华北电力大学 测量仪表PPT-第六章节流式流量计(新)

第六章节流式流量计第一节概述●节流式流量计是工业上最为广泛使用的一类流量测量仪表。●工作原理：在管道中放置一节流元件，流体流经节流元件时发生节流，在节流元件的前后两侧产生压力差（差压）。当流体、工况、管道、节流件、差压取出方式一定时，管道流量与差压有确定的关系。因此可通过测量差压来测量流量。节流式流量计也称为变压降式流量计。●组成由节流装置、差压计或差压变送器、二次显示仪表（动圈表、自动电位差计）等组成。●分类：节流式流量计有标准化和非标准化两类。是非通用仪表，即安装在生产过程中使用着的节流式流量计仅适用于该地的情况和工况。因此节流式流量计是根据要求具体设计、安装、使用的。●标准节流装置的设计计算要严格遵循标准节流装置设计、安装和使用的国家“标准”(GB／T2624—93)或国际“标准”(ISO5176—1)。按“标准”进行设计、安装、使用的标准节流装置，其流量与差压的关系按理论公式标定，并有统一的基本误差、计算方法，一般不需要进行实验标定或比对。第二节流量公式流量公式就是差压和流量之间的关系式。它是通过伯努利方程和流动连续性方程来推导。一、不可压缩流体的流量公式流体在管道中发生节流时，管道中各处的流速变化及压力变化情况见图所示。对于一定常的流动，在截面A和截面B处将满足流体质量守恒和能量守恒。在充分紊流的理想情况下，流体流动连续性方程和伯努利方程为由上两式解方程组，可得引入如下几个参数：（收缩系数）（截面比）（取压系数）BAvdvD2/244222212121BBBBAAAvvCpvCpBAABBppDdCCv21222/dd/Dd21ppppBA可写成：所以，可得质量流量：定义流量系数α和流出系数C：于是，不可压缩流体的流量公式为21422ppCCvABB212422/244ppdCCvdqABBm42ABCC41CpdCqm24124pdCqV24124二、可压缩流体的流量公式为方便起见，规定公式中的密度仍使用节流件前的流体密度ρ1，α和C值仍取相当于不可压缩流体时的数值，而把全部的流体可压缩性对流体系数和流出系数的影响用一个流束膨胀系数ε来考虑。当流体为不可压缩性流体时，ε=1。所以流量公式可统一写成：流量公式中各量的单位为：体积流量qV—m3/s；质量流量qm——Kg/s；直径d或D—m；密度ρ1—kg/m3；差压Δp—Pa。pdCqm124241pDCqm1224241124241pdCqV1224241pDCqV流量公式的实用形式:流量公式中各量的单位为：体积流量qV—m3/h；质量流量qm——Kg/h；直径d或D—mm；密度ρ1—kg/m3；差压Δp—Pa。pdCqtm1241004.0pDCqtm12241004.01241004.0pdCqtV12241004.0pDCqtV第三节标准节流装置的组成与类型一、标准节流装置的组成与类型标准节流装置由三部分组成：节流件、取压装置、测量直管段（节流件前10D，后5D）。我国GB/T2624—93标准中规定的标准节流装置有：◆角接取压标准孔板；◆法兰取压标准孔板；◆D和D取压标准孔板；◆角接取压标准喷嘴（ISA1932喷嘴）；◆D和D取压长径喷嘴；◆经典文丘里管（入口圆筒段上取压和喉部取压）；◆文丘里喷嘴（上游角接取压和喉部取压）。1.节流件的结构形式（1）标准孔板标准孔板结构简单，加工方便，价格便宜。它的特征孔径是节流孔前段圆筒形孔径d。标准孔板两侧的压力差信号可以采用角接取压、法兰取压和径距取压。（2）标准喷嘴标准喷嘴有两种结构形式：ISA1932喷嘴、长径喷嘴。当d＞2D／3时，还应在入口部分切除一部分圆廓形收缩段。其应切去的长度为dl2125225.025.075.02.0(a)高比值(0.25≤β≤0.8)(b)低比值(0.2≤β≤0.5)长径喷嘴经典文丘里管（3）文丘里管标准文丘里管也分两种型式：一种为经典文丘里管或简称文丘里管；另一种为文丘里喷嘴，每一种又分长、短两种。文丘里喷嘴2.取压装置(1)角接取压分为环室取压和单独钻孔取压,上、下侧压力在节流件前后端面处取出。(2)法兰取压装置上、下侧压力在连接法兰上距节流件前后端面25.4mm处取出。(3)径距取压上、下侧压力在测量管段上距节流件前端面Ｄ和后Ｄ处取出。我国GB/T2624—93标准中规定的标准节流装置有：角接取压标准孔板、法兰取压标准孔板、D和D取压标准孔板、角接取压标准喷嘴（ISA1932喷嘴）、长径喷嘴（D和D取压）、经典文丘里管（入口圆筒段上取压和喉部取压）、文丘里喷嘴（上游角接取压和喉部取压）。212121角接取压标准孔板的适用范围：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥5×103（0.2≤β≤0.45），ReD＞104（β＞0.45）。法兰取压和径距取压标准孔板的适用范围：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥1260β2D（D：m）。ISA1932喷嘴角接取压装置有单独钻孔和环室取压。ISA1932喷嘴的适用范围：50mm≤D≤500mm，0.30≤β≤0.80，7×104≤ReD≤107（0.30≤β≤0.44时），2×104≤ReD≤107（0.44≤β≤0.80时）。