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1、第6 章 流量检测及仪表,流量是过程控制中的主要参数之一。6.1 流量测量的基本知识一、定义1、瞬时流量：单位时间内通过某一截面的流体数量。2、体积流量：单位时间内流过的体积，qv。单位为m3s3、质量流量：单位时间内流过的质量，qm。单位为kgs质量流量与体积流量的关系：qm qv 为流体密度。3、平均流量：流过的总量除以时间。,4、积分流量（累积流量）：一段时间内流过某一截面流体的总量，是瞬时流量对该段时间的积分。瞬时流量与累积流量的关系：注意：求质量流量时，由于流体的密度受流体工作状态的影响，在用体积流量表示时，要给出流体的压力和温度。对于液体，压力变化对密度的影响非常小，一般可以忽略不
2、计；温度对密度的影响要大一些，一般温度每变化10，液体的密度变化约在1以内。,二、流量测量方法,1、按输出信号分脉冲信号输出，例：涡轮流量计，涡街流量计模拟信号输出，例：差压流量计、转子流量计2、按测量原理分容积法:利用液体单位时间内连续通过固定体积的数目。椭圆齿轮流量计,腰轮流量计，刮板式流量计速度法:以测量流体在管道内的流动速度作为测量依据的仪表。差压流量计，涡轮流量计，涡街流量计，电磁流量计，超声波流量计。质量式：以测量流体质量作为测量依据的仪表,三、常用术语,1、流量范围流量量程，流量计的量程比。2、额定流量 规定性能或最佳性能3、流量计特性曲线4、流量系数 实际流量与理论流量的比值5
3、、仪表系数 单位体积流量对应的信号脉冲数6、重复性 连续多次测量同一流量给出相同结果的能力7、线性度 整个量程上的特性曲线偏离最佳拟合直线的程度,四、常用的物理参数,1、流体密度 液体，气体，压力温度的影响不同2、流体粘度 是t，p的函数，温度上升，液体粘度下降，气体粘度上升。动力粘度（两个相距1m，面积1m2，相对速度1m/s移动时相互作用力），运动粘度（动力粘度/流体密度）3、绝热指数及等熵指数 pvk=常熟4、雷诺数Re 流体流动的惯性力与粘性力之比Re2320，紊流,鲁道夫克劳修斯,流体在细管中的流动形式可分为层流和紊流两种。所谓层流(laminar flow)就是流体在细管中流动的流
4、线平行于管轴时的流动。所谓紊流(turbulent flow)就是流体在细管中流动的流线相对混乱的流动。利用雷诺数可以判断流动的形式。如果雷诺数小于某一值时，可判断为层流，而大于此值时则判断为紊流。,在层流流动状态下，流速分布是以管轴为中心线的轴对称抛物线分布。,在紊流流动状态下，管内流速同样是以管中心线轴对称的分布，但是其分布呈指数曲线形式。,三、流量测量系统四部分,传感器：将流量Q（qm或qV）转换成与流量有关的某个物理量，如差压、速度等。信号转换装置：将输出量转成电信号。显示积算装置：直接显示瞬时流量或对瞬时流量积分得到累积流量。,6.2 容积式流量计,一、工作原理：如果使流体以固定的、
5、已知大小的体积V逐次从流量计中排放流出，则计数单位时间内排放次数就可以求得通过仪器的体积流量。这就是容积法的工作原理：qvnV 常用的容积流量计：标准体积管、椭圆齿轮流量计，腰轮流量计，刮板式流量计，湿式气体流量计等,椭圆齿轮流量计：是一种常见的容积式流量计。适合于测量粘度较大的纯净液体的累积流量。精度高0.3%0.5%，但加工复杂，成本高，齿轮容易磨损。齿轮旋转，每转一周，排出 份齿轮和仪表壳体之间形成的月牙空腔容积的液体。因此只有测出齿轮的转速就能知道流体的容积流量。,奥巴尔容积流量计,?,4,每个循环周期流量计送出的流体体积为V0,在t时间内，流量计工作循环周期数为n,则总量为 V=n
6、V0若每个循环周期时间长度为t0，重复频率为f0，则单位时间内流量为,1、优点准确度最高；0.1%-0.5%安装条件对精度没有影响；测量范围宽；流量量程比5:1-30:1使用方便。2、缺点结构复杂，体积庞大，适用于小口径仪表惯性较大，动态特性不好（仪表有可动部分）存在漏油量，有测量误差，小流量不精确。适合测量高粘性液体流量,二、容积式流量计的测量特点,1）容积式流量计使用时要加滤网，仪表处加旁路，便于清扫。2）被测液体混有气体时，要加装气体分离装置。3）注意被测流体的温度。,三、容积式流量计使用时注意,腰轮流量计工作原理如图示，它可测量液体和气体，测液体的口径为10600mm；测气体的口径为1
