SK第六章流量測量1課件

1、第六章 流量測量概論 * 流量的概念 * 容積流量Q與質(zhì)量流量G的關(guān)系：G=Q *幾種測量流量的方法* 速度式(渦輪流量計、渦階流量計、磁電式流量計)*節(jié)流差壓法(節(jié)流流量計、進口流量計、轉(zhuǎn)子流量計)*容積流量計*超聲波流量計第1頁，共75頁。流速法測流量概論 速度式流量計的工作原理 關(guān)鍵：求管道截面上的平均速度第2頁，共75頁。流速法測流量管道流體的速度分布層流時流速沿圓管徑向分布 湍流時流速沿圓管徑向分布穩(wěn)定的速度分布是得到準(zhǔn)確測量值的必要條件第3頁，共75頁。流速法測流量平均速度測量理論的平均流速測量法(1) 層流(Red2300)：解得：平均流速相應(yīng)測點位置為：第4頁，共75頁。(2)

2、 湍流：流速法測流量平均速度測量理論的平均流速測量法平均流速相應(yīng)測點位置為：第5頁，共75頁。流速法測流量平均速度測量理論的平均流速測量法湍流時圓管內(nèi)平均流速Red1042.5620.5670.00n789第6頁，共75頁。流速法測流量平均速度測量實際的平均流速測量法確定特征點的方法：等環(huán)面法、切比雪夫積分法、對數(shù)線性法等。第7頁，共75頁。(1) 等環(huán)面法圓管形管道特征點位置：圓環(huán)形管道特征點位置：流速法測流量平均速度測量實際的平均流速測量法第8頁，共75頁。(2) 切比雪夫數(shù)值積分法切比雪夫插值點ti值 tint1t2t3t4t5t6t720.577350-0.57735030.70710

3、70-0.70710740.7946540.187592-0.187592-0.79455450.8324970.3745410-0.3745410.83249760.8662470.4225190.266635-0.266635-0.422519-0.86624770.8838620.5296570.329190-0.323919-0.529657-0.883862流速法測流量平均速度測量實際的平均流速測量法第9頁，共75頁。特征點位置：(3) 對數(shù)線性法 對數(shù)線性法也是將管道截面分成n個等面積環(huán)（中間為圓）。在半徑方向的特征點位置是以對數(shù)間距分布，近壁處有附面層，速度梯度大，所以近壁面測量

4、間距小，近管道中心間距大。然后將該環(huán)面上各特征點處測得速度的算數(shù)平均值作為該環(huán)面上的平均速度。而整個截面上的平均速度就等于各環(huán)面平均速度的算術(shù)平均值。 流速法測流量平均速度測量實際的平均流速測量法第10頁，共75頁。渦輪流量計結(jié)構(gòu)及工作原理1 渦輪；2-導(dǎo)向器；3-軸承；4-感應(yīng)線圈；5-永久磁鋼；6-殼體；7-前置放大器 第11頁，共75頁。渦輪流量計流量關(guān)系式當(dāng)流量達到穩(wěn)定時：則此時流過渦輪的流量：第12頁，共75頁。渦輪流量計流量關(guān)系式脈沖頻率f和渦輪轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為：經(jīng)換算得：為渦輪流量計的流量系數(shù)第13頁，共75頁。渦輪流量計渦輪流量計的特性線性特性線性特性表示流量系數(shù)與體積流量Q之間

5、的關(guān)系結(jié)論：小流量、高粘度是影響渦輪流量計線性特性的主要因素。第14頁，共75頁。渦輪流量計渦輪流量計的特性壓力損失特性(1) 渦輪本體對流體動能產(chǎn)生的機械阻力所引起的壓力損失，大流量引起的壓力損失大；(2) 流體粘滯阻力引起的壓力損失，高粘度引起的壓力損失大；(3) 壓力損失與儀表的公稱口徑有關(guān)，小口徑引起的壓力損失大。 結(jié)論：大流量、高粘度、小口徑是產(chǎn)生壓力損失的主要原因。第15頁，共75頁。渦輪流量計渦輪流量計的校準(zhǔn)的出廠值僅適用于與水相似粘度（=10-6m2/s）的流體在合適流量下的使用。如被測流體粘度大于5 10-6m2/s或流量過小時，會增加非線性誤差，因而必須用實際流體在需使用的

