第11章流量测量.

第十一章流量测量基本概念压差式流量计流体阻力式流量计测速式流量计振动式流量计质量流量计总量流量计如果在截面上速度分布是均匀的，则：如果介质的密度为ρ，那么质量流量vFqvA定义：流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量。一、流量的概念流量体积流量（m3/s）质量流量（kg/s）FvFAq=vdA第一节基本概念mvqq流体总量：某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间的积分。vtmtVqdtMqdt流量计：测量流量的仪表的统称。测量总量的仪表称为流体计量表或总量计。二、流量测量的重要性流量是三大工业过程控制量（压力、温度、流量）之一；石油、天然气、化工原料等流体的计量直接关系到国家利益；自来水、污水处理、灌溉等关系到国计民生。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。三、技术术语粘度、压缩性、层流、紊流、雷诺数1粘度(Viscosity)表征液体内部阻碍相对流动特性的物理量，由分子间相互作用力产生，即一层流体对另一层流体作相对运动的阻力。yxvd.dddvyvyPas流体速度梯度动力粘度，流体层间剪切应力为：动力粘度：使单位距离的单位面积液层，产生单位流速所需之力。粘度一般不随压力变化；气体，温度升高粘度变大；液体，温度升高粘度变小。粘性系数为零的流体称为理想流体，是一种假想的流体。不可压缩流体：液体的压缩性都很小，压强变化，密度仅有微小的变化，在大多数情况下，可以认为液体的密度是一个常数。可压缩流体：气体，其密度随温度和压力而变化。2压缩性流体压缩性：压强变化引起流体体积（或密度）变化的性质。压力增大，体积缩小；压力减小，体积增大。层流：流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动，各层流动不相混合。3层流和紊流实际流体由于存在粘滞性而具有的两种流动形态。紊流（湍流）：流体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹混乱的流动。工程所涉及的流动，一般为紊流。evDR4雷诺数（Reynoldsnumber）利用雷诺数可以判断流动的形式。Re2000层流Re4000紊流2000Re4000过渡状态结论：流动运动状态由流体密度、管道直径、流速、流体粘度决定。表征流体流动中惯性力与粘滞力的相对大小，记作Re连续性方程（流体流动时的质量守恒定律）伯努利方程（运动流体机械能守恒方程）四、基本流体方程流体在管道内作稳定流动时（任意点的流速不随时间变化），流经管道各截面的质量流量相等，即：1连续性方程111222vAvA不可压缩的流体在稳定流动时，流过各截面的体积为常量。如果密度ρ1=ρ21122vAvA2伯努利方程动能压力能势能+流体能无粘性不可压缩流体（理想流体）在作稳定流动时的机械能守恒方程。v2v1h2h1p2p1221122122222mvmpmvmpmghmghvghp常数五、流量计分类容积式总量流量计瞬时流量计速度式压差式流体阻力式测速式流体振动式体积流量计质量流量计一、差压式管道用流量计A1,v1,p1A2,v2,p2第二节压差式流量计2211221222vpvpghgh12221122222112222hhvpvpvvppp1122vqAvAv2222221221vAppqAvAAA测节流装置上、下游的压力差21AA1、工作原理2mvqqApα为流量系数，和取压方式及位置有关。ε为膨胀系数。对不可压缩流体，ε=1，对可压缩流体，ε1。α、ε均由实验方法测定。A为节流件的最小截面积；质量流量（经验公式）2vpqA体积流量（经验公式）主要组成部分：节流装置和测量静压差的差压计。2、差压式流量计构成节流装置安装在流体管道中，使流体的流通截面发生变化，进而引起流体静压变化。常用的节流装置有文丘利管、喷嘴、孔板。文丘利管压力损失最小，而孔板压力损失最大。3、常用的节流装置文丘利管喷嘴孔板文丘利管流量计实物图孔板式流量计实物图4、特点优点：（1）结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长；（2）应用范围最为广泛；缺点：(1)测量精度普遍偏低；(2)范围度窄，一般仅3:1-4:1；(3)现场安装条件要求高；(4)压损大(指孔板、喷嘴等)。221211()22gHvgHhv二、压差式明渠用堰式流量计1v2vH堰顶与上游水面距离（堰头）h堰后离原始液面的深度非满管状态流动的水路称为明渠；在明渠内设置一装置，阻隔上游流体，并使液流通过该装置的顶部、缺口或孔口向下游流去，这一装置称为堰。22120022d2dAAvvghvghqvAghA堰前流速v1很小矩形截面堰3/20dd22d23HvAHLALhqghLhgLH修正后：3/2223vqCgLH三角截面堰520822()tan()d2tan()2152HvqCghHhhCgH2()tan(/2)dd2()tan(/2)dLHhALhHhh流量是堰的几何尺寸和堰头H的单值函数。堰槽流量计由堰槽和与之配套的液位传感器及流量显示仪表组成。C为堰释放系数，C1一、工作原理第三节流体阻力式流量计在流体介质的管道中置入一个相应的阻力体，随着流量的变化，阻力体的受力大小、阻力体的位置相应改变。根据阻力体受力大小或位移来测量流量。