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03SK第六章流量测量1


第六章 流量测量 概论
* 流量的概念 * 容积流量Q与质量流量G的关系:G=Q·ρ *几种测量流量的方法 ** 速度式(涡轮流量计、涡阶流量计、磁电式流量计) **节流差压法(节流流量计、进口流量计、转子流量 计) **容积流量计 **超声波流量计

流速法测流量 概论
速度式流量计的工作原理

Q = Av

G = Avρ
v

关键:求管道截面上的平均速度

流速法测流量 管道流体的速度分布
层流时流速沿圆管径向分布 湍流时流速沿圆管径向分布

稳定的速度分布是得到准确测量值的必要条件

流速法测流量 平均速度测量 理论的平均流速测量法
(1) 层流(Red<2300):

v(r ) r 2 = 1? ( ) v0 R

1 v= πR 2
解得:



R

0

r 2 v 0 [1 ? ( ) ]2π rdr R

v = v0 / 2

平均流速相应测点位置为:

r = ± R / 2 ≈ ± 0 .7071 R

流速法测流量 平均速度测量
理论的平均流速测量法
(2) 湍流: v ( r ) = (1 ? r ) v0 R
1 n

2n 2n v= v0 ( n + 1)( n + 2 )
平均流速相应测点位置为:

2

2n r = {1 ? [ ]n }R ( n + 1)( 2 n + 1)

2

流速法测流量 平均速度测量
理论的平均流速测量法
湍流时圆管内平均流速 Red×104 n 2.56 7
98 v0 120

20.56 8
128 v0 153

70.00 9
162 v0 190

v

流速法测流量 平均速度测量 实际的平均流速测量法

A Q = n



n

i =1

vi

确定特征点的方法: 等环面法、切比雪夫积分法、对数线性法等。

流速法测流量 平均速度测量 实际的平均流速测量法 (1) 等环面法
圆管形管道特征点位置:

ri = R

2i ? 1 2n

圆环形管道特征点位置:

2n ? 2i +1 Rin 2 2i ?1 2 ri = 1+ R out ( ) 2i ?1 Rout 2n

流速法测流量 平均速度测量 实际的平均流速测量法
(2) 切比雪夫数值积分法
切比雪夫插值点ti值
ti n

t1

t2

t3

t4

t5

t6

t7

2 3 4 5 6 7

0.577350 -0.577350 0.707107 0.794654 0.832497 0.866247 0.883862 0 0.187592 0.374541 0.422519 0.529657 -0.707107 -0.187592 0 0.266635 0.32919 -0.794554 -0.374541 -0.266635 0 0.832497 -0.422519 -0.323919 -0.866247 -0.529657 -0.883862

流速法测流量 平均速度测量 实际的平均流速测量法
特征点位置:

R2 + R1 R2 ? R1 + ri = ti 2 2
2 2 2 2

(3) 对数线性法 对数线性法也是将管道截面分成n个等面积环(中间为 圆)。在半径方向的特征点位置是以对数间距分布,近壁处 有附面层,速度梯度大,所以近壁面测量间距小,近管道中 心间距大。然后将该环面上各特征点处测得速度的算数平均 值作为该环面上的平均速度。而整个截面上的平均速度就等 于各环面平均速度的算术平均值。

涡轮流量计 结构及工作原理

1 涡轮;2-导向器;3-轴承;4-感应线圈; 5-永久磁钢;6-壳体;7-前置放大器

涡轮流量计 流量关系式
dω J = Md ? M f ? M g ? M j dt
当流量达到稳定时: 则

dω =0 dt

Md =Mf +Mg +Mj

此时流过涡轮的流量:

Q = v? A

u v = tg β

u = ω r = 2π nr

涡轮流量计 流量关系式
脉冲频率f和涡轮转速n的关系为:

f = n? z

经换算得:

