熱能動力工程測試技術(shù) 08流量測量1

1、1第八章 流量測量第一節(jié) 概 述第二節(jié) 節(jié)流式流量計第三節(jié) 渦輪式流量計第四節(jié) 光纖流量計第五節(jié) 超聲波流量計第六節(jié) 質(zhì)量流量計第一節(jié) 概述一、流體與流量 流體：單相氣體、液體、氣液混合流體(如燃料油與空氣、水與蒸汽等)、氣固兩相的混合流動(空氣帶動煤粉)等。 流量：單位時間內(nèi)通過某有效流通截面的流體數(shù)量，稱瞬時流量； 用質(zhì)量流量qm(kg/s)和體積流量qv(m3/s)表示，且有qm=qv。21、是工業(yè)過程三大控制量(壓力、溫度、流量)之一；2、石油、天然氣、化工原料等流體計量直接關(guān)系到國家利益;3、自來水、灌溉、污水處理等關(guān)系到國計民生。流量測量的重要性 大型化工企業(yè)中，流量是控制工藝過程

2、和保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。3流體的幾個概念（一）粘度：衡量流體粘性大小的物理量 底板不動，恒定力F推動上面平板以速度v沿x方向活動時，兩板間的液體分成無數(shù)薄層而運動。 F與板的速度v、板的面積S成正比，與兩板間的距離y成反比稱為粘度或動力粘度，單位泊 (Pa.s)4 為細管中的平均流速； 為流體的運動粘度, d為管徑。（二）雷諾數(shù)：表征流體流動時慣性力與粘性力之比。利用細管直徑d，可求出雷諾數(shù)Rd5（三）層流和紊流 層流：流體在細管中流動的流線平行于管軸，流量與壓力降成正比；Rd2320 。 紊流：流體在細管中流動的流線相對混亂，流量與壓力降的平方根成正比；Rd2320。 層流時，流速分布是以

3、管軸為中心線的軸對稱拋物線分布。 紊流時，管內(nèi)流速以管中心線軸對稱的分布，但其分布呈指數(shù)曲線形式。6（四）流體流動的連續(xù)性方程 流體穩(wěn)定流動，且不可壓縮時，流過各截面流體的體積為常量。利用上式，可求流體流過管道不同截面時的流速。7（五）流體伯努力方程 (Bernoullis Equation)動能壓力能勢能+流體能89伯努利方程的構(gòu)成h1h2勢能Potential energymgh1mgh2動能Kinetic energy1/2mv121/2mv22壓力能Pressure energymp1/1mp2/2能量守恒：10 水平放置：不可壓縮液體：伯努利方程的特例11利用流體連續(xù)性方程，體積流量

4、：測節(jié)流裝置上、下游的壓力差二、流量計的類型 根據(jù)測量方法分類：容積型、速度型和質(zhì)量型。 特點：原理簡單，測量結(jié)果受流動狀態(tài)影響小，精確度高；適于測量高粘度、低雷諾數(shù)流體，不適于高溫高壓和臟污介質(zhì)。1容積型流量計 通過計量單位時間內(nèi)被測流體充滿或排出某一定容容器V的次數(shù)來計算流量，即qv=nV。1213橢圓齒輪流量計原理圖1外殼 2橢圓形轉(zhuǎn)子 (齒輪)3測量室 1415 腰形輪每轉(zhuǎn)動一周，就把轉(zhuǎn)子與殼體之間所構(gòu)成的具有一定容積的計量室流體的四倍體積，從流入口送到流出口。 計量室體積腰輪轉(zhuǎn)速體積流量腰輪(羅茨)流量計1617 腰輪流量計 通常就地顯示累積流量，并有遠傳輸出接口，與相應(yīng)的光電式電脈