7、5250mm，即可测小流量也可测大流量。,6.3 速度式流量计,一 工作原理：直接测量管道内流体的速度测流量。如测得是平均流速，则容积流量，如测得是某点流速v，则体积流量，K为平均流速与被测点流速的比值。1）注意事项：因使用平均流速，故其测量结果的准确度不仅与仪表本身有关，而且与截面上的流速分布情况有关。因此在测量仪表前后有足够长的直管段或加装整流器。2）要充分了解被测流体的速度分布。常用种类差压式，涡轮式，涡街式，电磁式，超声波式，热式。,二、漩涡流量计（涡街）液体，气体，蒸汽1 发展历史：是70年代发展起来的一种新型流量计。它适用于气体流量和液体流量测量。仪表的精确度高（达1.0），量程比
8、宽（B=30：1），输出线性好。它输出频率信号，抗干扰性能好，便于远距离传输。涡街流量计由检测器和转换器组成。2 工作原理：漩涡流量计是利用流体流过阻碍物时产生稳定的漩涡，通过测量其漩涡产生频率而实现流量计量的。,3、卡门涡街(1911,冯.卡门）：在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线性柱形体(加三角柱、圆柱等)，称之为漩涡发生体，见图。当流体沿漩涡发生体绕流时，会在漩涡发生体下游产生如图所示不对称但有规律的交替漩涡列，这就是所谓的卡门涡街。,4、涡街稳定的条件,h可通过以柱体特征尺寸d保证,5、漩涡发生的频率：St斯特劳哈尔数。它是以柱体特征尺寸d计算流体雷诺数Re的函数，在500
9、150000范围内基本不变。St对于柱体0.2,对于三角体0.16。是阻流体处平均流速。6、体积流量与频率之间的关系：,6、旋涡发生频率f 的检测方法,热检法、差压法,1)热检法：圆柱体漩涡发生体的铂丝电阻在圆柱体空腔内。流体通过电阻丝时带走热量，从而改变它的阻值。阻值的变化与漩涡的频率相对应。,三角柱迎流面中间对称嵌入两个热敏电阻，其中通恒定电流，以这两个热敏电阻为电桥的两臂,当三角柱两侧交替发生漩涡时，发生漩涡处由于流速降低，换热条件变差，这侧热敏电阻温度升高，阻值变小，在电桥对角线就输出电压脉冲，与漩涡频率对应，进而得到流量值。2）超声式，见教材p1383）应力式,7、涡街流量计的特点及
10、安装（1）频率只与流速有关，在一定雷诺数范围内，不受流体性质（压力、温度、粘度和密度等）的影响。（2）测量精度高，误差约为1级，重复性约0.5级，不存在零点漂移的问题。（3）压力损失小，流量测量范围宽。涡街流量计特别适于大口径管道的流量测量。使用时前面要有20D长，后面要有5D长的直管段，管段的内壁上要光滑，创造此条件可能有困难。,旋涡式流量计,二、涡轮流量计1 组成：两部分：变送器和指示积算器。1）变送器将流量转换成一定频率的脉冲信号输出。2）指示积算器接受变送器输出的脉冲信号。将其转换、放大、运算、逻辑计数，显示瞬时流量和累积总量。,1）变送器的结构：涡轮、导流器、磁电转换器，如图所示。壳
11、体和导流器由不导磁材料制成。导流器的作用是支承叶轮并导直流体的流动，以减少流体自旋及涡漩的干扰。涡轮流量计结构 1涡轮；2支承；3永久磁钢；4感应线圈；5壳体；6导流器,2、涡轮流量计结构和工作原理,1,紧固件；,2,壳体；,3,前导向体；,4,止推片；,5,叶轮；,6,电磁感应式,信号检测器；,7,轴承；,8,后导向体,涡轮流量计结构,2)工作原理：（1）在仪表中装一旋转叶轮，流体流过时，推动涡轮旋转，涡轮的转速与流速成正比。（2）涡轮转动时，涡轮上导磁的叶片顺次接近管壁上的线圈，改变线圈磁回路的磁阻，使线圈磁通量发生变化，产生与流量成正比的脉冲信号。（3）将此脉冲转换成电流信号给出瞬时流量