6、流量下重新校準(zhǔn)，得出f校準(zhǔn)曲線。第16頁，共75頁。渦輪流量計渦輪流量計的安裝 渦輪流量計有螺紋聯(lián)接和法蘭聯(lián)接兩種形式，公稱直徑40及以下的為螺紋聯(lián)接，其余為法蘭聯(lián)接。第17頁，共75頁。渦輪流量計渦輪流量計的選購代碼：LWGY或QA B C D E F G H I液體氣體防爆等級結(jié)構(gòu)形式流量范圍上限值數(shù)殼體材料流體溫度動力與管道連接方式公稱壓力公稱通徑儀表系數(shù)K=3.6第18頁，共75頁。渦輪流量計渦輪流量計的特點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、精度高、復(fù)現(xiàn)性好、響應(yīng)快、耐壓高、壓損小、量程寬、信號能遠(yuǎn)傳；缺點：易磨損、傳感器前后必須有較長平直段、小流量和粘性大流體誤差大。第19頁，共75頁。渦街流量

7、計工作原理工作原理：流體動力學(xué)中的卡門旋渦列的原理。產(chǎn)生穩(wěn)定旋渦列的條件即第20頁，共75頁。流量計算公式當(dāng)對于水，Red=500150000；對于空氣， Red=2000120000時：則圓柱體，St2=0.2；等邊三角形， St2=0.16渦街流量計工作原理 St2為斯特勞爾數(shù)第21頁，共75頁。渦街流量計工作原理連續(xù)方程：設(shè)當(dāng)可近似認(rèn)為：令儀表系數(shù)為：第22頁，共75頁。渦街流量計旋渦頻率的檢測方法1-流體；2-導(dǎo)壓孔；3-空腔；4-隔墻；5-熱絲 注意：鉑絲電阻變化的頻率是傳感器單側(cè)旋渦產(chǎn)生頻率的兩倍。第23頁，共75頁。渦街流量計渦街流量計的構(gòu)成第24頁，共75頁。渦街流量計渦街流量

8、計的特點優(yōu)點： 測量精度與流體的溫度、壓力、密度、粘度、成分無關(guān)；校準(zhǔn)簡單；無轉(zhuǎn)動部件，可靠性高；測量范圍寬；精度高；壓損小。缺點：傳感器前后分別應(yīng)有一定長度的直管段； 價格相對較高。 第25頁，共75頁。電磁流量計工作原理第26頁，共75頁。電磁流量計流量公式成立的條件(1) 磁場是均勻分布的恒定磁場；(2) 被測流體的流速軸對稱分布；(3) 被測流體是非磁性的；(4) 管道是不導(dǎo)磁的；(5) 被測流體的導(dǎo)電率均勻且各向同性。第27頁，共75頁。電磁流量計勵磁方式直流勵磁直流勵磁方式是用直流電或永久磁鐵產(chǎn)生一個恒定的均勻磁場。優(yōu)點：受交流電磁場干擾影響小，因而液體中自感現(xiàn)象影響可以忽略不計，

9、；缺點：直流勵磁易使管內(nèi)的電解質(zhì)液體被極化，導(dǎo)致正電極被負(fù)離子包圍，負(fù)電極被正離子包圍，使電極間內(nèi)阻增大，影響儀表測量準(zhǔn)確度。第28頁，共75頁。交流勵磁方式是采用工頻正弦交變電流產(chǎn)生一個交變磁場。 電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：被測流體體積流量：交流磁場的磁感應(yīng)強度為：優(yōu)點：能消除電極表面極化現(xiàn)象，降低傳感器內(nèi)阻，輸出信號是交流信號，放大和轉(zhuǎn)化比直流容易。缺點：帶來一系列干擾，如90干擾，同相干擾等。電磁流量計勵磁方式交流勵磁第29頁，共75頁。特點：在半個周期內(nèi)，磁場是恒穩(wěn)的直流磁場，具有直流勵磁的特點，受電磁干擾影響小。從整個時間周期看，方波信號又是一個交變信號，所以能克服直流勵磁易產(chǎn)生的極

10、化現(xiàn)象。 其頻率通常為工頻的1/41/10。電磁流量計勵磁方式低頻方波勵磁第30頁，共75頁。電磁流量計電磁流量計的特點(1) 壓力損失小，使用壽命長。管內(nèi)沒有任何阻礙流體流動的節(jié)流部件，因此，流體流經(jīng)變送器時的壓力損耗很小，并且還避免了像前述的渦輪等形式的流量計由于可轉(zhuǎn)動部件磨損而影響儀表壽命；(2) 不需修正。電磁流量計是一種體積流量測量儀表，不受被測介質(zhì)的溫度、粘度、密度等參數(shù)影響，因此，電磁流量計只需經(jīng)水標(biāo)定后，就可測其它導(dǎo)電液體的流量，而不需要附加其它修正；第31頁，共75頁。電磁流量計電磁流量計的特點(3) 可以測量各種腐蝕性（酸、堿、鹽）溶液的流量，以及含有固體顆粒（泥漿、紙漿、