5、沖轉(zhuǎn)換器和流量積算儀配套，可進行遠程測量，顯示和控制。 精度高，重復(fù)性好，范圍度大，對流量計前后直管段要求不高。 適用較高粘度流體，流體粘度變化對示值影響較小。 適用無腐蝕性能的流體，如原油，石油制品(柴油，潤滑油等)。 18濕式氣體流量計動畫 19 2.速度型流量計 當(dāng)流通截面確定時，流體的體積流量與截面上的平均流速成正比。 特點：適用于高溫高壓流體測量，精確度高;測量結(jié)果受流動條件(如雷諾數(shù)、渦流、截面上流速分布)的影響大。 類型：節(jié)流式流量計、渦輪流量計、超聲波流量計、電磁流量計和轉(zhuǎn)子流量計。20渦輪流量計： 在一定范圍內(nèi)，渦輪的轉(zhuǎn)速與流體的平均流速成正比，通過磁電轉(zhuǎn)換器將渦輪轉(zhuǎn)速變成電

6、脈沖信號，以推導(dǎo)出被測流體的瞬時流量和累積流量。2122B為磁感應(yīng)強度;D-管道內(nèi)徑;u-流體平均流速;E-感應(yīng)電勢。電磁流量計： 被測導(dǎo)電流體在磁場中沿垂直磁力線方向流動而切割磁力線時，在管道兩側(cè)的電極上產(chǎn)生與流速成正比的感應(yīng)電勢。 流體流量為： 23 電磁流量計的結(jié)構(gòu)MKULC2100系列電磁流量計 24測量介質(zhì)：導(dǎo)電介質(zhì)流速范圍：0.3-10m/s測量精度：0.5%FS1.0%FS顯示方式：LCD顯示瞬時流量，累積流量。介質(zhì)溫度：0-70；0-90；0-150（可選）壓力：；16Mpa；25Mpa；32Mpa輸出信號：頻率輸出0-2kHz； 電壓輸出1-5V電流輸出4-20mA； RS-

7、485串行接口斷電數(shù)據(jù)保存時間：10年電源：220VAC15%24VDC5%（可選）平均無故障工作時間：MTBF=30000h防護等級：IP67、IP68（只適用于分體型）襯里材料：聚氨脂橡膠、氯丁橡膠、聚四氟乙烯、F46。電極材料：316L，哈氏合金HB；哈氏合金HC；特殊材料（如：鈦、鉭、鉑等稀有金屬材料）。MKULC2100系列電磁流量計 25浮子流量計以浮子在垂直錐形管中隨著流量變化而升降，改變它們之間的流通面積來進行測量，又稱轉(zhuǎn)子流量計。流體入口流體出口轉(zhuǎn)子26轉(zhuǎn)子(浮子)流量計27玻璃轉(zhuǎn)子流量計28靶式流量計：節(jié)流式，在管道的中心設(shè)置一圓盤形靶子作為節(jié)流件，靶子與管壁之間形成環(huán)形流

8、通截面，故又把靶子稱為環(huán)形孔板。流體P使靶子受一推力，測出此力便可以知道流量。靶式流量計插入式高溫型矢量機構(gòu)型29 靶感受沖擊力, 使主、副杠桿轉(zhuǎn)動，使檢測片移動,引起電感量變化。用于低雷諾數(shù)、含固體顆粒的漿液及腐蝕介質(zhì)流量測量。結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便，成本低。30 3.質(zhì)量型流量計 直接型：熱式質(zhì)量流量計、角動量式質(zhì)量流量計等。 推導(dǎo)型：同時測取流體的密度和體積流量，通過運算而推導(dǎo)出質(zhì)量流量。速度型流量計和密度計組合而成。 溫度壓力補償型：不配用密度計；利用溫度、壓力與密度之間的關(guān)系，將溫度、壓力的測量值轉(zhuǎn)換為密度，再與體積流量進行運算得到質(zhì)量流量。 由于連續(xù)測量溫度、壓力比連續(xù)測量密度容易

