搜索
一、概述（一）流量的定义和单位流量：指流经管道（或设备）某一截面的流体数量。随着工艺要求不同，它的测量又可分为瞬时流量和累积流量的测量。瞬时流量：单位时间内流经某一截面的流体数量。它可以分别用体积流量和质量流量来表示。体积流量:单位时间内流过某一有效截面的的流体体积，可用Q表示为：Q＝VA式中：V—某一有效截面处的平均流速；A—流体通过的有效截面积。常用的单位为：立方米每小时（m3／h），升每小时（l／h）等第四章流量测量质量流量：单位时间内流经某一有效截面的的流体质量。常用M表示，若流体的密度是ρ，则体积流量与质量流量之间的关系是：M＝Qρ＝VAρ式中：M—质量流量；V、A同前式。常用的单位为：吨每小时（t／h），千克每小时（kg／h）等。流量测量（续）（二）流量测量仪表的分类流量测量的方法很多，其测量原理和所采用的仪表结构形式各不相同。目前有许多种流量测量的分类方法，我们仅按其中一种分类方法简介如下：（1）速度式流量计主要是以测量流体在管道内的流动速度作为测量依据的测量仪表。例如：差压式流量计、电磁流量计、涡轮流量计等。（2）容积式流量计主要利用流体在单位时间内连续通过固定容积的数目作为测量依据的测量仪表。例如：椭圆齿轮流量计、腰轮（罗茨）流量计、刮板流量计等。流量测量（续）二、体积流量计（一）电磁流量计原理与结构电磁流量计的基本原理是基于电磁感应定律。导电流体在磁场中作垂直方向流动而切割磁力线时，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势被测介质的流量经检测部分变换成感应电势，然后再由转换部分将感应电势转换成标准的统一直流信号进行输出，以便进行指示、记录或与电动单元组合仪表配套使用。流量测量（续）电磁流量计的基本工作原理图和外形结构如下：基本工作原理图流量测量（续）感应电势的方向由右手定则（发电机原理）判断。电磁流量计（续）大小由下式确定：Ex＝CBDV式中：Ex—感应电势，V（伏）；B—磁感应强度，T（特斯拉）D—管道直径，即流体垂直切割磁力线的长度，m（米）V—垂直于磁力线方向的液体流速，m/s（米每秒）C—单位换算系数。由流量传感器和转换器两大部分组成。传感器典型结构示意如图2，测量管上下装有激磁线圈，通激磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电势，送到转换器。激磁电流则由转换器提供。电磁流量计（续）感应电势大小由下式确定：式中：Ex—感应电势，V（伏）；B—磁感应强度，T（特斯拉）D—管道直径，即流体垂直切割磁力线的长度，m（米）V—垂直于磁力线方向的液体流速，m/s（米每秒）C—比例系数，即单位换算系数。体积流量Q（m3/s）与流速的关系为：将此式代入式（1）得：式中：K—仪表常数=4CB/πD，取决于磁感应强度B,管道直径D的大小。由上式可见感应电势的大小与体积流量之间具有线性关系，因而仪表具有均匀刻度。214QDV4XCBEQKQD电磁流量计（续）Ex＝CBDV（1)外形结构图电磁流量计（续）特点及使用电磁流量计的测量管内光滑无阻，所以压力损失极小。在采用防腐衬里的条件下，可以测量腐蚀性液体和含有固体颗粒及悬浮物等液体的流体流量。其输出信号与流量之间的关系不受液体的物理性质（如温度、压力、粘度、密度等）变化的影响；流动状态（如层流、紊流、脉动流）对示值影响很小。流量计口径从几毫米至1米以上，精度可达0.5级。电磁流量计（续）特点及使用电磁流量计要求被测液体的电导率不小于5×10－6S/cm，因而不能测量气体\蒸气以及石油制品等电导率很小的液体流量。由于感应电势的数值很小，所以要引入高放大倍数的放大器，由此而造成测量系统结构复杂、成本较高，并且很容易受外界电磁场干扰的影响，在使用不当时会较大地影响仪表的精度。要根据被测液体的种类、性能、压力、温度和腐蚀性等选择适宜的电极和内衬。电磁流量计（续）近年来，电磁流量计已由四线制朝着二线制智能化的方向发展。