第六章 流量檢測

1、第六章第六章 流量檢測流量檢測1?；靖拍?。體積流量和質量流量3。標準標定裝置6.1.流量檢測基本概念流量檢測基本概念l6.1.1.流量的概念和單位l流體的流量是指在短暫時間內流過某一流通截面的流體數(shù)量與通過時間之比，該時間足夠短以致可認為在此期間的流動是穩(wěn)定的。此流量又稱瞬時流量。l流量的表達式：l體積與流量的關系為：l流體的流速v: l流體的總流量： AvdtdMqmAvdtdvqvvmqqAdAvAqvAvtvdtqVtmdtqM6.1.流量檢測基本概念流量檢測基本概念l流體流量的單位：l體積流量Qv：l立方米/每小時 （M3/h）；立方米/每分鐘 （M3/min）；l升/每分鐘 （L

2、/min）；升/每秒 （L/s）；l質量流量Qm：l噸/每小時 （T/h）；噸/每分鐘 （T/min）；l公斤/每小時 （kg/h）；公斤/每分鐘 （kg/min）； l公斤/每秒 （kg/s）；l累計流量的單位：l體積：立方米 M3 ；升 L ；l質量（重量）：噸 T ；公斤 kg ;6.1.1流量測量的意義流量測量的意義l用作計量手段：加油站加油，自來水表計量收費，能源管理等等；l觀察物料平衡，監(jiān)視生產過程：1）鍋爐氣水系統(tǒng)的進水量F1與出口蒸汽量F2的平衡；當F1F2時：汽包水位上升，當F1F2時：汽包水位下降，F(xiàn)1=F2時：汽包水位平衡不變。2）觀察F2的數(shù)值，可了解鍋爐的負荷大?。?

3、.1.2.0流體特性的復雜性流體特性的復雜性l介質特性介質特性：l氣相空氣，氧氣，各種化工混合氣體等等，屬于單相氣體介質；l液體水，汽油，石油，硫酸等等，屬于單相液體介質；l氣/液兩相液化石油氣，氣體和液體兩相共存；l氣/固兩相空氣傳輸茶葉加工，氣體和固體兩相共存；l液/固兩相煤的液化傳輸，液體和固體兩相共存；l兩相流體的流量測量有一定難度，研究課題。l本課程介紹單相流體的流量測量方法單相流體的流量測量方法。l物性參數(shù)特性：物性參數(shù)特性：l粘度，密度，壓縮性系數(shù)，熱容系數(shù)，等等。6.1.2.0流量測量的特殊性流量測量的特殊性l兩種流量定義兩種流量定義：l1）瞬時流量某時刻單位時間內的流體速度，

4、體積流量或質量流量；l2）累計流量到某時刻累計的流體體積或質量總量；l適用范圍：觀察，監(jiān)督生產過程采用第一種方式測量瞬時流量；計量產品時采用第二種方式累計流量總量；l特殊性特殊性：l1）流體介質不同，測量方法的差異很大；l氣體介質與液體介質的差異，l高粘度介質與低粘度介質的差異，l高溫環(huán)境和常溫條件下的不同，以及低溫狀態(tài)下，l壓力狀況的變化，等等。l2）誤差積累問題，特別在累計流量時，總量增大累計誤差量隨之加大。這不同于其他參數(shù)的測量（溫度，壓力），這是動態(tài)的測量，與時間有關。時間越長，積累誤差的總量越大。6.1.2.流量檢測方法及流量計分類流量檢測方法及流量計分類l6.1.2.1.流量檢測方

5、法及流量計分類l檢測方法可分為：體積流量檢測和質量流量檢測。l測量流量的儀表稱為流量計，測量流體總量的儀表稱為計量表或總量計。l 6.1.2.2.流量計的測量特性流量計的測量特性l流量方程式：是流量與流量計輸出信號之間關系的數(shù)學表達式。l流量計的儀表系數(shù)與流出系數(shù)： 流出系數(shù)定義為實際與理想流量之比： 流量范圍及范圍度：流量計的流量范圍指可測最大流量和最小流量所限定的范圍。最大流量與最小流量的比值成為范圍度，一般表達為某數(shù)與1之比，流量計范圍度的大小受儀表的原理與結構所限制。 測量精確度和誤差：流量計的精確度用誤差表示，流量計在出廠時儀表所標出的精確度為基本誤差。 壓力損失 各種流量計的壓力損

