化工测量及仪表第5章

第5章流量测量化学工业出版社5.1流量的定义和流体流动状态5.1.1流量的定义5.1.2流动状态与流量测量5.1.3流体流动中的能量状态转换定义：单位时间内通过管道有效截面的流体的量值。5.1.1流量的定义uAqvvmqq按单位分类（1）体积流量：（2）质量流量：如果流体密度为ρ，根据体积流量可导出质量流量的表达式：式中A为管道的截面积。流速u是指管道的截面平均流速(在本章中，如无特殊说明，均指平均流速)。体积流量单位一般用m3／h表示。质量流量单位一般用kg/h表示。按时间分类5.1.1流量的定义（1）瞬时流量：强调测量值在一个较短时间内的变化情况，在测量单位中都包含有时间单位这样的流量定义称为瞬时流量。本章介绍的绝大多数流量计都是测量瞬时流量的。（2）累计流量：统计在一个较长时间范围内的通过管道截面流量的总和总量的单位为千克(kg)或吨(T)，在单位表示中不再引入时间单位。5.1.2流动状态与流量测量当流体充满水平管道并水平流动时，流动状态可分为层流、紊流。（1）层流层流是流体的一种流动状态。流体在管内流动，当流速很小时，流体分层流动，互不混合，流体质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动，亦有称为直线流动的。层流状态下，流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。这种流动状态各点的流速相差较大，在测量中，如果仅用某个局部的流速代表整个截面流速，会产生较大的测量误差。（2）紊流随着流速的增加，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，此时的水流在沿管轴方向向前运动的过程中，各层或各微小流束上的质点形成涡体彼此混掺，从每个质点的轨迹看，都是曲折错综的，没有确定的规律性，但是从整个管道截面来看，流体每个质点的运动速度接近一致。这种流动状态称为紊流，又称为乱流、扰流或湍流。5.1.2流动状态与流量测量v上v小v大v下v小v大（b）振荡摇摆的波形色线（c）色线破裂扩散（a）平稳而鲜明的细色线层流过渡流紊流流速和流动状态的试验效果5.1.3流体流动中的能量状态转换静压能和动压能静压是由于流体分子不规则运动与物体表面摩擦接触产生的，静压对任何方向均有作用。流动时上游侧流体作一定的功以克服静压力的作用，我们就把与这部分功相当的能量称为静压能。动压指流体流动时产生的压力，只要管道内流体流动就具有一定的动压，其作用方向为流体的流动方向。动压是截面上流体运动具备的能量，故也称动压能。5.1.3流体流动中的能量状态转换帕努利方程常数gugp22gpgu22帕努利方程说明了流体流过任一截面的总能量不变，同时也反映出流动过程中各种机械能相互转化的规律。这一规律被许多以流速测量来确定流量的测量方案采用。如果流体在流动过程中的密度不会随压力变化而发生改变，则称这种流体为理想流体。理想流体在水平管道任意截面上的静压能和动压能存在一种守恒关系，可表示为为单位重量流体具有的静压能为单位重量流体具有的动压能5.2节流式流量计5.2.1测量原理5.2.2标准节流装置5.2.3流量公式和参数的确定5.2.4节流装置流量测量不确定度的估算5.2.5标准节流装置的设计计算5.2.6节流装置的安装5.2节流式流量计节流件和取压系统(孔板、法兰、导压管）孔板流量计（孔板、取压系统、差压变送器）流体在流动过程中，在一定条件下，流体的动能和静压能可以互相转换，并可以利用这种转换关系来测量流体的流量。例如在管道中安装阻力件，在阻力件前后出现压力差（简称差压）。可以通过测量此差压的大小按一定的函数关系测出流量值。在流量仪表中，一般称此阻力件为节流件，并称节流件与取出差压的整个装置为节流装置。这种类型的流量计被称为节流式流量计。