第07章 流量測(cè)量1-(節(jié)流式流量計(jì))

第7章流量測(cè)量7.1概述7.2節(jié)流式流量計(jì)7.3速度式流量計(jì)7.4容積式流量計(jì)7.5質(zhì)量流量計(jì)7.6兩相流流量測(cè)量介紹7.1流量測(cè)量概述流量流體的物理性質(zhì)與管流的基礎(chǔ)知識(shí)流量測(cè)量方法流量測(cè)量系統(tǒng)流量計(jì)的校驗(yàn)與標(biāo)定7.1.1流量定義：流體在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)某一有效截面的體積或質(zhì)量，前者稱體積流量，后者稱質(zhì)量流量。注意：流體的密度隨流體的狀態(tài)參數(shù)而變化，故在給出體積流量的同時(shí)，必須指明流體的狀態(tài)。對(duì)于氣體，其密度隨壓力、溫度變化顯著，為了便于比較，常把工作狀態(tài)下氣體的體積流量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(溫度為20℃，絕對(duì)壓力為1atm)的體積流量，用QN表示。累積流量：某一段時(shí)間內(nèi)流過的流體量，即瞬時(shí)流量對(duì)時(shí)間的積分。流量計(jì):用來測(cè)量流量的儀表。測(cè)量流量總量的儀表稱為流體計(jì)量表或總量計(jì)。累積流量：平均流速：u流體在流過截面上各點(diǎn)的流速。體積流量和質(zhì)量流量關(guān)系：流量的計(jì)量單位 體積流量： m3/s， 質(zhì)量流量： kg/s； 累積體積流量：m3； 累積質(zhì)量流量：kg。

工程上使用的流量計(jì)量單位還有：

m3/h、L/min、t/h

L、t（噸）

7.1.2流體的物理性質(zhì)與管流基礎(chǔ)知識(shí)1.流體的密度 單位體積的流體具有的質(zhì)量稱為流體密度，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

M

流體質(zhì)量；V流體體積；流體的密度。流體密度是溫度和壓力的函數(shù)。單位是kg/m3。2.流體粘度流體運(yùn)動(dòng)過程中阻滯剪切變形的粘滯力與流體的速度梯度和接觸面積成正比，并與流體粘性有關(guān)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（牛頓粘性定律）：

F 粘滯力；

A 接觸面積；

du/dy 流體垂直于速度方向的速度梯度；

表征流體粘性的比例系數(shù)。流體的動(dòng)力粘度與流體密度的比值稱為運(yùn)動(dòng)粘度，即

動(dòng)力粘度的單位為牛頓·秒/米2（N·s/m2），帕斯卡秒（Pa·s）；運(yùn)動(dòng)粘度的單位為米2/秒（m2/s）。3.流體的壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)流體的壓縮性：在一定的溫度下，流體體積隨壓力增大而縮小的特性；流體的膨脹性：在一定壓力下，流體的體積隨溫度升高而增大的特性。當(dāng)流體溫度不變而所受壓力變化時(shí)，其體積的相對(duì)變化率：—流體的體積壓縮系數(shù)，（1/Pa）； —流體的原體積，(m3)；—流體壓力增量，(Pa)；—流體體積變化量，(m3)；1）壓縮系數(shù)—流體的體積膨脹系數(shù)(1/℃)；—流體的原體積，(m3)；—流體體積變化量，(m3)；—流體溫度變化量(℃)。在一定的壓力下，流體溫度變化時(shí)其體積的相對(duì)變化率，即2）膨脹系數(shù)雷諾數(shù)是流體流動(dòng)的慣性力與粘滯力之比，表示為：—雷諾數(shù)（無量綱數(shù)）；—流動(dòng)橫截面的平均流速，（m/s）；—?jiǎng)恿φ扯?，（N·s/m2）； —運(yùn)動(dòng)粘度，（m2/s）；—流體的密度，(kg/m3)；—特征長(zhǎng)度，（m）。4.雷諾數(shù)(1)單相流和多相流單相流：管道中只有一種均勻狀態(tài)的流體流動(dòng)；多相流：管道中有兩種以上的不同相流體同時(shí)流動(dòng)。(2)可壓縮和不可壓縮流體的流動(dòng)流體：可壓縮和不可壓縮流體；流體的流動(dòng)：可壓縮流體流動(dòng)和不可壓縮流體流動(dòng)。5.管流類型

