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流量标准装置流量测量技术和仪表的应用领域工业生产过程能源计量一次能源（煤炭、原油、瓦斯气、石油气、天然气）二次能源（电力、焦炭、煤气、成品油、液化石油气、蒸汽）及含能工质（压缩空气、氧、氮、氢、水）等生物技术交通运输环保工程空气污染(烟废气排放)、水污染管道输送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V--体积；M--质量；t--时间；A--截面面积；ρ--流体密度流量的概念和单位•流体的流量是指在短暂时间内流过某一流通截面的流体数量与通过时间之比，该时间足够短以致可认为在此期间的流动是稳定的。此流量又称瞬时流量。•流体数量以体积表示称为体积流量，流体数量以质量表示称为质量流量。单位：m3/s单位：Kg/s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：累计流量•在某段时间内流体通过的体积或质量总量称为累积流量或流过总量，它是体积流量或质量流量在该段时间中的积分，表示为：单位：m3单位：Kg8.1.2流体的物理性质与管流基础知识1.流体的密度2.流体粘度3.流体的压缩系数和膨胀系数4.雷诺数雷诺数是流体流动的惯性力与粘滞力之比雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re＜2000为层流状态，Re＞4000为紊流状态，Re＝2000～4000为过渡状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律．流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速υ与最大流速υmax的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。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：—距管中心距离处的流速；—管中心处最大流速；—距管中心径向距离；—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：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：表8-1雷诺数与n的关系2.5610.5420.5632.007.07.38.08.338.453.670.084.48.58.89.09.2110.0152.0198.0278.09.49.79.89.97.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、、。=(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）：: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。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：—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。流量计的分类•体积流量计差压式流量计•利用伯努利方程原理，通过测量流体差压信号容积式流量计•利用标准小容积来连续测量流量速度式流量计•直接测量流体流速来得出流量•质量流量计推导式质量流量计直接式质量流量计类别工作原理测量精度％体积流量计差压流量式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±1～2±1±2±1～4±0.5～5容流积量式计直接对仪表排出的定量流体计数确定流量±0.2～0.5±0.2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±0.1～0.5±0.5～1±0.5～1.5±1直接式直接检测与质量流量成比例的量来质量流量±1±0.2～2±0.15间接式同时测体积流量和流体密度来计算质量流量±0.5体积流量计质量流量计3.流量仪表的主要技术参数特性1：流量范围及量程比流量计的流量范围指可测最大流量和最小流量所限定的范围。在这个范围内，仪表在正常使用条件下示值误差不超过最大允许误差。最大流量与最小流量的比值称为量程比，一般表达为某数与1之比，流量计量程比的大小受仪表的原理与结构所限制。特性2：测量精确度和误差流量计的精确度用误差表示。流量计在出厂时均要进行标定，仪表所标出的精确度为基本误差。在现场使用中由于偏离标定条件会带来附加误差.流量计的实际测量精确度为基本误差与附加误差的合成，这种合成的估算很复杂，可以参照有关规定计算。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。