第四章 流量测量

第四章流量测量第一节概述一、流体的流量流量的定义：流体流量是指单位时间内流过管道或明渠某一截面流体的量，也称为瞬时流量。在某一段时间间隔内流过某一截面的流体的量称为流过的总量，也称作积分流量或累积流量。总量除以得到总量的时间就称为该段时间内的平均流量。流体流量的表示：一般可分为质量流量qm和体积流量qV。两者之间满足以下关系：在国际单位制中，qm的单位为kg/s，qV的单位为m3／s。二、流量测量方法1．容积法；2．速度法；3．质量法三、流量测量系统流量测量系统一般由传感器、信号传输、信号转换装置和流量显示及计算装置四部分组成。Vmqq传感器感受流量Q的变化，Q可以是质量流量qm或体积流量qV，其输出为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变成相应的电信号，然后由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。四、流量计的校验与标定流量计的标定是一件比较困难的工作，因为流量是质量或体积对时间的导数，难以由定义直接做出流量单位的标准器。一般是在流量不变的前提下，使流体连续流入标准容器V中，精确测量流体流动的起止时间和流入容器的流体总量，用平均流量代替瞬时流量作为标准。因此，在累积时间内，必须保证流体流动高度稳定，并且计时和计量都要足够准确。第二节涡轮流量计一、涡轮流量计的组成及测量原理涡轮流量计由两部分组成：变送器和指示积算器。变送器完成将被测流量转换成一定频率的脉冲信号输出，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。涡轮流量计实质上为一零功率输出的涡轮机，其变送器主要由涡轮、导流器、磁电转换器组成，结构如图4-2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（1）流量一转速的转换原理当涡轮处于匀速转动的平衡状态时，假设不计叶轮转动的摩擦阻力、流体粘性阻力及感应线圈中感应电流所引起的电磁反作用力矩的影响。设涡轮叶片与轴线的夹角为θ，叶轮的平均半径为r0，流体的流通面积为A0，流体流经叶轮相应半径r0处的轴向流速为v0切向流速为vg，故有式中C——与叶轮参数、轴向流速分布有关的系数；——平均流速。nrvg020002vnrvvtgg000AvACvqVvntgArCqV002（2）叶轮转速的测量在涡轮流量计中，叶轮的转速是通过磁电转换的原理来测量的，输出信号为代表转速的脉冲频率信号。磁电装置中的永久磁钢上绕有线圈，当叶片转动经过永久磁钢的顶部时，因叶片为导磁材料而改变原磁路的磁阻，从而使磁通发生变化，故在线圈上感应出电势信号。显然电势信号是脉动式的，其频率为f=zn式中z——涡轮上的叶片数。式中——仪表常数。在一定时间间隔内对流量进行积分时，得累积的总流量为：式中N——在t1到t2时间间隔内流过QV流体时输出的脉冲数。ffztgArCqV11200002ArCztgqfVNfdtdtqQttttVV112121仪表常数ζ的意义为单位体积流量输出的脉冲数。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。这是因为上述条件都将能影响到式中的参数C。在前述qV～n关系推导的前提条件中，流体的粘滞阻力将会影响流通截面A0上的流速分布，这种影响也表现为C的变化。从理论上研究各种因素对C的影响较为复杂，对于涡轮流量计，反映C值变化的是仪表常数ζ，它是根据实际情况标定的，而且在使用的范围内按实际标定出的ζ值是常值。下图是仪表常数ζ随Re变化的特性曲线。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。