(3)穩(wěn)定流和不穩(wěn)定流穩(wěn)定流：當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，若其各處的速度和壓力僅和流體質(zhì)點(diǎn)所處的位置有關(guān)，而與時(shí)間無關(guān)；不穩(wěn)定流：若其各處的速度和壓力不僅和流體質(zhì)點(diǎn)所處的位置有關(guān)，而且與時(shí)間出有關(guān)。(4)層流與紊流管內(nèi)流體有兩種流動(dòng)狀態(tài)：層流和紊流。層流：流體沿軸向作分層平行流動(dòng)，各流層質(zhì)點(diǎn)沒有垂直于主流方向的橫向運(yùn)動(dòng)，互不混雜，有規(guī)則的流線。紊流：管內(nèi)流體不僅有軸向運(yùn)動(dòng)，而且還有劇烈的無規(guī)則的橫向運(yùn)動(dòng)。圓形截面管道，當(dāng)管內(nèi)流體為層流狀態(tài)時(shí)，沿半徑方向上的流速分布式表示為：6.流速分布與平均流速流體有粘性，當(dāng)它在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，即使是在同一管路截面上，流速也因其流經(jīng)的位置不同而不同。越接近管壁，由于管壁與流體的粘滯作用，流速越低；管中心部分的流速最快。流體流動(dòng)狀態(tài)不同將呈現(xiàn)不同的流速分布?！喙苤行木嚯x處的流速；—管中心處最大流速；—距管中心徑向距離；—管內(nèi)半徑。當(dāng)管內(nèi)流體為紊流狀態(tài)時(shí)，沿半徑方向上的流速分布為：n—隨流體雷諾數(shù)不同而變化的系數(shù)

104104

1042.5610.5420.5632.007.07.38.08.338.453.670.084.48.58.89.09.2110.0152.0198.0278.09.49.79.89.9雷諾數(shù)與n的關(guān)系圓管內(nèi)的流速分布根據(jù)流速求得流量的流量計(jì)，一般是檢測(cè)出平均流速后求得流量。對(duì)于層流，平均流速是管中心最大流速的0.5倍()；紊流時(shí)的平均流速與n值有關(guān)：7.流體流動(dòng)的連續(xù)性方程和伯努利方程(1)連續(xù)性方程任取一管段，設(shè)截面Ⅰ、截面Ⅱ處的面積、流體密度和截面上流體的平均流速分別為A1、、和A2、、。

連續(xù)性方程示意圖(2)伯努利方程理想流體在重力作用下在管內(nèi)定常流動(dòng)時(shí)，對(duì)于管道中任意兩個(gè)截面Ⅰ和Ⅱ，伯努利方程為：伯努利方程示意圖—重力加速度

—截面Ⅰ和Ⅱ相對(duì)基準(zhǔn)線的高度；

—截面Ⅰ和Ⅱ上流體的靜壓力；

—截面Ⅰ和Ⅱ上流體的平均流速。實(shí)際流體具有粘性，在流動(dòng)過程中要克服流體與管壁以及流體內(nèi)部的摩擦阻力，使流體的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。因此，實(shí)際流體的伯努利方程可寫為：—截面Ⅰ和Ⅱ之間單位質(zhì)量實(shí)際流體流動(dòng)產(chǎn)生的能量損失。

(2)實(shí)際流體的伯努利方程7.1.3流量測(cè)量方法目前，已使用的流量計(jì)有100多種。這些方法均可歸結(jié)為容積法、速度法、質(zhì)量流量法、差壓法等。1、差壓法：利用伯努利方程原理，通過測(cè)量流體差壓信號(hào)得到流量的測(cè)量方法。2．容積法相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容器連續(xù)不斷地對(duì)流體進(jìn)行度量，單位時(shí)間內(nèi)，度量的次數(shù)越多，說明流量越大。特點(diǎn)：受流動(dòng)狀態(tài)影響較小，適用于高粘度、低雷諾數(shù)的流體；不宜于測(cè)量高溫高壓以及臟污介質(zhì)的流量；流量測(cè)量上限較小。主要類型：橢圓齒輪流量計(jì)腰輪流量計(jì)刮板流量計(jì)等。3．速度法由流體的一元流動(dòng)的連續(xù)方程，截面上的平均流速與體積流量成正比，如果可得到流體密度的信號(hào)，便可得到質(zhì)量流量。

