第六章 流量的检测

1FlowMeasurement流量测量第6章2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总量流量计内容3第一节基本概念Basicconcepts4流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前者称体积流量qv（m3/s)，后者称质量流量qm(kg/s)。如果在截面上速度分布是均匀的，则：vFqvAmv如果介质的密度为，那么质量流量q=q一.流量的概念5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：用来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。61、流量是三大工业过程控制量(压力、温度、流量)之一；2、石油、天然气、化工原料等流体的计量直接关系到国家利益；3、自来水、灌溉、污水处理等关系到国计民生。二.流量测量的重要性Importanceoffluidflowmeasurement7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。8三.所用的一些技术术语Sometechnicalterms1、粘度2、压缩性3、层流、紊流4、雷诺数91粘度(Viscosity)粘度表征流体的流动阻力，如左下图。yxdvdy流体层间剪切应力为：动力粘度dynamicviscosity(Pa.s)运动粘度kinematicviscosity(m2/s)v10不可压缩性(incompressibility):液体，其密度随温度而变化。可压缩性(compressibility):气体，其密度随温度和压力而变化。2压缩性11层流(laminarflow)流体沿直线顺着与管道平行的流线规律运动。3层流和紊流流体在细管中的两种流动形式。紊流(turbulentflow)流体质点的运动是紊乱的。12Revd4雷诺数(Reynoldsnumber)利用雷诺数可以判断流动的形式。Re2000层流Re2000紊流结论：流动状态由流体比重、管道直径、流速、流体粘度决定。13连续性方程伯努利方程四.基本流体方程14(EquationofContinuity)流体在管道内作稳定流动的情况（流场中任意点的流速不随时间变化的流动）：1连续性方程12截面积：A1A2流速：密度：ρ1ρ2111222vAvA为某截面积上的平均速度1v2vv不可压缩的流体在稳定流动时，流过各截面流体的体积为常量。const152伯努利方程(Bernoulli’sEquation)动能压力能势能+流体能163伯努利方程的构成h1h2势能Potentialenergymgh1mgh2动能Kineticenergy1/2mv121/2mv22压力能Pressureenergymp1/ρ1mp2/ρ2221122121222vpvpghgh能量守恒：1v2v1p2p17五.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容积流量计质量流量计18第二节压差式流量计Differentialpressureflowmeter19一.压差式管道用流量计A1,v1,P1A2,v2,P2压差式管道流量计示意图。A截面积v流速P压力201伯努利方程的一般式221122121222vpvpghghh1h21v2v1p2p211212hh＝＝水平放置：不可压缩液体：2伯努利方程的特例22112222vpvp2221122vvppp22利用流体连续性方程，体积流量：1122vqAvAv2222221221vAppqAvAAA2221122vvppp21AA测节流装置上、下游的压力差vpq23主要由两部分组成：节流装置和测量静压差的差压计。3节流式流量计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。24文丘利管压力损失最小，而孔板压力损失最大。4常用的节流装置文丘利管喷嘴孔板2526文丘利管流量计实物图2728(Openchannelmeasurement)22121211()22(0)gHvgHhvpp二.压差式明渠用堰式流量计H堰顶与上游水面距离h堰后离原始液面的深度，该处流速为。1v2v2v2922122vghvgh221211()22gHvgHhv2002AAvqvdAghdAv1很小（A为总面积）体积流量：3032223vqCgLH1矩形槽渠AHLdALdh3202223HvqghLdhgLH修正后：如下图可得：C为堰释放系数31520822()tan()2tan()2152HvqghHhdhgH2三角槽渠2()tan()2LHh槽宽L不是常数2()tan()2dALdhHhdh325282tan()152vqCgH修正后：C为堰释放系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。33第三节流体阻力式流量计Fluidresistanceflowmeter34管道内置入一阻力体。根据阻力体不同，这类流量计有：转子(浮子)流量计靶式流量计一.工作原理流量大小阻力体受力变化阻力体运动位置变化35浮子受力：B:流体内浮子的浮力F:流体作用于浮子的力W:浮子的重力WFB锥体浮子环隙1.转子(浮子)流量计结构：锥形管＋浮子转子(浮子)流量计原理图36力平衡条件：02012fffdfWVBVFvCA转子(浮子)流量计的测量原理WBF00ffdfVCvA-浮子比重-浮子体积-流体比重-流体密度-浮子阻力系数-环形流通面积内的平均流速-浮子最大迎流面积重力＝浮力＋阻力3700002()1ffvdfVqAvACAWBF20012fffdfVVvCA002()ffdfVvCA该环形流通面积为A0，则体积流量为：3800002()ffvfVqAvAA(1dC设流量系数）0002()fffVgAA00ffgg则体积流量：390220002()(2tantan)2()(2tan)ffvffffVgqhrhAgVrhARr22022()(2tantan)ARrhrh2htanRrhqv与h近似成线性关系。