动力工程及仪器-第4章

1、第四章 流量测量,瞬时流量与累计流量：,4.1 流量测量概述,4.1.1 流量 单位时间内通过某一既定截面流体的质量qm(kg/s，称质量流量)或体积qV(m3/s，称体积流量，无特殊说明，简称为流量)：qmqV,4.1.2 流体的物理性质与管流基础知识,1流体的密度,流体密度是温度和压力的函数。,2流体粘度,3流体的压缩系数和膨胀系数,在一定的温度下，流体体积随压力增大而缩小的特性，称为流体的压缩性；在一定压力下，流体的体积随温度升高而增大的特性，称为流体的膨胀性。,4雷诺数,5管流类型,（1）单相流和多相流,（2）可压缩和不可压缩流体的流动,（3）稳定流和不稳定流,（4）层流与紊流,6流速

2、分布与平均流速,7流体流动的连续性方程和伯努利方程,实际流体的伯努利方程可写为,4.1.3 流量测量方法,1.差压法 利用伯努利方程基本原理，通过测量流体差压信号来反映流量的差压式流量测量法。,2.容积式流量计： 单位时间排出流体的固体容积， qV=nV,如椭圆齿轮、腰轮流量计、刮板流量计等 。,3.速度法,由流体的一元流动连续方程，截面上的平均流速与体积流量成正比，因此与流速有关的各种物理现象都可用来度量流量。节流式流量计是应用最广泛的一种流量计。此外属于速度式流量计的还有转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声流量计等,4质量流量法,方法1： 测量流体的体积流量，根据测量得到的流体的压力、

3、温度等状态参数对流体密度的变化进行补偿。,方法2：,其物理基础是测量与流体质量流量有关的物理量（如动量、动量矩等），从而直接得到质量流量。,任何流量计都有其适用范围，对流体的特性以及管道条件都有特定的要求。目前生产的各种容积法和速度法流量计，都要求满足下列条件： 流体必须充满管道内部，并连续流动； 流体在物理上和热力学上是单相的，流经测量元件时不发生相变； 流体的速度一般低于音速。 虽然两相流动是工业过程中广泛存在的流动现象。但目前尚无成熟的两相流流量仪器。,4.1.4 流量测量系统,4.1.5 流量计的校验与标定,流量是质量或体积对时间的导数，难以按定义直接做出流量单位的标准器。 一般是在流

4、量不变的前提下，使流体连续流入容器内，精确测量流体流动的起止时间和流入容器的流体总量，用平均流量代替瞬时流量作为标准。 因此，在累积时间内，必须保证流量高度稳定，并且计时和计量都要足够准确。,4.2 节流式流量计,4.2.1 节流装置测量原理及流量方程,节流差压式原理：利用流道中的节流元件所产生的差压p来计算流量。,对于不同几何形状的节流元件及不同的取压方式，流量方程中 的各不相同，受多种因素影响，须由实验求出。,（或C）、,4.2.2 标准节流装置,我国国家标准GB2624-93规定的标准节流装置 标准孔板，角接取压； 标准孔板，法兰取压； ISAl932喷嘴（标准喷嘴），角接取压。,2、标

5、准节流装置,标准孔板：是用不锈钢或其它金属材料制造的薄板，它具有圆形开孔并与管道同心，其直角入口边缘非常锐利，且相对于开孔轴线是旋转对称的。标准孔板的形状如图所示,（节流元件、取压设备、节流元件前后直管段组成）,标准喷嘴即ISA1932喷嘴它是一个以管道喉部开孔轴线为中心线的旋转对称体，由两个圆弧曲面构成的入口收缩部分及与之相接的圆筒形喉部所组成其结构如图所示,标准取压装置 国家标准中规定的两种取压装置，即角接取压装置和法兰取压装置。其中角接取压适用于孔板和喷嘴，而法兰取压仅用于孔板。,（1）角接取压装置 角接取压装置可以采用环室或夹紧环(单独钻孔)取得节流件前后的差压。 （2）法兰取压装置