转子(浮子)流量计靶式流量计二、转子(浮子)流量计力平衡条件：WBF重力＝浮力＋阻力结构：锥形管＋浮子2001,,2fffdfWVBVFvCA00ffdfVCvA-浮子比重-浮子体积-流体比重-流体密度-浮子阻力系数-环形流通面积的平均流速-浮子最大迎流面积20000122()fffdfffdfVVvCAVvCA设环形流通面积为A0，则体积流量为：00002()1ffvdfVqAvACA00,00000002()2()ffggffffvffVVgqAvAAAA1/dC令：22220022000()(2tantan)2()(2tantan)2()(2tan)ffvffffARrhrhVgqhrhAgVrhArh2φR举例：锥形管、圆形浮子tanRrhqv与h近似成线性关系。流量系数标定流体的密度为ρ0，实测流体的密度为ρ，则在同一个A0处:000002()ffvfgVqAvAA002()ffvfgVqAvAA0000())fvvgvfqqCq从仪表刻度上读出的流量值乘上修正系数Cg，为实测值。流体流量的修正：其测量元件是一个在测量管中心并垂直于流向的圆板，称为“靶”。通过测量流体作用在靶上的力实现流量测量。三、靶式流量计结构：力变送器＋显示靶所受力=流体和靶表面的摩擦力＋压差阻力当流体雷诺数达到一定数值，阻力系数不随雷诺数变化，保持常数22,/42vFAdA结论：流量与靶输出力F的平方根成正比。2222222()2()421/vvFvFAADdDdFqFAdD式中：＝为流量系数，为管道内径。因此可得环隙中的平均流速：靶式流量计特点：1、结构简单，安装维护方便，不易阻塞；2、除可测一般液体气体外，尤其适合于测量低雷诺数的流体（大粘度、小流量）及含固体颗粒的浆液及腐蚀介质。3、测量精度可达±0.5%。基本结构:均匀磁场非导磁管道（内衬绝缘衬里）一对电极一、电磁流量计工作原理:基于法拉第电磁感应定律。导体作切割磁力线运动时会感应电势。１—磁极２—导管３—电极４—仪表种类：1.电磁流量计、2.涡轮流量计、3.超声波流量计第四节测速式流量计测量原理：导电液体在内径为D，磁场强度为B的导管内以平均速度v流动时，产生的电位差为：EBDv则体积流量与感应电动势成正比：244vDDEqvB励磁方式：1直流励磁2交流励磁3低频方波励磁优点：受交流电磁场干扰小；缺点：易发生电极极化。直流励磁用直流激励或永久磁铁产生恒定磁场。一般只用于测量非电解质导电液体，如液态金属等。极化：即电解质在电场中被电解，在电场力的作用下，负离子跑向正极，正离子跑向负极，导致正负电极分别被相反极性的离子所包围，使得电极间内阻增大，严重影响仪表的正常工作。大都采用工频（50Hz）交流励磁；优点：消除了电极表面的极化干扰；缺点：电磁干扰大。交流励磁低频方波励磁综合直流励磁和交流励磁方式的优点。频率为工频的1/2~l/10。在半个周期内，磁场是恒稳的直流磁场，它具有直流励磁的特点，受电磁干扰影响很小；整个时间过程中，方波信号又是一个交变的信号，能克服直流励磁易产生的极化现象。可测量各种腐蚀性介质：酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液；无机械惯性，反应灵敏，可以测量脉冲流量；线性较好,可直接进行等分刻度；只能测量导电液体，不能测量气体、蒸气以及大量气泡的液体或者电导率很低的液体；不能用于测量高温介质。电磁流量计的特点二、涡轮流量计在管道中心安放一个涡轮。当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮旋转。在一定的流量范围内，涡轮的转速与流体平均流速成正比。当铁磁性涡轮叶片经过磁铁时，磁路的磁阻发生变化，从而产生感应脉冲信号。叶轮的转速正比于流量，叶轮的转数正比于流过的总量。f－流量计输出信号的频率K－流量计的仪表系数vfqK1）高精确度，量程比可达10:1，基本误差可达±0.25％～±0.5％，在所有流量计中，它属于最精确的；2）输出脉冲频率信号，无零点漂移，抗干扰能力强；3）要求介质纯净，不含颗粒，减小磨损，增加轴承寿命；4）难以长期保持校准特性，需要定期校验。涡轮流量计的特点:原理：超声波在流速不同的流体中传播速度变化，通过测量改变的超声波信号，检测流体的流速，进而得到流量值。三、超声波流量计测量方法：传播速度差法和多普勒法。1.传播速度差法通过测量超声波在顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到被测流体的流速。F1到J2超声波传播速度为：1cosccvF2到J1超声波传播速度为：2cosccv得到：122cosccv1）时差法顺流传播时间为：逆流传播时间为：2/sincosDtcv时间差为：212222c2||ccosvcDvtgDvttttgcvc1/sincosDtcv测量顺、逆流传播时由于超声波脉冲传播速度不同而引起的时间差。测量顺、逆流传播时超声波信号的相位差。2）相差法22cDtgvc流量正比于相位差：222tan42c16vDcDcqAvDtgfF1和F2发射角频率为ω的连续超声波，则J1和J2到达信号相位差为：脉冲重复频率：在单通道中一个发射脉冲被接收之后，立即发射出另一个脉冲，即为脉冲重复频率频差法是目前常用的测量方法，它是在前两种测量方法的基础上发展起来的。测量顺、逆流传播时超声脉冲的重复频率差。3）频差法顺流和逆流重复发射频率分别为:11221cos1(cos)sinsin1cos1(cos)sinsincvfcvtDDcvfcvtDD1223sin24sin24sin2vfffvDDDfDfq多普勒效应：当声源和目标之间有相对运动，会引起接收声波与声源在频率上的变化，这种频率变化正比于它们之间的相对速度。2.多普勒法利用声学多普勒原理确定流体流量。θ1θ2SOfsfov112(coscos)ifv2为物体至光源方向与物体运动方向间的夹角;为物体至观察者方向与物体运动方向间的夹角=fsfovθ2cossfvfc11212cos2cosvffffvcAcqff从发射晶体T1发射的超声波束遇到流