第三章第三节 流量检测及仪表

第三节流量检测及仪表一、概述在化工等工业生产过程中，为了更有效地进行生产操作、监视或控制，就需要对生产过程中各种流体介质（如液体、气体或蒸汽等）的流量进行测量，以便为生产操作和控制提供可靠的依据。另一方面，为了进行经济核算，也需要知道单位时间内流过的介质总量。因此，为了安全、高效地进行生产控制以及进行经济核算，介质的流量是一个必需的重要参数。流量包括瞬时流量和累计流量。瞬时流量一般简称流量，它指的是单位时间内流过管道某截面流体的数量。而累计流量指的是在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，一般简称为总量。流量和总量的表示方法又分为质量流量M和体积流量Q。以单位时间内流过的流体质量表示的称为质量流量。以体积表示的称为体积流量。体积流量与质量流量之间的关系为：QM或MQ（3-28）式中ρ——流体密度。常用流量单位：吨每小时（t／h）、千克每小时（kg／h）、千克每秒（kg/s）、立方米每小时（m3/h）、升每小时（l/h）、升每分（l/min）等。流量和总量之间的关系为：21ttQdtQ总21ttMdtM总（3-29）式中t1、t2——时间。常用总量单位：千克（kg）、吨（t）、立方米（m3）等。测量流量的仪表称为流量计或流量表；测量总量的仪表一般叫计量表。检测流量的方法多种多样，其测量原理和仪表的结构各不相同，分类方法也各异，这里我们仅简单介绍一种分类法。1、速度式流量仪表这种仪表是以流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的。如转子流量计、差压式流量计、电磁流量计、涡轮流量计、堰式流量计、靶式流量计等。2、容积式流量仪表这种仪表是以单位时间内所排出的流体的容积作为测量依据来计算流量的。如椭圆齿轮流量计、活塞式流量计、腰轮流量计、刮板流量计、圆柱齿轮流量计等。3、质量式流量仪表这种仪表是以测量流过的流体的质量M为依据的流量计，如惯性力式质量流量计、补偿式质量流量计等。其被测流量的数值不受流体的温度、压力、粘度等变化的影响。另外，还相继出现了一些其他类型的流量检测仪表。如超声波流量计、涡街流量计、弯管流量计、楔型流量计、螺杆流量计等。下两主要介绍转子流量计、差压式流量计、椭圆齿轮流量计和电磁流量计，并简单介绍几种其他类型的流量计。二、差压式流量计差压式流量计是基于流体流动的节流原理，所以也叫节流式流量计，它是利用流体流经节流装置时产生的静压差来实现流量测量的。由节流装置（包括节流元件和取压装置）、导压管和差压计或差压变送器及显示仪表所组成。（一）．节流元件测量流量的基本原理1、节流元件所谓节流元件就是设置在管道中能使流体产生局部收缩的组件。常用的节流元件有孔板、喷嘴和文丘利管等。如下图所示，虽然其结构形式有些不同，但流体介质流经它们时的节流现象和测量原理基本上是一样的。(a)(b)(c)常用节流元件示意图（a）孔板；（b）喷嘴；（c）文丘利管2、节流原理在管道内流动的流体是具有一定能量的。流动流体的能量形式分为两种，即动能和静压能。流体由于有压力才具有静压能，而又由于流体有流动速度才具有动能。这两种形式的能量在一定条件下是可以相互转化的。但根据能量守恒定律，其总能量不变。在水平管道上用节流元件来测量流量就是利用了流体的动压能和静压能相互转换的原理。图3－18（P53）是孔板前后流体的流速和压力分布示意图。管内流体沿管道轴向连续地流动，当受到节流件的阻挡时，靠近管壁处的流体所受的阻力作用最大，从而使一部分动能转化为静压能，节流元件入口端靠近管壁处的流体静压力pl升高，且大于管道中心处的压力，即在节流元件入口端产生一径向压差。这一径向压差使流体介质产生径向附加速度，从而使靠近管壁处的流体质点向管道中心方向移动，形成了流束的收缩。由于惯性力的作用，使流束最小截面的位置位于截流孔之后（即图3－18截面Ⅱ处），但不固定，随流量的大小而改变。