采用微处理机进行信号噪声处理，提高了信噪比，降低了功耗，精度可达0.5级。电磁流量计（续）（二）差压式流量计1、节流原理分析差压式流量计是测量流体流经节流装置所产生的静压差来显示流量大小的一种流量计。它由节流装置（包括节流件和取压装置）、引压管路和三阀组与差压计三部分组成，如图所示。差压式流量计发展较早，成为工业上应用最广泛的管流流量计。差压式流量计的组成1234图3-3-1差压式流量计的组成1--节流体；2--引压管路；3--三阀组；4--差压计1234图3-3-1差压式流量计的组成1--节流体；2--引压管路；3--三阀组；4--差压计体积流量计（续）节流装置：节流装置是设置在管道中能使流体产生局部收缩的节流元件和取压装置的总称。严格地说，只要在管道中安置一个具有任意形状开孔截面的阻流体，均可产生节流现象，并且在阻流体两侧会有相应的流量与差压的关系。但是，这些关系并不一定都能满足流量测量的要求，只有差压与流量之间存在比较稳定的关系，且重复性又较好的节流元件才有实用价值，常用的节流元件有同心圆孔板、喷嘴、文丘利管等。以节流装置中典型又简单实用的同心圆孔板为例来说明节流装置的节流原理。差压式流量计（续）流体在管道截面1以前，以一定的流速V1流动，管内静压力为P’1,在接近节流装置时，由于遇到节流元件孔板的阻挡，使靠近管壁处的流体受到阻挡作用最大，因而使一部分动压能转换成静压能，则孔板入口端面靠近管壁处的流体静压力由P’1升高至P1，并且大于管中心处的压力，从而在孔板入口端面处产生径向压差差压式流量计（续）这一径向压差将使流体产生径向附加速度，使得靠近管壁处的流体质点的流向与管道中心连线相倾斜，形成了流束的收缩运动。此时管中心速度加快，静压力减小.差压式流量计（续）流线分布：在1-1和3-3范围外流线均匀,在截面2-2处收缩至最小，流速最大。P1p1’介质遇到阻碍拥堵所致P2’p2因为惯性作用，离开孔板后继续收缩形成高速低静压孔板前后流通截面的突然缩小或扩大，使流体流经孔板时还要克服摩擦力，静压力不能恢复到原来的数值，P3’p1’，其差值即为节流装置引起的压力损失δp123321P1P2p'1p'3p'2δpυ1υ2υ3图3-3-2流体流经孔板时的压力和流速变化情况差压式流量计（续）节流件入口处的静压力大于出口处的静压力，则在节流件前后产生了静压差。节流件前后静压差的大小与流量有关。流量越大，流束的局部收缩和动压能与静压能的转换也越显著，则产生的压差也越大。我们只要测得节流件前后的压差大小，即可得到相应流量的大小，这就是节流装置测量流量的基本原理。实际测量时，要准确地测量管中心截面1和截面2处的压力P’1是有困难的，因为P’2的位置将随流量（即流速）的不同而变动，事先无法确定。因此是在节流件前后的管壁上选择两个固定取压位置P1、P2，来测量节流件前后的压差，即ΔP＝P1－P2，而不采用ΔP＝P1’－P2’。差压式流量计（续）2．流量基本方程式流量基本方程式是阐明流量与压差之间的定量关系式。它是根据流体力学中的伯努力方程和流动连续性方程推导得来的，即式中：α—流量系数；ε—膨胀校正系数，它与节流件孔径与管径的直径比、节流装置前后压差及等熵指数等有关。不可压缩流体ε＝1，可压缩流体ε＜1；A0—节流件的开孔截面积，即A0＝(π×d2)/4（d为节流件孔径）；ΔP—节流装置前后实际测得的压力差；ρ1—节流装置前的流体密度。PAQ102差压式流量计（续）由流量公式可见，流量与差压的平方根成正比。所以使用该流量计测量时，若不加平方器，流量标尺刻度是非均匀的（称方根刻度）。起始部分的刻度很密，因此采用差压式流量计测量流量时，被测流量值不应接近于仪表的下限值，否则将会加大误差。一般流量计均应工作在流量标尺刻度（即测量范围）的30%以上。例题：差压式流量计（续）1．标准节流件常用的节流装置如孔板、喷嘴、文丘里管等进行了标准化，称为“标准节流装置”。