6、失大小是儀表選型的一個重要指標。)(xfqmmmqqC6.2.體積流量檢測方法體積流量檢測方法l6.2.1.容積式流量計 容積式流量計可以計量各種液體和氣體的累積流量，由于這種流量計可以精密測量體積量，所以其類型包括從小型的家用煤氣表到大容積的石油和天然氣計量儀表，廣泛地用作管理和貿易的手段。l 6.2.1.1.容積式流量計的測量機構與流量公式： 容積式測量計由測量室、運動部件、傳動和顯示部件組成。容積流量計的流量方程式可以表示為： 容積式流量計的運動部件有往復運動和旋轉運動兩種形式。其中，V為容積基本體積量，n為轉數(shù)，Q為累計總量nVQ 6.2.1.2.幾種容積式流量計幾種容積式流量計l橢圓

7、齒輪流量計 它的測量本體由一對相互齒合的橢圓齒輪和儀表殼體構成，其工作原理圖如下：l 兩個齒輪每轉動一圈， 流量計將排出4個半月 形容體的流量，可表 示為：l橢圓齒輪流量計適用于高粘度液體的測量。流量計基本誤差為： l 范圍度為10：1；工作溫度要低于120，以防止齒輪卡死。04nVQ %5 . 0%2 . 0幾種容積式流量計幾種容積式流量計l 腰輪流量計 腰輪流量計的工作原理與橢圓齒輪流量計相同，結構也相似只是一對測量轉子是兩個不帶齒的腰形輪。 它較橢圓齒輪流量計能保持長期的穩(wěn) 定性。l流量計基本誤差為 ；范 圍度為10：1；工作溫度要低于120，壓力損失要小于0.02MPa。%5 . 0%

8、2 . 0幾種容積式流量計幾種容積式流量計l 皮膜式家用煤氣表l皮膜式家用煤氣表的工作原理 如圖所示： l圖中帶箭頭的實線表示氣體進入，帶 箭頭的虛線表示氣體排出，皮膜往復 一次將流過一定體積的煤氣，通過傳 動機構和計數(shù)裝置測得往復次數(shù)從而 求得總量。 l 此儀表結構簡單，維護方便，價廉， 精確度可達 ，是家庭專用儀表。 %26.2.1.3.容積式流量計的安裝與使用容積式流量計的安裝與使用l 要正確的選擇容積式流量計的型號和規(guī)格，需要考慮被測介質的物質參數(shù)和工作狀態(tài)。安裝地點應滿足技術性能規(guī)定的條件，儀表在安裝之間必須檢定。l儀表在使用過程中被測流體應充滿管道，并工作在儀表規(guī)定的恒流范圍內；l

9、當粘度等參數(shù)超過規(guī)定范圍時應對流量進行修正；l儀表要定期清洗和檢定。6.2.2.差壓式流量計差壓式流量計l差壓式流量計基于在流通管道上設置流動阻力件，流體通過阻力件時將產生壓力差，此壓力差與流體之間有確定的數(shù)值關系，通過測量壓差值可以求得流體流量。l6.2.2.1.節(jié)流式流量計 可用于測量液體、氣體或蒸汽的流量。 節(jié)流裝置分標準節(jié)流裝置和非標準節(jié)流裝置兩類 其特點是：1）結構簡單，無可動部件；2）可靠性較高，復現(xiàn)性能好；3）適用性較廣，適用于各種工況下的單相流體。尤其在高溫高壓流體環(huán)境測量流量；一般的范圍度為3：1，壓力損失較大，對較小直徑的管道測量比較困難，精確度不夠高。測量原理及流量方程式

10、測量原理及流量方程式l節(jié)流式流量計測量原理及流量方程式l節(jié)流式流量計測量原理以 能量守恒定律和流動連續(xù) 性定律為基礎，在節(jié)流元件 前后流體的靜壓和流速分布 情況如圖所示。 水平管道的能量方程式能量方程式和連續(xù)連續(xù)方程式方程式： 220112222211122vAAvvpvp6.2.2.1流量方程的導出流量方程的導出l能量方程的說明：能量方程的說明：l第一項壓力平方/密度，為靜壓能（壓力勢能）；l第二項速度平方/2，為流體動能；l伯努利方程認為：理想不可壓縮性流體的靜壓能與動能之和為常數(shù)。經過節(jié)流元件，流體的速度增加，動能加大，靜壓能減小。由此可知，流量增大流速加大，節(jié)流元件兩端壓差增大，可通過