由于是通过差压信号来测量流量，这种类型的流量计也被称为差压式流量计。节流式流量计组成:•节流装置：节流元件、取压装置•信号管路：引压管、三阀组（作用）•差压计：差压变送器、差压计节流元件：同心圆孔板、偏心孔板、圆缺孔板、锥形入口孔板、1/4圆孔扳、文丘里管、喷嘴、文丘里喷嘴等5.2.1测量原理为流体在水平管道中经过节孔板的流动情况示意图，在距孔板前大约（0.5~2）D（管道内径）处，流束开始收缩，即靠近管壁处的流体开始向管道的中心处加速，管道中心处流体的动压力开始下降，靠近管壁处有涡流形成，静压力也略有增加。流束经过孔板后，由于惯性作用而继续收缩．大约在孔板后的（0.3~0.5）D处流束的截面积最小，流速最快、动压力最大、静压力最低。在这以后，流束开始扩展，流速逐渐恢复到原来的速度，静压力也逐渐恢复到最大。节流件前后的静压力差与流量有函数关系。流动状态变化和静压、流速变化示意图垂直管段中的节流现象观察理想不可压缩流体的流量方程5.2.1测量原理22222211upup21auAu)(2)(112142ppDdu假定管道的直径为D(A=πD2／4)，节流件的开孔直径为d(a=πd2／4)，由上述两个公式可求得流经节流件的流速为由于不可压缩流体的密度可以认为是不变的，根据帕努利方程可得式中p1、p2——A、B截面上流体的静压；ρ——流体密度；g—重力加速度；u1、u2—A、B截面流体的流速由于流动是稳定的，则从截面A流入的流体质量与从截面B流出的流体质量必然相等，所以有连续性方程式中A—截面A处的截面积；a—截面B处的截面积。5.2.1测量原理)(2)(112142ppDdupdpaq21421424v流过截面B的体积流量为qv=au2。令直径比β=d／D，差压Δp=p1－p2，体积流量的理论方程为pdpaq21421424m根据质量流量的定义，qm=au2ρ，可写出质量流量的理论方程为由于流体通过孔板小孔的流速理想不可压缩流体的流量方程理想可压缩流体的流量方程5.2.1测量原理pdq21442vpdq21442m质量流量考虑到可压缩流体的密度受压力变化影响，流量方程引入系数ε（可膨胀性系数）以表示流体可压缩性的影响，0≤ε≤1。体积流量5.2.2标准节流装置常用节流装置类型孔板喷嘴文丘里管5.2.2标准节流装置标准孔板的结构形式和技术要求孔板的形状孔板的端面孔板和节流孔的厚度开孔的边缘节流孔的规格5.2.2标准节流装置喷嘴的结构形式和技术要求①总体形状②入口平面③收缩部分④喉部⑤保护槽⑥其他ISA1932喷嘴长径喷嘴5.2.2标准节流装置经典文丘里管由入口圆筒段A、圆锥收缩段B、圆筒形喉部C及圆锥扩散段E组成。文丘里喷嘴由入口平面、收缩部、喉部和扩散段4个部分组成5.2.2标准节流装置取压方式(1)角接取压(2)法兰取压(3)D和D／2取压(4)理论取压(5)管接取压标准节流装置所采用的取压方式如下。①孔板可以采用角接取压，法兰取压，D和D／2取压；②ISA1932喷嘴和文丘里喷嘴上游采用角接取压，下游则各有不同；③长径喷嘴，文丘里管的取压方式另有规定。5.2.2标准节流装置标准节流装置的管道、安装和使用条件(1)对流体和流动状态的要求标准节流装置所测量的流体种类，可以是可压缩流体或者是不可压缩的液体。流体必须是牛顿流体，而且在物理学和热力学上是均匀的、单相的流体流体要充满管道。管道内的流量应该不随时间变化，或实际上只随时间有微小和缓慢的变化。标准节流装置不适于脉动流量的测量。流体通过节流装置时，不能发生相变。流体是气体时，节流件前后的压力比应该符合要求：p2／p1≥0.75。5.2.2标准节流装置标准节流装置的管道、安装和使用条件(2)管道条件应该在紧邻节流装置上游，管道内流体流动状态接近典型的充分发展的紊流流动状态且无旋涡的位置上安装节流装置。对节流装置前后的管段，应经目测是直的。