第7章流量检测

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,*,*,*,差压式流量计测流量,1,流量,液体和气体统称为流体。流量是指单位时间内流过管道横截面的流体的体积或质量。前者称为体积流量，后者称为质量流量。,设流体的密度为 ，质量流量与体积流量之间的关系为,7.1.1,流量及其测量方法,（,4.1,）,或,2,流量测量方法, 容积法。包括椭圆齿轮流量计、腰轮（罗茨式）流量计、刮板式流量计、活塞式流量计等。工作原理较简单，精确度较高，适用于测量高黏度、低雷诺数的流体，但不适于高温、高压和脏污介质的流量测量。, 节流差压法。流体流经安装在管道中的节流件时，在节流件前后产生静压差，而静压差的大小与流过管道的流体流量有一定的函数关系，因此通过测量节流件前后的压差即可求得流量。, 速度法。包括电磁式、超声波式、涡轮式、动压管式、转子式、靶式、旋涡式等。对于给定的管道，流量的大小仅与流体流速大小有关，通过测量流体的流速即可求得流量值。, 质量流量测量法。分为直接式、间接式和温压补偿式三种。直接式质量流量测量是直接利用热、差压或动量来检测。间接式和温压补偿式质量流量测量是在直接测出体积流量的同时，再测出被测流体的密度或压力、温度等参数求出流体的密度，进而计算出流体的质量流量。,7.1.2,差压式流量计,差压式流量传感器主要由节流装置和差压计（或差压变送器）组成。,1,测量原理与流量方程,当连续流动的流体遇到安装在管道中的节流装置时，由于流体流通面积突然缩小而形成流束收缩，导致流体速度加快；在挤过节流孔后，流速又由于流通面积变大和流束扩大而降低。由能量守恒定律可知，动压能和静压能在一定条件下可以互相转换，流速加快必然导致静压力降低，于是在节流件前后产生静压差 ，且 ，此即节流现象。静压差的大小与流过的流体流量之间有一定的函数关系，因此通过测量节流件前后的静压差即可求得流量。,体积流量基本方程式,图 流体流经孔板时压力和流速变化情况,质量流量基本方程式,2.,标准节流装置,标准节流装置是由标准节流件、标准取压装置和上、下游侧阻力件，以及它们之间的直管段所组成。,1-,上游直管段；,2-,导压管；,3-,孔板；,4-,下游直管段；,5,、,7-,连接法兰；,6-,取压环室,图,4.1,全套节流装置,（,1,）标准节流件,流量测量节流装置国家标准,GB/T26241993,主要规定了标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴和文丘里管等。,图,4.2,标准孔板,图,4.3,标准喷嘴,（,2,）取压方式,取压方式是指取压口位置和取压口结构。,标准孔板通常采用两种取压方式，标准喷嘴仅采用角接取压方式。,角接取压。孔板上、下游侧取压孔位于上、下游孔板前后端面处，取压口轴线与孔板各相应端面之间的间距等于取压口直径的一半或取压口环隙宽度的一半。,角接取压又分为环室取压和夹紧环（单独钻孔）取压两种。,法兰取压。标准孔板被夹持在两块特制的法兰中间，其间加两片垫片，上、下游侧取压孔的轴线距孔板前、后端面分别为（,25.40.8,）,mm,。,（,a,）角接取压,（,b,）法兰取压,图,4.4,标准孔板的取压方式,3,标准节流装置的使用条件与管道条件,（,1,）使用条件。, 被测流体应充满圆管并连续地流动。, 管道内的流束（流动状态）是稳定的，测量时流体流量不随时间变化或变化非常缓慢。, 流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是单相的、均匀的，或者可认为是单相的，且流体流经节流件时不发生相变。, 流体在进入节流件之前，其流束必须与管道轴线平行，不得有旋转流。, 标准节流装置不适用于脉动流和临界流的流量测量。,（,2,）管道条件。,安装节流装置的管道应该是直的圆形管道，管道直度用目测法测量。上下游直管段的圆度按流量测量节流装置的国家标准规定进行检验，管道的圆度要求是在节流件上游至少,2,D,（,实际测量）长度范围内，管道应是圆的。在离节流件上游端面至少,2,D,范围内的下游直管段上，管道内径与节流件上游的管道平均直径,D,相比，其偏差应在,3%,之内。