热工第4章-流量测量

第四章流量测量层流和紊流流体在细管中的流动形式可分为层流和紊流两种。所谓层流(laminarflow)就是流体在细管中流动的流线平行于管轴时的流动。所谓紊流(turbulentflow)就是流体在细管中流动的流线相对混乱的流动。雷诺数是表征流体惯性力与黏性力之比的无量纲量，利用雷诺数可以判断流动的形式。如果雷诺数小于某一值时，可判断为层流，而大于此值时则判断为紊流。在层流流动状态下，流速分布是以管轴为中心线的轴对称抛物线分布。在紊流流动状态下，管内流速同样是以管中心线轴对称的分布，但是其分布呈指数曲线形式。§4-1概述ƒ流量（瞬时流量）体积流量qv（m3/s）质量流量qm（kg/s）ƒ累积流量一、基本概念qm=ρqvz速度式：涡轮式涡街式电磁式超声波式z容积式：椭圆齿轮式腰轮式刮板式z其它：热式质量式(科氏力)二、流量测量的主要方法和分类节流变压降式：孔板喷嘴z差压式动压管式：毕托管均速管节流变截面(阻力式)：浮子靶式电磁流量计涡街流量计超声波流量计质量流量计转子流量计涡轮流量计§4-2差压式流量测量一、节流变压降式流量计二、标准节流装置三、其他差压式流量计一、节流变压降式流量计„节流测量原理：流体流过阻力件(节流件)因流束的收缩而造成压力变化。对于一定形状和尺寸的阻力件，一定的测压位置和前后直管段，在一定的流体参数情况下，阻力件前后的差压与体积流量之间有一定的函数关系。1：节流装置2：压力信号传送管路3：差压仪表22222211vpvp+=+ρρρπρπ22'1244vdvD='224vqdvπ=设流经水平管道的流体为不可压缩性流体，并忽略流动阻力损失，对截面1、2写出下列伯努利方程和流体的连续性方程：流体流经截面2的体积流量为：„流量公式（流量与差压之间的关系式）教材75页公式(4-7)与(4-8)有误？)(24)(112124'ppdDdqv−−=ρπ’联立求解，可得体积流量：注意：①要测出截面2处的静压力p2和d’是很困难的；②d’是昀小流束的截面直径；③没有考虑流动过程中的压力损失，而实际流量小于理论值。流出系数C和流量系数α值一般由实验决定，影响因素有：节流件的形式、β值、雷诺数、管道粗糙度及取压方式等。修正后的流量公式：流量系数直径比pDCpdCqvΔ−=Δ−=ρβπβρπβ2412412242441βα−=CDd=βpDapdaqvΔ=Δ=122122424ρβπερπεpDapdaqmΔ=Δ=122122424ρβπερπε可压缩流体的流量公式：节流件前的流体密度流束膨胀系数„流量测量的温度压力补偿（为什么？）二、标准节流装置„流体和管道条件:只适用于测量圆形截面管道中的单相、均质流体的流量，流体流经节流件前应达到充分紊流，流速为亚音速。„组成：标准节流件＋取压装置＋直管段1－上游侧第二个局部阻力件；2－上游侧第一个局部阻力件3－节流件；4－下游侧第一个局部阻力件1．标准节流件„标准孔板„标准喷嘴„标准孔板E=0.02~0.05De=0.005~0.02Dd=12.5mmmmDmm100050≤≤75.02.0≤≤β„标准喷嘴圆弧形的收缩部分和圆筒形的喉部组成„标准孔板和标准喷嘴性能比较：1）标准孔板比标准喷嘴加工方便、安装容易、省料、造价低；2）测量高温高压蒸汽或具有腐蚀性流体时，喷嘴较孔板合适；3）孔板测量误差较喷嘴大，压力损失也比标准喷嘴大。„取压方式„标准取压装置1)角接取压装置2)法兰取压装置2．取压方式和取压装置„取压方式D1/2D„角接取压装置„法兰取压装置由局部阻力件形式、节流件类型以及直径比决定。3．节流件前后的直管段三、其他差压式流量计„皮托管（p81）„均速管（p82）„浮子（转子）流量计（p84）„靶式流量计（p116）ρεα)(2)1(0ppv−−=ρεα)(2)1(0ppKAvAqvv−−==皮托管流量计pDaqvΔ=ρπε242pDaqmΔ=ρπε242,2vkpρ=Δ均速管流量计阿牛巴（Annubar）管均速管现场使用示意图„特点：1）结构简单，安装、拆卸、维修方便；2）压损小，能耗小，长期运行节能效果好;3）准确性和稳定性较好;4）适用于液体、气体和蒸汽等多种介质的流量测量。„弱点：输出差压较低。22()()ffvfgGVqAvaahbhAρεερ−=Δ=+2112ffFpACvAρ=Δ=fWGg=2fFVgρ=12WFFv=+⇒浮子（转子）流量计玻璃管浮子流量计金属管浮子流量计„特点：1）适用于中小管径、低流速和较低雷诺数的单相液体或气体流体。2）必须垂直安装在无振动的管道上，流体自下而上流过仪表。它们对上游直管段要求不高，或者说没有上游直管段要求。3）测量的流量范围较宽，一般为10：1。