流量测量及仪表

,流 量 测 量 及 仪 表,流 量 测 量 及 仪 表,基 本 概 念,雷诺数,雷诺数是流体流动的惯性力与粘滞力之比。,Re,雷诺数,(,无量纲,);,v-,流过横截面的平均流速,(m/s);,流体的密度,(kg/m,3,);,d,管道内径,(m);,动力粘度,(N.s/m,2,);,运动粘度,(m,2,/s).,Re,2320,时为层流，,Re,2320,时为紊流。,基 本 概 念,流速分布,流体有粘性，当它在管内流动时，即使是在同一管路截面上，流速也因其流经的位置不同而不同。越接近管壁，由于管壁与流体的粘滞作用，流速越低；管中心部分的流速最快。流体流动状态不同将呈现不同的流速分布。,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：,u,x,距管中心距离,r,x,处的流速,;,u,max,管中心处最大流速,;,r,x,距管中心径向距离,;,R,管内半径,.,基 本 概 念,流速分布,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,基 本 概 念,流量测量方法,流量测量方法大致可以归纳为以下几类：,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；,通过直接测量流体流速来得出流量的速度式流量测量法；,利用标准小容积来连续测量流量的容积式测量；,以测量流体质量流量为目的的质量流量测量法；,其他方法。,流 量 仪 表 分 类,差压式流量计,流体流过管道中的阻力件时，产生的压力差与流量之间有确定的关系，通过测量差压值求得流量。,流量计名称,可测流体,适用管径,(mm),精度,(%),安装,直管段,压损,节流式,孔板,液,气,蒸汽,50 1000,1 2,要,大,喷嘴,液,气,蒸汽,50 500,要,中,文丘里管,液,气,蒸汽,100 1200,要,小,均速管,液,气,蒸汽,25 9000,1,要,小,转子流量计,液,气,4 150,2,垂直,靶式流量计,液,气,蒸汽,15 200,1 4,要,小,弯管流量计,液,气,0.5 5,要,小,流 量 仪 表 分 类,容积式流量计,直接对仪表排出的定量流体计数确定流量。,流量计名称,可测流体,适用管径,(mm),精度,(%),安装,直管段,压损,椭园齿轮流量计,液,10 400,0.2,0.5,装过滤器,不要,大,腰轮流量计,液,气,大,双转子流量计,液,中,刮板流量计,液,0.2,小,流 量 仪 表 分 类,速度式流量计,通过测量管道截面上流体平均流速来测量流量。,流量计名称,可测流体,适用管径,(mm),精度,(%),安装,直管段,压损,涡轮流量计,液,气,4 600,0.10.5,过滤,要,小,涡街流量计,液,气,蒸汽,15 300,0.5 1,要,小,电磁流量计,导电液体,6 3000,0.3 1,要,无,超声波流量计,液,气,10,0.151,要,无,流 量 仪 表 分 类,质量流量计,直接式： 直接检测与质量流量成比例的量来质量流量。,流量计名称,可测流体,适用管径,(mm),精度,(%),直管段,压损,直接式,科氏质量流量计,液,气,15 200,0.10.5,不要,小,冲量式质量流量计,固体粉料,0.22,热式质量流量计,气,20 500,1 2,要,小,间接式： 同时测体积流量和流体密度来计算质量流量。,流量计名称,可测流体,适用管径,(mm),精度,(%),直管段,压损,间接式,差压式,+,密度,液,气,体积式,+,密度,液,气,差压式,+,体积式,液,气,差 压 式 流 量 计,节流式流量计,测量原理及流量方程,差 压 式 流 量 计,节流式流量计,以实际采用的某种取压方式所得到的压差,p,来代替,(p,1,-p,2,),的值,，,同时引入流出系数,C,得到：,测量原理及流量方程,差 压 式 流 量 计,节流式流量计,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：,测量原理及流量方程,差 压 式 流 量 计,节流式流量计,孔板,差 压 式 流 量 计,节流式流量计,文丘里管,差 压 式 流 量 计,节流式流量计,节流式流量计主要由两部分组成：节流装置和测量静压差的差压计。,节流装置是安装在流体管道中，使流体的流通截面发生变化，引起流体静压变化的一种装置。