,管道内表面上不能有凸出物和明显的粗糙不平现象，至少在节流件上游,10,D,和下游,4,D,的范围内应清洁、无积垢和其他杂质，并满足有关粗糙度的规定。, 节流件前后应有足够长的直管段，在不同局部阻力情况下所需要的最小直管段长度。,7.1.3,差压计,1,双波纹管差压计,由测量部分和显示部分构成的基地式仪表，主要包括两个波纹管、量程弹簧、扭力管及外壳等部分。,图,4.5,双波纹管差压计,结构原理图,2,膜片式差压计,膜片式差压计由差压变送器和显示仪表两部分组成，如图,10.10,所示。差压变送器主要由差压测量室（高压和低压室）、三通阀和差动变压器构成；显示仪表可装在远离生产现场的控制室内，进行流量的指示和记录等。,图,4.6,膜片式差压计,结构原理图,【,任务,】,差压式流量计在工业领域流量测量方面应用非常广泛，它的使用量大概占全部流量仪表的,60%,70%,。当被测介质不同时，在安装方面应注意哪些问题？差压式流量测量元件应如何校验？,【,实施方案,】,差压式流量计主要由节流装置、传送差压信号的引压管路及差压计组成。各部分是否可靠正确地安装，将直接影响测量精确度，因此必须十分重视安装工作。,1,节流装置的安装, 孔板的圆柱形锐孔和喷嘴的喇叭形曲面部分应对着流体的流向。, 根据不同的被测介质，节流装置取压口的方位应在所规定的范围内，即在如图,4.7,所示箭头所指的范围。, 必须保证节流件中心与管道同心，其端面与管道轴线垂直。节流件上、下游必须配有足够长度的直管段。, 在靠近节流装置的引压导管上，必须安装切断阀。,2,引压导管的安装, 引压导管是直径为,10,12mm,的铜、铝或钢管，依据尽量按最短距离敷设的原则，长度在,3,50m,之间。管线弯曲处应是均匀的圆角，曲率半径应大于管外径的,10,倍。, 引压导管尽可能垂直安装，以避免管路中积聚气体和水分；必须水平安装时，倾斜度不小于,1:10,；应加装气体、凝液、微粒的收集器和沉降器，并定期排除。, 全部引压导管应保证密闭、无渗漏，注意保温、防冻及防热。, 引压管路上应安装必要的切断、冲洗、排污阀等；测量蒸气或腐蚀性介质时，应加装冷凝器或充有中性隔离液的隔离罐。,3,差压计的安装,要注意其使用时规定的工作条件与现场周围条件（如温度、湿度、腐蚀性、振动等）是否相吻合，若差别明显时应考虑采取预防措施或更改安装地点。,4,不同被测介质的流量测量,（,1,）液体流量的测量,（,2,）气体流量的测量,（,3,）蒸气流量的测量,5,差压式流量测量元件应如何校验,将变送器按要求接好电源和电流表，选择合适的台式标准压力表，把变送器的正压测量室装上一个接头与标准台式压力表的输出端连接，负压室通大气。用一微型气泵打压，气泵的输出与标准台式压力表的输入端连接。打压检查无泄漏后开始校验。,先调整好零位和量程，再按变送器的输出逐点校验。每点上升和下降时的读数之差为变差，校验完后按要求填写校验报告。,其他流量测量元件需使用特殊校验仪器和校验室校验。,容积式流量计测流量,7.2.1,椭圆齿轮流量计,传感器的活动壁是一对互相啮合的椭圆齿轮，它们在被测流体压差的推动下产生旋转运动。,图,4.11,椭圆齿轮流量计原理图,7.2.2,腰轮流量传感器,腰轮流量计又叫罗茨式流量计，其测量原理与椭圆齿轮流量计相同，区别仅在于它的运动部件是一对表面无齿而光滑的腰轮。两个腰轮的相互啮合是靠安装在壳体外与腰轮同轴的驱动齿轮实现的。,图,4.12,腰轮流量计原理图,7.2.3,刮板式流量计,刮板式流量计的运动部件是两对刮板，分为凸轮式和凹线式两种。,图,4.13,凸轮式流量计原理图,速度式流量计测流量,7.3.1,电磁流量计,7.3.1,电磁流量计,1,测量原理,电磁流量计由变送器和转换器两部分组成，被测流体的流量经变送器后变换成相应的感应电动势，再由转换器将感应电动势转换成标准的直流电信号，送至调节器或指示器进行控制或显示。,2.,结构,电磁流量计主要由测量管、励磁系统、电极、衬里、外壳及转换器等组成。,图,4.14,电磁流量计测量原理,图,4.15,电磁流量计结构示意图,7.3.2,涡轮流量计,1,测量原理,在一定的流体介质黏度和一定的流量范围内，涡轮的旋转角速度与通过涡轮的流体流量成正比，通过测量涡轮的旋转角速度可以确定流体的体积流量。