12、信号，累积得到累计流量，同时。这种将转速转换成脉冲信号的方法叫磁阻法。,3、流量和脉冲信号的转换公式,（1）流量一转速:,（2）转速-频率,f=zn(z,涡轮叶片数 n，涡轮转速),(3)流量频率,（4）仪表常数,仪表常数,意义:单位体积流量输出的脉冲数。,值为常数吗？,a 注意：从理论上说，在一定条件（流体性质、状态、变送器结构、流量一定）下，是一个常数。当上述条件变化时，值也随之变化，见P140图。因为上述条件都将能影响到式中的参数C。,b 实际上，涡轮流量计出厂时，值由厂家根据适用的流体标定给出。,4 涡轮流量计的特点和使用特点:1）精度高；0.2%-1.0%，可作流量的标准仪表2)量程
13、比10：13）动态性能好；时间常数为1-50ms，可测脉动流4）线性好，抗干扰强；注意：1）仪表允许的使用特性在曲线的平直部分。的线性度0.5%，复现性0.1%。2）仪表前后要有直管段。前15D，后5D。防止管内流速分布不均匀的影响。3）仪表前加滤网，防止杂质进入。使用时不超过规定的最高工作温度，压力和转速。水平安装，加逆止阀。,三、超声波流量计1、工作原理：超声波脉冲在流体中向上游流和向下游的传播速度不同（叠加了流体流速），故可根据超生波向上、下游传播速度之差测得流体的流速。2 测速度之差法：时差法(测量顺、逆流传播时由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
14、的相位差)频差法（是目前常用的测量方法）。,1)时差法静止流体中的声速为c，流体速度为v，发送器与接收器之间的距离为L，则传播时间差为:当cv时 c1000m/s,2）相差法如发送器发出的是连续正弦波，则上、下游接收到的波的相位差：但流体的声速c随温度而变化(0.2%/)，因此造成误差，须采用流体温度补偿装置。,3）频率法(工业用)（1）好处：可消除声速的影响。,（2）频差和流量的关系,f与管道直径的平均速度vD有关，流量与管道截面的平均速度V有关，二者有系数的差别。,超声波通路上的平均流速，沿管道直径上的平均流速,超声波流量计,6.4 差压式流量测量方法,1、工作原理：伯努利定律，通过测量流
15、体流动过程中产生的差压来测量流速或流量。2、种类：毕托管、均速管、节流变压降流量计。,流体伯努利方程,流速分布数学模型,1、层流状态,2、紊流状态,流速分布-尼古拉兹模型,n与雷诺数有关表6-1,两点法单点法,一、毕托管1、差压和流速关系（1）不可压缩流体：按照伯努利方程，毕托管头部流速v，全压p0，静压p关系有：,对可压缩流体：1：可压缩性校正系数，流体为液体时 0,（2）,（3）由于各种误差存在，流速和差压的公式还要乘以校正系数。标准毕托管为1,2、毕托管的结构,1）对毕托管部件尺寸有要求；2）测量时必须将毕托管固定，3）毕托管探头的轴线必须与管道中心轴线平行，4）前后要有足够长的直管段形
16、成典型流速分布,3、平均流速的测量(1)毕托管只能测管道某一点的流速，并不是平均流速。(2)在层流中，平均流速从管壁算起为y=0.2929R处(3)紊流由于截面的流速与雷诺数有关，故用实验法在截面上取若干个测点处,确定平均流速.P146 推荐用“对数线性”方法确定测点位置。,圆形取3或5个，位置见书，各点权值相同。矩形取26个，位置也见书，各点的权值不同。,1、起因：（1）毕托管的问题：用实验法求平均流速，计算繁琐，测试时间长，且只应用于稳定工况及大口径流量计。（2）均速管（阿牛巴）可自动平均各测点得到的差压，求取截面的平均流速和体积流量。,二、均速管,全压孔,检测杆,全压均值管,静压引压管,
17、静压孔,1)均速管的迎流面上有四个取压孔，测取此四点的全压，取平均后被引出；此四孔的位置用切比雪夫数值积分法确定r1/R=0.4597,r2/R=0.8881(r为取压孔距管道中心的距离）2）另一压力由均速管背流面的管道中心处取得3）用上两压力差代表平均流速和体积流量。,2、均速管的工作过程,4）均速管流量公式：,流量系数，制造厂给出,修正系数（规定的雷诺数、结构和流体状态），KRe雷诺数偏离的修正系数，K可压缩修正系数，K流体状态修正系数,1）其前直管段7-24D，后直管段3-4D2）D=252500mm，工作压力104,流速要求，气体5m/s,液体0.5m/s，蒸汽9m/s以上。2）均速管