11、測量壓差求取流體流量的大小。體現(xiàn)了能量守恒定律。6.2.2.1流量方程的導出流量方程的導出l連續(xù)性方程的說明：連續(xù)性方程的說明：l方程左邊：節(jié)流元件前單位時間通過管道橫截面的流體體積；l方程右邊：經過節(jié)流元件孔后的橫截面的流體體積；l由物理原理可知：單位時間內，連續(xù)流經節(jié)流元件前后的流體數(shù)量應當平衡相等。即流進的流體應當?shù)扔诹鞒龅牧黧w，數(shù)量相等。l表示物質守恒定律。6.2.2.1流量方程的導出流量方程的導出l假定流體密度不變，既 用節(jié)流件開孔面積代替 ，并引入 求出流體流經孔板時的平均流速: 流量與壓差 之間的關系 為：流體的體積流量：流體的質量流量： 21204dADd)(2112142pp

12、v21ppppAppAvAqv21)(2140214020pAppAvAqm21)(21402140206.2.2.1流量方程的導出流量方程的導出l由于用節(jié)流元件的開孔面積代替最小收縮截面，p有不同的取壓位置等因素的影響，必然造成測量偏差。為此引入流量系數(shù)，最后推導出的流量方程式為：l 當Re大于某一 數(shù)值（稱為界 限雷諾數(shù)）時， 可以認為是一個常數(shù)，因此節(jié)流式流量計應 工作在界雷諾數(shù)以上。pdpAqpdpAqmv24224220206.2.2.1流量方程的導出流量方程的導出l流速膨脹系數(shù)1，它與節(jié)流件型式、值、pp1及氣體等熵指數(shù)有關，可以查閱表圖可得，其中p的取值為常用流量時所對應的差壓值

13、。節(jié)流式流量計的阻力估算： l 實用方程如下： pp2211pDqpDqtmtv222201251.0/01251.0hkghm/36.2.2.1流量方程的導出流量方程的導出l結論結論：l1）根據(jù)流量方程，流量Q與差壓dP的開方成正比；l2）根據(jù)實用流量方程，使用條件符合設計要求時，流量系數(shù)a不變，流量Q與差壓dP為單值函數(shù)關系。測得差壓即可獲悉流量值。l3）節(jié)流裝置開孔越小，差壓越大，有利于測量流量，但流體經過節(jié)流元件的壓力損失也越大，即能量消耗增大。l簡單公式：（Q2/K）= dP 實際計算常用K為系數(shù)。標準節(jié)流裝置的組成結構標準節(jié)流裝置的組成結構l節(jié)流式流量計的組成和標準節(jié)流裝置。節(jié)流裝

14、置產生的差壓信號，通過壓力傳輸管道引 至差壓計，經差壓計轉換成電信號l或氣信號送至顯示儀表。 a.三種標準節(jié)流件型式 a).標準孔板是一塊中心開有圓孔的金 屬薄圓平板，圓孔的入口朝著流動方 向，并有尖銳的直角邊緣。 其結構簡單，體積小，成本低，應用 廣測量精度低，壓力損失大。標準節(jié)流裝置的組成結構標準節(jié)流裝置的組成結構lb).標準噴嘴是由兩個圓弧曲面構成的入口收縮部分和與之相接的圓筒形喉部組成。其結構比較復雜，體積大成本較高。但壓力損失小，測量精度高。一般選擇噴嘴用于高速的蒸汽流量測量。lc).文丘里管具有圓錐形的入口收縮段和喇叭形的出口擴散段。其加工困難，成本高，一般用在特殊要求如低壓損，高

15、精度測量的場合。標準節(jié)流裝置的組成結構標準節(jié)流裝置的組成結構l典型節(jié)流裝置的比較：l1）標準孔板開孔金屬園板，結構簡單，加工方便，成本低；適合多數(shù)應用場合；l2）標準噴嘴結構復雜，加工困難，壓力損失小，精度高，適合高流速流體測量，如蒸汽流量測量；l3）文丘利管收縮擴展段均有，最復雜結構，制造加工難度大，成本高，但壓力損失最小。適合特殊場合測量，要求微小壓差條件下采用。標準節(jié)流裝置的組成結構標準節(jié)流裝置的組成結構lb.取壓裝置 標準節(jié)流裝置規(guī)定了由節(jié)流件前后引出差壓信號的幾種取壓方式，有角接取壓，環(huán)室取壓環(huán)室取壓，法蘭取壓，徑距取壓等方式。環(huán)室取壓：常用的方式，易加工安裝，操作相對簡單環(huán)室取壓：

