流量測量57544

1、知識點(diǎn)1-6 流量測量【學(xué)習(xí)指導(dǎo)】 1學(xué)習(xí)目的 流體的流量是化工生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中的重要參數(shù)之一。通過本知識點(diǎn)學(xué)習(xí)，要學(xué)會(huì)根據(jù)工藝要求和流體性質(zhì)選用適宜的流量計(jì)并進(jìn)行流量測量。重點(diǎn)了解流體流動(dòng)守恒原理在流量測量中的應(yīng)用。2本知識點(diǎn)的重點(diǎn) 根據(jù)流體流動(dòng)時(shí)各種機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換關(guān)系而設(shè)計(jì)的流速計(jì)與流量計(jì)分為兩大類，即差壓（定截面）流量計(jì)，包括測速管（畢托管）、孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)等，除測速管測定管截面上的點(diǎn)速度外，其余均測得平均速度。截面（定壓差）流量計(jì)（即轉(zhuǎn)子流量計(jì)），直接測得流體的體積流量。要求掌握各種流量計(jì)的工作原理、選型和流量計(jì)算方法，并了解各種流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)、適用場合及安裝注意事項(xiàng)。3

2、本知識點(diǎn)的難點(diǎn) 本知識點(diǎn)無難點(diǎn)，但要注意流量計(jì)下游壓強(qiáng)不得低于操作溫度下的飽和蒸汽壓。4應(yīng)完成的習(xí)題 1-20在38×2.5mm的管路上裝有標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，孔板的孔徑為16.4mm，管中流動(dòng)的是20的甲苯，采用角接取壓法，用U管壓差計(jì)測量孔板兩測的壓強(qiáng)差，以水銀為指示液，測壓連接管中充滿甲苯?，F(xiàn)測得U管壓差計(jì)的讀數(shù)為600mm，試計(jì)算管中甲苯的流量為若干kg/h？答：5427kg/h1-21用57×3.5mm的鋼管輸送80的熱水（其飽和蒸汽壓為47.37kPa、密度為971kg/m3、粘度為0.3565mPa·s），管路中裝一標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，用U形管汞柱壓差計(jì)測壓

3、強(qiáng)差（角接取壓法），要求水的流量范圍是1020m3/h，孔板上游壓強(qiáng)為101.33kPa（表壓）。試計(jì)算：（1）U形管壓差計(jì)的最大量程Rmax；（2）孔徑d0；（3）為克服孔板永久壓強(qiáng)降所消耗的功率。當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為101.33kPa。答：（1）1.254m；（2）d0=25.5mm；（3）Ne=616W1-22某轉(zhuǎn)子流量計(jì)，出廠時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣進(jìn)行標(biāo)定，其刻度范圍1050m3/h，試計(jì)算：（1）用該流量計(jì)測定20的CO2流量，其體積流量范圍為若干？（2）用該流量計(jì)測定20的NH3氣流量，其體積流量范圍為若干？（3）現(xiàn)欲將CO2的測量上限保持在50m3/h應(yīng)對轉(zhuǎn)子作何簡單加工？當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簽?/p>

4、101.33kPa。答：（1）8.442.0m3/h；(2)13.567.6 m3/h；(3)頂端面積削小使AR2=1.19AR1 一. 差壓流量計(jì)差壓式流量計(jì)又稱定截面流量計(jì)，其特點(diǎn)是節(jié)流元件提供流體流動(dòng)的截面積是恒定的，而其上下游的壓強(qiáng)差隨著流量（流速）而變化。利用測量壓強(qiáng)差的方法來測定流體的流量（流速）。 （一）測速管（測速管動(dòng)畫） 測速管又稱皮托（Pitot）管，這是一種測量點(diǎn)速度的裝置。它由兩根彎成直角的同心套管所組成，外管的管口是封閉的，在外管前端壁面四周開有若干測壓小孔，為了減小誤差，測速管的前端經(jīng)常做成半球形以減少渦流。測量時(shí)，測速管可以放在管截面的任一位置上，并使其管口正對著

