资源描述
单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第5章 信号调理电路,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第八章 流量测量,第一节 概 述,第二节 节流式流量计,第三节 涡轮式流量计,第四节 光纤流量计,第五节 超声波流量计,第六节 质量流量计,第一节 概述,一、流体与流量,流体：,单相气体,、,液体、气液混合流体,(,如燃料油与空气、水与蒸汽等,),、,气固两相的混合流动,(,空气带动煤粉,),等。,流量：,单位时间内通过某有效流通截面的流体数量，称瞬时流量；,用,质量流量,q,m,(kg/s),和,体积流量,q,v,(m,3,/s),表示，且有,q,m,=,q,v,。,2,1,、是工业过程三大控制量,(,压力、温度、流量,),之一；,2,、石油、天然气、化工原料等流体计量直接关系到国家利益,;,3,、自来水、灌溉、污水处理等关系到国计民生。,流量测量的重要性,大型化工企业中，流量是控制工艺过程和保证产品质量的关键因素。,3,流体的几个概念,（一）粘度：,衡量流体粘性大小的物理量,底板不动，恒定力,F,推动上面平板以速度,v,沿,x,方向活动时，,两板间的液体分成无数薄层而运动,。,F,与板的速度,v,、板的面积,S,成正比，与两板间的距离,y,成反比,称为粘度或动力粘度，单位泊,(Pa.s),4,为细管中的平均流速； 为流体的运动粘度, d,为管径。,（二）雷诺数：,表征流体流动时惯性力与粘性力之比,。利用细管直径,d,，可求出雷诺数,Rd,5,（三）层流和紊流,层流：,流体在细管中流动的,流线平行于管轴,，,流量与压力降成正比,；,R,d,2320,。,紊流：,流体在细管中流动的,流线相对混乱,，,流量与压力降的平方根,成正比；,R,d,2320,。,层流时,，流速分布是以管轴为中心线的轴对称抛物线分布。,紊流时,，管内流速以管中心线轴对称的分布，但其分布呈指数曲线形式。,6,（四）流体流动的连续性方程,流体稳定流动，且不可压缩时，流过各截面流体的体积为常量。,利用上式，可求流体流过管道不同截面时的流速。,7,（五）流体伯努力方程,(,Bernoullis Equation),动能,压力能,势能,+,流体能,8,9,伯努利方程的构成,h,1,h,2,势能,Potential energy,mgh,1,mgh,2,动能,Kinetic energy,1,/2mv,1,2,1,/2mv,2,2,压力能,Pressure energy,mp,1,/,1,mp,2,/,2,能量守恒：,10,水平放置：,不可压缩液体：,伯努利方程的,特例,11,利用流体连续性方程，,体积流量,：,测节流装置上、下游的压力差,二、流量计的类型,根据,测量方法,分类：容积型、速度型和质量型。,特点：,原理简单，测量结果受流动状态影响小，精确度高；适于测量,高粘度、低雷诺数,流体，不适于高温高压和脏污介质。,1,容积型流量计,通过计量单位时间内被测流体充满或排出某一定容容器,V,的次数来计算流量，即,q,v,=nV,。,12,13,椭圆齿轮流量计原理图,1,外壳,2,椭圆形转子,(,齿轮,)3,测量室,14,15,腰形轮每转动一周，就把转子与壳体之间所构成的具有一定容积的计量室流体的四倍体积，从流入口送到流出口。,计量室体积,腰轮转速,体积流量,腰轮,(,罗茨,),流量计,16,17,腰轮流量计,通常就地显示累积流量，并有远传输出接口，与相应的光电式电脉冲转换器和流量积算仪配套，可进行远程测量，显示和控制。