2π nr 2π r v= = f tg β z ? tg β
2π rA 1 Q = f = ? f ξ z ? tg β
←为涡轮流量计的流量系数

z ? tg β ξ = 2 π rA

涡轮流量计 涡轮流量计的特性
线性特性
线性特性表示流量系数ξ与体积流量Q之间的关系

结论:小流量、高粘度是影响涡轮流量计线性特性的主要因 素。

涡轮流量计 涡轮流量计的特性
压力损失特性 (1) 涡轮本体对流体动能产生的机械阻力所引起的压 力损失,大流量引起的压力损失大; (2) 流体粘滞阻力引起的压力损失,高粘度引起的压 力损失大; (3) 压力损失与仪表的公称口径有关,小口径引起的 压力损失大。 结论:大流量、高粘度、小口径是产生压力损失 的主要原因。

涡轮流量计 涡轮流量计的校准
ξ的出厂值仅适用于与水相
似粘度(ν=10-6m2/s)的 流体在合适流量下的使用。 如被测流体粘度大于5× 10-6m2/s或流量过小时, 会增加非线性误差,因而 必须用实际流体在需使用 的流量下重新校准,得出 ξ-f校准曲线。

涡轮流量计 涡轮流量计的安装
涡轮流量计有螺纹联接和法兰联接两种形式,公称 直径40㎝及以下的为螺纹联接,其余为法兰联接。

涡轮流量计 涡轮流量计的选购
代码:LWGY或Q-□A □B □C □D □E □F □G □H □I
液体 气体 防爆 等级 结构形式 流量范围 上限值数 壳体材料 流体温度 动力 与管道连接方式 公称压力 公称通径

仪表系数K=3.6ξ

涡轮流量计 涡轮流量计的特点
优点:结构简单、轻巧、精度高、复现性好、响应 快、耐压高、压损小、量程宽、信号能远传; 缺点:易磨损、传感器前后必须有较长平直段、 小流量和粘性大流体误差大。

涡街流量计 工作原理
工作原理:流体动力学中的卡门旋涡列的原理。

产生稳定旋涡列的条件

sh (

πh
l

) =1



h = 0 . 281 l

涡街流量计 工作原理
流量计算公式

v2 f = St 2 d
St2为斯特劳尔数 当对于水,Red=500~150000; 对于空气, Red=2000~120000时: 则圆柱体,St2=0.2;等边三角形, St2=0.16

涡街流量计 工作原理
连续方程: Q = v
A2 设 =m A1
1 1

A = v2 A2

d < 0.35时 当 D

d 可近似认为: m = 1?1.25 D
d Q = v 2 A2 = d (1 ? 1 . 25 )f D 4 St d πD 2 1 ξ = d (1 ? 1 . 25 ) 令仪表系数ξ为: 4 St D

πD 2 1

Q = ξf

涡街流量计 旋涡频率的检测方法
1-流体; 2-导压孔; 3-空腔; 4-隔墙; 5-热丝 注意:铂丝电阻变化的频率是传感器单侧旋涡产生 频率的两倍。

涡街流量计 涡街流量计的构成

涡街流量计 涡街流量计的特点
优点: 测量精度与流体的温度、压力、密度、粘度、 成分无关;校准简单;无转动部件,可靠性高;测 量范围宽;精度高;压损小。 缺点:传感器前后分别应有一定长度的直管段; 价 格相对较高。

电磁流量计 工作原理

E = BDv ×10 (V )
1 2 Q = πD v 4 πD E 4 3 = × 10 (cm / s ) 4 B

?4

电磁流量计 流量公式成立的条件
(1) 磁场是均匀分布的恒定磁场; (2) 被测流体的流速轴对称分布; (3) 被测流体是非磁性的; (4) 管道是不导磁的; (5) 被测流体的导电率均匀且各向同性。

电磁流量计 励磁方式 直流励磁
直流励磁方式是用直流电或永久磁铁产生一个恒定 的均匀磁场。 优点:受交流电磁场干扰影响小,因而液体中自感 现象影响可以忽略不计,; 缺点:直流励磁易使管内的电解质液体被极化,导 致正电极被负离子包围,负电极被正离子包围,使 电极间内阻增大,影响仪表测量准确度。

电磁流量计 励磁方式 交流励磁
交流励磁方式是采用工频正弦交变电流产生一个交 变磁场。 B = B m sin ω t 交流磁场的磁感应强度为: 电极上产生的感应电动势为: E = B D v sin ω t m 被测流体体积流量:
E Q= × 10 4 4 Bm sin ω t