11、礦漿等）等液體的流量；(4) 量程范圍寬、線性好，無機械慣性、反應(yīng)靈敏，測量精度高、工作穩(wěn)定、可靠。可轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號，可就地指示，也可通過485等通訊接口進行遠(yuǎn)傳。缺點：不能測氣體、蒸汽和導(dǎo)磁率低的液體介質(zhì)，對石油制品和有機溶液等的流量測量還無能為力。不能測高溫高壓流體的流量。第32頁，共75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置節(jié)流裝置組成：節(jié)流元件、取壓裝置、管道。作用：節(jié)流元件使流體壓力改變，取壓裝置將壓差信號傳送到壓差計檢出，從而確定流量大小。標(biāo)準(zhǔn)孔板；文丘里噴嘴；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件(1) 結(jié)構(gòu)第33頁，共75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置節(jié)流裝置(c) 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴；(d) 文丘里管 。第34頁，共75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置節(jié)流裝置(

12、2) 特點孔板：構(gòu)造最簡單，容易安裝，但壓力損失大，精度稍差;標(biāo)準(zhǔn)噴嘴：流量系數(shù)大，壓力損失比標(biāo)準(zhǔn)孔板小，精度比標(biāo)準(zhǔn)孔板高，可測量溫度和壓力較高的蒸汽、氣體流量。但價格較孔板高，制造較復(fù)雜，僅限于中等口徑；文丘里管：流體阻力小，但結(jié)構(gòu)、加工和安裝都較復(fù)雜，研究還不如標(biāo)準(zhǔn)孔板深入；文丘里噴嘴：是介于標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和文丘里管之間的節(jié)流元件，壓力損失比標(biāo)準(zhǔn)噴嘴低但又比文丘里管高國內(nèi)常用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置是標(biāo)準(zhǔn)孔板和標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。第35頁，共75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)取壓裝置取壓裝置：指取壓位置與取壓口結(jié)構(gòu)形式的總稱。標(biāo)準(zhǔn)取壓裝置：是國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的兩種取壓裝置，即角接取壓裝置和法蘭取壓裝置。角接取壓：適用與

13、標(biāo)準(zhǔn)孔板和標(biāo)準(zhǔn)噴嘴；法蘭取壓：僅適用于標(biāo)準(zhǔn)孔板。角接取壓裝置包適環(huán)室取壓和單獨鉆孔取壓兩種結(jié)構(gòu)形式 。第36頁，共75頁。 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置節(jié)流裝置角接取壓裝置結(jié)構(gòu)：環(huán)室取壓和單獨鉆孔取壓 角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板適用條件：D = 501000mm；= d/D為0.220.80；Red = 5 103107。第37頁，共75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置節(jié)流裝置法蘭取壓裝置法蘭取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板適用條件：D = 50750mm； = d/D為0.10.75；Red = 8 1031 107。結(jié)構(gòu)：兩個帶取壓孔的取壓法蘭組成。第38頁，共75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置節(jié)流現(xiàn)象（以孔板為例）第39頁，共75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置流量基本方程理想

14、流體理想流動情況下流經(jīng)節(jié)流裝置的流量公式理想流體的伯努利方程為：流體連續(xù)方程為：兩式聯(lián)立解得截面II流速為：第40頁，共75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置流量基本方程流量為：流體粘性與取壓位置的影響 由于流體有粘性，在孔板前后產(chǎn)生磨擦和渦流而損失一部分動能，因而實際v2低于理想值。(1) 流體粘性的影響第41頁，共75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置流量基本方程由于最小流束截面II的位置是不固定的，它隨流體性質(zhì)及直徑比=d/D變化而變化，因此不可能取出最小截面壓力，而只能取出固定取壓位置處的壓力差p=p1p2；再者，d2、A2無法測量，用節(jié)流元件開孔直徑d和面積A0代替。設(shè)流束收縮系數(shù)：則(2) 取壓位置的影響第42頁，共

15、75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置流量基本方程設(shè)壓力修正系數(shù)：修正后的流量公式為：設(shè)流量系數(shù)：則第43頁，共75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置流量基本方程(3) 可壓縮性的影響對于可壓縮流體1 2 ，現(xiàn)規(guī)定用節(jié)流前的流體密度1 ，從而引入一個流束的膨脹系數(shù)，這時的流量公式為： 第44頁，共75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置 流量系數(shù)和膨脹系數(shù)的確定流量系數(shù)的確定影響 的因素：節(jié)流元件的形式、取壓方式、節(jié)流裝置開孔直徑、管道直徑、流體的流動狀態(tài)等。的確定方法：實驗和查表對于一定的節(jié)流裝置：第45頁，共75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置 流量系數(shù)和膨脹系數(shù)的確定(2) 對于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，只要使節(jié)流件的結(jié)構(gòu)和安裝條件符合規(guī)程，則流量系數(shù)就可根據(jù)節(jié)流件的結(jié)