,精度高，重复性好，范围度大,，对流量计前后直管段要求不高。,适用,较高粘度流体,，流体粘度变化对示值影响较小。,适用,无腐蚀性能的流体,，如原油，石油制品,(,柴油，润滑油等,),。,18,湿式气体流量计动画,19,2.,速度型流量计,当流通截面确定时，流体的,体积流量,与,截面上的平均流速,成正比,。,特点：,适用于,高温高压流体测量,，精确度高,;,测量结果,受流动条件,(,如雷诺数、涡流、截面上流速分布,),的影响大。,类型：,节流式流量计,、,涡轮流量计,、,超声波流量计,、,电磁流量计,和,转子流量计,。,20,涡轮流量计：,在一定范围内，涡轮的转速与流体的平均流速成正比，通过磁电转换器将,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。,21,22,B,为磁感应强度,;D-,管道内径,;,u-,流体平均流速,;E-,感应电势。,电磁流量计：,被测,导电流体,在磁场中沿垂直磁力线方向流动而切割磁力线时，在管道两侧的电极上产生与流速成正比的感应电势。 流体流量为：,23,电磁流量计的结构,MKULC2100,系列电磁流量计,24,测量介质：,导电介质,流速范围：,0.3-10m/s,测量精度：,0.5%FS1.0%FS,显示方式：,LCD,显示瞬时流量，累积流量。,介质温度：,0-70,；,0-90,；,0-150,（可选）,压力：,；,16Mpa,；,25Mpa,；,32Mpa,输出信号：,频率输出,0-2kHz,；,电压输出,1-5V,电流输出,4-20mA,；,RS-485,串行接口,断电数据保存时间：,10,年,电源：,220VAC15%24VDC5%,（可选）,平均无故障工作时间：,MTBF=30000h,防护等级：,IP67,、,IP68,（只适用于分体型）,衬里材料：,聚氨脂橡胶、氯丁橡胶、聚四氟乙烯、,F46,。,电极材料：,316L,，哈氏合金,HB,；哈氏合金,HC,；特殊材料（如：钛、钽、铂等稀有金属材料）。,MKULC2100,系列电磁流量计,25,浮子流量计,以,浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降,，,改变它们之间的流通面积来进行测量,，又称转子流量计。,流体入口,流体出口,转子,26,转子,(,浮子,),流量计,27,玻璃转子流量计,28,靶式流量计：,节流,式，在管道的中心设置一,圆盘形靶子,作为节流件，靶子与管壁之间形成环形流通截面，故又把靶子称为,环形孔板,。流体,P,使靶子受一推力，测出此力便可以知道流量。,靶式流量计,插入式高温型,矢量机构型,29,靶感受冲击力, 使主、副杠杆转动，使检测片移动,引起电感量变化,。,用于,低雷诺数、含固体颗粒的浆液及腐蚀介质,流量测量。结构简单，安装维修方便，成本低。,30,3.,质量型流量计,直接型：,热式质量流量计、角动量式质量流量计等。,推导型：,同时测取流体的,密度,和,体积流量,，通过运算而推导出质量流量。,速度型流量计,和,密度计,组合而成。,温度压力补偿型：,不配用密度计；利用温度、压力与密度之间的关系，将温度、压力的测量值,转换为密度,，再与体积流量进行运算得到质量流量。,由于连续测量温度、压力比连续测量密度容易，工业上多用,温度压力补偿型,。,31,三、流量计的选用原则,1.,根据被测流体的性质选择,测量水蒸气：,节流式或金属转子流量计,;,测量洁净液体或气体：,节流式、转子流量计、腰轮流量计、椭圆齿轮流量计、靶式流量计,;,测量浆液：,靶式流量计和电磁流量计,;,测量,粘性,液体：,腰轮流量计、椭圆齿轮流量计和旋转活塞流量计,;,测量腐蚀性流体：,转子流量计,;,测量脏污液体或气体：,电磁式和靶式流量计。