節(jié)流式流量計(jì)是應(yīng)用最廣泛的一種速度法流量計(jì)。其他形式的速度式流量計(jì)還有轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)等。平均流速：4．質(zhì)量流量法方法1：測(cè)量流體的體積流量，根據(jù)測(cè)量得到的流體的壓力、溫度等狀態(tài)參數(shù)對(duì)流體密度的變化進(jìn)行補(bǔ)償。方法2：測(cè)量與流體質(zhì)量流量有關(guān)的物理量(如動(dòng)量、動(dòng)量矩等)，從而直接得到質(zhì)量流量。這種方法與流體的成分和參數(shù)無關(guān)，具有明顯的優(yōu)越性。但目前的質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。在線測(cè)量流體密度的難度很大，影響了質(zhì)量流量的測(cè)量準(zhǔn)確性。類別工作原理儀表名稱可測(cè)流體種類適用管徑mm測(cè)量精度％安裝要求、特點(diǎn)體積流量計(jì)差流壓量式計(jì)流體流過通管道中的阻力件時(shí)產(chǎn)生的壓力差與流量之間有確定關(guān)系，通過測(cè)量差壓值求得流量節(jié)流式孔板液、氣、蒸汽50～1000±1～2需直管段，壓損大噴嘴50～500需直管段，壓損中等文丘里管100～1200需直管段，壓損小均速管液、氣、蒸汽25～9000±1需直管段，壓損小轉(zhuǎn)子流量計(jì)液、氣4～150±2垂直安裝靶式流量計(jì)液、氣、蒸汽15～200±1～4需直管段，彎管流量計(jì)液、氣±0.5～5需直管段，無壓損容流積量式計(jì)直接對(duì)儀表排出的定量流體計(jì)數(shù)確定流量橢園齒輪流量計(jì)液10～400±0.2～0.5無直管段要求，需裝過濾器，壓損中等腰輪流量計(jì)液、氣刮板流量計(jì)液±0.2無直管段要求，壓損小速流度量式計(jì)通過測(cè)量管道截面上流體平均流速來測(cè)量流量渦輪流量計(jì)液、氣4～600±0.1～0.5需直管段，裝過濾器渦街流量計(jì)液、氣150～1000±0.5～1需直管段電磁流量計(jì)導(dǎo)電液體6～2000±0.5～1.5直管段要求不高，無壓損超聲波流量計(jì)液＞10±1需直管段，無壓損直接式直接檢測(cè)與質(zhì)量流量成比例的量來質(zhì)量流量熱式質(zhì)量流量計(jì)氣±1沖量式質(zhì)量流量計(jì)固體粉料±0.2～2科氏質(zhì)量流量計(jì)液、氣±0.15間接式同時(shí)測(cè)體積流量和流體密度來計(jì)算質(zhì)量流量體積流量經(jīng)密度補(bǔ)償液、氣±0.5溫度、壓力補(bǔ)償體積流量計(jì)質(zhì)量流量計(jì) 任何流量計(jì)都有其適用范圍，對(duì)流體的特性以及管道條件都有特定的要求。目前生產(chǎn)的各種容積法和速度法流量計(jì)，都要求滿足下列條件：流體必須充滿管道內(nèi)部，并連續(xù)流動(dòng)；流體在物理上和熱力學(xué)上是單相，流經(jīng)測(cè)量元件時(shí)不發(fā)生相變；流速一般低于音速。 雖然兩相流動(dòng)是工業(yè)過程中廣泛存在的流動(dòng)現(xiàn)象。但目前尚無成熟的兩相流流量?jī)x器。7.2節(jié)流式流量計(jì)原理及流量方程結(jié)構(gòu)有關(guān)參數(shù)測(cè)量誤差使用范圍設(shè)計(jì)計(jì)算非標(biāo)節(jié)流元件差壓式流量計(jì)基于流體在通過設(shè)置于流通管道上的流動(dòng)阻力件時(shí)產(chǎn)生的壓力差與流體流量之間的確定關(guān)系，通過測(cè)量差壓值求得流體流量。1-節(jié)流元件2-引壓管路3-三閥組4-差壓計(jì)

