流量测量技术.

第8章流量测量技术8.1流量测量的基础知识8.2流量测量仪表8.3流量标准装置背景介绍：在工农业生产和科学研究试验中，流量都是一个很重要的参数。例如，在石油化工生产过程自动检测和控制中，为了有效地操作、控制和监测，需要检测各种流体的流量。此外，对物料总量的计量还是能源管理和经济核算的重要依据。流量检测仪表是发展生产、节约能源、提高经济效益和管理水平的重要工具。本章内容：介绍流量测量基本知识和常用检测仪表。8.1流量测量的基础知识8.1.1流量和流量计8.1.2流体的物理性质与管流基础知识8.1.3流量测量方法与流量仪表的分类8.1.1流量和流量计流量定义：指单位时间内流体(气体、液体或固体颗粒等)流经管道或设备某处横截面的数量，又称瞬时流量。体积流量：当流体以体积表示时称为体积流量。质量流量：当流体以质量表示时称为质量流量。AudtdVtVqtv0limAudtdMtMqtm0limV--体积；M--质量；t--时间；A--截面面积；ρ--流体的密度累积流量：vmqAuqAdAuAquAvudtqQtvvdtqQtmm平均流速：流体在流过截面上各点的流速。体积流量和质量流量关系：计量单位：体积流量的计量单位为米3／秒(m3／s)，质量流量的计量单位为千克／秒(kg／s)；累积体积流量的计量单位为米3(m3)；累积质量流量的计量单位为千克(kg)。工程上还使用的流量计量单位有：米3／时(m3／h)升／分(L／min)吨／小时(t/h)升(L)吨(t)等8.1.2流体的物理性质与管流基础知识1.流体的密度单位体积的流体所具有的质量称为流体密度，用数学表达式表示为：M流体质量；流体的密度；V流体体积。流体密度是温度和压力的函数，单位是(kg/m3)。VM2.流体粘度流体运动过程中阻滞剪切变形的粘滞力与流体的速度梯度和接触面积成正比，并与流体粘性有关，其数学表达式为：上式称为牛顿粘性定律。F粘滞力；A接触面积；流体垂直于速度方向的速度梯度；表征流体粘性的比例系数。dyduAFdydu/流体的动力粘度与流体密度的比值称为运动粘度，即动力粘度的单位为牛顿·秒/米2（N·S/m2），即帕斯卡秒（Pa·S）；运动粘度的单位为（m2/S）。3.流体的压缩系数和膨胀系数在一定的温度下，流体体积随压力增大而缩小的特性，称为流体的压缩性；在一定压力下，流体的体积随温度升高而增大的特性，称为流体的膨胀性。压缩系数：当流体温度不变而所受压力变化时，其体积的相对变化率：PVVk1k—流体的体积压缩系数，（1／Pa）；V—流体的原体积，(m3)；P—流体压力增量，(Pa)；V—流体体积变化量，(m3)；TVV1—流体的体积膨胀系数(1／℃)；V—流体的原体积，(m3)；V—流体体积变化量，(m3)；T—流体温度变化量(℃)。膨胀系数：在一定的压力下，流体温度变化时其体积的相对变化率，即：4.雷诺数雷诺数是流体流动的惯性力与粘滞力之比，表示为：LuLuReRe—雷诺数（无量纲数）；u—流动横截面的平均流速，（m/s）；—动力粘度，（N·S/m2）；—运动粘度，（m2/S）。—流体的密度，(kg/m3)；L—特征长度，（m）；5.管流类型(1)单相流和多相流管道中只有一种均匀状态的流体流动称为单相流；两种以上不同相流体同时在管道中流动称为多相流。(2)可压缩和不可压缩流体的流动流体可分为可压缩流体和不可压缩流体，所以流体的流动也可分为可压缩流体流动和不可压缩流体流动两种。(3)稳定流和不稳定流当流体流动时，若其各处的速度和压力仅和流体质点所处的位置有关，而与时间无关，则流体的这种流动称为稳定流；若其各处的速度和压力不仅和流体质点所处的位置有关，而且与时间出有关，则流体的这种流动称为不稳定流。(4)层流与紊流管内流体有两种流动状态：层流和紊流。层流中流体沿轴向作分层平行流动，各流层质点没有垂直于主流方向的横向运动，互不混杂，有规则的流线。