,32,2,根据用途选择,测量精度要求较高,：,腰轮流量计、椭圆齿轮流量计、旋转活塞流量计和涡轮流量计,;,要求有指示记录，并进行流量自动控制：,节流式流量计、转子流量计、靶式流量计和电磁流量计,;,要求流体测量的压力损失较小：,转子流量计和涡街流量计等。,3.,根据工况条件选择,实测中，须将被测流体在,实际状态,下的流量变化范围,换算成流量计,刻度状态,下相应介质的流量，,以此选择流量计量程,。,33,4.,其他,安装位置、安装尺寸及流通管路振动的影响。,a,b,e,不良,c,d,良好,当泵送费用昂贵时，流量测量应选用,永久压力损失系数较小,或无阻挡式的流量计。,34,35,36,第二节 节流式流量计,一、测量原理与流量方程,节流现象,：当流体流经管道中急骤收缩的局部截面时，将产生增速降压；流体的流速越大，节流压降越大。,节流式流量计由,节流装置,、,差压信号管道,(,导压管,),和,压差计,三部分组成。,37,根据流动的持续性方程和伯努利方程，,流量,与,节流压降关系,为,q,v,为体积流量；,为流量系数；,为流体膨胀校正系数；,d,为节流元件开孔直径；,p=p,1,-p,2,为压差；,为流体密度；,=d/D,为直径比；,D,为流动管道内径。,38,39,二、节流装置,(,一,),基本组成,节流元件：,孔板,、,喷嘴,、,文丘利管,等。,取压方式：,直接取压、法兰取压、径距取压、理论取压和管接取压等,。,(,二,),标准节流装置,标准节流装置,可不必单独标定。,非标准节流装置,必须用实验单独标定,。,40,文丘利管压力损失最小，孔板压力损失最大。,文丘利管,孔板,喷嘴,41,(1),孔板式,42,孔板要求：,（,1,）,开孔直径,d,应实际测量。测量在上游段进行，最好是在四个大致相等的角度上测量直径，求其平均值。要求各个单测值与平均值之差在,0.05%,范围内。,（,2,）孔板进口圆筒形部分应与管道,同心安装,；,（,3,）,孔板进口,边缘应是严格直角，不能有毛刺和可见的反光。所谓,薄壁,是指孔板厚度,E,和圆筒形厚度,e,不能过大。,标准孔板,，,43,孔板的三种取压方式,44,角接取压装置：,环室取压和单独钻孔取压装置结构,环室取压：,前、后环室装在节流件两边，环室夹在法兰之间。节流件前后的压力从连续环隙上取得，为整个圆周上的,平均值,。,单独钻孔取压：,钻在法兰或夹紧环上。取压孔在夹紧环内壁的出口边缘必须与夹紧环内壁平齐，取压孔为圆筒形，其轴线应尽可能与管道轴线,垂直,。,45,法兰取压装置,上游取压口中心线与节流件,上游端面距离,L,1,，下游取压口中心线与节流件,下游端面距离,。当且,D150mm,时，允许偏差为，其余情况下允许偏差为,1mm,。,从法兰外圆垂直管道轴线向内钻孔。,取压孔直径,应小于和小于,13mm.,法兰取压装置,46,径距取压（,D-D/2,取压）,取压孔必须符合单独钻孔取压的全部要求，取压孔中心线必须,与管道中心线垂直,。,取压孔只有一对，上游取压孔中心线与节流件,上游端面距离,L1,等于,D,，允许偏差为。,下游取压孔中心线与节流件,下游端面距离,L2,等于，允许偏差：当时为,0.02D;,当时为。,47,角接取压,法兰取压,径距取压,12mmd,50mmD100mm,0.20.75,当,0.20.45,时，,Re,D,5000,Re,D,1260,2,D,当,0.4,时，,Re,D,10000,标准孔板制造安装的其他要求,=d/D,为直径比；,D,为流动管道内径。