：形式（标准、非标准）］d20、材料取压形式：角接、法兰等流体的种类参数（P、T）密度、等实测的△P数值。待求量：该△P对应的q或者q计算依据：计算分析：由公式可以看出，要求出q，未知量只有流出系数c，而c=f(β,R)可见，q未知→R求不出→c未知→q求不出，产生了矛盾。计算方法——迭代算法：设c初值，逐步迭代逼近：实际计算步骤：先进行辅助计算：由流体的种类和温度T，绝对压力P，查表求出密度ρ和动力粘度η，由管道条件（材料，温度）、节流件条件（材料、温度）查表得出材料的线膨胀系数λ和λ计算工作温度下的管径和孔径D=D[1+λ(t-t)]，d=d[1+λ(t-t)]，再求出k。∵c未知也不可求出∴先令，则c=c(已知β，所以c已知)令流体的动力粘度由上游的取压口参数P和t决定。再令c=c+c∴算出q=c×k——R——c可求。同理c=c+cq=c×k——R——c可求……如此迭代，每算出一次q与q比较，，直到q≈q为止。一般，判据E≦10或10，即可以停止迭代。2）第二类命题目的：节流装置的设计计算，其中包括：选定节流装置的类型计算出节流件的孔径d决定差压上限，选取差压计决定上下游直管段长度估算流体不确定度最大压损验算。已知条件：被测物体：状态参数（P，t，流量）管道条件：D，材料，阻力件分布情况等允许的压力损失待求量：节流装置（d），选取差压计计算依据：流量公式整理得：其中：设计分析由公式可以看出，要求出β的数值，就要知道c、ε、K，而c=f1(β,R)，ε=f(β,x,△P/P),K=f(△P,ρ,q,d),即c、ε、K只有β,△P已知方可以求出，这样就出现可矛盾设计方法——因为未知参数较多，故只能采取迭代计算，不能用简单的代数方法求出。结果不唯一。实际设计步骤｛详见P133～138｝辅助计算由流体参数P，t可以查出η，ρ（若是可压缩流体还应查出k=f(P，t)）；由管道材料查出λ，D=D(1-λ(t-t))由管道条件：查书表，平均粗糙度K,求出D/K,判断是否符合规定c)雷诺数计算：R=q×354×10/ηD迭代运算由于未知量较多，所以初值设计方法各国习惯不同，常规办法如下：已知q，设定β，计算出△P，这是需要差压计的量程可调，且△P应满足要求。已知q，设定△P，计算出β，这时差压计量程为系列值（设定时从系列中选择）指定△P，设定β，计算出的q值从较大的方向尽量靠近已知的待测流量，这时的差压计的流量标尺应能灵活标注流量值我国习惯采用的是第二种方法。验算和不确定度计算。3）设计说明节流件的形式的选择：性能比较：a)孔板结构简单，加工容易，造价低，省料文丘里管结构复杂，加工困难，造价高，费料喷嘴：居中b)孔板入口锐缘，易磨损，产生测量误差，易变形，稳定性差；喷嘴和文丘里管有较好的稳定性。c)孔板的压力损失最大，喷嘴其次，文丘里管最小d)适用的管径范围不完全相同e)适用的雷诺数范围不同我国常用的标准节流件：孔板和标准喷嘴（长径喷嘴）习惯选法：给水：孔板高压蒸汽：标准喷嘴（长径喷嘴）中低压蒸汽：视具体情况，优先选用孔板。若在测量中对压力损失有很高的要求时，可以改变采用的压损小的节流件如文丘里管，文嘴等差压计的选择（主要是选择差压上限△P）这是整个设计的关键的一步，△P确定以后，其他的就确定了下面就讨论一下选择△P时应考虑的几个方面：从流量公式可以看出，当q为定值时，△P增大，β就减小。此关系是确定的（即开孔越小，则阻力大，差压才大）∵β小：测量范围大，精度高（流量上下限之间距离大）；要求的直管段短；输出的△P大（测量灵敏度高）。∴从测量的角度上看△P大一些好从压力损失的公式我们可以看出：△P增大，δ就大，若用户提出的δ的允许值δ时，要求我们设计中采用的△P不可以大于某压力值：即：△P≦△P保证设计要求的直管段长度小于实际具有的直管段长度∵△P越大，β就越小，直管段要求减小∴△P≧△P（△P是直管段条件限定的值）流体：液体时，为保证流经节流件后不发生汽化，所以要求△P≦△P；气体时，差压也不可以过大，一般要求△P≦0.25P。（经验数据均在△P≦0.25P下求出）综合而言，对于电厂的具体情况测给水流量时，距饱和状态相差很远，且△P很小<0.1mPa；测量蒸汽时△P一般<<0.25P，所以上面的d）可以不考虑。直管段要求一般不事先提出△P要求，而是在设计β后进行验算，所以事先可以暂不考虑上面的c).△P的经验选法：用户有压损要求时（δ）：孔板：选择△P=（2~2.5）δ喷嘴：选择△P=（3~3.5）δ然后圆整到系列值中的最靠近的一个差压值作为△P。