5、管道中流體的流動(dòng)方向，外管與內(nèi)管的末端分別與液柱壓差計(jì)的兩臂相連接。當(dāng)流體流近測速管前端時(shí)，流體的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為駐點(diǎn)靜壓能，故測速管內(nèi)管測得的為管口位置的沖壓能（動(dòng)能與靜壓能之和），即測速管外管前端壁面四周的測壓孔口測得的是該位置上的靜壓能，即如果U形管壓差計(jì)的讀數(shù)為R，指示液與工作流體的密度分別為A與。則R與測量點(diǎn)處的沖壓能之差 相對應(yīng)，于是可推得（1-61）式中  C流量系數(shù)，其值為1.981.00，?？扇∽鳌?”。若將測速管口放在管中心線上，測得umax，由Remax可借助圖1-18確定管內(nèi)的平均流速u。應(yīng)用注意事項(xiàng)：測量時(shí)管口正對流向；測速管外徑不大于管內(nèi)徑的1/50；測量點(diǎn)

6、應(yīng)在進(jìn)口段以后的平穩(wěn)地段。測速的優(yōu)點(diǎn)是流動(dòng)阻力小，可測速度分布，適宜大管道中氣速測量。其缺點(diǎn)是不能測平均速度，需配微壓差計(jì)，工作流體應(yīng)不含固粒。（二）孔板流量計(jì)（孔板流量計(jì)動(dòng)畫） 孔板流量計(jì)是一種應(yīng)用很廣泛的節(jié)流式流量計(jì)。在管道里插入一片與管軸垂直并帶有通常為圓孔的金屬板，孔的中心位于管道中心線上，如圖1-50所示。這樣構(gòu)成的裝置，稱為孔板流量計(jì)?？装宸Q為節(jié)流無件。 當(dāng)流體流過小孔以后，由于慣性作用，流動(dòng)截面并不立即擴(kuò)大到與管截面相等，而是繼續(xù)收縮一定距離后才逐漸擴(kuò)大到整個(gè)管截面。流動(dòng)截面最小處（如圖中截面2-2）稱為縮脈。流體在縮脈處的流速最高，即動(dòng)能最大，而相應(yīng)的靜壓強(qiáng)就最低。因

7、此，當(dāng)流體以一定的流量流經(jīng)小孔時(shí)，就產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)差，流量愈大，所產(chǎn)生的壓強(qiáng)差也就愈大。所以根據(jù)測量壓強(qiáng)差的大小來度量流體流量。假設(shè)管內(nèi)流動(dòng)的為不可壓縮流體。由于縮脈位置及截面積難以確定（隨流量而變），故在上游未收縮處的1-1截面與孔板處下游截面0-0間列柏動(dòng)利方程式（暫略去能量損失），得：對于水平管，Z1=Z0，簡化上式并整理后得（1-62）流體流經(jīng)孔板的能量損失不能忽略，故式1-62應(yīng)引進(jìn)一校正系數(shù)C1，用來校正因忽略能量損失所引起的誤差，即（1-62a）工程上采用角接取壓法（如圖所示）測取孔板前后的壓強(qiáng)差（pa-pb）代替（p1-p0），再引進(jìn)一校正系數(shù)C2，用來校正測壓孔的位置，則（1

8、-62b）由連續(xù)方程式: 由靜力學(xué)方程式: 則得（1-63）式1-63就是用孔板前后壓強(qiáng)的變化來計(jì)算孔板小孔流速u0的公式。若以體積或質(zhì)量流量表達(dá)，則為（1-64）（1-65）各式中的C0為流量系數(shù)或孔流系數(shù)，無因次。由以上各式的推導(dǎo)過程中可以看出：（1）C0與C1有關(guān)，故C0與流體流經(jīng)孔板的能量損失有關(guān)，即與Re準(zhǔn)數(shù)有關(guān)。（2）不同的取壓法得出不同的C2，所以C0與取壓法有關(guān)。（3）C0與面積比A0/A1有關(guān)。C0與這些變量間的關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測定。用角接取壓法安裝的孔板流量計(jì)，其C0與Re、A0/A1的關(guān)系如圖1-51所示。圖中的Re準(zhǔn)數(shù)為 ，其中d1與u1是管道內(nèi)徑和流體在管道內(nèi)的平均流速。流