即它们的结构、尺寸和技术条件都有统一标准，有关计算数据都经过大量的系统实验而有统一的图表，需要时可查阅有关的手册或资料。按统一标准规定进行设计制造的节流装置，不必经过单独标定即可投入使用。工业上最常用的标准节流装置是孔板，其次是喷嘴，文丘里管使用较少。差压式流量计（续）（1）标准孔板它是一块具有圆形开孔并与管道同心的圆片状平板。见图（a），迎流方向的一侧是一个具有锐利直角入口边缘的圆柱部分，顺着流向的是一段扩大的圆锥体。通常孔板厚度E≤0.1D（D为管道直径）.孔板对流体造成的压力损失较大，而且一般适用于洁净流体的测量。差压式流量计（续）标准节流件差压式流量计（续）(2)标准喷嘴它是由圆弧收缩部分和圆筒型喉部所组成。见图（b）。标准喷嘴的测量精度较孔板要高，压力损失略小于孔板。对带有污垢的流体介质测量较为适宜。3、取压方式由前图可知，取压位置不同，在同一节流件、同一流量下得到的差压大小是不同的，故流量与差压之间的关系也将随之变化，孔板前后的差压P1－P2是计算流量的关键数据，取压方法很重要。下面介绍二种取压方式。差压式流量计（续）（1）法兰取压在距节流件前后端面各1英寸（25.4mm）的位置上钻孔取压。如图所示，一般要求在法兰上钻孔取压，上、下游取压孔直径相同，应满足b≤0.08D，一般为6～12mm。取压孔轴线分别与孔板前后端面之间的距离为S＝S‘＝25.4±0.8mm，且应与管道中心线垂直。此种取压方式仅适用于孔板.例美国采用法兰取压.φbSS'图3-3-5法兰取压装置结构差压式流量计（续）（2）角接取压欧洲、德国等规定在孔板前后边缘处取压，即紧贴节流件上、下游两侧端面取压，称为角接取压。适用于孔板和喷嘴两种节流装置。分为环室取压和单独钻孔取压两种方法。差压式流量计（续）环室取压：它是在紧贴节流件上、下游两侧端面有一道环形缝隙，流体产生的静压经缝隙进入一个环形空间（即环室），起到一个匀衡管内各个方向静压的作用，然后从该空间的引压孔取出压力进行测量。如图上半部分所示。≤3°图3-3-4角接取压装置结构bφdφDSS'φDf这种方法取压均匀，测量误差小，对直管段长度要求较短，但加工和安装复杂，一般用于400mm以下管径的流量测量。前后环室的厚度分别为S和S‘，它们应满足S≤0.2D和S‘≤0.5D，前后环室开孔直径Df应相等，并等于管道内径即：Df＝D差压式流量计（续）≤3°图3-3-4角接取压装置结构bφdφDSS'φDf环室角接取压装置结构差压式流量计（续）单独钻孔:它是在紧靠节流件两侧的两个夹紧环（或法兰）上钻孔，直接取出压力进行测量。如图下半部分所示，取压孔轴线应尽可能与管道轴线垂直，与节流件上、下游端面形成的夹角允许小于或等于3°。一般钻孔的孔径在4～10mm之间。这种方法常适用于管径大于200mm的流量测量。主要特点是：结构简单，工作可靠，使用寿命长，适应性强，几乎可测量各种工作状态下的单相流体流量。适用于50～1000mm管径的流体测量，精度可达1.0级。不足之处是压力损失较大；刻度为非线性；某些情况下使用维护工作量较大。差压式流量计是按照给定的操作条件设计计算、加工安装而成的。如果实际使用时被测流体的工作状态（温度、压力、成分等）与设计计算条件不同，则会造成较大的测量误差。此时如果条件变化较大，则必须按新的工艺条件重新进行设计计算；如果变化较小可根据流量基本公式加以必要的（主要是密度）修正。差压式流量计（续）（三）涡街流量计旋涡是自然界里的一种物理现象，涡街流量计也称旋涡流量计，是七十年代以来发展起来的基于流体振荡原理工作的一种流量计。1．原理与结构在流体中垂直于流向插入一根柱状物体（如圆柱或三角柱等），迫使流体流过柱状物之后形成两列平行状有规则左右交替出现的、方向相反的卡门涡街旋涡，这两排平行的涡列称为卡曼（Karman)涡街，柱状物体称为旋涡发生体，可以根据旋涡出现的频率测定流量。如图所示。体积流量计（续）（a）圆柱体；（b）等边三角形柱体涡街流量计（续）实验证明，当涡列间隔h与旋涡之间的距离l满足下列关系:时，卡门涡街才是