6、法兰取压装置由两个带取压孔的取压法兰组成。,图4-8 环室取压和单独钻孔取压 4-9 角接取压 图4-10 法兰取压,角接取压法比较简便，容易实现环室取压，测量精度较高。法兰取压法结构较简单，容易装配，计算也方便，但精度较角接取压法低些。,标准孔板装置,角接取压标准孔板装置,法兰取压标准孔板装置,标准节流装置的管道条件,标准节流装置的流体条件,满管，流体必须充满管道内部，并连续流动； 单相，流体在物理上和热力学上是单相的，流经测量元件时不发生相变； 流体的速度一般低于音速。 还要求流体必须是在圆管内流动，且其密度和粘度已知，流速稳定，不存在旋涡，只允许流量缓慢变化。故不宜测量脉动流的流量。,就

7、越大,4.2.3 标准节流装置的参数,1.流量系数,与,ReD以及管道粗糙度相关，管道越粗糙，,2.膨胀损失,对角接取压标准孔板，,可由如下经验公式计算,对于标准喷嘴，可按等熵流动过程推导出,3压力损失,由流体流经节流元件会产生涡流等原因引起，其大小可按下式估算：,4.2.5 标准节流装置的使用范围,流体条件,管道条件,压力损失,运行精度,在同一,值下，喷嘴较孔板d大，故测量范围大。,与喷嘴相比，孔板的最大优点是加工方便、安装容易、省料、造价低。,4.3 速度式流量计,涡轮流量计、电磁流量计、靶式流量计、涡街流量计、超声波流量计,4.3.1 涡轮流量计,涡轮,磁电转换装置,前置放大器,信号脉冲

8、频率,转速,流量,（1）流量方程,测量精度高，重复性好基本误差 0.25-1.5之间. 测量范围较宽，可测的小流量为40kg/h，最大流量可达16106kg/h 。 惯性小，可用于瞬时流量的测量。 温度使用范围广，有的可测200 的低温介质的流量，有的可测400介质的流量。 输出是数字信号，容易实现流量积算和定量控制，可与调节器、执行器和计算机配套使用。,优点：,缺点：,制造成本高，对被测流体的清洁度要求高。,涡轮流量计的安装,1、流量计应安装在便于维修且对管道无振动或配管无应力的地点，同时避免受强磁场和强热辐射的影响。信号传输线要采用屏蔽电缆，并应远离动力线。 2、流量计要配置前后直管段，上

9、游直管段长15D(D为涡轮流量计直径)以上，下游直管段为4D以上。上游段若加整流器，效果更佳。 3、流量计上游段要加装过滤器，以除去流体中的杂质。,4、测定容易产生蒸汽的流体时，必须安装气体分离器。 5、预计有过大流量情况下，在流量计下游段要安装控制阀门，以限制流体的流量，以免影响流量计轴承的使用寿命。,4.3.2 电磁流量计,1工作原理,2电磁流量计的励磁方式,（1）直流励磁,（2）交流励磁,（3）低频方波励磁,3电磁流量计的特点,优点：,由于变送器内径与管道内径相向，故其测量为无干扰测量，压力损失小； 适用于含有颗粒、悬浮物等流体以及腐蚀性介质； 测得的体积流量不受温度、压力、密度、粘度等

10、参数的影响； 流量测量范围大，流量计的管径2.5mm2.4m； 反应灵敏，可以测量正反方向的流体流量和脉动流量； 测量精度为0.51.5级。,缺点：,被测介质必须是导电液体，不能用于气体、蒸汽及石油制品的流量测量； 流速测量下限有一定限度，工作压力受到限制； 结构比较复杂，成本较高。,4电磁流量计的安装,变送器最好垂直安装，并使流体自下而上通过变送器，若水平安装，则必须保证两电极处于同一水平面上； 安装地点应避免有较强的交直流磁场或有剧烈震动； 上游直管段大于5D，下游不作要求； 变送器输出的电势E是以变送器内液体电位为基准的，为使液体电位稳定并与变送器等电位，变送器外壳、金属管道两端应有良好