,48,节流孔板,后取压管,49,ISA 1932,喷嘴,(2),标准喷嘴,50,长径喷嘴,51,流体入口,狭窄部位,文丘里喷嘴在管道中的位置,前取压口,后取压口,(3),文丘利管,52,动压文丘里管,提高,P,，增加灵敏度，降低压力损失。多用于大截面管道。,53,为进一步提高,P,，采用,双级动压文丘里管,54,双级动压文丘里管,动压文丘里管,55,文丘利管流量计实物图,56,非,标准节流件及其应用,在特殊的情况下（如管道直径小于,50,毫米，雷诺数很小等），不适用标准节流件。,非标准节流装置：,实验数据较少，流量系数的误差较大的尚未标准化的节流件。,（,1,）低雷诺数：,1/4,圆孔板，锥形入口孔板，双重孔板，双斜孔板，半圆孔板等；,（,2,）脏污介质：,圆缺孔板，偏心孔板，环状孔板，楔形孔板，弯管节流件等；,（,3,）低压损：,罗洛斯管，道尔管，道尔孔板，文丘里喷嘴，通用文丘里管等；,（,4,）脉动流节流装置；,（,5,）临界流节流装置：,音速文丘里喷嘴；,（,6,）混相流节流装置。,57,圆弧入口孔板、锥形入口孔板,图,a,为,1/4,圆弧孔板，图,b,为锥形入口孔板。都是同心孔板，与标准孔板相比，只是孔口廓形不同，前者为,1/4,圆弧,，后者像一,倒装的标准孔板,。,58,(,三,),标准节流装置,使用范围与条件,选用标准节流装置时，需对其,使用范围和使用条件进行核对。,1.,流体条件,1),流体圆管须,充满,和,连接地,流经管道。,2),流体,单相,且在流经节流装置时,不发生相变,。,3),流速稳定,，不存在漩涡，流量随时间变化缓慢。,59,2.,管道条件,为了使流体在节流元件前,1D,处达到充分发展的湍流速度分布，须满足：,式中,1),节流元件前、后必须有,足够长的直管段,，长度与节流元件上下游阻力元件及直径比,有关。,2),直管段截面,必须为圆形,，,节流元件前后,圆度,要求高,。在节流元件前,2,D,范围内，分别于,0,D,、,D,、,1,D,和,2,D,处的四个截面上，以角等分方式各测取,4,个管道内径,D,i,，共,16,个测量值，偏差要求,60,3.,安装要求,1),节流元件,前端面须与管道轴线垂直,，允许最大不垂直度,1,。,2),节流元件的,开孔必须与管道同心,，允许最大不同心度,D,(1/,1),。,3),节流元件在受热时,能够自由膨胀,，防止变形。,4),调节流量用的阀门最好安装在节流元件后,最小直管段长度以外,。,4,选型,(,下列测量场合优先选用标准喷嘴,),1),被测流体易沉淀或有腐蚀性。,2),对节流元件的压力损失有严格要求。,3),被测管道内壁比较粗糙。,4),高参数、大流量生产管道的长期在线检测。,61,(,四,),标准节流装置主要参数,和,的确定,1.,流量系数,标准节流装置原始流量系数,0,是在光滑管道内，,Re,D,Re,c,(,临界雷诺数,),的稳定流动状态下，用新的节流元件进行实验获得。,K,1,为,粘度,修正系数；,K,2,为管壁,表面粗糙度,修正系数；,K,3,为,孔板磨损修正,系数；对于喷嘴、文丘利管及新的节流元件，,K,3,=1,。,实测时若,Re,D,Re,c,、,管壁粗糙度超出允许范围,、,节流元件开孔出现磨损,等，应该对流量系数进行修正,62,2.,流体膨胀校正系数,可压缩流体,压力的变化,将引起流体,体积的变化,。,与节流元件,p,2,/,p,1,、被测流体的,等熵指数,及,直径比,等有关。根据,GB2624,：,采用法兰标准孔板,，,为,对标准喷嘴,，,为,采用角接标准孔板,，,为,63,实测中,p,/,p,1,在变化，,值会波动,。故取常用流量,q,u,下的,(,p,/,p,1,),u,值计算,值。