16、常用的方式，易加工安裝，操作相對簡單 c.測量管段 最小直管段長度與節(jié)流件前的局部阻力件形式及直徑比有關。節(jié)流元件前管段長：10D 節(jié)流元件后管段長：5D 以保證流經節(jié)流元件的流體狀況符合要求。節(jié)流裝置的設計和運算節(jié)流裝置的設計和運算l a.已知管道內徑及現(xiàn)場布置情況，流體的性質和工作參數(shù)，給出測量范圍，要求設計節(jié)流裝置： 選擇節(jié)流件型式和差壓計型式及量程范圍 計算確定節(jié)流元件開孔尺寸提出要求 建議節(jié)流件在管道上的安裝位置 估算誤差l b.已知管道內徑及節(jié)流件開孔尺寸，取壓方式、被測流體參數(shù)等條件測差壓值計算流量： 需測流體的溫度 測流體的壓力參數(shù)節(jié)流式流量計的安裝與使用條件節(jié)流式流量計的安裝

17、與使用條件la.標準節(jié)流裝置的使用條件lb.節(jié)流式流量計的安裝lc.取壓口位置的引壓管路的安裝ld.差壓計用于測量差壓信號差壓計的安裝示意圖(c)(b)差壓計差壓計-電磁流量計電磁流量計習題與思考習題與思考1lP98 ： 6-1, 6-3 , 6-4 l思考題：采用節(jié)流方式測量蒸汽流量，應用標準噴嘴作為節(jié)流元件，常用流量變化范圍100T/h - 150T/h，工作壓力5MP，溫度450C，最大流量時的差壓為：dPmax=400mmHg。請設計一差壓式流量測量系統(tǒng)，作圖說明各部件的作用，選擇合適的差壓計（量程，耐壓等），并用簡單流量公式計算100T/h時的差壓值？(5)非標準節(jié)流裝置非標準節(jié)流裝

18、置lA.1/4圓噴嘴 主要用于低雷諾數(shù)下的流量測量lB.圓錐形入口孔板 錐形入口孔板于標準孔板形狀相似，主要用于低雷諾數(shù)測量lC.圓缺孔板 圓缺孔板主要用于臟污，有氣泡析出或有固體微粒的液體流量測量6.2.2.2.均速管流量計均速管流量計l均速管流量計是基于動壓管測速原理發(fā)展而成的一種流量計，流體流經均速管產生差壓信號，此差壓信號于流體流量有確定的關系，經過差壓計可測出流體流量。l均速管的實用流量方程式寫作l均速管流量計結構簡單，便于安裝，價格便宜，壓力損失小，能耗少，準確度及長期問帝國內性比較好。pkDvDqv244226.2.2.3.彎管流量計彎管流量計l當流體通過管道彎頭時，受到角加速度

19、的作用而產生的離心力會在彎頭的外半徑側于內半徑側之間形成差壓，此差壓的平方根于流體流量成正比l彎管流量計的流量方程式寫作l彎管流量計的特點是結構簡單，安裝維修方便；在彎管內流動無障礙，沒有附加壓力損失；對介質條件要求低。其主要缺點是產生的差壓非常小。pkDqv2426.2.2.4.靶式流量計靶式流量計l在流管中垂直于流動方向安裝一圓盤形阻擋件，稱之為“靶”。通過測量靶所受的作用力，來求出流體流量。l體積流量與靶上受力F的關系為：l以直徑比 表示流量公式可寫成如下形式l靶式流量計適用于高粘度、低雷諾數(shù)的流體。可用掛重校驗即干校的方法調整儀表的零點和滿量程FddDkvAqav2220FDkqav2

20、)1(Dd /6.2.2.5.浮子流量計浮子流量計l利用節(jié)流原理測量流體流量，其差壓值基本不變，是通過節(jié)流面積的變化反映流量的大小，又稱為恒壓降變截面流量計或轉子流量計。l測量原理及結構 當流體流過環(huán)隙面時，因節(jié)流作用在浮子上下端面產生差壓形成作用于浮子的上升力。當上升力與浮子的重力相等時，浮子穩(wěn)定在平衡位置，通過平衡位置的高度與流量的對應關系測得流量值。浮子受力平衡公式：將上式代入節(jié)流流量方程式：小錐度錐管，有 其流量方程為：浮子流量計的類型：玻璃錐管的直讀式浮子流量計 金屬錐管的遠傳式浮子流量計。gVAPfff)(ffvAgVAqf)(20chA 0ffvAgVchqf)(2浮子流量計的使

21、用和安裝浮子流量計的使用和安裝浮子流量計的刻度換算 測量液體的浮子流量計用常溫水標定，測量其它的浮子流量計用常溫常壓的空氣標定。 在實際測量中，如果被測介質不是水或空氣，則流量計的指示值與實際值存在差別，要進行刻度換算修正。換算公式如下：一般液體介質： 氣體介質： )()(000ffvvqq00vvqq水平安裝，垂直安裝，示值修正水平安裝，垂直安裝，示值修正l浮子流量計的安裝使用 在安裝使用前必須核對所需測量范圍、工作壓力和介質溫度是否與選用流量計規(guī)格相符。 當被測介質的物性參數(shù)和 狀態(tài)參數(shù)與流量計標定介 質不同時，必須對流量計 指示值進行修正。6.2.3.速度式流量計速度式流量計l 渦輪流量

