[信息与通信]第4章流量测量及仪表

第四章第四章 流量测量及仪表流量测量及仪表4.1 流量测量概述 n4.1.1流量的概念及单位流量的概念及单位n（1）流量测量的意义：安全性、经济性）流量测量的意义：安全性、经济性n（2）流量的概念）流量的概念n瞬时流量瞬时流量n累积流量累积流量n平均流量平均流量n质量流量质量流量n体积流量体积流量u流量流量是流体在单位时间内通过管道或设备是流体在单位时间内通过管道或设备某横截面处的数量。某横截面处的数量。质量流量质量流量：是单位时间内通过的流体质量，：是单位时间内通过的流体质量，用用qm表示，单位为表示，单位为kg/s。体积流量体积流量：是单位时间内通过的流体体积，：是单位时间内通过的流体体积，用用qV表示，单位为表示，单位为m3/s。质量流量是表示流量的最好方法。质量流量是表示流量的最好方法。它们之间可以互相换算。它们之间可以互相换算。u质量流量和体积流量有下列关系：质量流量和体积流量有下列关系：uqm=qvu流量有瞬时流量和累积流量之分。流量有瞬时流量和累积流量之分。u所谓所谓瞬时流量瞬时流量，是指在单位时间内流过管道或，是指在单位时间内流过管道或明渠某一截面的流体的量。明渠某一截面的流体的量。u所谓所谓累积流量累积流量，是指在某一时间间隔内流体通，是指在某一时间间隔内流体通过的总量。该总量可以用在该段时间间隔内的过的总量。该总量可以用在该段时间间隔内的瞬时流量对时间的积分而得到，所以也叫积分瞬时流量对时间的积分而得到，所以也叫积分流量。流量。u累积流量除以流体流过的时间间隔，即为累积流量除以流体流过的时间间隔，即为平均平均流量流量。4.1.2 流量测量的方法流量测量的方法 u（1）流量计发展历史u（2）流量测量方法）流量测量方法速度式流量计速度式流量计直接测出管道内流体的流速直接测出管道内流体的流速v，以此作为流量测量的依据。，以此作为流量测量的依据。2.容积式流量计容积式流量计通过测量单位时间内经过流通过测量单位时间内经过流量仪表排出的流体的固定容积量仪表排出的流体的固定容积V的数目来实现。的数目来实现。3.质量式流量计质量式流量计通过直接或间接的方法测量通过直接或间接的方法测量单位时间内流过管道截面的流体质量单位时间内流过管道截面的流体质量m。4.2 毕托管流量计毕托管流量计 n（1）原理pv2（2）结构和使用4.3 4.3 节流式流量计节流式流量计u差压式流量测量方法，是根据伯努利方差压式流量测量方法，是根据伯努利方程提供的基本原理，通过测量流体差压程提供的基本原理，通过测量流体差压信号来反映流体流量的测量方法。信号来反映流体流量的测量方法。u差压式流量计差压式流量计差压式流量计差压式流量计u差压式流量计由一次装置和二次装置组成一差压式流量计由一次装置和二次装置组成一次装置称流量测量元件，它安装在被测流体的次装置称流量测量元件，它安装在被测流体的管道中，产生与流量管道中，产生与流量(流速流速)成比例的压力差，成比例的压力差，供二次装置进行流量显示。二次装置称显示仪供二次装置进行流量显示。二次装置称显示仪表。它接收测量元件产生的差压信号，并将其表。它接收测量元件产生的差压信号，并将其转换为相应的流量进行显示。转换为相应的流量进行显示。u标准孔板、喷嘴、文丘利喷嘴、文丘利管标准孔板、喷嘴、文丘利喷嘴、文丘利管4.3.1 节流变压降流量计测量原理（1）流动情况损失（2）流量公式适用于可压缩流体及不可压缩流体2124mqdppdCqm124241例4-1 n已知某节流装置最大流量已知某节流装置最大流量100t/h时，产时，产生的差压为生的差压为40kPa。试求差压计在。试求差压计在10、20、30 kPa时，分别流经节流装置的流时，分别流经节流装置的流量为多少量为多少t/h？。？。解：因为流量与节流装前后的差压成正比，即有节流公式qX=k（pX）1/2设qm=100t/h，pm=40kPa。则由节流公式得pX=10 kPa时，q10=100*（10/40）1/2=50.0(t/h)pX=20 kPa时，q20=100*（20/40）1/2=70.7(t/h)pX=30 kPa时，q30=100*（30/40）1/2=86.6(t/h)答：略。