40流体流量的修正：标定流体的密度为ρ0，实测流体的密度为ρ，则在同一个A0处有：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。41◇结构简单；◇使用维护方便；◇测量范围宽；◇工作可靠且线性刻度；◇适用性广。转子(浮子)流量计的特点42其测量元件是一个在测量管中心并垂直于流向的被称为“靶”的圆板。通过测量流体作用在靶上的力而实现流量测量。2.靶式流量计结构：流量变送器＋显示可用于低雷诺数、高粘度、含固体颗粒的浆液及腐蚀介质流量测量。43流体和靶表面的摩擦力＋压差阻力靶式流量计的测量原理2121214vFAAd当流体的雷诺数达到一定数值，阻力系数保持常数，阻力如右式：44流量与靶输出力F的平方根成正比。测量靶所受的力F，就可以测定被测介质的流量。212vFA因此可得环隙中的平均流速：12vFA22()21vDdFqd式中：＝为流量系数，D为管道内径。45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容积流量计质量流量计46第四节测速式流量计Velocity-inferedflowmeter471.电磁流量计2.涡轮流量计3.超声波流量计测速式流量计的分类48基本结构:均匀磁场非导磁管道一对电极一.电磁流量计工作原理: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。49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501直流励磁2交流励磁3低频方波励磁励磁方式51优点：受交流电磁场干扰小；缺点：电解质液体易被极化。1.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液体，如液态金属等。52极化：即电解质在电场中被电解，产生正负离子，在电场力的作用下，负离子跑向正极，正离子跑向负极。这样，将导致正负电极分别被相反极性的离子所包围，严重影响仪表的正常工作。1.直流励磁53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。2.交流励磁sinmEBDvt4sinvmDEqBt则体积流量与感应电动势成正比：感应电动势：543.低频方波励磁综合了直流励磁方式和交流励磁方式的优点。其频率通常为工频的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，它能克服直流励磁易产生的极化现象。551.可以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；2.无机械惯性，反应灵敏，可以测量脉冲流量；3.线性较好,可直接进行等分刻度；4.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；5.不能用于测量高温介质。电磁流量计的特点56以动量矩守恒原理为基础，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化，从涡轮的转速可求出流量值；二.涡轮流量计57qv=f/Kf－流量计输出信号的频率；K－流量计的仪表系数；581）高精确度，基本误差可达±0.25％－±1.5％，在所有流量计中，它属于最精确的。2）重复性好，短期重复性可达0.05％-0.2％；3）输出脉冲频率信号，无零点漂移，抗干扰能力强。4）测量范围度宽，中大口径可达40：1-10：1。5）结构紧凑轻巧，安装维护方便。6）适用高压测量，仪表表体上不必开孔，易制成高压型仪表。7）难以长期保持校准特性，需要定期校验。涡轮流量计的特点59超声波流量计的原理：流速不同会使超声波在流体中传播的速度发生变化，通过分析计算改变的超声波信号，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。三.超声波流量计主要介绍传播速度差法和多普勒法。60通过测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到到被测流体的流速。1.传播速度差法测量速差的方法有：时差法、相差法和频差法。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611）时差法测量顺、逆流传播时由于超声波传播速度不同而引起的时间差。顺流传播时间为：逆流传播时间为：2/sincosDtcv1/sincosDtcv时间差为：212222c2||ccosDvtgDvttttgcvcvc6222242c8vDctqAvDctgtDtg1）时差法22cctvDtg因此可得出流速：流量正比于时间差：63测量顺、逆流传播时超声波信号的相位差。2）相差法F1和F2发射角频率为w的连续超声波，则J1和J2到的信号相位差为：22cDtgvc流量正比于相位差：222tan42c16vDcDcqAvDtgf64脉冲重复频率的定义:在单通道中一个发射脉冲被接收器接收之后，立即发射出另一个脉冲，这样以一定频率重复发射,这个频率称为脉冲重复频率。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65顺流和逆流重复发射频率分别为:3）频差法12sin2fffvD频率差为：流量正比于频率差：12cos1(cos)sinsincos1(