熱能與動力工程測試技術(shù)- 流量測量

1、第八章 流量測量大型化工企業(yè)中，流量是控制工藝過程和保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。第一節(jié) 流量及其測量儀表 流體與流量流量分瞬時流量和累積流量平均流量：累積流量除以相應(yīng)的時間間隔質(zhì)量流量：是單位時間內(nèi)通過的流體質(zhì)量，用qm表示，單位為kg/s。體積流量：是單位時間內(nèi)通過的流體體積，用qV表示，單位為m3/s。應(yīng)注意相應(yīng)的狀態(tài)溫度、壓力 流量計類型 容積型流量計單位時間內(nèi)流體充滿或排出某定容容器的次數(shù)。優(yōu)點：(1) 計量精度高; (2) 安裝管道條件對計量精度沒有影響; (3) 可用于高粘度、低雷諾數(shù)液體的測量; (4) 范圍度寬 缺點：(1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大; (2)不適用于高溫、高壓場合; (3

2、)大局部儀表只適用于潔凈單相流體; (4)產(chǎn)生噪聲及振動。容積式流量計橢圓齒輪流量計腰輪流量計刮板流量計伺服流量計皮膜流量計液體測量氣體測量 粘度愈大的介質(zhì)，從齒輪和計量空間隙中泄漏出去的泄漏量愈小，對測量愈有利。 橢圓齒輪流量計 每轉(zhuǎn)一周，四個相同月牙形腔測量室被形成、被封閉、被傳送、被卸出。兩個齒輪共送出4個標準容積的流體。 腰輪上沒有齒，它們是通過按裝在體外的傳動齒輪組進行傳動. 腰輪流量計羅茨流量計 刮板式流量計 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，排出4份固定體積的流體，由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)就可以求得被測流體的流量 伺服式容積流量計 流量計進出口壓差小，使泄漏量減小到最低限度。可以實現(xiàn)小流量的高精度測量，而且測量

3、誤差幾乎不受流體壓力、粘度和密度的影響。 速度型流量計 利用體積流量等于平均流速乘以管道橫截面積。優(yōu)點：可用于高溫高壓流體的測量，精度較高 類型：節(jié)流式流量計、轉(zhuǎn)子流量計、渦輪流量計電磁流量計和超聲波流量計。缺點：測量結(jié)構(gòu)受流動條件影響大。 質(zhì)量型流量計分直接型、推導(dǎo)型和溫度壓力補償型 直接型質(zhì)量流量計直接檢測與質(zhì)量流量成比例的量，檢測元件直接反映出質(zhì)量流量。類型：量熱式、角動量式、振動陀螺式、馬格努斯式、科里奧利式質(zhì)量流量計如右圖所示，當一個質(zhì)點相對于慣性系做直線運動時，相對于旋轉(zhuǎn)體系，其軌跡是一條曲線。立足于旋轉(zhuǎn)體系，我們認為有一個力驅(qū)使質(zhì)點運動軌跡形成曲線，這個力就是科里奧利力。根據(jù)牛頓

4、力學(xué)的理論，以旋轉(zhuǎn)體系為參照系，這種質(zhì)點的直線運動偏離原有方向的傾向被歸結(jié)為一個外加力的作用，這就是科里奧利力。從物理學(xué)的角度考慮，科里奧利力與離心力一樣，都不是真實存在的力，而是慣性作用在非慣性系內(nèi)的表達。 科里奧利力或又簡稱為科氏力，是對旋轉(zhuǎn)體系中進行直線運動的質(zhì)點由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運動的偏移的一種描述。 推導(dǎo)型質(zhì)量流量計采用體積流量計和密度計組合，實現(xiàn)質(zhì)量流量的測量。 由于密度計受濕度、壓力范圍的限制，該類型流量計應(yīng)用較少。體積流量流體溫度流體壓力密度質(zhì)量流量溫度補償型質(zhì)量流量計目前工業(yè)上普遍應(yīng)用的一種測量方法 流量計的選用原那么被測流體的性質(zhì)； 流體的物態(tài)及其特性。用途；