,2.,结构,涡轮流量计主要由涡轮及轴承、导流体、磁电转换装置、外壳和信号放大器等部分组成。,1-,导流体；,2-,轴承；,3-,涡轮；,4-,壳体；,5-,信号放大器,图,4.16,涡轮流量计,7.3.3,超声波流量计,1,时差法,流体的体积流量为,图,4.17,时差法测量原理,当声速,c,已知时，只需测出时差,t,就可以求出流体的体积流量。但由于声速,c,受温度影响比较大，时间差,t,的数量级别又很小，超声波流量测量对电子线路要求较高，为测量带来了困难。,2.,相位差法,与时差法相比，这种测量方法避免了测量微小时差,t,，取而代之的是测量数值相对较大的相位差,，有利于提高测量精确度。但由于流速仍与声速,c,有关，因此无法克服声速受温度的影响造成的测量误差。,3.,频率差法,只需测出频率差,f,，就可求出流体流量。式中没有包括声速,c,，即使超声波换能器斜置在管壁外部，声速变化所产生的误差影响也是很小的。所以，目前的超声波流量计多采用频率差法。,7.3.4,流体振动式流量,（,1,） 测量原理与结构,在流体中垂直放置一个有对称形状的非流线形阻流体，流体绕过阻流体流动时，产生附面层分离现象，从阻流体下游两侧就会交替产生两列旋转方向相反的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街或卡曼涡列。,1,涡街流量计,涡街流量计由传感器和转换器两部分组成。,图,4.18,卡曼涡列形成原理,图,4.19,斯特劳哈尔数与雷诺数的关系,流体的体积流量为：,图,4.20,旋涡频率检测原理,（,2,）旋涡频率的检测,旋涡频率的检测是涡街流量传感器的关键，它是通过旋涡频率检测元件实现测量的。圆柱形旋涡发生体常用铂热电阻丝检测频率；三棱柱形旋涡发生体则采用热敏电阻或压电晶体检测频率。,2.,旋进式旋涡流量计,1-,旋涡发生器；,2-,外壳；,3-,频率检测器探头；,4-,放大器；,5-,导流叶片,图,4.21,旋进式旋涡流量计,【,任务,】,工业现场有很多场合需要进行流量的测量与控制，如高炉炼铁生产的热风炉燃烧系统中高炉煤气（或混合煤气）与助燃空气量、石化工业的常压蒸馏塔原油流量、各组分及重油流量、城市污水的排放量、液态食品的计量、导电液体的流量、强腐蚀性液体的计量等，各种不同类型、原理和特点的传感器如何进行选择的？,【,实施方案,】,几种速度式流量计的特点总结为如下几方面。,1,电磁流量计特点, 动态响应快。测量瞬时脉动流量、具有良好的线性，精度一般为,1.5,级和,1,级，可以测量正反两个方向的流量。, 传感器结构简单。管内没有任何阻碍流体流动的阻力件和可动的部件，不会产生任何附加的压力损失。, 应用范围广。除了可测量具有一定电导率的酸、碱、盐溶液外，还可测量泥浆、矿浆、污水、化学纤维等介质的流量。, 电磁流量计输出的感应电动势信号与体积流量呈线性关系，且不受被测流体的温度、压力、密度、黏度等参数的影响，不需要进行参数补偿。电磁流量计只需经水标定后，就可以用于测量其他导电性流体的流量。, 电磁流量计的量程比一般为,10:1,，最高可达,100:1,。测量口径范围为,2mm,3m,。,电磁流量计也有一定的局限性和不足之处：, 不能测量气体、蒸汽及含有大量气泡的液体的流量，也不能测量电导率很低的液体（如石油制品、有机溶剂等）的流量。, 受测量管衬里材料和绝缘材料的限制，电磁流量计不宜测量高温高压介质的流量，使用温度一般在,200,以下，工作压力一般为,0.16,0.25,MPa,。此外，电磁流量计易受外界电磁干扰的影响。,2,涡轮流量计特点, 测量精确度高，可达,0.5,级以上。, 测量范围宽。量程比通常为,6:1,10:1,，有的甚至可达,40:1,，适用于流量大幅度变化的场合。, 反应迅速，可测脉动流。, 重复性好，压力损失小，耐高压、耐腐蚀，结构简单，安装使用方便。, 数字信号输出，便于远距离传输和计算机数据处理，无零点漂移，抗干扰能力强。,使用涡轮流量计测量时，必须注意以下几点：, 对被测介质清洁度要求较高，以减少对轴承的磨损，故应用领域受到一定限制。