常用的节流装置有文丘利管、喷嘴和孔板，如图所示。,差 压 式 流 量 计,转子流量计,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：,测量原理及流量方程,流量系数,;,A,转子与锥形管间的环形流通面积,;,流体密度,;,p,差压,.,差 压 式 流 量 计,转子流量计,玻璃管转子流量计,金属管转子流量计,差 压 式 流 量 计,靶式流量计,靶式流量计是一种适用于测量高粘度、低雷诺数流体流量的流量测量仪表，例如用于测量重油、沥青、含固体颗粒的浆液及腐蚀性介质的流量。,F,流体对靶的作用力,;,v,流体流速,;,流体密度,;,A,B,靶的受力面积,.,差 压 式 流 量 计,靶式流量计,管道直径为,D,，靶直径为,d,，环隙通道面积为,A,，则可求出流体体积流量为,：,容 积 式 流 量 计,椭圆齿轮流量计,每转一周，两个齿轮共送出四个标准体积的流体。,由于椭圆齿轮容积流量计直接依靠测量轮啮合，因此对介质的清洁要求较高，不允许有固体颗粒杂质流过流量计。,容 积 式 流 量 计,腰轮流量计,腰轮流量计又称罗茨流量计，其工作原理与椭圆齿轮流量计相同。腰轮流量计的转子是一对不带齿的腰形轮，在转动过程依靠套在壳体外的与腰轮同轴上的啮合齿轮来完成驱动。,容 积 式 流 量 计,腰轮流量计,腰轮流量计除可测液体外，还可测量气体，,最高,精度可达,0.1,，可做标准表使用；最大流量可达,1000m,3,/h,。,容 积 式 流 量 计,刮板流量计,转子在流量计进、出口差压作用下转动，每当相邻两刮板进入计量区时均伸出至壳体内壁且只随转子旋转而不滑动，形成具有固定容积的测量室，当离开计量区时，刮板缩入槽内，流体从出口排出，同时后一刮板又与其另一相邻刮板形成测量室。转子旋转一周，排出,4,份固定体积的流体，由转子的转数就可以求得被测流体的流量。,速 度 式 流 量 计,涡轮流量计,在,一,定,的流速,范围内，涡轮的转速与流体的平均流速成正比，通过磁电转换装置将涡轮转速变成电脉冲信号，以推导出被测流体的瞬时流量和累积流量。,工作原理,速 度 式 流 量 计,涡轮流量计,工作原理,速 度 式 流 量 计,涡轮流量计,工作原理,速 度 式 流 量 计,涡轮流量计,结构,速 度 式 流 量 计,涡街流量计,在均匀流动的流体中,，,插入一个具有非流线型截面的称为漩涡发生体,的,柱体，则在其两侧会产生旋转方向相反、交替出现的漩涡，并随着流体流动，在下游形成两列不对称 “卡门涡街” 。,工作原理,速 度 式 流 量 计,涡街流量计,漩涡,发生的频率 ：,v,1,旋涡发生体两侧平均流速（m/s）,;,S,r,斯特劳哈尔数,;,d,旋涡发生体迎面宽度,;,m,旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比,.,管道内体积流量,：,流量计的仪表系数,：,涡街流量计输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响,速 度 式 流 量 计,涡街流量计,K,与旋涡发生体,管道的几何尺寸,斯特劳哈尔数,Sr,有关；,Sr,为无量纲参数,它与旋涡发生体形状及雷诺数有关；,K,在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。,速 度 式 流 量 计,涡街流量计,结构,速 度 式 流 量 计,涡街流量计,涡街信号的检测方式,检测方法,热敏式,超声式,应变式,前置放大器,恒流放大器,选频放大器,恒流放大器,检测方法,应力式,电容式,光电式,前置放大器,电荷放大器,调谐,-,振动放大器,光电放大器,速 度 式 流 量 计,电磁流量计,法拉第电磁感应定律,：,导体在磁场中切割磁力线运动时产生感应电动势。,工作原理,速 度 式 流 量 计,电磁流量计,导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势,：,管道内体积流量,：,在管道直径确定，磁感应强度不变的条件下，体积流量与电磁感应电势有一一对应的线性关系，而与流体密度、粘度、温度、压力和电导率无关。,速 度 式 流 量 计,电磁流量计,传感器结构,速 度 式 流 量 计,电磁流量计,1.,直流励磁；,2.,交流励磁,(50Hz,或,60Hz,工频,),；,3.,低频方波励磁,(,一般为工频,),；,4.,其他励磁：,双频励磁；,三态波励磁。