πD

优点:能消除电极表面极化现象,降低传感器内阻 ,输出信号是交流信号,放大和转化比直流容易。 缺点:带来一系列干扰,如90?干扰,同相干扰等。

电磁流量计 励磁方式 低频方波励磁

其频率通常为工频 的1/4~1/10。

特点:在半个周期内,磁场是恒稳的直流磁场,具 有直流励磁的特点,受电磁干扰影响小。从整个时 间周期看,方波信号又是一个交变信号,所以能克 服直流励磁易产生的极化现象。

电磁流量计 电磁流量计的特点
(1) 压力损失小,使用寿命长。管内没有任何阻碍流 体流动的节流部件,因此,流体流经变送器时的 压力损耗很小,并且还避免了像前述的涡轮等形 式的流量计由于可转动部件磨损而影响仪表寿命; (2) 不需修正。电磁流量计是一种体积流量测量仪表, 不受被测介质的温度、粘度、密度等参数影响, 因此,电磁流量计只需经水标定后,就可测其它 导电液体的流量,而不需要附加其它修正;

电磁流量计 电磁流量计的特点
(3) 可以测量各种腐蚀性(酸、碱、盐)溶液的流量, 以及含有固体颗粒(泥浆、纸浆、矿浆等)等液体 的流量; (4) 量程范围宽、线性好,无机械惯性、反应灵敏, 测量精度高、工作稳定、可靠。可转换成标准信号, 可就地指示,也可通过485等通讯接口进行远传。 缺点:不能测气体、蒸汽和导磁率低的液体介质, 对石油制品和有机溶液等的流量测量还无能为力。 不能测高温高压流体的流量。

标准节流装置 节流装置
组成:节流元件、取压装置、管道。 作用:节流元件使流体压力改变,取压装置将压差 信号传送到压差计检出,从而确定流量大小。 标准节流元件 (1) 结构 (a)标准孔板; (b)文丘里喷嘴;

标准节流装置 节流装置
(c) 标准喷嘴; (d) 文丘里管 。

标准节流装置 节流装置
(2) 特点 孔板:构造最简单,容易安装,但压力损失大,精 度稍差; 标准喷嘴:流量系数大,压力损失比标准孔板小, 精度比标准孔板高,可测量温度和压力较高的蒸汽 、气体流量。但价格较孔板高,制造较复杂,仅限 于中等口径; 文丘里管:流体阻力小,但结构、加工和安装都较 复杂,研究还不如标准孔板深入; 文丘里喷嘴:是介于标准喷嘴和文丘里管之间的节 流元件,压力损失比标准喷嘴低但又比文丘里管高 国内常用的标准节流装置是标准孔板和标准喷嘴。

标准节流装置 节流装置
标准取压装置 取压装置:指取压位置与取压口结构形式的总称。 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。 角接取压:适用与标准孔板和标准喷嘴; 法兰取压:仅适用于标准孔板。 角接取压装置包适环室取压和单独钻孔取压两种结 构形式 。

标准节流装置 节流装置
角接取压装置 结构:环室取压和 单独钻孔取压 角接取压标准孔板 适用条件:
D = 50~1000mm; β= d/D为0.22~0.80; Red = 5 × 103~107。

标准节流装置 节流装置
法兰取压装置 结构:两个带取压孔 的取压法兰组成。 法兰取压标准孔板 适用条件: D = 50~750mm; β = d/D为0.1~0.75; Red = 8 × 103~1 × 107。

标准节流装置 节流现象(以孔板为例)

标准节流装置 流量基本方程
理想流体理想流动情况下流经节流装置的流量公式

p1 理想流体的伯努利方程为:
流体连续方程为: ρ

v1 p2 v2 + = + ρ 2 ρ 2
π
4
2 ' ' 1 1

'

'2

'

'2

π
4

Dv ρ
2

'= 1

d 2 v2 (即A v = A2 v2 )
'