11、的接触并接地，转换器外壳也应接地。,其测量元件是一个在测量管中心并垂直于流向的被称为“靶”的圆板。通过测量流体作用在靶上的力而实现流量测量。,结构：流量变送器显示,可用于低雷诺数、高粘度、含固体颗粒的浆液及腐蚀介质流量测量。,4.3.3 靶式流量计,流体对靶的作用力： 流体的动压力； “死水区”和旋涡面造成“抽吸效应”，靶的前后存在静压差，此静压差对靶产生一个作用力； 流体流通截面缩小，流速增加，流体与靶的周边产生粘滞摩擦力。,，,当流体的雷诺数达到一定数值，阻力系数不随雷诺数变化，而保持常数，阻力如右式：,因此可得环隙中的流量：,流量与靶输出力F的平方根成正比,流量计前后应有必要的直管段，一

12、般表前大于5D，表后大于3D； 流量计一般水平安装，如果必须安装在垂直管道上时，由于重力影响，产生零点漂移，故安装后要重新调整零点； 靶式流量计测量的下限低，其流量系数 对脏污介质不敏感，精度约为1级，适用管径0.0150.2m； 在选用靶式流量计时，应确切了解产品的规范。,靶式流量计的压力损失一般低于节流式流量计，约为孔板压力损失的一半。,靶式流量计的安装和使用,4.3.4 涡街流量计,在流体中垂直于流向插入一非流线形的柱状物体，例如圆柱体或三角柱体，当流速大于一 定值时，流体从柱状体分离出来，并在物体之后两侧会交替出现旋涡。两侧的旋涡旋转方向相反，形成旋涡列，这种旋涡列被称作卡门涡街。,体

13、积流量,圆柱漩涡发生器,等边三角形漩涡发生器,卡门从理论上证明：当 时 ，涡街最稳定！,漩涡频率的测量方法,涡街流量计,变送器,转换器,旋涡发生体,旋涡检测器,将旋涡检测器发出的旋涡频率信号放大整形后变换成统一的标准信号(420mA)输出，并输出方波脉冲信号供流量积算之用。,结构说明：圆柱体表面开有导压孔，与圆柱体内部空腔相通，空腔由隔板分成二部分。 现象：当漩涡在圆柱体下侧产生时，出于升力的作用圆柱体下方的压力比上方高，反之当漩涡在圆柱体上侧产生时，上方压力比下方高。,漩涡频率的可能检测方案: 1.铂电阻丝温度计法 2.膜片法 3.压电晶体法 4.超声波法,漩涡频率的检测,旋涡发生体的检测电

14、路,三角柱涡街流量计,涡街流量计的安装,1、涡街流量计送器安装地点应特别注意避免机械振动，尤其这意避免管道振动； 2、变送器可安装在水下或垂直的管道上使用，被测流体流向要与变送器上的标志一致，垂直安装变送器应选液体自下而上流动的管道安装，以保证满管流动和不受气泡影响。 3、为保证流体流过旋涡发生体时能达到产生稳定涡街所必要的流动条件，要求旋涡发生体下游直管段长度不小于 5D，上游直管段要求如下表所示。 4、变送器安装管段最好加装旁路管及必要的阀门。,优点： 测量几乎不受流体参数变化的影响，用水或空气标定后的流量计无须校正即可用于其它介质的测量； 涡街流量计测量精度较高，可达1级； 量程比宽，可

15、达30100:1； 使用寿命长，压力损失小，安装与维护比较方便； 易与数字仪表或计算机接口； 对气体、液体和蒸汽等介质均适用。 缺点： 流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度，因此适用于紊流流速分布变化小的情况。,涡街流量计的特点,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，无零点漂移，方便同计算机联网； 量程比大，可达1：10，而差压式流量计只有1：3； 在一定的雷诺数内，输出的频率不受流

16、体物性和组分的变化影响，测量精度高； 压力损失较小， 结构简单而牢固，安装、维护较方便。,主要用途： 1、 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； 2、能源供给单位：测量蒸汽、热水、自来水等。,当超声波在流体中传播时，会载带流体流速的信息。因此，根据对接收到的超声波信号进行分析计算，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。超声波流量测量方法有很多，传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速液面法。,4.3.5 超声波流量计,测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到到被测流体的流速。,1、传播速度法,时差法（测量顺、逆流传播时由