特性3：压力损失安装在流通管道中的流量计实际上是一个阻力件，流体在通过流量计时将产生压力损失，这会带来一定的能源消耗。各种流量计的压力损失大小是仪表选型的一个重要指标。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差压式流量计测量对象：流体方面，单相、混相、洁净、脏污；工作状态：常压、高压、真空、常温、高温、低温；管径方面：从几毫米到几米；流动条件：亚音速流、临界流、脉动流历史悠久、技术成熟、应用最广泛。节流式特点：结构简单、使用寿命长，适应能力强，几乎能测量各种工况下的流量。•差压式流量计基于在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将产生压力差，此压力差与流体流量之间有确定的数值关系，通过测量差压值可以求得流体流量。•最常用的差压式流量计是由产生差压的装置和差压计组合而成。•产生差压的装置有多种型式，包括节流装置：如孔板、喷嘴、文丘利管等，以及动压管、均速管、弯管等。其他型式的差压式流量计还有靶式流量计、浮子流量计等。孔板引压管差压计1.节流式流量计优点：结构简单，无可动部件；可靠性较高；复现性能好；适应性较广，它适用于各种工况下的单相流体，适用的管道直径范围宽，可以配用通用差压计；装置已标准化。缺点：安装要求严格；流量计前后要求较长直管段；测量范围窄，一般范围度为3:1；压力损失较大；对于较小直径的管道测量比较困难；精确度不够高(±1%~±2%)。1-节流元件2-引压管路3-三阀组4-差压计流体流经节流件时压力和流速变化图=(1)测量原理及流量方程—截面1和2上流体的静压力；—截面1和2上流束直径；—截面1和2上流体的平均流速；、—截面1和2上流体的密度、体积流量：质量流量：以实际采用的某种取压方式所得到的压差来代替的值；同时引入流出系数C对上式进行修正：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：结论：流量与压力差的平方根成正比a.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准中的具体规定。当现场难以满足直管段的最小长度要求或有扰动源存在时，可考虑在节流件前安装流动整流器，以消除流动的不对称分布和旋转流等情况。安装位置和使用的整流器型式在标准中有具体规定。⑤非标准节流装置a.1/4圆喷嘴b.锥形入口孔板c.圆缺孔板⑶标准节流装置的计算①流量计算这类计算命题是在管道、节流装置、取压方式、被测流体参数已知的情况下，根据测得的差压值计算被测介质流量。属校核计算，常用在使用现场，所依据的基本公式是流量公式。②设计节流装置这类计算命题是要根据用户提出的已知条件以及限制要求来设计标准节流装置，属设计计算。⑷差压计差压计与节流装置配套组成节流式流量计。差压计经导压管与节流装置连接，接受被测流体流过节流装置时所产生的差压信号，并根据生产的要求，以不同信号形式把差压信号传递给显示仪表，从而实现对流量参数的显示、记录和自动控制。差压计的种类很多，凡可测量差压的仪表均可作为节流式流量计中的差压计使用。目前工业生产中大多数采用差压变送器。它们可将测得的差压信号转换为0.02-0.1MPa的气压信号和4-20mA的直流电流信号。2.皮托管和均速管流量计⑴皮托管皮托管是一根弯成直角的双层空心复合管，带有多个取压孔，能同时测量流体总压和静压。皮托管结构皮托管头部迎流方向开有一个小孔A，在距头部一定距离处开有若干垂直于流体流向的静压孔B，各孔所测静压在均压室均压后输出。皮托管的工作原理可分析如下：L型皮托管皮托管测量原理设流动为不可压缩无粘性流体的稳定流动，驻点处流体的伯努利方程为：由此可以得该点的流速为：考虑到实际测量情况与理论上的差别，引入皮托管系数(数值由实验确定)对上式进行修正：对于可压缩流体，考虑到压缩性的影响，实际流速计算公式为：(1-)为流体可压缩性修正系数，对不可压缩流体=0。皮托管主要应用于HVAC，洁净空间和空气处理领域。可以测量温度较高的气体和有颗粒的气体，还可测量较高风速。◆静压可达6bar◆温度最高可到650～800℃◆精度：0.5%（指排列顺序）◆测量风速和风量时能保证2%精度）⑵均速管流量计均速管测量流速的原理与皮托管相同，体积流量可由下式确定：3.转子流量计•转子流量计也是利用节流原理测量流体的流量，但它的差压值基本保持不变，是通过节流面积的变化反映流量的大小，故又称恒压降变截面流量计，也有称作浮子流量计。•转子流量计可以测量多种介质的流量，更适用于中小管径、中小流量和较低雷诺数的流量测量。⑴测量原理根据流体连续性方程和伯努利方程，转子流量计的体积流量可表示为：—流量系数；—转子与锥形管间的环形流通面积；—流体密度；—差压。⑵转子流量计结构①玻璃管转子流量计主要由玻璃锥形管、转子和支撑结构组成。流量示值刻在锥形管上。②金属管转子流量计金属管转子流量计的锥形管采用金属材料制成，其流量检测原理与玻璃管转子流量计相同。金属管转子流量计有就地指示