节流件用的测量圆管的直径、粗糙度、节流装置前后直管段的长度需根据不同的节流装置和工作情况进行设计。5.2.3流量公式和参数的确定由能量守恒定律和质量守恒定律所推导出理论流量方程式，指明了通过节件的流体的流量值与节流件上下游的差压值存在一定的函数关系。但是由于实际情况与理论的差异，实际测量中的一些问题在公式推导中并没有考虑在内，如果按理论流量方程式计算出流量值，则将远大于实际的流量。因此，只有对理论流量方程式进行修正后才能应用于实际的流量计算。5.2.3流量公式和参数的确定流出系数C理论流量值实际流量值CpCEdpCdq24214242mpCEdpCdq24214242v411E式中称为渐进速度系数质量流量体积流量假设理论流量与实际流量之间的关系为将上式代入式理想流体流量公式，写成节流式流量计的实际流量公式为5.2.3流量公式和参数的确定C是无量纲的数，与节流件形状及尺寸、取压位置、管道及安装情况、流动状态等许多因素有关。在一定安装条件下，对于给定的节流装置，流出系数C只与雷诺数有关。如图为标准孔板的流出系数C与Red的关系曲线，从图中可以看出，当雷诺数Red大于某个数值(临界雷诺数)以后C值趋于稳定（即与Red无关），并且β值愈大C趋于定值的Red愈大。只有C为一常数时流量Q才能够与差压Δp之间呈现固定的函数关系，在实际测量中为保证测量的准确度，流量计的测量范围要选在大于临界雷诺数的区域内。流出系数CC系数与雷诺数的关系5.2.3流量公式和参数的确定流出系数C对于不同节流装置，只要节流装置几何相似，并且在相同的雷诺数条件下，则C是相同的，即C=f（Re，节流件类型，D，β）。C值是由实验确定，由各种实验流体(一般为水、空气、油、天然气等)在流量标准装置上先求得C的试验数据，积累大量试验数据(称为回归数据库)后，用数理统计的回归分析方法求得C的函数关系式。只要节流装置符合标准节流装置的要求，就可以直接引用标准所规定的C值，并可确定其误差范围。ISO目前发布的孔板流量计的流出系数公式为：里德一哈利斯/加拉赫(Reader-Harris／Gallagher)公式5.2.3流量公式和参数的确定标准节流装置的流束膨胀系数ε标准节流装置用于可压缩性流体时，其流束膨胀系数ε与节流件形式、取压方式、β值、p1/p2以及等熵指数k有关。对于喷嘴、文丘里管或具有廓型的节流件，它使气体膨胀沿轴向进行，可以用热力过程绝热膨胀方程计算，其计算式为5.012442)11)(11)(1(kkkkkk式中，ε为可膨胀性系数；k为等熵指数；τ为压力比，τ=p1/p2；p2为节流件下游侧压力，p1为节流件上游侧压力。一般气体的等熵指数k可由工程手册的相关图表直接查出。公式适用范围为：p1/p2≥0.75。5.2.3流量公式和参数的确定标准节流装置的流束膨胀系数εkpp11284)(1)93.0256.0351.0(1公式适用范围为：p1/p2≥0.75。对于孔板，由于流体膨胀既是轴向又是径向的，不能采用上述公式，它由经验公式计算。5.2.3流量公式和参数的确定标准节流装置的压力损失pCC2424p11p)1(9.1p流体流经节流件时，由于涡流、撞击及摩擦等原因而造成压力损失。压力损失的大小因节流件的形式而异，并随值的减少而增大，即随压差的增加而增加。标准孔板、ISA1932喷嘴和长径喷嘴的压力损失计算公式为对于孔板，其压力损失也可用下式近似地计算5.2.3流量公式和参数的确定其他的辅助参数)]20(1[d20tdd)]20(1[D20tDD式中d：工况下的节流件开孔直径；D：工况下的管道内径；d20：20℃时的节流件开孔直径；D20：20℃时的管道内径；λd：节流件材料的热膨胀系数；λD：管道材质的热膨胀系数；t：工作状态下的被测流体温度。工况下的直径比β流量公式中的β值计算时采用的管道和节流件开孔直径，都是指流体流动的工作环境下的数值。但在设计加工时，都是在常温状态下进行各种尺寸测量，因此要进