18、的特点：结构简单，安装维护方便，价格低，压力损失小，适用管径范围宽。缺点：差压输出小，灵敏度低，量程比小（3：1），很难用于带尘气流的测量。,3、均速管的使用及特点,三、节流变压降流量计,节流流量计（占整个流量仪表的70）如果在管道中安置一个固定的阻力件，它的中间是一个比管道截面小的孔，当流体流过该阻力件的小孔时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压力差。它与流量的大小有关。,常用的节流装置：孔板、喷嘴、文丘利管,1、检测原理,2、流量公式,1）不可压缩流体的流量公式,流量系数,流出系数,=d/D,节流件开口面积,2）可压缩流体,将公式中使用节流前的
19、流体密度 1，将可压缩性对流量的影响流速膨胀系数来修正(不可压缩流体 1）故流量公式可统一写为：,4、标准节流装置,标准节流装置由标准节流件，标准取压装置和节流件前后直管段（节流件前10D，后5D）三部分组成。,上游第二阻流件,下游第一阻流件,直管段,上游第一阻流件,节流件,1)开孔直径d=12.5mm根据计算得到，测量在上游端进行，最好是在四个大致相等的角度上测量直径，求其平均值。要求各个单测值与平均值之差在0.05%范围内。2)孔板进口圆筒形部分应与管道同心安装。3)孔板进口边缘应是严格的直角，不能有毛刺和可见的反光。,1、标准孔板,e,E,d,4)e的尺寸：0.005De0.02D5)孔
20、板厚度E满足 eE0.05D6)在各处测得的E值之间的最大差值和各处测得的e值之间的最大差值均不得超过0.001D;7)孔板必须与管道轴线垂直安装，其偏差不超过10。8）若E小于0.02D,则可以不做成450150的圆锥形出口，这样的孔板用于测量双向流动的流体，但这时要求下游端面的表面粗糙度和边缘尖锐度必须与上游端面的相同9）孔板加工过程中，不得使用刮刀和砂布进行修刮和打磨。,2、标准取压装置,1)角接取压：角接取压装置有环室取压和单独钻孔取压两种。环室取压的前后环室在节流件的两边。单独钻孔取压可以钻在法兰上，也可以钻在法兰之间的夹紧环上,2)法兰取压：,上下游侧取压孔的轴线至孔板上、下游侧端
21、面之间的距离均为25.40.8mm（1inch)。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上,3)径距取压(D-D/2)：,取压孔只有一对，上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为1D0.1D，下游侧取压孔的轴线至孔极下游端面的距离为0.5D。,5、标准节流装置的压力损失 压力损失的产生是由于当流体通过节流件时因流束突然收缩和扩大造成涡流及能量损失。,孔板的压力损失大于喷嘴。愈小，压力损失愈大。孔板和喷嘴可用孔板可用下式近似,6、流量测量的温度、压力补偿,举例p201，,四、弯管流量计,当稳定的流体通过弯管时，由于改变了流体的方向而产生离心力，在离心力的作用下，沿着弯管中心径向曲率轴线存在压力梯度。弯管内
22、外壁上产生 压力差。管内流体 流量与压力差 的平方根成正比。,使用特点,石油、化工、电力、冶金、钢铁管径10mm2000mm大范围管道中测量结构简单，耐高温，高压，磨损，可在恶劣环境中使用量程比10:1，精度1级无压力损耗前5D,后2D直管段,6.5 质量流量计,质量流量计通常可分为两大类：直接式质量流量计和间接式推导式质量流量计。直接式质量流量计直接输出与质量流量相对应的信号，反映质量流量的大小。间接式质量流量计采用密度或温度、压力补偿的方法，即在测量体积流量的同时，测量流体的密度，或者测量流体的温度、压力值，按一定的数学模型自动换算出相应的密度值，再将密度值与体积流量值相乘可求得质量流量。