9、，工業(yè)上多用溫度壓力補償型。31三、流量計的選用原則 1.根據(jù)被測流體的性質(zhì)選擇 測量水蒸氣：節(jié)流式或金屬轉(zhuǎn)子流量計; 測量潔凈液體或氣體：節(jié)流式、轉(zhuǎn)子流量計、腰輪流量計、橢圓齒輪流量計、靶式流量計; 測量漿液：靶式流量計和電磁流量計; 測量粘性液體：腰輪流量計、橢圓齒輪流量計和旋轉(zhuǎn)活塞流量計; 測量腐蝕性流體：轉(zhuǎn)子流量計; 測量臟污液體或氣體：電磁式和靶式流量計。32 2根據(jù)用途選擇 測量精度要求較高：腰輪流量計、橢圓齒輪流量計、旋轉(zhuǎn)活塞流量計和渦輪流量計; 要求有指示記錄，并進行流量自動控制：節(jié)流式流量計、轉(zhuǎn)子流量計、靶式流量計和電磁流量計; 要求流體測量的壓力損失較?。恨D(zhuǎn)子流量計和渦街流

10、量計等。 3.根據(jù)工況條件選擇 實測中，須將被測流體在實際狀態(tài)下的流量變化范圍換算成流量計刻度狀態(tài)下相應(yīng)介質(zhì)的流量，以此選擇流量計量程。33 4.其他 安裝位置、安裝尺寸及流通管路振動的影響。a,b,e不良 c,d良好 當(dāng)泵送費用昂貴時，流量測量應(yīng)選用永久壓力損失系數(shù)較小或無阻擋式的流量計。343536第二節(jié) 節(jié)流式流量計 一、測量原理與流量方程 節(jié)流現(xiàn)象：當(dāng)流體流經(jīng)管道中急驟收縮的局部截面時，將產(chǎn)生增速降壓；流體的流速越大，節(jié)流壓降越大。 節(jié)流式流量計由節(jié)流裝置、差壓信號管道(導(dǎo)壓管)和壓差計三部分組成。37 根據(jù)流動的持續(xù)性方程和伯努利方程，流量與節(jié)流壓降關(guān)系為qv為體積流量；為流量系數(shù)；

11、為流體膨脹校正系數(shù)；d為節(jié)流元件開孔直徑；p=p1-p2為壓差；為流體密度；=d/D為直徑比；D為流動管道內(nèi)徑。3839 二、節(jié)流裝置 (一)基本組成 節(jié)流元件：孔板、噴嘴、文丘利管等。 取壓方式：直接取壓、法蘭取壓、徑距取壓、理論取壓和管接取壓等。 (二)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置可不必單獨標(biāo)定。 非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置必須用實驗單獨標(biāo)定。40文丘利管壓力損失最小，孔板壓力損失最大。文丘利管孔板噴嘴41(1)孔板式42孔板要求：（1）開孔直徑d應(yīng)實際測量。測量在上游段進行，最好是在四個大致相等的角度上測量直徑，求其平均值。要求各個單測值與平均值之差在0.05%范圍內(nèi)。（2）孔板進口圓筒形部分應(yīng)與管道

12、同心安裝；（3）孔板進口邊緣應(yīng)是嚴(yán)格直角，不能有毛刺和可見的反光。所謂薄壁是指孔板厚度E和圓筒形厚度e不能過大。 標(biāo)準(zhǔn)孔板，43孔板的三種取壓方式44角接取壓裝置： 環(huán)室取壓和單獨鉆孔取壓裝置結(jié)構(gòu)環(huán)室取壓：前、后環(huán)室裝在節(jié)流件兩邊，環(huán)室夾在法蘭之間。節(jié)流件前后的壓力從連續(xù)環(huán)隙上取得，為整個圓周上的平均值。單獨鉆孔取壓：鉆在法蘭或夾緊環(huán)上。取壓孔在夾緊環(huán)內(nèi)壁的出口邊緣必須與夾緊環(huán)內(nèi)壁平齊，取壓孔為圓筒形，其軸線應(yīng)盡可能與管道軸線垂直。45法蘭取壓裝置 上游取壓口中心線與節(jié)流件上游端面距離L1，下游取壓口中心線與節(jié)流件下游端面距離。當(dāng)且D150mm時，允許偏差為，其余情況下允許偏差為1mm。 從法