1 2 ' ' v ( p1 ? p2 ) 两式联立解得截面II流速为: = d2 4 ρ 1?( ) D
' 2

标准节流装置 流量基本方程
流量为:
' 2 2

1 π 2 ' ' G = A v ρ = d2 v ρ = d2 2ρ( p1 ? p2 ) 4 d2 4 4 1? ( ) D
2 ' 2

π

流体粘性与取压位置的影响 (1) 流体粘性的影响 由于流体有粘性,在孔板前后产生磨擦和涡流而 损失一部分动能,因而实际v2'低于理想值。

标准节流装置 流量基本方程
(2) 取压位置的影响 由于最小流束截面II的位置是不固定的,它随流体性 质及直径比β=d/D变化而变化,因此不可能取出最 小截面压力,而只能取出固定取压位置处的压力差 ?p=p1-p2;再者,d2、A2无法测量,用节流元件开 孔直径d和面积A0代替。 设流束收缩系数: 则
A2 d2 = ? = 2 A0 d
2
2

d 2 = ?d
2

标准节流装置 流量基本方程
p1 ? p 2 设压力修正系数: λ = p1 ? p 2
' '

修正后的流量公式为: G = A0 设流量系数: α = 则 G = α A0

? λ
1? ? β
2 4

2ρ ( p1 ? p2 )

? λ
1? ? β
2 4

2 ρ ( p1 ? p 2 )

标准节流装置 流量基本方程
(3) 可压缩性的影响 对于可压缩流体ρ1 ≠ ρ2 ,现规定用节流前的流体密度 ρ1 ,从而引入一个流束的膨胀系数ε,这时的流量 公式为:

G = αεA0 2ρ( p1 ? p2 ) = αεA0 2ρ?p

标准节流装置 流量系数α和膨胀系数ε的确定
流量系数α的确定

α =

?

λ
2 4

1? ? β

影响α 的因素:节流元件的形式、取压方式、节流装 置开孔直径、管道直径、流体的流动状态等。 α的确定方法: 实验和查表

α = γ Ra α 0
对于一定的节流装置: α 0 = f ( β , Re D )

标准节流装置 流量系数α和膨胀系数ε的确定
α= 具体步骤如下: π 2 d 2ρ?p (1) 对于非标准的节流装置,实验确定 4
G

(2) 对于标准节流装置,只要使节流件的结构和安装 条件符合规程,则流量系数就可根据节流件的结构 形式、取压方式、β和ReD直接从表格查取α0,并可 确定其误差范围。 (3) 对于粗糙管道的流量系数,还要乘上一个管道粗 糙度的修正系数γRa ,该系数也可从有关手册上查 得,这样就求出了流量系数α 。

标准节流装置 流量系数α和膨胀系数ε的确定
流束膨胀系数ε的确定 影响ε的因素:节流件形式、取压方式、绝热指数k、 几何因素。 ε的确定方法: (1) 经验公式计算; (2) 根据节流件形式、取压方式、p2/p1、 β和k值的 范围直接查有关手册。

标准节流装置 压力损失
压力损失为: 影响δp的因素:

δ p = p ? p3
' 1

'

(1) 流束的节流程度:即随直径比β减小而增大。 (2)节流元件的形式:流体流过孔板δp的大于流过喷 嘴的δp ,更大于文丘里管的δp 。 δp的确定方法: 2 (1) 实验求得; 1 ?αβ

δp = (2) 通过经验公式近似计算:

1 + αβ

2

( p1 ? p2 )

标准节流装置 使用条件
(1) 不适用于脉动流和超音速流的流量测量,流体必 须是单相均质流体; (2) 流体必须充满节流装置,流体在流进节流元件前, 其流束必须与管道轴线平行,不得有旋转流; (3) 在节流元件两侧两倍管道直径以内,管道内表面 没有突出物和肉眼可见的粗糙不平现象; (4) 在节流件上、下游侧,应有一定长度的圆直管段 (其长度可根据上游局部阻力件形式及β值查有关 手册); (5) 不适用于管道直径小于50mm的管流。

进口流量管 概述
(1) 应用场合: 试验器直接从大气吸入 空气时的空气流量测量 (2) 结构: 渐缩的型面段+直管段 (3) 型面段的作用: 使进口流场均匀、稳定、 流动损失(压力损失)小。

进口流量管 概述
(4) 结构参数的选取 双扭线极坐标方程为:

r = a cos 2θ
2 2

设计时通常取: a=(0.6~0.8)D; L=(0.7~0.9)D; D'=(1.85~2.13)D; 静压孔位置在距双纽线型面段出口0.25D处。

进口流量管 理性流体理想情况下的流量公式
无粘性流体一维定常流动的运动方程为: vdv = ?