節(jié)流式流量計(jì)組成圖7-3流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)壓力和流速變化情況7.2.1節(jié)流裝置測(cè)量原理及流量方程在充滿流體的管道中放置一個(gè)固定的、有孔的節(jié)流元件，造成流束的局部收縮。對(duì)一定結(jié)構(gòu)的節(jié)流元件，其前后的靜壓差與流量成一定的函數(shù)關(guān)系。節(jié)流元件、靜差壓取出裝置和節(jié)流元件前后的直管段的組合體，稱為節(jié)流裝置。根據(jù)截面1、2處的壓力能、動(dòng)能和勢(shì)能的關(guān)系，可寫出伯努利方程：

(7-2)C1,C2：截面1，2處流速不均勻，以平均流速計(jì)算動(dòng)能時(shí)采用的修正系數(shù)；Z1,Z2：截面1，2處流體對(duì)參考水平面的距離；g: 重力加速度；: 能量損失系數(shù)。根據(jù)流體流動(dòng)的連續(xù)性方程，有

(7-3)1、不可壓縮流體的流量方程不可壓縮流體：1=2=

水平管道：Z1=Z2非水平管道：因截面距離很近，也可認(rèn)為Z1=Z2。將上述關(guān)系帶入方程(7-2)、(7-3)，得定義節(jié)流元件開孔面積A0，收縮系數(shù)(7-5)(7-4)(7-8)可得：流體的質(zhì)量流量G：定義流量系數(shù)a定義即不可壓縮流體的流量方程。方程中的流量系數(shù)a也可用流出系數(shù)C代替。流出系數(shù)——指實(shí)際流量與不考慮能量損失，并取C1=C2=1，=1，=1時(shí)的計(jì)算流量的比值?？勺C明2、可壓縮流體的流量方程7.2.2標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置對(duì)于不同幾何形狀的節(jié)流元件及不同的取壓方式，流量方程中的(或C)、各不相同，受多種因素影響，須由實(shí)驗(yàn)求出。因此，任意節(jié)流裝置使用起來不方便，必須使其標(biāo)準(zhǔn)化。建立標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)流裝置的理論基礎(chǔ)對(duì)于一定粗糙度的管道，幾何相似（相等）的節(jié)流裝置在流體動(dòng)力學(xué)相似（管內(nèi)ReD相等）的條件下，流量系數(shù)相等。值完全可由實(shí)驗(yàn)確定。節(jié)流元件的標(biāo)準(zhǔn)形式包括：和的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保證與試驗(yàn)時(shí)幾何相似和流體動(dòng)力學(xué)相似的具體條件（如節(jié)流元件的結(jié)構(gòu)尺寸、取壓方式、管道條件、流體條件）符合國(guó)際規(guī)定的條件。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置可直接使用給出的、值，流量與壓差的關(guān)系不必校準(zhǔn)，可在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)通過計(jì)算求得。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2624-93規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置為：①標(biāo)準(zhǔn)孔板，角接取壓；②標(biāo)準(zhǔn)孔板，法蘭取壓；③ISAl932噴嘴(標(biāo)準(zhǔn)噴嘴)，角接取壓。其他標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，長(zhǎng)徑噴嘴文丘里噴嘴。1、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件(1)標(biāo)準(zhǔn)孔板標(biāo)準(zhǔn)孔板為中間開孔、兩面平整且平行的薄板，由不銹鋼制成。(2)ISA1932噴嘴(標(biāo)準(zhǔn)噴嘴)

ISA1932噴嘴的型線的組成進(jìn)口端面A；收縮部分第一圓弧面C1第二圓弧面C2圓筒形喉部e圓筒形出口邊緣保護(hù)槽H圓筒形喉部長(zhǎng)0.3d，其直徑即節(jié)流件開孔直徑d。ISA1932噴嘴的加工安裝要求2、取壓裝置