4）流量测量元件的输出接近于线性，压损较低。„缺点：测量精度易受被测介质密度、黏度、温度、压力、纯净度、安装质量等因素的影响。靶式流量计力由两部分组成，一部分是流体和靶表面的摩擦力，另一部分是由于流束在靶后分离，产生压差阻力，212vFAvρλ=⇒0()vqAvfF==„特点：1）主要用来测量高黏度低雷诺数的流体以及适量固体颗粒的浆液的流量。也可用于测量一般液体，气体和蒸汽的流量。2）结构简单、安装维护方便、不易堵塞；3）静压损失小，在电厂常用来测量给水、凝结水和燃油的流量。4）流量系数与其结构因素、被测介质的黏度和密度有关，在使用前应该进行标定。第三节速度式流量测量一、涡轮流量计二、涡街（漩涡）流量计三、电磁流量计四、超声波流量计一、涡轮流量计„测量原理与结构利用置于流体中的涡轮的旋转角速度与流体速度成比例的关系，通过测量涡轮的转速来反映通过管道的体积流量rvtgθω=Avqv=vvkqqrAZtgf==πθ2k—仪表常数，由实验标定„特点1）精度较高（0.5%）；2）测量范围宽,量程比大（qmax/qmin=6～10）；3）惯性小，响应快（1～50ms）；4）耐高压，压力损失小；5）安装检修方便，耐腐蚀，适用流体多；„缺点1）要求流体的清洁度高，不能夹杂物或固体颗粒；2）不适于测量粘度过大的液体的流量。4．安装二、涡街流量计„测量原理在流体中放置一个有对称形状的非流线型阻流体（漩涡发生体）时，从阻流体下游两侧就会交替产生两列有规则的漩涡（卡门涡街）。在一定的流量范围内漩涡分离的频率与管道内的平均流速成正比，与阻流体的宽度成反比。kfmdfsDvDqtv===4422ππvmdsft=三角柱漩涡流量计框图„特点：1）精确度比较高（1%～2%）2）测量范围宽（量程比10：1或20：1）3）无可动部件，可靠性高，压损小4）结构简单牢固，安装维护方便费用较低；5）适用流体种类多，可适用液体、气体、蒸气和部分混相流体的流量测量。„安装：对直管段要求高三、电磁流量计„测量原理导电的流体介质在磁场中作垂直方向流动而切割磁力线时，会在管道两边的电极上产生感应电动势vBDE=EBDvDqv4422ππ==„组成¾变送器——将流速（流量）信号转变为感应电动势；¾转换器——将变送器送来的电压信号放大，并且线性地转换成标准电信号输出。„特点：1）无机械惯性，反应灵敏，可测瞬时脉动流量；2）无可动部件，也无插入管道的阻力件，故压力损失小；3）可测量具有一定电导率的酸、碱、盐溶液，脏污介质、腐蚀性介质以及含有固体颗粒（泥浆、矿浆等）悬浊性液固两相流的液体流量；4）测量范围宽。„缺点：1）被测流体必须是导电的，不能测量气体、蒸汽和石油制品等含有大量气体和电导率很低的液体流量；2）由于测量管内衬里材料和电气绝缘材料的限制，不能用于测量高温介质的流量；3）易受外界电磁干扰的影响。四、超声波流量计„传播时间法：（时差法、相差法、频差法）根据流体的流速不同，从而超声波传播的速度不同来测量流速的。„多普勒法利用流体中固体微粒或气泡对超声波的散射所产生的多普勒频移来确定流体速度便携式一体式标准管段式手持式„特点1）可安装在管道外壁上，实现不接触测量；2）能用于任何液体，特别是具有高粘度、强腐蚀性、非导电性、放射性流体的流量测量；3）价格不会随管道口径变化，特别适合大口径管道的液体流量测量。„缺点：1）只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体，会影响声传播；2）准确度不高，在2％左右；流体的声速是温度的函数，流体的温度变化会引起测量误差；流速沿管道的分布情况会影响测量结果，需要进行修正。第四节容积式流量测量流体通过流量计时，在流量计进、出口之间产生一定的压力差，从而推动运动部件转动或移动，将流体一次次充满计量空间（仪表壳体和仪表内的运动部件构成一个具有一定容积的计量空间），并由入口排向出口。计量空间的体积是确定的，只要测得转子的转动次数，就可得到通过流量计的流体体积的累积值。„测量原理椭圆齿轮流量计„特点1）测量准确度高；2）测量范围度较宽；3）一般不受流动状态的影响，也不受雷诺数大小的限制；但是易受物性参数的影响；4）安装方便，流量传感器前不需要直管段；5）可测量高黏度、洁净单相流体的流量，测量含有颗粒、脏污物的流体时需安装过滤器；6）机械结构较复杂，体积庞大笨重，一般只适用于中小口径；7）测量过程中会产生较大噪声，甚至使管道振动。思考题：1、常用的流量测量方法有哪些？2、节流式流量计由哪几部分组成，其测量原理是什么？3、标准节流装置4、常用的标准节流件和取压方式？思考题：5、涡轮流量计的组成部分？特点？使用注意事项？6、涡街、电磁、超声波流量计的工作原理和特点？