第四章 流量检测及仪表

第四章流量检测及仪表2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意22教学内容：¾重点内容：¾差压式流量计¾质量式流量计¾转子流量计¾难点内容：¾流量方程及其系数的讨论¾转子流量计示值的修正2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意33流量概述：1、流量、总流量的定义¾流量定义为单位时间内通过某一截面的流体质量（M）或体积（Q），单位为kg/h、m3/h,而某一段时间内流过管道流量的总和叫总流量。¾测量流体流量的仪表叫流量计,测量流体总量的仪表叫计量表。00ttQQdtMMdt==∫∫总总2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意442.流量计的分类¾速度式流量仪表:以测量流体在管道内的速度作为测量依据来计算流量的仪表。如差压式流量计、转子流量计、电磁流量计、涡轮流量计、堰式流量计等。¾容积式流量计:以单位时间内所排出流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。如椭圆齿轮流量计、活塞式流量计等。¾质量式流量计:以测量流体流过的质量M为依据的流量计。¾分直接式流量计和间接式流量计。¾它具有测量精度不受流体的温度、压力、粘度等变化影响的优点。是有发展前途的仪表。¾直接法：科里奥利质量流量计、热式¾间接法：温度、压力自动补偿式质量流量测量系统、体积流量和密度计组合式质量流量测量系统2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意554.1节流式（差压式）流量计¾工作原理:是基于流体流动的节流原理,利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量的测量。(节流面积不变,以差压变化来反映流量的大小。)¾组成:由将被测流量转换成差压的节流装置和将此检测出来的差压计以及差压转换成对应的流量值进行显示的显示仪表。一、节流现象与流量基本方程1、节流现象¾节流现象:流体在流经节流装置的管道时,在节流装置前后的管壁处,流体的静压力产生差异的现象。2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意66（2）节流元件¾放置在管道中的局部收缩的元件。常用的节流元件:孔板、喷嘴、文丘里管。(b)喷嘴高压低压入口部分渐缩部分喉部渐扩部分(c)文丘里管(a)孔板2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意77（3）节流装置¾节流元件、取压装置、测量管。取压装置孔板测量管----2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意88以孔板为例说明节流现象:¾流动的流体具有能量,即静压能和动能。即流体由于有压力而具有静压能,又由于流体有流动速度而具有动能。两者在一定的条件下可相互转化,但能量是守恒的。¾孔板前后流体的速度与压力的分布情况如下图所示。2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意99节流件前后流速和压力分布情况v1ⅠⅡⅢv1δpp1pvv1v2v3p2p1Δp2p′3p′p′Δp′能量形式的转换截面A和节流件开孔截面A0的流体量相同截面AI的速度v1截面AII的速度v2v2v1动压能和静压能发生变化能量守恒定律孔板前后出现了静压差静压差流速和流量2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意1010¾节流装置前后压差的大小与流量有关。流量越大,产生的压差就越大。只要测出孔板前后两侧压差的大小,即可表示流量的大小,这是节流装置测量流量的基本原理。¾节流装置前压力高,称为正压,记为“+”;节流装置后压力低,称为负压,记为“-”。2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意11112、流量基本方程¾是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式。以孔板为例，根据流体力学中的伯努利方程和流体流动的连续性方程式推导而得的，即：¾α—流量系数，它与节流元件的结构形式、取压方式、孔口截面积与管道截面积之比、雷诺数、孔口边缘锐角、管壁粗糙度等因素有关。¾ε—膨胀校正系数，与孔板前后压力的变化量、介质的等熵指数、孔口截面积与管道截面积之比等因素有关，应用时可查阅手册。¾Ad—节流件的开孔截面积。¾ΔP—节流件前后实际测得的压力。¾ρ—节流件前的流体密度。¾C—流出系数¾E—渐进系数，¾β—节流件开孔直径与管道直径之比dddd4222211QAPCEAPMAPCEAPECEαερεραερερβα=Δ=Δ=Δ=Δ=−=2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意12123、实用流量基本方程¾若式中流量Q以m3/h表示；At=πdt2/4,dt为在流体工作温度下节流件开孔直径，以mm表示，压差ΔP仍以Pa表示，流体工作密度ρ仍以kg/m3表示，则得流量实用方程为：ρεβ/12414.3103600246pdCQtΔ−××××=−ρεβ/1003996.024pdCtΔ−=ρεβρ⋅Δ−==pdCQMt241003996.0hm/3hkg/如果以表示：PΔkPaρε/12645.02pdCEQtΔ=ρε⋅Δ=pdCEMt212645.0差压流量计上限的系列有：1.0、1.25、1.6、2.0、2.5、3.2、4.0、5.0、6.3、8.0×10n2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意13133、流量方程中系数的讨论¾流量系数—α¾是一个受许多因素影响的综合性参数。对标准节流装置,查手册可得;对非标准节流装置,由实验方法确定。在设计节流装置时,对特定条件,选定一个值。¾在流量测量过程中，只有α保持为常数才能保证测量的准确度。这也是这种流量计准确测量的前提。当节流件的类别、直径、取压方式已定时，流量系数只随雷诺数ReD而变化。¾下图表示某一节流装置的流量系数与ReD的关系。2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意1414流量系数与雷诺数的关系图测流体流量时，应使雷诺数大于或等于使流量系数保持稳定的最小雷诺数。ReDmin只有当ReD值大于某一数值(称为界限雷诺数或最小雷诺数)时，α基本上不再随ReD的增大而变化，可认为是一个常数。3、流量方程中系数的讨论2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意1515¾流体密度流体的密度是随被测流体的种类、成分、温度和压力状态的不同而变化的。