,q,max,、,p,max,分别为选用流量计的流量刻度上限值以及与此对应的压差计的刻度上限值。,常用流量,所对应的差压,p,u,为,64,三、压差计,双管式,、波纹管式、膜片式,、,电容式,、浮子式、环秤式、钟罩式等。,四、节流式流量计测量结果的修正,1.,节流元件开孔尺寸,d,因,温度,变化的修正,T,、,T ,为节流元件设计状态下的温度和实际温度；,d,、,d ,为节流元件在,T,、,T ,温度下的开孔直径；,l,为节流元件的线膨胀系数；,c,d,为节流元件孔径变化的流量修正系数；,q,v,和,q,v,为流量指示值和修正值。,65,2.,被测流体密度,变化的修正,因成分、温度、压力引起的被测流体密度变化,、, ,为设计状态下的流体密度和实际密度；,c,为修正系数。,0,、,T,0,、,p,0,和,Z,0,为被测气体标准状态下密度、温度、压力和,压缩系数,；, ,、,T ,、,p ,和,Z ,为实测状态下相应系数。,对于气体，实际密度为,66,3.,综合修正系数,同时考虑上述两项影响因素时，修正为,五、节流式流量计应用,已知管道条件、被测流体性质、工作状态和流量范围，,选择合适,的,节流装置,和,压差计,;,已知管道条件、节流装置形式及开孔直径,d,、,差压测量读数,p,、被测流体性质和工作状态，,计算,被测流体,实际流量,。,67,(,一,),根据已知条件选择,节流装置,和,压差计,1.,压差计上限,p,max,的确定,1),p,max,应使,在。但,压力损失较大，不利节能,。,对于标准孔板：,对于标准喷嘴：,压力损失,p,可由实验或下式估算,2),考虑压力损失,要求时，,p,max,满足：,68,3),对液体，,p,max,不应使液体,产生汽化,，即,p,2,=p,1,p,max,大于流体在工作温度下的饱和压力,p,s,。,值的迭代计算,1),由已知条件计算雷诺数,Re,D,或,D ,为管道在实际工作温度下内径；,q,v,，,q,m,为体积流量和质量流量；,为运动粘度,;,为动力粘度。,2),应用式,(8-8),计算常用流量,q,u,所对应的差压,p,u,。,3),将相关的已知条件和,D,、,p,u,代入流量方程，并设,=1,，计算,(,2,0,),的,第一次近似值,(,2,0,),1,。,69,4),由,(,2,0,),1,，查表得,2,和,01,，由式,(8-4),计算,1,。,5),计算,(,2,1,),1,，并将结果和常用流量,q,u,代入流量方程,(8-3),，计算,的第一次近似值,1,。,6),求,(,2,0,),的第二次近似值,(,2,0,),2,=(,2,1,),1,/,1,。,7),重复步骤,4,和步骤,5,。,8),将,(,2,2,),2,和,2,代入流量方程计算流量，将计算结果与给定的常用流量值,q,u,进行比较，当两者的相对偏差小于,0.2%,时，迭代计算结束，,值确定,。,最后，根据确定的,值计算,d,，并检验其他要求。,70,(,二,),根据已知条件计算被测流体的,实际流量,已知,、,p,、,，确定,流量系数,。因,与,R,e,D,有关,，故采用如下方法：,1),先假定一个初始值,(,R,e,D,),1,。,2),用,(,R,e,D,),1,和,值查表得,01,，将,01,代入式,(8-4),计算相应的,1,值，并将计算结果代入流量方程,(8-3),，计算流量,q,v1,。,3),将,q,v1,代入式,(8-19),，计算,(,R,e,D,),2,。,4),重复第,2, 3,步，当相邻两次计算得到的流量值的相对偏差小于,0.2%,时，,迭代计算结束,。,71,
展开阅读全文