4.3.2 标准节流装置标准节流装置ISO 5167:2003（E）n标准节流装置只适用于测量直径大于50mm的圆形截面管道中的单相、均质流体的流量。要求流体充满管道，在节流件前后一定距离内不发生流体相变或析出杂质现象；流速小于音速；流动属于非脉动流；流体在流过节流件前，其流束与管道轴线平行，不得有旋转流。（1）标准节流件）标准节流件孔板标准孔板可采用角接取压、法兰取压（1）标准节流件）标准节流件标准喷嘴采用角接取压长径喷嘴长径喷嘴 经典文丘里管经典文丘里管（2）取压装置环形间隙环室引压孔4.3.3 差压式流量计的安装差压式流量计的安装 n(1)节流件上下游侧直管段长度的要求（2）节流件的安装要求）节流件的安装要求 n安装节流件时必须注意它的方向性，不能装反。安装节流件时必须注意它的方向性，不能装反。n节流件安装在管道中时，要保证其前端面与管道轴线节流件安装在管道中时，要保证其前端面与管道轴线垂直，偏差不超过垂直，偏差不超过1；还要保证其孔中心轴与管道同；还要保证其孔中心轴与管道同轴，不同心度不应超过轴，不同心度不应超过0.015D(1/-1)。经典文丘里。经典文丘里管，在上游测量管与入口圆筒段管，在上游测量管与入口圆筒段A的连接平面上，上的连接平面上，上游测量管轴线与经典文丘里管轴线之间的偏移距离游测量管轴线与经典文丘里管轴线之间的偏移距离ex应小于应小于0.005D。另外，。另外，ex+1/2D应小于应小于0.0075D，D为上游测量管与经典文丘里管入口圆筒段为上游测量管与经典文丘里管入口圆筒段A的直径的直径偏差。上游测量管轴线与文丘里管轴线的夹角应小于偏差。上游测量管轴线与文丘里管轴线的夹角应小于1。(3)差压计信号管路的安装(1)测量液体流量的信号管路测量液体流量的信号管路气体收集器气体收集器(2)测量蒸汽流量时的信号管路测量蒸汽流量时的信号管路 凝结容器凝结容器(3)测量气体流量时的信号管路测量气体流量时的信号管路 集水器集水器 n差压计一般都装有五只阀门，其中两只差压计一般都装有五只阀门，其中两只作隔离阀，一只作平衡阀，打开平衡阀作隔离阀，一只作平衡阀，打开平衡阀可检查差压计的零点，另两只是用于冲可检查差压计的零点，另两只是用于冲洗信号管路和现场校验差压计洗信号管路和现场校验差压计 4.3.4 一体化节流式流量计n为了提高流量计的测量精度，一般的流为了提高流量计的测量精度，一般的流量显示设备都采用了对流出系数、可压量显示设备都采用了对流出系数、可压缩性系数和密度的修正。流出系数和可缩性系数和密度的修正。流出系数和可压缩性系数采取实时计算，密度进行查压缩性系数采取实时计算，密度进行查表修正，表修正，4.4超声波流量计超声波流量计n4.4.1 超声波流量计与差压式流量计比超声波流量计与差压式流量计比较较超声波检测技术在流量测量中超声波检测技术在流量测量中的应用的应用n优点：优点：n大管径流量测量仪表大管径流量测量仪表 n一台仪表可适应多种管径测量和多种流一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量量范围测量 n测量准确度几乎不受被测流体温度、压测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响力、粘度、密度等参数的影响 4.4.2 超声波流量计的原理 n超声波及其在检测中的工作原理超声波及其在检测中的工作原理 n超声波是指振动频率大于超声波是指振动频率大于20kHz以上的以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（了人耳听觉的上限（20000Hz），人们），人们将这种听不见的声波叫做超声波。将这种听不见的声波叫做超声波。超声波流量计的测量原理n超声波在流动介质中传播时，其传播速超声波在流动介质中传播时，其传播速度与在静止介质中传播速度不同，其变度与在静止介质中传播速度不同，其变化量与介质流速有关。