環(huán)室有均壓作用，壓差比較穩(wěn)定，所以被廣泛采用。但當(dāng)管徑超過500mm時(shí)，環(huán)室加工麻煩，一般都采用單獨(dú)鉆孔取壓。法蘭取壓角接取壓裝置法蘭取壓裝置角接取壓：簡(jiǎn)便，容易實(shí)現(xiàn)環(huán)室取壓，測(cè)量精度較高。法蘭取壓：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，容易裝配，精度較角接取壓低。3、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的管道條件節(jié)流件前后直管段ll，l2的要求見附表7-1(P249)。ll的長(zhǎng)度取決于節(jié)流件上游第一個(gè)阻力件形式和節(jié)流件的值，表中所列數(shù)值是管道內(nèi)徑D的倍數(shù)。如果實(shí)際的ll在括號(hào)內(nèi)和括號(hào)外的數(shù)字之間，則應(yīng)對(duì)流量測(cè)量的極限誤差算術(shù)值加上±0.5％。若節(jié)流件上游有兩個(gè)阻力件，其間的直管段長(zhǎng)度l0，取按上游第二個(gè)阻力件形式和=0.7(不論實(shí)際為多少)查附表7-1所得ll的一半。如節(jié)流件上游有溫度計(jì)套管，它與節(jié)流件的距離應(yīng)為5D(3D)(當(dāng)溫度計(jì)套管直徑＜0.03D時(shí))或20D(10D)(當(dāng)溫度計(jì)套管直徑在0.03D~0.13D之間時(shí))。一般應(yīng)盡可能把溫度計(jì)裝于節(jié)流件之后，此時(shí)要求它與節(jié)流件的距離大于5D。如果節(jié)流件上游有直徑大于2D的容器造成突然收縮或有開敞空間，其與節(jié)流件的距離不得小于30D(15D)。如實(shí)際使用的節(jié)流件上游的阻力件的形式?jīng)]有包括在附錄表7-1內(nèi)，或要求的三個(gè)直管段長(zhǎng)度(ll，l2，l3)有一個(gè)小于括號(hào)內(nèi)的數(shù)值或有兩個(gè)都在括號(hào)內(nèi)外數(shù)值之間，則整套節(jié)流裝置需單獨(dú)標(biāo)定。在節(jié)流件上游10D和下游4D的范圍內(nèi)，管道內(nèi)壁應(yīng)沒有肉眼可見的凸凹不平、沉積物或結(jié)垢。為了得到精確的D值和滿足管道圓度的要求，應(yīng)在節(jié)流件上游0D，0.5D，1D，2D處取與管道軸線垂直的四個(gè)截面，對(duì)每個(gè)截面等角距地測(cè)量四個(gè)管道內(nèi)徑，這十六個(gè)測(cè)量值的算術(shù)平均值作為D值，并且平均值與任一單測(cè)值的偏差不大于±0.3％。對(duì)于節(jié)流件下游管道，也要在2D范圍內(nèi)這樣測(cè)量，但要求可降低，單測(cè)值可少些，任一單測(cè)值與平均值的偏差不大干±2％。4．標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流體條件標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置測(cè)量流體必須滿足如下要求，滿管，流體必須充滿管道內(nèi)部，并連續(xù)流動(dòng)；單相，流體在物理上和熱力學(xué)上是單相，流經(jīng)測(cè)量元件時(shí)不發(fā)生相變；流體的速度一般低于音速。流體必須是在圓管內(nèi)流動(dòng)，且已知密度和粘度，流速穩(wěn)定，不存在旋渦，只允許流量緩慢變化。7.2.3標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的參數(shù)1、流量系數(shù)與、ReD、管道粗糙度有關(guān)。管道粗糙，大。管道粗糙度用絕對(duì)粗糙度kc或相對(duì)粗糙度kc/D來表示。常用管道的粗糙度如附表7-2所示。為了使用方便，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，往往在光滑管道(kc/D＜0.0004)上，根據(jù)式(7-12)測(cè)定流量系數(shù)，稱為光管流量系數(shù)或原始流量系數(shù)0，并編成圖7-8所示的0＝f(2,ReD)的圖形。分析：不同的節(jié)流裝置，0不同。同一節(jié)流裝置，在某一值,0隨ReD變化。隨著ReD的增大，0的變化越來越小。流量變化時(shí)，0跟隨發(fā)生變化