,电磁流量计的发展励磁方法,速 度 式 流 量 计,超声波流量计,超声波测流量的作用原理有,时间差,法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速,液面法等多种方法。,时差式超声波流量计,多普勒超声波流量计,速 度 式 流 量 计,超声波流量计,时差式超声波流量计工作原理,超声波从上游到下游的传输时间为：,超声波从下游到上游的传输时间为：,速 度 式 流 量 计,超声波流量计,时差式超声波流量计工作原理,时间方程为：,流速为：,体积流量为：,速 度 式 流 量 计,超声波流量计,时差式超声波流量计的种类,1.,外夹式；,只能测液体。,方便的流量比对仪器。,2.,管段式：,.,单声道；,.,多声道。,可测液体和气体。精度很高。,速 度 式 流 量 计,超声波流量计,1842,年奥地利科学家,Christian Doppler,从火车汽笛声中发现了声音频率随速度变化的现象。后来人们称之为多普勒效应。,多普勒超声波流量计工作原理,速 度 式 流 量 计,超声波流量计,流体中的颗粒以与流体相同的速度,v,运动，流体中的声速为,c,，发射超声波频率为,f,1,，则由于颗粒反射而进入接收探头的超声频率,f,2,可表示为：,多普勒超声波流量计工作原理,为声波发射,(,反射,),方向与流体流动方向的夹角。,速 度 式 流 量 计,超声波流量计,由于,cv,，所以：,多普勒超声波流量计工作原理,体积流量为：,质 量 流 量 计,科里奥利质量流量计,利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。,工作原理,质 量 流 量 计,科里奥利质量流量计,当质量为,m,的质点以速度,对,p,轴作角速度,旋转的管道内移动时，质点受到两个分量的加速度及其力。,法向加速度：即向心力加速度,r,，其量值等于,2,r,，方向朝向,P,轴。,切向加速度：即科里奥利加速度,t,，其量值等于,2,v,，方向与,P,轴,垂直。,质 量 流 量 计,科里奥利质量流量计,当密度为,的流体在旋转管道中以恒定速度,v,流动时，任何一段长度,x,的管道都将受到一个,Fc,的切向科里奥利力。,由于质量流量为,q,m,=,v,A,，所以,质 量 流 量 计,科里奥利质量流量计,直接或间接测量在旋转管道中流动流体产生的科里奥利力就可以测得质量流量，这是科里奥利质量流量计的基本原理。,通过旋转运动产生科里奥利力是困难的，目前产品均代之以管道振动产生,。,质 量 流 量 计,科里奥利质量流量计,。,结构,质 量 流 量 计,热式质量流量计,利用传热原理，即流动中的流体与热源之间热量交换关系来测量流量，当前主要用于测量气体。,工作原理,热式流量仪表用得最多有两类：,热分布式流量计,利用流动流体传递热量改变测量管壁温度分布的热传导分布效应。曾称量热式质量流量计；,热消散式质量流量计,利用热消散,(,冷却,),效应的金氏定律,(,King,s,l,aw,),，又由于结构上检测元件伸入测量管内，也称浸入型或侵入型。,质 量 流 量 计,热式质量流量计,1,流量传感器,2,绕组,3,测量管,4,转换器,5,恒流电,源,6,放大器,热分布式流量计,质 量 流 量 计,热式质量流量计,浸入式热式质量流量计,根据,金氏定律,，加热,丝热散失,功率同,各参量间关系,为,：,管道内质量流量为：,表示为：,有两种实施方法：恒功率法；恒温差法,质 量 流 量 计,热式质量流量计,浸入式热式质量流量计,电桥原理：,质 量 流 量 计,热式质量流量计,浸入式热式质量流量计,测量原理：,质 量 流 量 计,热式质量流量计,浸入式热式质量流量计,结构：,间 接 式 质 量 流 量 计,差压式流量计与密度计的组合,差压式流量计的差压输出值与,q,v,2,成正比，配合密度计进行乘法运算后开方可得到质量流量。,工作原理,间 接 式 质 量 流 量 计,差压式流量计与体积流量计的组合,差压式流量计差压输出值与,q,v,2,成正比，而体积流量计输出信号与,q,v,成正比，将这两个信号进行除法运算得到质量流量 。,工作原理,间 接 式 质 量 流 量 计,差压式流量计与体积流量计的组合,间 接 式 质 量 流 量 计,体积流量计和密度计的组合,体积流量计输出信号与,q,v,成正比，配合密度计进行乘法运算后得到质量量流公式为：,工作原理,