16、構(gòu)形式、取壓方式、和ReD直接從表格查取0，并可確定其誤差范圍。(3) 對于粗糙管道的流量系數(shù)，還要乘上一個管道粗糙度的修正系數(shù)Ra ，該系數(shù)也可從有關(guān)手冊上查得，這樣就求出了流量系數(shù) 。具體步驟如下：(1) 對于非標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)流裝置，實驗確定第46頁，共75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置 流量系數(shù)和膨脹系數(shù)的確定流束膨脹系數(shù)的確定影響的因素：節(jié)流件形式、取壓方式、絕熱指數(shù)k、幾何因素。的確定方法： (1) 經(jīng)驗公式計算；(2) 根據(jù)節(jié)流件形式、取壓方式、p2/p1、 和k值的范圍直接查有關(guān)手冊。第47頁，共75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置 壓力損失壓力損失為：影響p的因素：(1) 流束的節(jié)流程度：即隨直徑比減小而增大。(

17、2)節(jié)流元件的形式：流體流過孔板p的大于流過噴嘴的p ，更大于文丘里管的p 。p的確定方法：(1) 實驗求得；(2) 通過經(jīng)驗公式近似計算：第48頁，共75頁。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置 使用條件(1) 不適用于脈動流和超音速流的流量測量，流體必須是單相均質(zhì)流體；(2) 流體必須充滿節(jié)流裝置，流體在流進節(jié)流元件前，其流束必須與管道軸線平行，不得有旋轉(zhuǎn)流；(3) 在節(jié)流元件兩側(cè)兩倍管道直徑以內(nèi)，管道內(nèi)表面沒有突出物和肉眼可見的粗糙不平現(xiàn)象；(4) 在節(jié)流件上、下游側(cè)，應(yīng)有一定長度的圓直管段（其長度可根據(jù)上游局部阻力件形式及值查有關(guān)手冊）；(5) 不適用于管道直徑小于50mm的管流。第49頁，共75頁。進口流量

18、管 概述(1) 應(yīng)用場合：試驗器直接從大氣吸入空氣時的空氣流量測量 (2) 結(jié)構(gòu)：漸縮的型面段+直管段(3) 型面段的作用：使進口流場均勻、穩(wěn)定、流動損失(壓力損失)小。第50頁，共75頁。進口流量管 概述(4) 結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取雙扭線極坐標(biāo)方程為：設(shè)計時通常取：a=(0.60.8)D;L=(0.70.9)D;D=(1.852.13)D；靜壓孔位置在距雙紐線型面段出口0.25D處。第51頁，共75頁。進口流量管 理性流體理想情況下的流量公式無粘性流體一維定常流動的運動方程為：對不可壓縮氣體，從截面I到截面II之間過程求解得：在I截面處，氣流的速度v1近視為零，靜壓等于總壓都為大氣壓力pa，從而得

19、到：第52頁，共75頁。進口流量管 流量計算的修正考慮粘性的影響引進流量系數(shù)流體粘性的影響相當(dāng)于管徑被縮小了一部分：修正后的直管段截面積為：令流量系數(shù)：D D2*（ *為附面層位移厚度）附面層位移厚度與附面層厚度之間的關(guān)系為：第53頁，共75頁。進口流量管 流量計算的修正考慮壓縮性的影響引進膨脹系數(shù) 當(dāng)壓差p在103104帕之間變化時，膨脹系數(shù)約在0.999 0.949范圍內(nèi)變動 。修正后的流量公式第54頁，共75頁。進口流量管使用及特點特點：進口流量計實際上亦是節(jié)流差壓式流量計的一種。使用這種流量計測量流量時，在它的前面不能安裝管道。如果它的進口型面選擇合適時，能使流場均勻、穩(wěn)定，壓力損失小