紊流状态管内流体不仅有轴向运动，而且还有剧烈的无规则的横向运动。6.流速分布与平均流速流体有粘性，当它在管内流动时，即使是在同一管路截面上，流速也因其流经的位置不同而不同。越接近管壁，由于管壁与流体的粘滞作用，流速越低；管中心部分的流速最快。流体流动状态不同将呈现不同的流速分布。研究具有圆形截面的管内流动情况，当管内流体为层流状态时，沿半径方向上的流速分布可用下式表示：2max1Rruuxxxu—距管中心距离xr处的流速；maxu—管中心处最大流速；xr—距管中心径向距离；R—管内半径。当管内流体为紊流状态时，沿半径方向上的流速分布为：nxxRruu/1max1n—随流体雷诺数不同而变化的系数圆管内的流速分布通过测流速求流量的流量计一般是检测出平均流速然后求得流量。对于层流，平均流速是管中心最大流速的0.5倍()；紊流时的平均流速与值有关：max5.0uumax2)1212unnnu表8-1雷诺数与n的关系nnn2.5610.5420.5632.007.07.38.08.338.453.670.084.48.58.89.09.2110.0152.0198.0278.09.49.79.89.9410eDR410eDR410eDR7.流体流动的连续性方程和伯努利方程(1)连续性方程任取一管段，设截面Ⅰ、截面Ⅱ处的面积、流体密度和截面上流体的平均流速分别为A1、、和A2、、。1A11u2A22u=11u22u连续性方程示意图(2)伯努利方程当理想流体在重力作用下在管内定常流动时，对于管道中任意两个截面Ⅰ和Ⅱ有如下关系式（伯努利方程）：2222222111upgZupgZ伯努利方程示意图:重力加速度；:截面Ⅰ和Ⅱ相对基准线的高度；：:截面Ⅰ和Ⅱ上流体的静压力；:截面Ⅰ和Ⅱ上流体的平均流速。21,ZZ21,pp21,uug实际流体具有粘性，在流动过程中要克服流体与管壁以及流体内部的相互摩擦阻力而作功，这将使流体的一部分机械能转化为热能而耗散。因此，实际流体的伯努利方程可写为：wghupgZupgZ2222222111wgh—截面Ⅰ和Ⅱ之间单位质量实际流体流动产生的能量损失。8.1.3流量测量方法与流量仪表的分类1.流量测量方法流量测量方法大致可以归纳为以下几类：(1)利用伯努利方程原理，通过测量流体差压信号来反映流量的差压式流量测量法；(2)通过直接测量流体流速来得出流量的速度式流量测量法；(3)利用标准小容积来连续测量流量的容积式测量；(4)以测量流体质量流量为目的的质量流量测量法。2.流量仪表的分类类别工作原理仪表名称可测流体种类适用管径mm测量精度％安装要求、特点体积流量计差流压量式计流体流过通管道中的阻力件时产生的压力差与流量之间有确定关系，通过测量差压值求得流量节流式孔板液、气、蒸汽50～1000±1～2需直管段，压损大喷嘴50～500需直管段，压损中等文丘里管100～1200需直管段，压损小均速管液、气、蒸汽25～9000±1需直管段，压损小转子流量计液、气4～150±2垂直安装靶式流量计液、气、蒸汽15～200±1～4需直管段，弯管流量计液、气±0.5～5需直管段，无压损容流积量式计直接对仪表排出的定量流体计数确定流量椭园齿轮流量计液10～400±0.2～0.5无直管段要求，需装过滤器，压损中等腰轮流量计液、气刮板流量计液±0.2无直管段要求，压损小速流度量式计通过测量管道截面上流体平均流速来测量流量涡轮流量计液、气4～600±0.1～0.5需直管段，装过滤器涡街流量计液、气150～1000±0.5～1需直管段电磁流量计导电液体6～2000±0.5～1.5直管段要求不高，无压损超声波流量计液＞10±1需直管段，无压损直接式直接检测与质量流量成比例的量来质量流量热式质量流量计气±1冲量式质量流量计固体粉料±0.2～2科氏质量流量计液、气±0.15间接式同时测体积流量和流体密度来计算质量流量体积流量经密度补偿液、气±0.5温度、压力补偿体积流量计质量流量计3.