22、計的構成和流量方程式 渦輪流量計主要由殼體、導流氣、支承、 渦流和磁電轉換器組成，結構如圖所示：l渦輪流量計的流量方程式為： 儀表常數(shù) 與流量計的渦輪結構 等因素有關。在流量小時， 隨流 量增大而增加，當流量達到一定值 時接近常數(shù)。 fqv6.2.3.1.渦輪流量計渦輪流量計l渦輪流量計的特點和使用 可以測量氣體、液體流量，但要 求被測介質干凈，且不適用于粘度大的液體測量。 渦輪流量計一般應水平安裝，并保證其前后有一定的直管段。 通常渦輪流量計主要用于測量精度要求高、流量變化快的場合。6.2.3.2.渦街流量計渦街流量計l它是利用流體振蕩的原理進行流量測量的。l 渦街流量計的組成及流量計的方程

23、式 渦街流量計的主體是渦流發(fā)生體。 在一定的雷諾數(shù)范圍內，穩(wěn)定的渦流產生頻率f與渦流發(fā)生體處的流速v有確定的關系： 方程式為： l 渦街流量計特點及使用 適用于氣體液體和蒸汽介質 的流量測量 可以水平安裝也可以垂直安裝。dvStf Kfqv6.2.3.3.電磁流量計電磁流量計l電磁流量計基于電磁感應原理，通過測量電勢可求得流量。l電磁流量計的組成及流量方程式 電磁流量計的測量主題由磁路系統(tǒng)、測量導管、電極和調整轉換裝置等組成。 流量方程式為： 電磁流量計的特點及應用 無阻力件，壓力損失小測量范圍寬儀表反應快，受流動狀態(tài)的影響小，可以測量脈動流和兩相流不宜測電導率低的流量。CBDvE KEECB

24、DVDqv426.2.3.4超聲流量計超聲流量計l利用超聲波在流體中傳播特性實現(xiàn)流量測量。l超聲波測量流量按作用原理分有傳播速度差法，多普勒效應法，聲束偏移法，相關法等。工業(yè)中應用最普遍的是傳播速度差法。l傳播速度差法的原理 利用超聲波在流體中順流 與逆流傳播的速度變化來 測量流量。測量方法有時 間差法，相差法和頻差法。速度法的計算時間差法速度法的計算時間差法l順流與逆流傳播時間與流速之間的關系 則時間差與流速的關系 頻率差法 頻率與流速的關系 則頻率與流速的關系 超聲流量計的范圍度一般為20：1， 誤差為vcLt1vcLt22122cLvtttLvctf111Lvctf221Lvfff221

25、%3%26.3.質量流量檢測方法質量流量檢測方法l質量流量檢測方法可以分兩大類： 間接式質量流量計和直接式質量流量計l 6.3.1.間接式質量流量測量方法 根據(jù)質量流量與體積流量的關系用多種儀表的組合實現(xiàn)質量流量測量。l6.3.1.1.體積流量計與密度計的組合方式 差壓式流量計與密度計的組合 差壓計輸出信號正比于 ，密度計測量流體密度 ，則其計算式為：vq2qqqvm2l其他體積流量計與密度計組合l用速度式流量計，的輸出信號與密度計輸出信號組合運算：l6.3.1.2.體積流量計與體積流量計的組合l壓差式流量計（或靶式流量計）與渦輪 流量計（或電磁流量計等）組合，計算 式為：l6.3.1.3.溫度、壓力補償式質量流量計 流體密度是溫度、壓力的函數(shù)，通過測量流體溫度和壓力與體積流量測量組合可以求出流體質量流量 。vmqqvvvmqqqq26.3.2.直接式質量流量計直接式質量流量計l6.3.2.1.科里奧利質量流量計 利用流體在振動管中流動時，產生與質量流量成正比的的科里奧利力的測量原理。 U形管以O-O為軸，按固有的自振頻率垂直于其所在平面振動，此時流體將產生一科里奧利加速度，產生的科氏力大小相等方向相反，使U管發(fā)生扭曲，通過兩電磁傳感器測出扭角的大小，就能得知質量流量。l扭角的大小與質量流量的關系： l時間差與質量流量的關系：l科式力流量計還有平行直管、形管和環(huán)形管。其