如果对压损没有要求时：孔板：可以选择β=0.4左右的△P调整后作为△P喷嘴：可以选择β=0.7左右的△P调整后作为△P还可以按照现场直管段的允许值和管径找出初步的β值，算出△P调整后作为△P。d）ε和c（迭带初值的选择）ε：推荐选为0.97c：孔板：0.61；喷嘴：0.99若已知β，c=c4.2.6流体参数偏离节流装置设计值时的校正1）流体参数流量、成分、压力、温度等。2）影响由节流装置的设计计算，我们知道，设计的依据是P、T、q等，若实际使用中，这些参数偏离设计值，则流量公式中的c、D、d、ε和ρ等均将偏离设计值，这样，两种状态下相同的流量流通时，示值会不同，或者示值相同，但是反映的流量不同。3）校正方法分析：设计工况下，流量公式中的qm内的各个参数是已知的固定值，而实际工况下流量公式中的各个量：管径和开孔直径受温度影响，有公式可以算出；c随R和β变化，ρ受成分温度和压力变化，当成分不变时ρ=f(P，t)；可压缩体与β、ρ、△P变化相关。补偿的途径计算补偿（全补偿）：利用经验公式或者图表，根据实际测出的参数（通过计算得出）D和d、c、ρ、β，然后利用上式进行修正。试验校正时可用，不适用于连续测量。在线自动补偿：利用常规的组合仪表，组装仪表或者是可编程仪表，实现密度修正。智能流量计中的全补偿。实用的密度补偿方法实用中，流体的参数变化主要是指P、t发生变化，而流量公式中受影响最大的是ρ，所以无论常规仪表补偿还是智能仪表补偿最多实现的还是密度补偿。4.2.7特殊节流装置标准节流装置应用很广，但是使用中有严格的要求，如：管道：圆管管径:50<D<1000mm流体性质：单相、均质的牛顿流体（动力粘度η=常数）而且流经节流件时，不能发生相变或析出杂质。流动状态：充满管道，连续，稳定或准稳定流动；充分发展的紊流（R大于一个下限值），无旋转流，流线与管轴平行，流速在截面上对称分布。为扩大节流式流量计的使用范围，解决更多的非标准问题，人们研制了一些非标准节流件。目前国内电厂中应用较多的有以下几种：1）用于低R的节流件锥形入口孔板：β=d/D是主要参数，可用于极小的R，但R上限有限制。1/4圆喷嘴2）用于赃污介质的节流件圆缺孔板（又称为弓形孔板）偏心孔板4.3常用流量计的简介4.3.1速度—面积法流量测量q=A（从单位上就可以看出m/s·m）1）平均流速问题办法：找一点，该点的流速正好是平均流速；在截面上找一系列的点，然后求出平均值。用一点流速代替平均流速层流：对于在足够长的等直径直管段中充分发展的层流，流速分布曲线是一定的。管道中心的流速v=2；距离管壁r=0.293R处的流速为。紊流：流速分布曲线随流速（R）变化。中心流速与的比值也是变化的；对于充分发展的紊流r=（0.238~0.246）R处流速为；对于未充分发展的紊流的位置不定，不能用一点上的流速来代替。选点测速法求平均流速实际上，足够长的直管段不易得到保证，因此，管流往往达不到充分发展，这时用测量多点的平均法可以求出平均流速。选点方法：对数——切比雪夫法；对数——线性法；三次方切比雪夫积分法等。整流器在较小的直管段上使流动状态满足规定要求，可以加装整流器。整流器的形式有：管式、筛孔式、组合式。2）点流速的测量动压测量原理应用条件：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。由流体力学中的伯努力方程：其中，z称为位置水头，v/2g称为流速水头，p/ρg称为压力水头。三者之和称为总水头，具有长度量纲。B点流速为零，称之为驻点。∵z0=z1∴得出总压＝动压+静压结论：若能测出流体中某一点的总压和静压，按照伯努力方程就可以求出该点的流速在图中，A端是测量总压的管口，形成驻点，VA为流速，PZ为流体的滞止压力，则有因为实际上，P和P无法同时测出，如果在管道截面上静压力可以被认为是相等的，用P代替P则有3）实用的动压测量管特点：静压和总压测量管组成一体基本形动压测量管（皮托管）国际标准化组织推荐的结构，圆形截面的双层管子，外径为d，头部形状有圆锥形、球形、椭圆形，中间细管接到管的头部，正对流速方向，得P，距管头一定距离打几个孔，测量静压P；尾部有一个与测量管成90度的管柄，从中引出P、P；其中：—动压测量管的校准系数，基本型=1—流体可压缩性修正系数，液体ε=0q=A=KA其中：A—测点所在的截面积，K=/v动压平均管（阿纽巴管、笛形管）由于用基本形皮托管测量流速时，要求出多点的v才能求出或者用一点的v代替，前者不便，后者困难，所以引出了动压平均管。