流量仪表的主要技术参数(1)流量范围流量范围指流量计可测的最大流量与最小流量的范围。(2)量程和量程比流量范围内最大流量与最小流量值之差称为流量计的量程。最大流量与最小流量的比值称为量程比，亦称流量计的范围度。(3)允许误差和精度等级流量仪表在规定的正常工作条件下允许的最大误差，称为该流量仪表的允许误差，一般用最大相对误差和引用误差来表示。流量仪表的精度等级是根据允许误差的大小来划分的，其精度等级有：0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5等。(4)压力损失压力损失的大小是流量仪表选型的一个重要技术指标。压力损失小，流体能消耗小，输运流体的动力要求小，测量成本低。反之则能耗大，经济效益相应降低。故希望流量计的压力损失愈小愈好。8.2流量测量仪表8.2.1差压式流量计8.2.2容积式流量计8.2.4质量流量计8.2.3速度式流量计8.2.1差压式流量计差压式流量计基于流体在通过设置于流通管道上的流动阻力件时产生的压力差与流体流量之间的确定关系，通过测量差压值求得流体流量。1.节流式流量计1-节流元件2-引压管路3-三阀组4-差压计节流式流量计组成与实物图流体流经节流件时压力和流速变化情况2222222111upup11u24D=22u24d(1)测量原理及流量方程21pp、—截面1和2上流体的静压力；—截面1和2上流束直径；21uu、—截面1和2上流体的平均流速；1、2—截面1和2上流体的密度D、d体积流量：21242224/11ppdDdAuqv质量流量：21242224/11ppdDdAuqm以实际采用的某种取压方式所得到的压差p来代替21pp的值；同时引入流出系数C对上式进行修正：pdpdCqv24241224pdpdCqm24241224对于可压缩流体，考虑到节流过程中流体密度的变化而引入流束膨胀系数进行修正采用节流件前的流体密度，由此流量公式可更一般的表示为：pdqv242pdqm242a.流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是均匀的、单相的，或者可认为是单相的流体。b.流体必须充满管道和节流装置且连续流动，流经节流件前流动应达到充分紊流，流束平行于管道轴线且无旋转，流经节流件时不发生相变。c.流动是稳定的或随时间缓变的。（2）节流装置①标准节流装置的适用条件②标准节流元件的结构形式a.标准孔板标准孔板是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。结构简单，加工方便，价格便宜压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质，测量大管径高温高压介质时，孔板易变形。标准孔板b.标准喷嘴标准喷嘴是一种以管道轴线为中心线的旋转对称体，主要由入口圆弧收缩部分与出口圆筒形喉部组成，有ISAl932喷嘴和长径喷嘴两种型式。ISA1932喷嘴长径喷嘴c.文丘里管文丘里管有两种标准型式：经典文丘里管与文丘里喷嘴。文丘里管压力损失最低，有较高的测量精度，对流体中的悬浮物不敏感，可用于污脏流体介质的流量测量，在大管径流量测量方面应用的较多。但尺寸大、笨重，加工困难，成本高，一般用在有特殊要求的场合。③节流装置的取压方式根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压五种:节流装置的取压方式目前广泛采用的是角接取压法，其次是法兰取压法。角接取压法比较简便，容易实现环室取压，测量精度较高。法兰取压法结构较简单，容易装配，计算也方便，但精度较角接取压法低些。④测量管道条件测量管道截面应为圆形，节流件及取压装置安装在两圆形直管之间。节流件附近管道的圆度应符合标