热工测量仪表第6章流量检测

第六章流体流量的测量方法流量是工质热力状态的主要参数之一。一、流量的几个名词概念：1瞬时流量：单位时间内通过某一截面的流体数量2积分流量或累积流量：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3平均流量：流过的总量除以时间4质量流量：单位时间内流过的质量，qm5体积流量(qv）：单位时间内流过的体积，qm＝ρqvρ为流体密度。给出体积流量，须指明流体状态（ρ变化）。尤其在测气体时，常将其体积流量换算成标准状态下的体积流量qvn＝ρqv/ρn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。二、流量测量方法可归结为容积法、速度法和质量式第一节容积式流量测量方法一工作原理：如果使流体以固定的、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：qv＝nV二常用的容积流量计及具体工作原理：标准体积管、椭圆齿轮流量计，腰轮流量计，刮板式流量计，湿式气体流量计等第一节容积式流量测量方法1椭圆齿轮流量计：齿轮旋转，每转一周，排出四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。2腰轮流量计：通过壳体外轴上的一对啮合齿轮带动两腰轮，排出流量。可用来测液体，气体。3刮板式流量计：转子带动刮板在凸轮外缘滚动，转子每转一周就有计量容积液体排出。4湿式流量计用于实验式气体容积流量测量。气体从水面下中心位置气体入口进入，推动转翼转动，从气体出口排出。二常用的容积流量计及具体工作原理第一节容积式流量测量方法1椭圆齿轮流量计每转一周，两个齿轮共送出四个标准体积的流体。三、图示2腰轮流量计（罗茨流量计）腰轮上没有齿，它们不是直接相互啮合转动，而是通过按装在体外的传动齿轮组进行传动．第一节容积式流量测量方法1适用于小口径流量和高粘度流体流量的测量。2惯性较大，动态特性不好（仪表有可动部分）3存在漏油量，有测量误差，小流量不精确。1）使用时要求流量要达到15％－20％满量程，见P184页误差曲线2）流量不许超量程，转动会部分磨损。3）滑漏量与流体的粘度有关，粘度大，滑漏量小。计量不同粘度的液体，可用粘度修正公式修正。四容积式流量计的测量特点第一节容积式流量测量方法五、容积式流量计转速信号的测量1两大类方法：1）机械计数器进行累积计数，2）转换成频率信号（通过电量远传发信器进行远传显示）。2电量远传发信器－转换成频率1）种类：干簧继电器，高频振荡发信，电感发信，光电发信。2）干簧继电器发信：减速的齿轮带动一永久磁铁，通过磁铁的吸合来发出一个个电脉冲供远传。此法简单，但干簧继电器寿命短。第一节容积式流量测量方法2）高频振荡发信器利用电磁感应原理将转速信号变成电脉冲信号。具体作法：在仪表出轴上安装一等距离开槽的测速齿轮，齿轮两侧的机壳上有电感线圈，齿轮旋转，改变互感，由于电感线圈与电容和晶体管组成了振荡器，通过其振荡频率可的转速：f=zn/60五、容积式流量计转速信号的测量2电量远传发信器－转换成频率第一节容积式流量测量方法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。六、容积式流量计使用时注意第二节速度式流量测量方法一工作原理：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。vAvqvKvAqv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(laminarflow)就是流体在细管中流动的流线平行于管轴时的流动。所谓紊流(turbulentflow)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。第二节速度式流量测量方法二常用种类涡轮式，电磁式，超声波式，热式和差压式。一）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—导流器第二节速度式流量测量方法一）涡轮流量计2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信号，累积得到累计流量流量，同时。这种将转速转换成脉冲信号的方法叫磁阻法。第二节速度式流量测量方法二常用种类一）涡轮流量计2工作原理第二节速度式流量测量方法3流量和脉冲信号的转换公式二常用种类一）涡轮流量计（1）流量一转速:（2）转速-频率f=zn(3)流量－频率ffztgArCqV11200（4）仪表常数——仪表常数意义:单位体积流量输出的脉冲数。ζ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，ζ是一个常数。当上述条件变化时，ζ值也随之变化，见P188图。？因为上述条件都将能影响到式中的参数C。第二节速度式流量测量方法二常用种类一）涡轮流量计3流量和脉冲信号的转换公式（4）仪表常数ζb实际上，涡轮流量计出厂时，ζ值由厂家根据适用的流体标定给出。第二节速度式流量测量方法4涡流流量计使用的注意事项注意：1）仪表允许的使用特性在曲线的平直部分。ζ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。一）涡轮流量计第二节速度式流量测量方法二、漩涡流量计（涡街）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，在火电厂可用于送风流量的测量。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。第二节速度式流量测量方法二常用种类二)漩涡流量计（涡街）4涡街稳定的条件h可通过以柱体特征尺寸l保证5漩涡发生的频率：f=Stv/lSt斯特劳哈尔数。它是以柱体特征尺寸l计算流体雷诺数Rel的函数，在500～150000范围内基本不变，柱体）0.2,三角体0.16。6体积流量与频率之间的关系：tvSfl)Dl.(DvDq25114422第二节速度式流量测量方法二)漩涡流量计（涡街）6旋涡发生频率f的检测方法第二节速度式流量测量方法二)漩涡流量计（涡街）热检法、差压法1)热检法：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。7涡街流量计的特点及安装（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，故可不需单独标定。（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）压力损式小，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，创造此条件有能有困难。第二节速度式流量测量方法二)漩涡流量计（涡街）第二节速度式流量测量方法三)电磁流量计根据法拉第电磁感应定律,测量导电液体。vBDCE1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。第二节速度式流量测量方法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。EBDCvDqv1244vvKqqDBCE14二常用种类三)电磁流量计第二节速度式流量测量方法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5～10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。第二节速度式流量测量方法三)电磁流量计第二节速度式流量测量方法四)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、逆流中传播的相位差)频差法（是目前常用的测量方法）。第二节速度式流量测量方法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222vcLvvcLvcLt22cLvt四)超声波流量计2测速度之差法：第二节速度式流量测量方法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，因此造成误差，须采用流体温度补偿装置。22cLvt二常用种类四)超声波流量计2测速度之差法：第二节速度式流量测量方法3）频率法（1）好处：可消除声速的影响。LvLvcLvcf2DvDcDfff212)sin1(2sinfcDDkvDkvDqDv]2sin)sin(4144222二常用种类四)超声波流量计2测速度之差法：（2）频差和流量的关系Δf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。超声波换能器，既能发射超声波，又能接受超声波。两者结构性能完全相同，接收和发射的换向由定时器4控制的切换开关完成。第三节差压式流量测量方法1工作原理：伯努利定律，通过测量流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。流体伯努力方程2211221212221122122222vpvpgZgZvpvpgZgZ对不可压缩的流体第三节差压式流量测量方法一、毕托管1差压和流速关系（1）不可压缩流体：按照伯努里方程，假设全压与静压取压口在同一点上，有：整理得：gPgPgvzA00202pv