, 受来流流速分布畸变和旋转流等影响较大，传感器前后应有较长的直管段。, 流体密度、黏度对流量特性的影响较大；传感器仪表系数,K,一般是在常温下用水标定的，所以当流体密度、黏度发生变化时，需要重新标定或者进行补偿。,3,超声波流量计特点, 超声波流量测量属于非接触式测量，夹装式换能器的超声波流量计安装时，无须进行停流截管的安装，只要在管道外部安装换能器即可，不会对管内流体的流动带来影响。, 适用范围广，可以测量各种流体和中低压气体的流量，包括一般其他流量计难以解决的强腐蚀性、非导电性、放射性流体的流量。, 管道内无阻流件，无压力损失。, 量程范围宽，量程比一般可达,1:20,。, 管道直径一般为,5,20,cm,，根据管道直径需设置足够长的直管段。, 流速沿管道的分布情况会影响测量结果，超声波流量计测得的流速与实际平均流速之间存在一定差异，而且与雷诺数有关，需要进行修正。, 传播时间差法只能用于清洁液体和气体；多普勒法不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体。, 声速是温度的函数，流体的温度变化会引起测量误差。, 管道衬里或结垢太厚，以及衬里与内管壁剥离、锈蚀严重时，测量精度难以保证。,4,涡街流量计特点, 管道内无可动部件，可靠性高，压损小，使用寿命长。, 测量精确度较高，一般可达,0.5%,1%,。, 测量范围宽，量程比可达,10:1,，最高时达,30:1,。, 结构简单、牢固，安装维护方便，费用较低。, 它的输出为脉冲频率，其频率与被测流体的实际体积流量成正比，适用于总流量计量，尤其适用于大口径管道的流量测量。, 一定雷诺数范围内，输出频率信号不受流体的压力、温度、密度、黏度、组分的影响，因此用水或空气标定后可适用于其他各种介质的流量测量，不需要重新标定。, 旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转的影响，应根据上游侧不同形式的旋涡发生体配置足够长的直管段（上游侧不小于,20,D,、下游侧不小于,5,D,）或装设整流器；旋涡发生体的轴线应与管道轴线垂直。, 在低雷诺数情况下，斯特劳哈尔数变化比较大，因此在高黏度、低流速、小口径情况下应用时受到限制。,质量流量计,质量流量的测量方法主要有,3,大类。,直接法：输出信号直接反映被测流体的质量流量值。,间接法：同时测量出被测流体的体积流量和流体密度，或同时用两个测量元件分别测出两个与体积流量和密度有关的信号，通过运算得到反映质量流量的信号。,补偿法：同时测量出被测流体的体积流量和温度、压力，应用有关公式求出流体的密度或将被测流体的体积流量换算成标准状态下的体积流量，从而间接确定其质量流量。,1,科氏质量流量计,流体在振动管中流动时产生与质量流量成正比的科里奥利力。根据物理学中的科里奥利力的原理而制成的质量流量计称为科里奥利力质量流量计，简称科氏质量流量计。,图,4.22,科氏力的演示实验,图,4.23,双弯管型科氏质量流量计结构,特点：, 科氏质量流量计测量精确度高。, 可以测量黏度和密度相对较大的单相流体和混相流体的质量流量，常用于测量液体流量。, 不受管内流动状态的影响，对上下游直管段要求不高。, 测量范围大，量程比可达,10:1,，最大可达,50:1,。, 在测量质量流量的同时，可同时测量介质密度、体积流量、温度等参数，实现了多参数测量。, 压力损失大，与容积式传感器相当甚至更大。,2,间接式质量流量计,主要的组合方式有：,（,1,）差压（靶）式流量计与密度计组合方式,（,2,）容积（速度）式流量计与密度计组合方式,（,3,）差压（靶）式流量计与容积（速度）式流量计组合方式,图,4.24,差压式流量计与容积式流量计组合方式的测量原理图,3,温度、压力补偿式质量流量计,对于不可压缩液体，其密度的变化主要受温度的影响，受压力的影响较小，一般可忽略不计。,对于低压气体，可认为符合理想气体状态方程，推导后得出气体在工作状态下的密度计算公式为,使用速度式或容积式流量传感器测量时，质量流量可计算为,使用差压式流量传感器时，质量流量则应为,