当实际流体的密度偏离设计时给出的数值时，就会给流量测量结果带来附加误差。此时应该按实际使用的条件进行密度修正。¾膨胀校正系数不可压缩流体的ε=1，可压缩流体的ε1，ε的值取决于测量管直径与节流件开孔直径之比、压差比（ΔP/P1）和流体的等熵指数。一般工业测量可忽略它的影响，只有在测量准确度要求较高的个别场合才予注意。¾流体工作温度下的节流件开孔直径由于节流件材质(例如不锈钢)的热膨胀系数一般都很小，气尺寸在测量过程中随流体温度的影响小，可忽略其影响3、流量方程中系数的讨论2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意1616¾节流装置测量流量应在设计规定的条件下使用，流量方程中各系数保持常数，才能保证测量的准确度。如果实际使用条件偏离设计值，会引入附加误差，此时应对测量结果视对测量准确度的不同要求而作适当修正。¾,流量标尺刻度是非均匀的。为了保证测量的准确,被测值不应接近仪表的下限值。QPMP∝Δ∝Δ因，3、流量方程中系数的讨论2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意1717¾在国家标准规定的使用极限范围内,根据该标准所提供的数据和要求进行设计、制造和安装使用的节流件,称为标准节流装置¾进行设计计算时有统一标准的规定、要求和计算所需要的通用化的实验数据资料，如孔板、喷嘴、文丘里管等。使用时可以查阅有关资料手册。1、节流装置的取压方式¾差压式流量计是通过测量节流件前后压力差Δp来实现流量测量的，而压力差Δp的值与取压孔位置和取压方式紧密相关。节流装置的取压方式有以下5种。二、标准节流装置2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意18182、标准取压装置：标准取压装置是国家标准中规定的两种取压装置，即角接取压装置和法兰取压装置。其中角接取压适用于孔板和喷嘴，而法兰取压仅用于孔板。节流装置的取压方式1-1—角接取压；2-2—法兰取压；3-3—径距取压；4-4—缩流取压；5-5—管接取压。2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意19191）角接取压：孔板(喷嘴)前后两端面与管壁的夹角处取压。上下游取压管位于孔板(或喷嘴)的前后端面处。角接取压包括单独钻孔和环室取压。2、标准取压装置：2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意20202）法兰取压：离开孔板上下游各1英寸处取样,又称一英寸法兰接法。上下游侧取压孔的轴线至孔板上、下游侧端面之间的距离均为25.4±0.8mm（1inch)。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上．如图4-4中2—2位置。2、标准取压装置：2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意2121（3）管接取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为2.5Dm，下游侧取压孔的轴线至孔板下游端面的距离为8Dm．如图中的5—5位置．该方法使用很少．（2）理论取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为lDm±0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离因β值不同而异。该距离理论上就是流束收缩到最小截面的距离。如图中的4—4位置。（1）径距取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为1Dm±0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔极下游端面的距离为0.5Dm。如图3—7中的3.3位置（Dm管道直径）3、一般取压装置：2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意22224、标准节流装置的使用条件⑴流体必须充满圆管，连续地流过管道。只适于测量圆形截面管道内的流体,⑵流束应与管轴平行，不得有旋转流或旋涡。在进行流量测量时,管道内流体的流动应是稳定的。⑶流体流量基本上不随时间而变化,或者变化是非常缓慢的。⑷流体可以是可压缩的气体或不可压缩的流体；但不适于脉动流与临界流。⑸流体必须是牛顿流体,在物理学和热力学上是单相的,均匀的或者可认为是单相的,且流经节流装置时不发生相变。⑹节流装置的制造和使用条件超出国家标准的极限时,必须标定后才能安装使用。2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意2323¾标准节流装置的安装¾按标准进行设计、制作和安装的节流装置，不必个别标定即可使用。¾安装要求：节流件上下游直管段的要求；节流件安装的同轴性、方向性。5、标准节流装置的安装L0213局部阻力件1、2上游侧只有一个局部阻力件1，则直管段就只需L1及L22009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意2424¾标准孔板只能用在直径大于50mm管道上，直径小于50mm的管道采用非标准节流装¾非标准节流装置（使用时应特别标定）¾低雷诺数下的小流量测量：双重孔板，1/4圆喷嘴，锥形入口孔板¾脏污介质的流量测量：圆缺孔板¾管道入口和出口处的流量测量：端孔板三、非标准节流装置2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意25251小管道流量测量¾小孔板装在与差压变送器的正、负压室相连的小管中，这种小孔板和小管就成为构成差压变送器整体的构件，故称为内藏孔板.2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意26262含悬浮物和高粘度流体的流量测量1)楔形孔板1,2—取压孔；3—测量管段；4—楔形；5—法兰2)圆缺孔板2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意2727四、差压式流量检测系统差压式流量检测系统结构示意图356421qp2p3Δp1—节流装置；2—压力信号管路；3—差压变送器；4—电流信号传输线；5—开方器；6—显示仪表PQΔ∝配用差压计显示流量时，流量标尺是非线性的。配用差压流量变送器时，变送器的输出电流就与流量成线性关系。2009-9-30/08:50:09热工仪表讲义-朱诚意2828¾差压测量仪表差压式流量计由节流装置、差压检测仪表和导压管构成。差压测量仪表有差压计和差压变送器。DBC型电动差压变送器的结构原理如下图所示。¾工作原理流量→节流件前后差压→杠杆力矩→线圈电流→放大处理→标准信号输出。一般来说