5、 測量精度、工藝要求 。工況條件； 流體的流量、溫度和壓力范圍。 一般液體流量計以20水進行刻度、氣體在常壓和20下進行刻度。 其他； 安裝條件、永久壓損造成的費用。第二節(jié) 節(jié)流式差壓式流量計 測量原理與流量方程流量系數(shù)流體膨脹校正系數(shù)對不可壓流體主要由節(jié)流裝置和差壓計組成。 節(jié)流裝置常用節(jié)流元件有孔板、噴嘴、文丘里管等。這幾種裝置都已標準化 角接取壓、法蘭取壓、徑距取壓、理論取壓、管接取壓。目前廣泛采用角接取壓法，其次是法蘭取壓法。 取壓方式：上游為2.5D，下游為8D 徑距取壓:理論取壓上游為D，下游為0.5D 上游為D，下游取壓孔中心至孔板前端面的間距取決孔板孔徑與管道內(nèi)徑比值d/D 管

6、接取壓各取壓法特點1 管接取壓法損失取壓法：是一種古老的取壓方式，是希客斯坦在1913年發(fā)布的。上游取壓口位置距孔板上游端面2.5D，下游取壓口位置距孔板下游端面8D。在下游取壓點是在流體經(jīng)過孔板后，流體的流束已經(jīng)完全充滿管道，所以上、下游形成的差壓比較小，另外在下游的8D之內(nèi)管壁粗糙度直接影響差壓值。此種取壓法除了少數(shù)的天然氣測量流量還保存外，根本不再使用。a-a 角接取壓 b-b 法蘭取壓 c-c 徑距取壓 d-d 理論取壓 e-e 管接取壓2理論取壓法縮流取壓法：為了克服管接取壓法產(chǎn)生差壓小的缺點，將下游取壓點改為流體經(jīng)過孔板后流束收縮最小的位置，此處產(chǎn)生的差壓最大。但是流束收縮最小的位

7、置是與直徑比與有關(guān)的函數(shù)，所以這種取壓法的下游取壓點是不固定的，應(yīng)用起來很不方便，此方法只能作為理論分析用，沒有實際應(yīng)用。3徑距取壓法：此方法是針對管接取壓法產(chǎn)生差壓小的缺點改進而來，將下游取壓點的位置固定。在直徑比小于0.735時，徑距法與理論法的數(shù)據(jù)很接近。在結(jié)構(gòu)上，沒有復(fù)雜的加工件，現(xiàn)場安裝使用很方便，在歐美國家應(yīng)用廣泛。4角接取壓法：采用環(huán)室結(jié)構(gòu)，利用環(huán)室的均壓作用提高測量精度。環(huán)室的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工費時、費料、本錢高，環(huán)室的取壓孔容易堵塞，不易疏通。5法蘭取壓法：一般都在法蘭上取壓，結(jié)構(gòu)上比角接和環(huán)室要簡單，只是需要專用的孔板法蘭，不能用普通法蘭代替。GB/T262493把徑距取壓法、

8、角接取壓法和法蘭取壓法作為標準節(jié)流裝置的取壓方法。 標準節(jié)流裝置及使用條件 標準節(jié)流裝置是通過大量實驗總結(jié)、一經(jīng)加工便可直接投產(chǎn)使用，無需進行實際標定。 流體條件流體在圓管內(nèi)流動、流體充滿管道且連續(xù)流動；流體是單相的，且經(jīng)節(jié)流裝置時無相變；流速穩(wěn)定，無旋渦，定常流動;流體為牛頓流體。 管道條件節(jié)流元件前后應(yīng)由一段足夠長的直管段；直管段截面必須為圓形。 安裝要求節(jié)流元件前端面應(yīng)與管道軸線垂直；節(jié)流元件開孔應(yīng)與管道同心；節(jié)流元件受熱時能自由膨脹；閥門最好安裝在節(jié)流元件后最小直管段長度以外。 標準節(jié)流裝置測量結(jié)果的修正 流量系數(shù) 當管壁粗糙度超出許可范圍、開孔出現(xiàn)磨損、實際雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)時，需