由于节流元件造成了流束的局部收缩，同时流体又保持着连续的流动状态，因此在流束截面积最小处的流速最大。由静压能与动能相互转化的原理可知，在流束截面积最小处的静压力最低。所以节流装置入口前的流体压力相对较高，称为正压，常以“＋”标记；节流装置出口后的流体压力相对较底，称为负压，常以“－”标记。管道中流体的流量越大，在节流装置前后产生的压差也就越大，只要测出孔板前后两侧压差的大小，就可以间接获知流量的大小，这就是节流装置测量流量的基本原理。（二）．流量基本方程式流量基本方程式是流量与压差之间定量关系的基本公式，是由流体力学中的伯努利方程和连续性方程推导得出的，即：PFQ20（m3/s）（3-30）PFM20（kg/s）（3-31）式中α——流量系数，由实验确定；ε——膨胀校正系数，可查阅有关手册；对于不可压缩液体，可取ε=1；F0——节流装置的开孔截面积，m2；ρ——节流装置前的流体密度，kg/m3；ΔP——节流装置前后的压差，Pa。在实际工作中，流量的常用单位是kg／h和m3／h，节流装置的开孔直径d和管径D的单位用mm，则F0=πd2／4，ΔP以Pa为单位，ρ以kg／m3为单位，则上述基本流量方程式可换算为实用流量公式，即：PdQ2003999.0(m3/h)（3－32）图3—18孔板装置及压力、流速分布图PdM2003999.0(kg/h)（3－33）从上式可看出，当α、ε和d不变时，流量与差压的平方根成正比。(三)．标准节流装置标准节流装置由几种标准化了的节流元件和规定的取压方式以及相应长度的前后直管段三个部分所组成。目前孔板、喷嘴和文丘利管均已标准化。因孔板结构简单、制造方便，所以应用最为广泛。1、孔板的结构标准孔板是一块具有圆形开孔并与管道同心，其直角入口边缘非常锐利的薄板。用于不同管道内径的标准孔板，其结构形式基本上是几何相似的，如图3－19所示。2、取压方式在我国节流装置的取压方式有国标规定：标准孔板：用角接取压或法兰取压；标准喷嘴：用角接取压。（1）角接取压这种取压方式的上、下游取压管口位于孔板（喷嘴）前后两端面处。具体规定为：取压口距节流元件上、下游端面的距离分别等于取压孔径的一半或取压环隙宽度的一半。角接取压装置的结构型式有两种，如图3－20（P55）所示，（a）为环室取压结构，（b）为单独钻孔取压结构。采用角接取压的标准孔板的适用范围为：管径D为50～1000mm，直径比β（β=d／D）为0．02～0．8，雷诺数Re为5×103～1×107。（a）（b）图3－20单独钻孔和环室取压示意图（2）法兰取压结构如右图所示，规定法兰取压的上、下游取压孔的轴线与孔板上、下游端面的距离分别等于图3-19标准孔板25．4±0．8mm。采用法兰取压的标准孔板可用于管径D=50～750mm和直径比β=0．10～0．75的范围内，雷诺数Re为8×103～1×107。3、节流元件的选用选用节流元件，应主要根据被测流体的测量条件和要求。并结合各种标准节流元件的特点，依据对测量精度的要求、允许的压力损失和直管段长度、被测介质的物理化学性质（如腐蚀、脏污等）、结构的复杂程度和造价的高低、安装是否方便等方面综合考虑。一般包括如下几点。（1）加工制造和安装孔板最为简单，喷嘴次之，文丘利管最复杂。造价高低与此相应。在一般场合下，采用孔板的最多。（2）压力损失喷嘴和文丘利管较孔板的压力损失小。（3）介质的腐蚀、沾污和磨损性喷嘴比孔板耐腐蚀、沾污和磨损性要好。（4）测量精度在流量值与压差值都相同的条件下，喷嘴的测量精度较高，而且所需的直管长度也较短。（5）被测介质的温度、压力孔板和喷嘴适用于高温、高压，而文丘利管只适用于低压流体介质。4、节流装置的安装和使用在安装和使用节流装置时，应注意以下事项：（1）应使节流元件的开孔与管道的轴线同心，并使其端面与管道的轴线垂直。（2）在节流元件前后长度为两倍于管径的一段管道的内壁上，不应有明显的粗糙或不平现象。（3）节流元件的上下游必须配置一定长度的直管。（4）标准节流元件（孔板、喷嘴），一般只用于直径D＞50mm的管道中。