13、蘭外圓垂直管道軸線向內(nèi)鉆孔。取壓孔直徑應(yīng)小于和小于13mm.法蘭取壓裝置46徑距取壓（D-D/2取壓） 取壓孔必須符合單獨鉆孔取壓的全部要求，取壓孔中心線必須與管道中心線垂直。 取壓孔只有一對，上游取壓孔中心線與節(jié)流件上游端面距離L1等于D，允許偏差為。 下游取壓孔中心線與節(jié)流件下游端面距離L2等于，允許偏差：當(dāng)時為0.02D;當(dāng)時為。47角接取壓法蘭取壓徑距取壓12mmd50mmD100mm0.20.75當(dāng)0.20.45時，ReD5000ReD12602D當(dāng)0.4時，ReD10000標(biāo)準(zhǔn)孔板制造安裝的其他要求=d/D為直徑比；D為流動管道內(nèi)徑。48節(jié)流孔板后取壓管 49ISA 1932噴嘴

14、(2)標(biāo)準(zhǔn)噴嘴50長徑噴嘴51流體入口狹窄部位文丘里噴嘴在管道中的位置前取壓口 后取壓口 (3)文丘利管52動壓文丘里管 提高P，增加靈敏度，降低壓力損失。多用于大截面管道。53為進一步提高P，采用雙級動壓文丘里管 54雙級動壓文丘里管 動壓文丘里管 55文丘利管流量計實物圖56非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件及其應(yīng)用 在特殊的情況下（如管道直徑小于50毫米，雷諾數(shù)很小等），不適用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件。 非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置：實驗數(shù)據(jù)較少，流量系數(shù)的誤差較大的尚未標(biāo)準(zhǔn)化的節(jié)流件。 （1）低雷諾數(shù)：1/4圓孔板，錐形入口孔板，雙重孔板，雙斜孔板，半圓孔板等； （2）臟污介質(zhì)：圓缺孔板，偏心孔板，環(huán)狀孔板，楔形孔板，彎管節(jié)流件等；

15、（3）低壓損：羅洛斯管，道爾管，道爾孔板，文丘里噴嘴，通用文丘里管等； （4）脈動流節(jié)流裝置； （5）臨界流節(jié)流裝置：音速文丘里噴嘴； （6）混相流節(jié)流裝置。57圓弧入口孔板、錐形入口孔板 圖a為1/4圓弧孔板，圖b為錐形入口孔板。都是同心孔板，與標(biāo)準(zhǔn)孔板相比，只是孔口廓形不同，前者為1/4圓弧，后者像一倒裝的標(biāo)準(zhǔn)孔板。58 (三)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置使用范圍與條件 選用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置時，需對其使用范圍和使用條件進行核對。 1.流體條件 1)流體圓管須充滿和連接地流經(jīng)管道。 2)流體單相且在流經(jīng)節(jié)流裝置時不發(fā)生相變。 3)流速穩(wěn)定，不存在漩渦，流量隨時間變化緩慢。59 2.管道條件 為了使流體在節(jié)流元件

16、前1D處達到充分發(fā)展的湍流速度分布，須滿足：式中 1)節(jié)流元件前、后必須有足夠長的直管段，長度與節(jié)流元件上下游阻力元件及直徑比有關(guān)。 2)直管段截面必須為圓形，節(jié)流元件前后圓度要求高。在節(jié)流元件前2D范圍內(nèi)，分別于0D、D、1D和2D處的四個截面上，以角等分方式各測取4個管道內(nèi)徑D i，共16個測量值，偏差要求60 3.安裝要求 1)節(jié)流元件前端面須與管道軸線垂直，允許最大不垂直度1。 2)節(jié)流元件的開孔必須與管道同心，允許最大不同心度D (1/1)。 3)節(jié)流元件在受熱時能夠自由膨脹，防止變形。 4)調(diào)節(jié)流量用的閥門最好安裝在節(jié)流元件后最小直管段長度以外。 4選型(下列測量場合優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)噴