9、量計(jì)所測的流量范圍，最好是落在C0為定值的區(qū)域里。設(shè)計(jì)合適的孔析流量計(jì)，其C0值為0.60.7。用式1-64與1-65計(jì)算流體的流量時(shí)，必須先確定流量系數(shù)C0的數(shù)值，但是C0與Re有關(guān)，而管道中的流體流速u1又為未知，故無法計(jì)算Re值。在這種情況，可采用試差法。對于操作型計(jì)算，試差過程是：先假設(shè)Re大于Rec（Rec為極限允許值或限度值），由A0/A從圖1-51中查得C0（常數(shù)區(qū)），用式1-63計(jì)算u0，求出u，并核算Re是否大于Rec，若ReRec，計(jì)算結(jié)果可接受。對于設(shè)計(jì)型計(jì)算，先在C0=0.60.7的范圍內(nèi)取值，并且根據(jù)ReRec及C0直接讀出A0/A1，求得d0。再進(jìn)行校核。安裝孔板流

10、量計(jì)時(shí)，通常要求上游直管長度50d，下游直管長度10d?？装辶髁坑?jì)是一種容易制造的簡單裝置。當(dāng)流量有較大變化時(shí)，為了調(diào)整測量條件，調(diào)換孔板亦很方便。它的主要缺點(diǎn)是流體經(jīng)過孔板后能量損失較大，并隨A0/A1的減小而加大。而且孔口邊緣容易腐蝕和磨損，所以流量計(jì)應(yīng)定期進(jìn)行校正?？装辶髁坑?jì)的能量損失（或稱永久損失）可按下式估算：（1-66）（三）文丘里（Venturi）流量計(jì)為了減少流體流經(jīng)節(jié)流元件時(shí)的能量損失，可以用一段漸縮、漸擴(kuò)管代替孔板，這樣構(gòu)成的流量計(jì)稱為文丘里流量計(jì)或文氏流量計(jì)。文丘里流量計(jì)上游的測壓口（截面a處）距離管徑開始收縮處的距離至少應(yīng)為二分之一管徑，下游測壓口設(shè)在最小流通截面o處（

11、稱為文氏喉）。由于有漸縮段和漸擴(kuò)段，流體在其內(nèi)的流速改變平緩，渦流較少，所以能量損失就比孔板大大減少。文丘里流量計(jì)的流量計(jì)算式與孔板流量計(jì)相類似，即（1-67）式中Cv流量系數(shù)，無因次，其值可由實(shí)驗(yàn)測定或從儀表手冊中查得，一般取0.981.00；pa-po截面a與截面o間的壓強(qiáng)差，單位為Pa，其值大小由壓差計(jì)讀數(shù)R來確定；Ao喉管的截面積，m2;被測流體的密度，kg/m3。文丘里流量計(jì)能量損失小，為其優(yōu)點(diǎn)，但各部分尺寸要求嚴(yán)格，需要精細(xì)加工，所以造價(jià)也就比較高。 二. 截面流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)（轉(zhuǎn)子流量計(jì)動(dòng)畫）轉(zhuǎn)子流量計(jì)的構(gòu)造是在一根截面積自下而上逐漸擴(kuò)大的垂直錐形玻璃管1內(nèi)，裝有一個(gè)能夠旋轉(zhuǎn)自如

12、的由金屬或其它材質(zhì)制成的轉(zhuǎn)子2（或稱浮子）。被測流體從玻璃管底部進(jìn)入，從頂部流出。 當(dāng)流體自下而上流過垂直的錐形管時(shí)，轉(zhuǎn)子受到兩個(gè)力的作用：一是垂直向上的推動(dòng)力，它等于流體流經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐管間的環(huán)形截面所產(chǎn)生的壓力差；另一是垂直向下的凈重力，它等于轉(zhuǎn)子所受的重力減去流體對轉(zhuǎn)子的浮力。當(dāng)流量加大使壓力差大于轉(zhuǎn)子的凈重力時(shí)，轉(zhuǎn)子就上升。當(dāng)壓力差與轉(zhuǎn)子的凈重力相等時(shí)，轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)，即停留在一定位置上。在玻璃管外表面上刻有讀數(shù)，根據(jù)轉(zhuǎn)子的停留位置，即可讀出被測流體的流量。轉(zhuǎn)子流量計(jì)是變截面定壓差流量計(jì)。作用在浮子上下游的壓力差為定值，而浮子與錐管間環(huán)形截面積隨流量而變。浮子在錐形管中的位置高低即反映流