17、于超声波传播速度不同而引起的时间差）； 相差法（测量超声波在顺、逆流中传播的相位差）； 频差法（测量顺、逆流情况下超声脉冲的循环频率差）。,在测量管道中，装两个超声波发射换能器F1和F2以及两个接收换能器J1和J2，F1J1和F2J2与管道轴线夹角为a，管径为D，流体由左向右流动，速度为v，此时由F1到J1超声波传播速度为,F2到J2超声波传播速度为：,时差法就是测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差,1、时差法,按顺流方向，超声波到达接收器时间,按逆流方向，超声波到达接收器时间,缺陷：必须已知声速c，并且声速常随着温度的变化而变化，给测量带来测量误差。因此需要进行声速修正。,DCT7088便

18、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,2、相差法,所谓相差法，既是通过测量超声波在顺流和逆流时传播的相位差来得到流速,超声波换能器,3、频差法,频差法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频率之差来测量流量的。,顺流时脉冲循环频率,逆流时脉冲循环频率,层流,紊流,

19、结论：流速只与频率差有关，与声速无关，消除了声速的影响,多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动，会引起反射声波与声源在频率上的变化，这种频率变化正比于运动目标和静止的换能器之间的相对速度。,4.多普勒法,利用声学多普勒原理确定流体流量。,从发射晶体T1发射的超声波束遇到流体中运动着颗粒或气泡，再反射回来由接收晶体R1接收。 发射信号与接收信号的多普勒频移与流体流速成正比。,多普勒法原理,超声波流量计的特点,优点： 流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没有压力损失； 能用于任何液体，也能测量气体的流量； 非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量 ； 量程比较宽，可达5：1； 输

20、出与流量之间呈线性等优点。 缺点： 只能用于测量200以下的流体； 结构复杂，成本较高。,4.4 容积式流量计,容积式流量计是以单位时间内所排出的流体容积相对于固定容积的数目作为测量依据的仪表。属于这一类的流量计有腰轮流量计、刮板流量计等。由于直接测量流体的体积，在理论上，所测流量与流体的粘性、密度和流态无关。 测量流体体积是一种常用来标定一般流量计的方法。 容积流量计精度可达到0.1%0.5%； 容积式流量计常用于流体性质变化大而测量精度要求高的石油、食品和化工行业。,每转一周，四个相同月牙形腔（测量室）被形成、被封闭、被传送、被卸出。两个齿轮共送出4个标准容积的流体。,1） 椭圆齿轮流量计

21、,粘度愈大的介质，从齿轮和计量空间隙中泄漏出去的泄漏量愈小，因此被测介质的粘度愈大，对测量愈有利。,2） 腰轮流量计（罗茨流量计）,工作原理与椭圆流量计相同，只是转子不是椭圆齿轮，而是一对由圆弧和摆线围成的中间凹进的腰形光轮，形成菱角形测量室。,可用于液体、气体流量测量。,3) 刮板流量计,刮板流量计工作原理示意图 1凸轮 2壳体 3刮板 4滚子 5转子 6挡板,转子在流量计进、出口差压作用下转动，每当相邻两刮板进入计量区时均伸出至壳体内壁且只随转子旋转而不滑动，形成具有固定容积的测量室，当离开计量区时，刮板缩入槽内，流体从出口排出，同时后一刮板又与其另一相邻刮板形成测量室。转子旋转一周，排出

22、n份固定体积的流体，由转子的转数就可以求得被测流体的流量。,特点： 计量精度高，基本误差一般为0.5，特殊的可达0.2或更高。通常在昂贵介质或需要精确计量的场合使用。 可用于高粘度流体的测量。范围度宽，一般为10：1到5：1，特殊的可达30：1或更大。 直读式仪表，无需外部能源，可直接获得累计总量，清晰明了，操作简便。,1. 在工业生产中，由于物料平衡，热平衡以及储存、经济核算等所需要的都是质量，并非体积； 2. 在测量工作中，常需将测出的体积流量，乘以密度换算成质量流量，设备复杂，测量耗时； 3. 密度随温度、压力而变化，在温度、压力变化比较频繁的情况下，难以达到测量的目的。 用质量流量计来直接测量质量流量，则无需再进行上述人工换算。,4.5 质量流量计,质量流量计大致分为三大类：,1 直接式 2 推导式 3 补偿式,直接检测与质量流量成比例的量，检测元件直接反映出质量流量。,1.直接式质量流量计,直接式质量流量计