9、進行修正： 流體膨脹校正系數(shù)在測量可壓縮流體時需要考慮 開孔尺寸因溫度變化的修正 被測流體密度變化 綜合修正系數(shù) 轉(zhuǎn)子(浮子)流量計結(jié)構(gòu)：錐形管浮子流量系數(shù)轉(zhuǎn)子體積轉(zhuǎn)子穩(wěn)定處環(huán)形通道面積(1)轉(zhuǎn)子式流量計測量原理轉(zhuǎn)子受向上的浮力、向下的重力兩力相等流量轉(zhuǎn)子環(huán)隙面積向上的力流速向上的力兩力相等轉(zhuǎn)子靜止在新位置轉(zhuǎn)子靜止在某位置測量范圍：每小時幾升幾百立方米 每小時幾升幾千立方米注意：轉(zhuǎn)子流量計應(yīng)垂直安裝； 轉(zhuǎn)子對玷污敏感，不宜測量易使轉(zhuǎn)子玷污的介質(zhì)，應(yīng)定期清洗。 結(jié)構(gòu)簡單； 使用維護方便； 測量范圍寬； 工作可靠且線性刻度； 適用性廣。特點：第三節(jié) 渦輪流量計 在一定范圍內(nèi)，渦輪的轉(zhuǎn)速與流體的平均

10、流速成正比，通過磁電轉(zhuǎn)換裝置將渦輪轉(zhuǎn)速變成電脈沖信號，以推導(dǎo)出被測流體的瞬時流量和累積流量。 原理測得的體積流量： 渦輪流量計根本特性線性特性：峰值 減輕葉輪質(zhì)量，減少渦輪轉(zhuǎn)動局部的摩擦阻力矩壓力損失特性：隨著體積流量增加，壓力損失顯著增加 影響渦輪流量計測量結(jié)果的主要因素 流體粘度標定液體：常溫下的水 液體粘度為110-6m2/s左右時，不需單獨標定 液體粘度在110-61510-6m2/s時，測量精度能滿足工業(yè)測量要求。 液體粘度大于1510-6m2/s時，應(yīng)重新標定。 流體密度 被測流體的密度值受狀態(tài)參數(shù)的影響而發(fā)生明顯變化時，應(yīng)在測量回路中參加密度補償器。 流體壓力和溫度壓力變化對渦輪

11、變送器結(jié)構(gòu)尺寸的修正系數(shù)溫度變化對渦輪變送器結(jié)構(gòu)尺寸的修正系數(shù)壓力變化對流體體積的修正系數(shù)溫度變化對流體體積的修正系數(shù)溫度、壓力同時變化時，流量的修正系數(shù) 流動狀態(tài)上游直管段為20D，下游為5D缺點:制造困難，本錢高；難以長期保持校準特性，需要定期校驗。場合:通常渦輪流量計主要用于量精度要求高、流量變化快的場合，還用作標準儀表。優(yōu)點：1精確高，在所有流量計中，最精確。2重復(fù)性好，短期重復(fù)性可達0.05-0.2；3輸出脈沖頻率信號，抗干擾能力強。4測量范圍度寬，中大口徑可達40:1-10:1。5結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，適用高壓測量。第四節(jié) 光纖流量計可在小位移范圍內(nèi)進行高速位移測量 膜片材料一般采用鋼,銅

12、，厚度為0.050.2。 膜片內(nèi)側(cè)鍍銅或銀，以增強反射。 Y型光導(dǎo)：是一種光纖位移傳感器。根據(jù)輸入輸出光強的相對變化測量膜片的位移。 由Y形光纖測得位移差，從而得到壓差，利用公式計算流量。 光纖差壓式流量計 光纖膜片式流量計 光纖卡門渦街流量計 渦旋的頻率面積比流速流量抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、平安 重量輕、體積小、可撓曲 對被測介質(zhì)影響小，有利于在生物、醫(yī)藥衛(wèi)生等具有復(fù)雜環(huán)境的領(lǐng)域中應(yīng)用。 靈敏度較高 可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕或其它的惡劣環(huán)境 特點：第五節(jié) 超聲波流量計優(yōu)點：非接觸測量，對流速無影響，也沒有壓力損失；能用于任何液體，也能測量氣體的流量；適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量；輸出與流量之間呈線性等優(yōu)點。缺點：只能用于測量200以下的流體；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本錢較高。 根本原理 流速不同會使超聲波在流體中傳播的速度發(fā)生變化，通過分析計算改變的超聲波信號，可以檢測到流體的流速，進而可以得到流量值。F1到J2超聲波傳播速度為：F2到J1超聲波傳播速度為：得到： 時間差法超聲波流量計 測量順、逆流傳播時由于超聲波