13、量的大小。設(shè)Vf為轉(zhuǎn)子的體積，Af為轉(zhuǎn)子最大部分的截面積，f為轉(zhuǎn)子材質(zhì)的密度，為被測流體的密度。若上游環(huán)形截面為1-1，下游環(huán)形截面為2-2，則流體流經(jīng)環(huán)形截面所產(chǎn)生的壓強(qiáng)差為（p1-p2）。當(dāng)轉(zhuǎn)子在流體中處于平衡狀態(tài)時(shí)，即轉(zhuǎn)子承愛的壓力= 轉(zhuǎn)子所受的重力-流體對轉(zhuǎn)子的浮力于是所以（1-68）從上式可以看出，當(dāng)用固定的轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量某流體的流量時(shí)，式中的Vf、Af、f、均為定值，所以（p1-p2）亦為恒定，與流量無關(guān)。仿照孔板流量計(jì)的流量公式可寫出轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量公式，即（1-69）式中 AR轉(zhuǎn)子與玻璃管的環(huán)形截面積，m2； CR轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量系數(shù)、無因次，與Re值及轉(zhuǎn)子形狀有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)測定

14、或從有關(guān)儀表手冊中查得。當(dāng)環(huán)隙間的Re>104時(shí)，CR可取0.98。由上式可知，對某一轉(zhuǎn)子流量計(jì)，如果在所測量的流量范圍內(nèi)，流量系數(shù)CR為常數(shù)時(shí)，則流量只隨環(huán)形截面積AR而變。由于玻璃管是上大下小的錐體，所以環(huán)形截面積的大小隨轉(zhuǎn)子所處的位置而變，因而可用轉(zhuǎn)子所處位置的高低來反映流量的大小。轉(zhuǎn)子流量計(jì)刻度的校正轉(zhuǎn)子流量計(jì)的刻度與被流體的密度有關(guān)。通常流量計(jì)在出廠之前，先用水和空氣分別作為標(biāo)定流量計(jì)刻度的介質(zhì)。當(dāng)應(yīng)用于測量其它流體時(shí)，需要對原有的刻度加以校正。假定出廠標(biāo)定時(shí)所用液體與實(shí)際工作時(shí)的液體的流量系數(shù)CR相等，并忽略粘度變化的影響，根據(jù)式1-69，在同一刻度下，兩種液體的流量關(guān)系為（

15、1-70）式中下標(biāo)1表示出廠標(biāo)定時(shí)所用的液體；下標(biāo)2表示實(shí)際工作時(shí)的液體。同理對用于氣體的流量計(jì)，在同一刻度下，兩種氣體的流量關(guān)系為因轉(zhuǎn)子材質(zhì)的密度比任何氣體的密度g要大得多，故上式可簡化為（1-71）式中下標(biāo)g1表示出廠標(biāo)定時(shí)所用的氣體；下標(biāo)g2表示實(shí)際工作時(shí)的氣體。轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀取流量方便，能量損失很小，測量范圍也寬，能用于腐蝕性流體的測量。但因流量計(jì)管壁大多為玻璃制品，故不能經(jīng)受高溫和高壓，在安裝使用過程中也容易破碎，且要求安裝時(shí)必須保持垂直。 例題及解題指導(dǎo)【例1-26】在內(nèi)徑為300mm的管道中，以測速管測量管內(nèi)空氣的流量。測量點(diǎn)處的溫度為20,真空度為490Pa，大氣壓強(qiáng)為98.66

16、×103Pa。測速管插至管道的中心線處。測壓裝置為微差壓計(jì)，指時(shí)液是油和水，其密度分別為835kg/m3和998kg/m3，測得的讀數(shù)為80mm。試求空氣的質(zhì)量流量（以每小時(shí)計(jì)）。解：解題思路 Vs=3600uA。（1）測管中心處的umax(微壓差計(jì))而所以umax=14.8m/s（2）平均流速u20時(shí)空氣的粘度1.81×10-5Pa·s，則查圖1-39u/umax=0.84u=0.84umax=12.4m/s（3）空氣的質(zhì)量流量【例1-27】密度為1600kg/m3，粘度為1.5×10-3Pa·s的溶液流經(jīng)83×3.5mm的鋼管。為了測定流量，于管路中裝有標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，以U管水銀壓差計(jì)測量孔板前、后的壓強(qiáng)差。溶液的最大流量為600L/min，并希望在最大流量下壓差計(jì)的讀