20、，這要比孔板等節(jié)流元件的壓力損失小得多。它的結(jié)構(gòu)簡單，計算也很方便，適用于動力機械進氣流量的測量。安裝：進口流量管安裝時，應(yīng)保證進口前沿在管道軸線方向不小于10D、與管道軸線垂直方向不小于4D的范圍內(nèi)，不得有使流束發(fā)生擾動的障礙物。第55頁，共75頁。玻璃管轉(zhuǎn)子流量計工作原理第56頁，共75頁。玻璃管轉(zhuǎn)子流量計流量方程當(dāng)浮子在某一位置平衡時：常數(shù)浮子所受上升力為：浮子所受向下力為：第57頁，共75頁。玻璃管轉(zhuǎn)子流量計流量方程Q與A0成正比為流量系數(shù)，它與浮子的形狀及被測流體的粘度有關(guān)。第58頁，共75頁。玻璃管轉(zhuǎn)子流量計特點優(yōu)點：(1) 結(jié)構(gòu)簡單、直觀、使用維護方便、成本低；(2) 壓力損失小

21、且恒定；(3) 尤其適用于小流量、低雷諾數(shù)的流體；(4) 金屬管轉(zhuǎn)子流量計可做成電遠(yuǎn)傳型。第59頁，共75頁。玻璃管轉(zhuǎn)子流量計特點缺點：(1) 測量精度受被測流體粘度、密度、純凈度以及濕度和壓力的影響，也受安裝垂直度和讀數(shù)準(zhǔn)確度的影響，精度一般在2%左右； (2) 被測流體的流動為單相、無脈動的穩(wěn)定流；(3) 不能測高壓流體；(4) 不能有機械振動；(5) 出廠標(biāo)定，液體是以水，氣體是以空氣，如實際流體密度和粘度有較大變化，需用實際流體重新標(biāo)定。第60頁，共75頁。容積式流量計概述容積式流量測量方法是通過測量單位時間內(nèi)經(jīng)儀表排出流體的固定容積V的數(shù)目來實現(xiàn)的。如果單位時間內(nèi)排出固定容積的數(shù)目為

22、n，則流體的容積流量 Q=nV。第61頁，共75頁。容積式流量計橢圓齒輪流量計工作原理將流量測量轉(zhuǎn)化為對齒輪轉(zhuǎn)速的測量第62頁，共75頁。容積式流量計橢圓齒輪流量計橢圓齒輪流量計的特點優(yōu)點: 適于測量高粘度液體；表前后不需安裝直管段。缺點: 有滑漏量；只適于一定流量范圍的液體；表前需安裝過濾器。第63頁，共75頁。容積式流量計伺服式容積流量計工作原理1-計數(shù)器；2-遠(yuǎn)傳發(fā)訊器；3-指示儀表；4-記錄儀表；5-差動變壓器；6-微差壓變送器；7-伺服放大器；8-反饋用測速電機；9-伺服電機；10-傳動齒輪。第64頁，共75頁。容積式流量計伺服式容積流量計特點優(yōu)點: 滑漏量小；測量精度不受流體的壓力

23、、粘度、密度等參數(shù)變化的影響；可測小流量。缺點: 在儀表前需安裝過濾器。第65頁，共75頁。超聲波流量計概述原理：超聲波流量計是利用超聲波在流體中的傳播特性來實現(xiàn)流量測量的。超聲波在流體中傳播時，將載上流體流速的信息，如順流和逆流的傳播速度由于疊加了流體流速而不相同等。因此，通過接收到的超聲波，就可以檢測出被測流體的流速，再換算成流量，從而實現(xiàn)測量流量的目的。分類：超聲波測量流量的方法有多種。根據(jù)對信號檢測的方法，可分為傳播速度差法（時差法、相位差法、頻差法）、波束偏移法、多普勒法及噪聲法等類型。第66頁，共75頁。超聲波流量計傳播速度差法傳播速度差法：基于測量超聲波脈沖順流和逆流傳播的速度差

24、來反映流體速度，從而達到流量測量的目的。時差法超聲波順、逆流的傳播時間差為當(dāng)cv時：第67頁，共75頁。超聲波流量計傳播速度差法相位差法如果順流和逆流方向同時向流體連續(xù)發(fā)射超聲正弦波，并令為其角頻率，則上、下游接收到的超聲波的相位差為：頻差法順逆流脈沖循環(huán)頻差為：第68頁，共75頁。超聲波流量計工作原理第69頁，共75頁。超聲波流量計特點(1) 從管道外部對被測流體進行非接觸式測量，在管道內(nèi)部無任何測量部件，不干擾流場，沒有壓力損失，因此是一種比較理想的節(jié)能儀表。特別是在大流量計量時，節(jié)能效益更加顯著；(2) 特別適合大口徑的流量測量；(3)可以對各種流體介質(zhì)進行流量測量且不受流體的壓力、溫度、粘度及密度等的影響；(4) 安裝維修方便；(5) 通用性好。第70頁，共75頁。思考題1.