（二）磁电转换器磁电转换器是把涡轮的转速转换成电气频率信号的装置，它由磁电感应装置和前置放大器组成。转速一频率转换是一种磁阻式磁电感应转换方式。感应装置安装在管道外部壳体上，它是由永久磁钢和感应线圈组成，正对下部的转动涡轮。涡轮转动时，当叶片转到永久磁钢的正下方时，磁路的磁阻最小；当叶片转过时，磁阻变大。由于磁阻的变化，所以磁路中的磁通发生变化，因此在线圈中感应出电势。其电势是脉动电势，频率f=zn。感应出的电势信号比较微弱，经置于转换器之中的前置放大器放大后输出。二、流量指示积算器流量指示积算器是涡轮流量计的显示器。它完成瞬时流量的显示和总量显示。它的电路主要有两部分：瞬时流量显示电路和总量显示电路。涡轮流量计的这种显示器，实际上是一个脉冲频率测量和计数的仪表，它将涡轮变送器输出的单位时间内的脉冲数和一段时间内的脉冲总数按瞬时流量和累积流量显示出来。这类显示仪表的类型很多，在仪表设计中可根据实际需要灵活选用。下图是一种显示仪表的工作原理方框图。仪表由整形电路、频率—电压变换电路、仪表常数除法运算电路、电磁计数器和自动回零电路、机内振荡器和电源等部分组成。显示仪表工作原理方框图第三节转子流量计转子流量计是工业生产过程中应用较为广泛的一类流量计。它又称浮子流量计、恒压降变截面流量计。按锥形管材料的不同可分为玻璃管转子流量计和金属管转子流量计。玻璃管转子流量计耐压能力低，一般为就地直读式。金属管转子流量计耐压能力高，一般有就地指示型和信号远传型。转子流量计适用于多种介质的流体（气体、液体），在火电厂中，常用于化学水处理过程的水流量测量和锅炉点火过程控制中的轻油油量测量。它特别适用于小管径，低雷诺数的中小流量测量。一、玻璃管转子流量计（一）结构组成玻璃管转子流量计主要由锥形管、转子两部分组成。玻璃管转子流量计1—罩壳；2—玻璃锥管；3—浮子4—密封填料；5—连接法兰（二）工作原理及流量公式浮子处于锥形管中，相当于通流面积A0可变的节流件。流体流经节流件所产生的差压与体积流量的关系如下：式中α——与浮子形状、尺寸等有关的流量系数。ρ——流体密度。当浮子处于力平衡情况下，差压对浮子产生向上的作用力加上流体对浮子的浮力，等于浮子的重力，即由此可知式中Af——浮子的有效面积。Vf——浮子体积。ρf，ρ——分别为浮子材料和流体的密度；g——当地的重力加速度。pAqV20gVgVpAffffgAVpfff)(体积流量qV与通流面积A0之间的关系：考虑到锥度很小的锥形管中通流面积A0与浮子在管中的高度H近似成正比，即A0≈CH式中C——与圆锥管锥度有关的比例系数。因此可得体积流量与浮子高度的关系式：由上式可知，如果增大锥管长度H，增大锥度，可扩大仪表的量程，提高流量测量范围。流量公式中的流量系数α与浮子的形状以及流体的雷诺数等有关，对于一定的浮子形状，当雷诺数大于某一数值时，流量系数趋于一常数。因此，对于一定材料、形状的浮子和一定密度的流体，雷诺数在低限雷诺数以上，就能得到体积流量和浮子位置之间的线性刻度关系。如图4-9所示三种浮子的转子流量计流量系数α与雷诺数的关系。fffVAgVAq20fffVAgVCHq21为旋转式浮子，它的低限雷诺数约为6000，较其它两种下限值要高，多用于直接指示的转子流量计；2为圆盘式浮子，它的低限雷诺数约为300，3为板式浮子，低限雷诺数约为40，它们在较低的雷诺数下，流量系数α就趋于常数，流量的测量范围比较宽。玻璃转子流量计的示值显示有两种：一种在锥管上由转子的高度直接读出流量值，另一种是采用百分刻度（分为等分和非等分刻度）。二、金属管转子流量计金属管转子流量计的锥形管是用金属材料制成的，对于流量的检测原理与玻璃管转子流量计是相同的。很显然，测量时不能直接从锥形管内直接测出浮子的位置，因此都是把浮子的位移再进行传递变换。传递变换后的位移信号可以直接用于就地指示，也可以将该位移进一步进行电气信号的转换。