测得这一变化量化量与介质流速有关。测得这一变化量就能求得介质的流速，进而求出流量。就能求得介质的流速，进而求出流量。n顺流：顺流：c+un逆流：逆流：c-u 144.4.3 超声波流量测量方法超声波流量测量方法 n传播速度差法传播速度差法 4.5 4.5 其他流量计其他流量计4.5.1涡轮流量计涡轮流量计n在流体作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道在流体作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，叶轮的转动周期地改变磁电平均流速成正比，叶轮的转动周期地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中磁通随之发生周转换器的磁阻值。检测线圈中磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势，即电脉冲期性变化，产生周期性的感应电势，即电脉冲信号信号图4-18 涡轮流量传感器结构图特点n*高精确度高精确度n*输出脉冲频率信号，适于总量计量及与计算输出脉冲频率信号，适于总量计量及与计算机连接机连接n*结构紧凑轻巧，安装维护方便结构紧凑轻巧，安装维护方便n 难以长期保持校准特性，需要定期校验。难以长期保持校准特性，需要定期校验。n 流体物性（密度、粘度）对仪表特性有较大流体物性（密度、粘度）对仪表特性有较大影响。影响。n传感器上下游侧需设置较长的直管段传感器上下游侧需设置较长的直管段 n对被测介质的清洁度要求较高对被测介质的清洁度要求较高 4.5.2涡街流量计涡街流量计 n在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡门涡街。旋涡列在旋涡发生体下游非涡称为卡门涡街。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为对称地排列。设旋涡的发生频率为f，被测介，被测介质来流的平均速度为质来流的平均速度为U，旋涡发生体迎面宽度，旋涡发生体迎面宽度为为d，有如下关系式，有如下关系式f=Sru/d 式中式中U1-旋涡发生体两侧平均流速，旋涡发生体两侧平均流速，m/s；Sr-斯特劳哈尔数；斯特劳哈尔数；n在一定在一定ReD范围内，范围内，Sr可视为常数可视为常数 特点n优点优点:n可测量液体、气体和蒸汽的流量可测量液体、气体和蒸汽的流量n量程宽、精度高量程宽、精度高n结构简单，无运动件，可靠，耐用结构简单，无运动件，可靠，耐用n压损小压损小n缺点缺点:n不适用于低雷诺数测量不适用于低雷诺数测量;n需较长直管段需较长直管段;4.5.3电磁流量计电磁流量计电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律研制出的一种测量导电液体体积流量的仪表。EBDv n式中式中 E-感应电动势，感应电动势，VnB-磁感应强度磁感应强度,Tn D-测量管内径，测量管内径，m nv-平均流速，平均流速，m/s。n 设液体的体积流量为设液体的体积流量为qv，则，则 E=Kqvn式中式中 K 为仪表常数，为仪表常数，nK=4 B/D。测量条件满足：n磁场是均匀分布的恒定磁场；磁场是均匀分布的恒定磁场；n被测流体的流速轴对称分布；被测流体的流速轴对称分布；n被测液体是非磁性的；被测液体是非磁性的；n被测液体的电导率均匀且各向同性。被测液体的电导率均匀且各向同性。特点n无可动部件和插入管道的阻流件，所以压力损无可动部件和插入管道的阻流件，所以压力损失极小，直管段要求低。失极小，直管段要求低。n可用于测量脉动流、双相流以及灰浆等含固体可用于测量脉动流、双相流以及灰浆等含固体颗粒的液体流量颗粒的液体流量 n电磁流量计不受温度、压力、粘度等外界因素电磁流量计不受温度、压力、粘度等外界因素的影响的影响 n准确度高准确度高 n电磁流量计的口径范围比其他品种流量仪表宽电磁流量计的口径范围比其他品种流量仪表宽