23、,科里奥利质量流量计是利用流体在振动管中流动时能产生与流体质量流量成正比的科里奥利力这个原理制成的一种直接式质量流量仪表。,一、直接式质量流量计,1、科里奥利质量流量计,U形管两直管端先后通过振动中心平面的时间差,U形管扭转变形弹性系数,U形管弯曲半径,如何测得？,t 与流体密度、粘度及压力温度无关，无需补偿,优点：科氏质量流量计适用于密度较大或粘度较高的各种流体，含有固体物的浆液和含有微量气体的液体，以及有足够密度的高压气体（否则不够灵敏）；前后不必设置长的直管段；量程比高100:1；测量精度高。缺点：对震动敏感，对抗震防震要求高；不适合低密度介质和低压气体；不适用于大管道150mm以下；,
24、利用流体热交换原理构成的流量计称为热式质量流量计。其工作机理是利用外热源对被测流体加热，测量因流体流动造成的温度场变化，从而测得流体的质量流量。,2、热式质量流量计,热式流量计适用于微小流量测量。当需要测量较大流量时，要采用分流方法，仅测一小部分流量，再求得全流量。热式流量计结构简单，压力损失小。其缺点是灵敏度低，测量时还要进行温度补偿,加热器功率,流体定压比热,加热器前后温差,恒定功率法恒定温差法,6.6 其他流量计,一、转子流量计,1、组成,罩壳,玻璃椎管,浮子,密封填料,连结法兰,2、检测原理 转子流量计两端用法兰或螺纹连接的方式垂直的安装在测量管路上。当被测流体自下而上流过流量计时，流
25、体作用于浮子，使浮子受到向上的作用力，作用力大小与浮子上下游两侧的压力差及有效作用面积有关。因此在仪表结构、流体一定的情况下，浮子悬浮的高度就代表了被测流量,3、刻度的修正,4、特点,浮子形状、尺寸、流体性质等有关的流量系数 A0 流通面积。C 与锥度有关的比例系数H 浮子高度,被测流体压力，温度不是标准状态，或被测流体不是水或空气时，需修正,玻璃管转子流量计流量标尺刻度在管壁上，直接读数。金属锥管转子流量计不透明介质，高温高压介质，需指示远传转子位移的检测采用差动变压器结构，转子的上端与差动变压器活动衔铁相连，转子的位移由管外的差动变压器转换成电压且与流量大小相对应。测量精度易受介质密度、粘
26、度、温度、压力、安装质量等影响。,转子（浮子）流量计的使用,靶式流量计于六十年代开始应用于工业流量测量，主要用于解决高粘度、低雷诺数流体的流量测量。其结构比较简单，维护方便，不易堵塞，适用于测量高粘度、高脏污及有悬浮固体颗粒介质的流量。缺点是压力损失较大，测量精度不太高。,二、靶式流量计,流体经过时，由于受阻使靶受到一推力作用，此作用力与流速之间存在着一定关系。靶连接在变送器主杠杆的一端，经变送器将靶上所受推力转换为统一的电流信号输出，测此电流即可得到流体流量。,可见：只要用传感器测得靶上的作用力，就可实现流量的电测量。如：应变式靶式流量计就是将流体作用在靶上的力通过传力杆传给弹性圆筒，使之变
27、形，桶壁产生的应变通过桶壁上粘贴的应变片电桥转换成电压信号，此电压信号与电流成对应关系。,三、电磁流量计 根据法拉第电磁感应定律,测量导电液体。,1 工作原理：均匀磁场中，垂直于磁场方向直径为D管道。当导电液体流动时，导电液体切割磁力线，在磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势，该电动势和流速成比例。,2、体积流量和流速的关系或者 K电磁流量计的仪表常数，D、B一定，K为常数，电势和体积流量为线性关系。,3 电磁流量计的特点(1)无可动部件和插入管道的阻流件，故压力损失小(2)测量范围大，管径可从1mm 2m，量程（0.5-10m/s)(3)反应灵敏可测双相流及脉动流量(4）之前要有长度510倍管道直径的直管段（5）工作温度不超过2000C，压力不过高(6)被测介质必须是导电的，不能测气体、蒸汽及石油产品等。,6.7 流量标准容器,流量标准装置是实现对流量仪表标定或校验的设备。为使各制造厂家生产的各类流量仪表的流量量值统一，并达到一定的测量精确度，需要对新制造或使用中的流量仪表进行标定或校验。,静态容积法液体流量标准装置,标准体积管流量标准装置,钟罩式气体流量标准装置,本章小结,p170,