金属管转子流量计有就地指示型和电气信号远传型，由于浮子的位移必须经过传递机构进行转换，所以浮子的位移与流量一般是非线性关系，这主要是位移传递机构所致。第三节涡街流量计涡街流量计，又称旋涡流量计，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。一、测量原理这种流量计的工作原理是利用了流体力学中的卡门涡街现象，即在流体中放置一个外形为对称形状的非流线型柱体，在一定的雷诺数范围内，它的下游两侧就会交替产生两列不对称的的漩涡，两侧漩涡的旋转方向相反，并轮流从柱体上分离出来，在下游侧形成所谓的“涡街”，如图所示。“涡街”的发生情况（a）圆柱体；（b）等边三角形柱体实验表明，当h／L=0.281时，产生的涡街是稳定的，这就是“卡门涡街”。且单侧的漩涡脱落的频率f与柱体附近的流体流速v成正比，与柱体的特征尺寸l成反比，即式中St——斯特罗哈尔数，无因次数；l—一柱体的特征尺寸。St是以柱体特征尺寸l计算流体雷诺数Rel的函数。经实验验证，Rel在500~150000的范围内，St基本不变。对于圆柱体，St=0.2；对于等边三角柱体，St=0.16。因此当柱体的形状、尺寸决定后，就可以通过测定单侧旋涡释放频率f来测量流速和流量。对于工业圆管，旋涡流量计一般应用在Rel=1000~100000范围内。设管内插入柱体和未插入柱体的管道通流截面比为m，当l/D0.3时，可以证明根据流动的连续性原理，管道的通流截面比与柱体处的流体流速v及无柱体处的管内平均流速有如下关系：lvStfDlm25.11vvDdm2244圆管中旋涡的发生频率f与管内平均流速的关系为:所以，体积流量与频率f之间的关系为：二、旋涡发生频率f的检测方法只要测得旋涡的发生频率f，就可以测得流体的体积流量。旋涡频率信号f的检出方法很多，可以利用漩涡发生时发热体散热条件变化的热检出；也可以用漩涡发生体两侧产生的差压来检出，差压信号可通过压电变送或应变片变送，等等。三、涡街流量计的特点及安装涡街流量计具有以下的特点：（1）漩涡的频率只与流速有关，在一定雷诺数范围内，几乎不受流体性质（压力、温度、粘度和密度等）变化的影响，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。lvDlStf25.11StflDlDvDqV25.114422第五节节流式流量计1概述节流式流量计是工业上最为广泛使用的一类流量测量仪表。工作原理：在管道中放置一节流元件，流体流经节流元件时发生节流，在节流元件的前后两侧产生压力差（差压）。当流体、工况、管道、节流件、差压取出方式一定时，管道流量与差压有确定的关系。因此可通过测量差压来测量流量。节流式流量计也称为变压降式流量计。分类：节流式流量计有标准化和非标准化两类。无论哪一类，它们都是非通用仪表，即安装在生产过程中使用着的节流式流量计仅适用于该地的情况和工况。因此节流式流量计是根据要求具体设计、安装、使用的。标准节流装置在火电生产过程中是很重要的一类流量仪表。非标准节流装置多用于脏污介质、高粘度、低雷诺数、非圆管道截面、超大及过小管径等流量测量。它们的测量原理与计算方法与标准节流装置相同，所不同的是非标准节流装置没有统一标准化的数据、资料、没有统一的误差计算方法等。标准节流装置的设计计算：要严格遵循标准节流装置设计、安装和使用的国家“标准”或国际“标准”。按“标准”进行设计、安装、使用的标准节流装置，其流量与差压的关系按理论公式标定，并有统一的基本误差、计算方法，一般不需要进行实验标定或比对。组成：节流式流量计流量的测量系统由节流装置、差压计或差压变送器、二次显示仪表（动圈表、自动电位差计）等组成。在“标准”中对标准节流装置结构、适用的条件、安装及检验方法都做了严格的规定。我国在1981年出版了“