二、适用的流体条件●标准节流装置适用于测量圆形截面管道中的单相、均质流体，即是可压缩的（气体）或认为不可压缩的（液体）牛顿流体;●要求流体充满管道；流体流动是稳定的或随时间缓变的；流动不可以是脉动流和旋转流，流束与管道轴线平行；●流体流经节流件前流动应达到充分紊流，在节流件前后一定距离内不发生相变或析出杂质；流速小于音速。三、适用的管道条件1.管道内表面光滑的判定是应不超过表4-1、表4-2给出的相对粗糙度上限值。表4-1标准孔扳上游管段相对粗糙度（Kc/D）上限值表4-2ISA1932喷嘴上游管段相对粗度（Kc/D）上限值2.节流件前后应有足够长的直管段L节流件上游阻流件的形式及上下游阻力件的位置将影响流速分布，节流孔d与管道内径D之比β=d／D（直径比）也将影响流速分布。在节流件前后有足够的直管段，不然就保证不了测量的精确度。最小直管段L由三段长度（l0，l1，l2）组成，l1是节流件与上游第一阻流件之间的直管段最小长度，由第一阻流件形式和β值决定，按下表查算。l0是上游第一阻流件与上游第二阻流件之间的直管段，由第二阻流件的形式和β=0.7（无论产的实际值为多少）决定，按下表给出值的一半计算。l2是节流件到下游阻流件直管段的最小长度，无论上游阻流件的形式如何均决定于β的值，由下表查算。3.适用于圆形截面管道测量段管道应被流体充满。节流件及取压装置安装在两圆形直管之间。在所要求的整个直管段长度上，管道截面应该是圆形的，没有特殊要求，只是在邻近节流装置附近对管道的圆度有特殊要求，这在“标准”中有详细规定。对于管道的粗糙度、节流件上游10D、下游5D（测量直管段），要求满足给出的相对粗糙度上限值，L的其余部分和L以远的管道可以是粗糙的。四、压力损失压力损失与直径比β和流速（或流量）有关，通过实验可得到它们之间的关系。对于角接标准孔板、法兰标准孔板、径距标准孔板、ISA1932喷嘴、长径喷嘴等标准节流装置的压力损失可以用下式近似计算：五、标准节流装置的误差按照“标准”进行节流装置的设计、制造、安装、使用时，其基本误差是按照“标准”中提供的计算公式进行计算的。当设计、制造、安装、使用等环节中有违背“标准”要求时，则将由此产生附加误差。附加误差的极性与大小或修正系数是通过大量实验确定的。pCC242411第四节标准节流装置中有关系数的确定和误差估计一、流出系数C及其不确定度对于一定形式的标准节流装置，其流量系数α和流出系数C仅与β和雷诺数ReD有关。当雷诺数大到一定值后，α和C就与雷诺数值无关，趋于一定值。1．标准孔板的C值及其不确定度只要所使用管道在节流件上游侧10D长度内的粗糙度不超过前节所列的限值，C的数值按下列公式计算。在规定条件下，流出系数C主要取决于ReD、β，即C=f(ReD、β)。对于角接取压标准孔板：对于法兰取压标准孔板：（D：mm，D20≥58.6mm）75.065.281.2Re100029.01840.00321.05959.0DCDD3448560.011286.275.065.281.2Re100029.01840.00321.05959.0DC（D：mm，D2058.6mm）对于D和D/2取压标准孔板：对于上述三种取压方式，若ReD、β、D和Kc／D是已知的且无误差．则C值的百分率不确定度δc／C（置信概率为95％）为：对于β≤0.6，δc／C＝0.6％；对于0.6＜β≤0.75，δc／C=β％。75.065.281.2Re100029.01840.00321.05959.0DCD3448560.010390.075.065.281.2Re100029.01840.00321.05959.0DC34401584.010390.02、标准喷嘴（ISA1932喷嘴）的C值及其不确定度求取标准喷嘴C值的原始实验是在相对粗糙度Kc/D≤3.8×10-4的管道中进行的，但只要喷嘴上游侧至少有10D的长度的管道的粗糙度在前节规定的限值之内，C值仍然可用。标准喷嘴的流出系数C由下式给出：对于角接取压标准喷嘴（ISA1932喷嘴）：15.1615.421.4Re100033.000175.02262.09900.0DC对于长径喷嘴：若不考虑ReD、β、D的不确定度，并假定管道的Kc／D在规定的限值之内，则ISA1932喷嘴C值的百分率不确定度δc／C（概率为95％）为：对于β≤0.6时，δc／C＝0.8％时；对于β0.6，δc／C=（2β-0.4）％。5.065.0Re1000653.09965.0DC二、标准节流装置的流束膨胀系数ε值及其不确定度标准节流装置的形式确定后，其流束膨胀系数ε值决定于Δp/p1、κ和β值。其中κ是被测流体的等熵指数，对于过热蒸汽可近似取κ＝1.3，对空气κ=1.4。为限制流体可压缩性对流量测量的影响，标准规定节流装置的Δp/p1＜0.25，即p2/p1＞0.75。上述三种取压方式的标准孔板的ε值是由实验确定的，可用如下的经验公式计算：β、Δp/p1和κ是已知且无误差，则标准孔板ε值的百分率不确定度（概率95％）为4%。1435.041.01pp1pp标准喷嘴的流束膨胀系数ε值是根据等熵流动过程直接从理论上推导出来的。由于流动过程不可能是等熵过程，所以存在误差，从理论上推导出计算标准喷嘴ε的公式如下：其中标准喷嘴ε值的百分率不确定度=2%，置信概率为95％。5.012442111111211pppp1pp三、标准节流装置流量测量不确定度的计算标准节流装置的流量测量误差是用置信概率95％时的不确定度来估计的。质量流量测量的不确定度计算公式如下：（1）流出系数和流束膨胀系数的不确定度和：其估算方法上节已述。2242244221212dDCqdDCmqm5.021214141