（5）被测介质应充满全部管道并连续流动。（6）管道内的流束（流动状态）必须是稳定的。（7）被测介质在通过节流元件时，应不发生相变。节流元件将管道中流体的流量转换为相应的压差，并由导压管将压差信号引出，用相应的差压计来测量。用在流量测量上的差压计型式很多，如双波纹管差压计、膜盒式差压计、差压变送器等。三、转子流量计法兰取压装置示意图转子流量计特别适合于测量小管径中介质的流量，而且在流量较小时测量精度也比较高。（一）、基本结构转子流量计是由上大下小的锥形圆管和转子（也叫浮子）组成的。作为节流装置的转子悬浮在垂直安装的锥形圆管内，如图3－27所示。在实际运行时，为了保持转子的轴线垂直并在锥形圆管的中心线上，不致于碰到管壁，通常采取两种方法：一是在转子的上部圆盘形边缘上开出一条条斜沟，使得流体自下而上沿锥管流动时，使浮子不停地旋转，始终保持在锥管的中心线上而不碰到管壁，转子流量计因此而得名；另一种是带导向的非转动浮子，浮子上没有沟槽，但有一个中心孔，在锥管中心线上设有一导向芯棒，导向芯棒穿过浮子，使其沿中心线上下移动。锥形管可以做成透明的，直接读出转子的位置，也可用各种电测方法测量转子的位量，并实现远传。（二）、工作原理当流体沿锥形圆管自下而上地流过转子时，在流体动力的作用下，使转子浮起，转子的外缘与锥形管之间形成一个环形通道。流体流经环形通道时，由于流通面积突然减小，流体受到节流作用，使得转子前后流体的静压力产生差异，出现压力差ΔP=P1-P2，在ΔP的作用下，转子受到向上的推动力f1，使其上浮。随着转子在锥形管中上移，环形通道的截面积增大，环隙的平均流速减小，同一流量所产生的压力差将变小（即f1变小）。转子还同时受到一个向下的力（即自身的重力与介质浮力之差）f2的作用。当f1=f2时，转子就稳定在某一位置上。流量与转子的平衡位置相对应。在转子流量计中，转子的平衡条件应为：流体流动对转子所产生的向上的作用力与转子在流体中的重力相等。而流体流动对转子产生的作用力实际上就是流体在转子前后的压力差与转子最大横截面积的乘积，即：V（ρt－ρf）g=（P1－P2）A（3－34）式中V——转子的体积；ρt——转子材料的密度；ρf——被测流体的密度；P1、P2——分别为转子前后流体作用在转子上的作用力；图3-27转子流量计1、5-流体；2-管道；3-锥形玻璃管；4-转子A——转子的最大横截面积；g——重力加速度。其中V、ρt、ρf、A、g在测量过程中均为常数，所以由上式可知，（P1-P2）理应为常数。也就是说，在转子流量计中，流体的压降是个定值。即AgVPPPft)(21（3－35）在ΔP一定的情况下，流过转子流量计的介质流量与转子和锥形管之间的环隙面积F1有关。说明转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的方法测量流量的。由于锥形管是上大下小，所以F1与转子浮起的高度成正比。因此，可以根据转子浮起的高度来计算被测介质流量的大小，体积流量和质量流量可分别表示为：PhQf2和PhMf2式中φ——仪表常数；h——转子浮起的高度。其他符号的意义同式（3-35）。将式（3－35）代入上两式，分别为：AgVhQfft)(2（3-36）AgVhMfft)(2（3-37）（三）、指示值修正从流量方程式可以看出，由于式中包含有流体的密度ρ，所以事先必须知道流体的密度，而且仪表的刻度特性也与被测流体的工况有着密切的联系。因此仪表直接以流量刻度时，必须标明被测介质的名称、密度、粘度、温度和压力。转子流量计出厂时是在标准状态（20oC，760mmHg）下，用水（对液体）或空气（对气体）介质标定刻度的。当被测介质或工况改变而粘度相差不大时，仪表刻度的修正或换算方法如下：1、液体流量的修正标定时所用介质的密度为ρ1，实际测量时介质的密度为ρ2，体积流量读数为Q1，实际的体积流量为Q2。如果忽略粘度变化的影响，则有如下关系121122)()(QQtt（3-38）2、气体流量