17、嘴) 1)被測流體易沉淀或有腐蝕性。 2)對節(jié)流元件的壓力損失有嚴(yán)格要求。 3)被測管道內(nèi)壁比較粗糙。 4)高參數(shù)、大流量生產(chǎn)管道的長期在線檢測。61 (四)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置主要參數(shù)和的確定 1.流量系數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置原始流量系數(shù)0是在光滑管道內(nèi)，ReDRec (臨界雷諾數(shù))的穩(wěn)定流動狀態(tài)下，用新的節(jié)流元件進行實驗獲得。K1為粘度修正系數(shù)；K2為管壁表面粗糙度修正系數(shù)；K3為孔板磨損修正系數(shù)；對于噴嘴、文丘利管及新的節(jié)流元件，K3=1。 實測時若ReDRec、管壁粗糙度超出允許范圍、節(jié)流元件開孔出現(xiàn)磨損等，應(yīng)該對流量系數(shù)進行修正 62 2.流體膨脹校正系數(shù) 可壓縮流體壓力的變化將引起流體體積的變化

18、。與節(jié)流元件p2/p1、被測流體的等熵指數(shù)及直徑比等有關(guān)。根據(jù)GB2624： 采用法蘭標(biāo)準(zhǔn)孔板，為 對標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，為 采用角接標(biāo)準(zhǔn)孔板，為63 實測中p/p1在變化，值會波動。故取常用流量qu下的(p/p1)u值計算值。 qmax、pmax分別為選用流量計的流量刻度上限值以及與此對應(yīng)的壓差計的刻度上限值。 常用流量所對應(yīng)的差壓p u為64 三、壓差計 雙管式、波紋管式、膜片式、電容式、浮子式、環(huán)秤式、鐘罩式等。 四、節(jié)流式流量計測量結(jié)果的修正 1.節(jié)流元件開孔尺寸d因溫度變化的修正T、T 為節(jié)流元件設(shè)計狀態(tài)下的溫度和實際溫度；d 、d 為節(jié)流元件在T、T 溫度下的開孔直徑；l為節(jié)流元件的線膨脹系

19、數(shù)；cd為節(jié)流元件孔徑變化的流量修正系數(shù)；qv和qv 為流量指示值和修正值。65 2.被測流體密度變化的修正 因成分、溫度、壓力引起的被測流體密度變化 、 為設(shè)計狀態(tài)下的流體密度和實際密度；c為修正系數(shù)。 0、T0、p0和Z0為被測氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度、溫度、壓力和壓縮系數(shù)； 、T 、p 和Z 為實測狀態(tài)下相應(yīng)系數(shù)。 對于氣體，實際密度為66 3.綜合修正系數(shù) 同時考慮上述兩項影響因素時，修正為 五、節(jié)流式流量計應(yīng)用已知管道條件、被測流體性質(zhì)、工作狀態(tài)和流量范圍，選擇合適的節(jié)流裝置和壓差計;已知管道條件、節(jié)流裝置形式及開孔直徑d、差壓測量讀數(shù)p、被測流體性質(zhì)和工作狀態(tài)，計算被測流體實際流量。67 (一)根據(jù)已知條件選擇節(jié)流裝置和壓差計 1.壓差計上限pmax的確定 1)pmax應(yīng)使在。但壓力損失較大，不利節(jié)能。對于標(biāo)準(zhǔn)孔板：對于標(biāo)準(zhǔn)噴嘴： 壓力損失