结构：（图）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：其中，由试验确定，另外只能单方向平均，故只适用于圆形管道。翼形动压管目的：提高△P的值，（常用于矩形管道）。结构：截面为机翼形的测量管动压文丘里管目的：动压管的结构简单，但是△P小，灵敏度低，尤其是流速低时，为了提高△P，增加灵敏度，引出了动压文丘里管。动压文丘里管是流量测量中一种重要的传感器，多用于大截面管道。结构：为进一步提高△P，还可以采用双级动压文丘里管。4.3.2电磁流量计——非接触导电液体1）概述依据：依据法拉第电磁感应定律，测量管道内的流动的导电液体（等效于许多连续的导电薄圆盘）做垂直于磁场的运动，产生感应电动势，电势大小与流量相关。磁场：恒定磁场：适于测量时不易产生极化现象的非电解液；交变磁场：工业用的大部分形式（可减小极化现象）。优点：压损极小；可测流量范围大；适用管径范围宽（最大可达3m）；测量精度高，线性度好。不足：只能测量导电液体（电导率），不能测气体、蒸汽及纯净水。2）测量模型 感应电势的方向由右手定则确定，大小由下式决定： 其中：B—磁感应强度；D—管道直径；—液体的平均流速体积流量：若采用交变磁场：3）特殊问题讨论感应电势测量要求利用转换器将微弱的感应电势放大、转换成统一的标准信号并抑制主要干扰。eq\o\ac(○,1)正交干扰及其抑制正交干扰：指由于交变磁场作用，相位与感应电势相差90的感应信号。产生原因：电磁流量计工作时，管道中充满导电液体，从而使被测液体、电极、电极引线和转换器的输入阻抗构成闭合回路，当闭合回路中有交变磁场时就产生了电势，此电势与被测电势频率相同相位相差90，故称为正交电势。消除方法： 自动对消法：如图，从一个电极上引出两根导线，分别绕过磁极形成两个闭合回路，当磁力线穿过这两个回路时，分别产生两个方向相反的干扰电流，在Ry上相互抵消。 电路抑制法：在后续的转换电路中采取抑制措施。eq\o\ac(○,2)选用及安装要求电磁流量计的合理选用及工确安装对提高流量计的测量精度和延长仪表寿命，都是极其重要的。其选用原则有以下四点：被测流体必须是导电液体。不能测气体、蒸汽、石油制品、甘油、酒精及纯净水等；量程的选择：常用流量最好超过满量程的50％。常用流速为2～4m/s最合适；压力的选择：使用压力必须低于电磁流量计额定工作压力，一般不超过16105Pa；温度的选择。被测介质温度不能超过村里材料的容许使用温度，一般200C。eq\o\ac(○,3)安装注意事项：推荐垂直安装，且被测流体是自下而上流动。也可水平安装，但要使两电极在同一水平面上，要保证测量导管都充满液体。流量计的外壳、屏蔽线、测量导管都要接地。要求单独设置接地点，不要连接在电机或上、下管道上。（因信号较弱，满量程时只有几毫伏，且流量很小时，只有几微伏，外界稍有干扰就会影响测量精度。）安装地点要远离一切磁源。（如大功率电机、变压器等）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。4.3.3涡街流量计1）基本原理及特点基本原理：流体流经阻挡体或者是特制的元件时，产生了流动振荡，通过测定其振荡频率来反映通过的流量。特点：优点：无可动部件，寿命长；准确度高，线性范围宽；量程范围宽（100：1）；压力损失小；不受P、t、η、ρ等流体参数变化的影响；气、液均可以使用，可用于大口径管道的气液测量缺点：干扰引起的流量振荡时影响较大。这是新发展起来的流量测量方式，目前已经有定型产品。涡街产生原理：当流体流动受到一个垂直与流动方向的非流线形柱体的阻碍时，柱体的下游两侧会发生明显的旋涡，成为卡门涡列，涡列的形成与流体雷诺数有关。A→B内附面层流动时稳定的；B点以后，附面层外流体流动压力增大，速度下降。从流速分布线上可以看出，越接近柱面，速度越低；C点，柱面v=0；D点产生倒流现象。流体流经柱体时，速度上升，压力下降（节流）在圆柱体后速度下降，压力上升。当R>60时，附面层分离，产生旋向相反，且交替出现的旋涡。且当h/l=0.2806时，涡街达到稳定。数量关系：涡列频率（交替产生的频率）当R=200~50000时：式中：S——斯特罗哈数，它仅与R有关，圆柱S=0.20；三角柱S=0.16；——涡列发生体两侧流体的平均流速（A）；d——涡列发生体迎流面的最大宽度。A——涡列发生处的流通截面积；2）频率检测方法主要方法：压力脉动测量法、流速脉动测量法、频率直接检测法；热电阻法（P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