∫ρ

dp

对不可压缩气体,从截面I到 截面II之间过程求解得:

1 2 2 1 (v2 ? v1 ) = ( p1 ? p2 ) 2 ρ

在I截面处,气流的速度v1近视为零,静压等于总压 都为大气压力pa,从而得到: 2 v2 = ( pa ? p2 ) ρ

G =

πD
4

2

ρv2 =

πD
4

2

2 ρ ( pa ? p2 )

进口流量管 流量计算的修正
考虑粘性的影响引进流量系数α 流体粘性的影响相当于管径被缩小了一部分: D → D-2δ*( δ*为附面层位移厚度)

1 δ 附面层位移厚度与附面层厚度之间的关系为: = δ 8
*

2δ 2 A 修正后的直管段截面积为: = (D?2δ ) = D (1? ) 4 4 D
* ' * 2 2

π

π

令流量系数:

A 2δ 2 = (1 ? ) α= A D
' *

进口流量管 流量计算的修正
考虑压缩性的影响引进膨胀系数ε
k +1 k

p1 p2 2 k p2 k ε= [( ) ? ( ) p1 ? p2 k ? 1 p1 p1

]

当压差?p在103~104帕之间变化时,膨胀系数ε 约在0.999 ~0.949范围内变动 。 修正后的流量公式 2 πD G = αε 2ρ (pa ? p2) 4

进口流量管 使用及特点
特点:进口流量计实际上亦是节流差压式流量计的 一种。使用这种流量计测量流量时,在它的前面不 能安装管道。如果它的进口型面选择合适时,能使 流场均匀、稳定,压力损失小,这要比孔板等节流 元件的压力损失小得多。它的结构简单,计算也很 方便,适用于动力机械进气流量的测量。 安装:进口流量管安装时,应保证进口前沿在管道 轴线方向不小于10D、与管道轴线垂直方向不小于 4D的范围内,不得有使流束发生扰动的障碍物。

玻璃管转子流量计 工作原理

玻璃管转子流量计 流量方程
浮子所受上升力为: F1 = ?p ? A f = 浮子所受向 下力为:

ρv
2

2

Af

F2 = ρ f gVf ? ρgVf = Vf g( ρ f ? ρ)
ρv
2
2

当浮子在某一位置平衡时:

Af = V f g(ρ f ? ρ )

v=

2V f g ( ρ f ? ρ )

ρA f

←常数

玻璃管转子流量计 流量方程
Q = A0 v ←Q与A0成正比

A0 =π(R ?r ) =π(R+r)(R?r) =π(2r +htan?)htan?
2 2

= π ( dh tan ? + h tan ? ) ≈ πdh tan ?
2 2

Q = A0 v = απ dh tan ?

2 gV f ( ρ f ? ρ )

ρA f

α为流量系数,它与浮子的形状及被测流体的粘度有关。

玻璃管转子流量计 特点
优点: (1) 结构简单、直观、使用维护方便、成本低; (2) 压力损失小且恒定; (3) 尤其适用于小流量、低雷诺数的流体; (4) 金属管转子流量计可做成电远传型。

玻璃管转子流量计 特点
缺点: (1) 测量精度受被测流体粘度、密度、纯净度以及湿 度和压力的影响,也受安装垂直度和读数准确度 的影响,精度一般在2%左右; (2) 被测流体的流动为单相、无脉动的稳定流; (3) 不能测高压流体; (4) 不能有机械振动; (5) 出厂标定,液体是以水,气体是以空气,如实际 流体密度和粘度有较大变化,需用实际流体重新 标定。

容积式流量计 概述
容积式流量测量方法是通过测量单位时间内经 仪表排出流体的固定容积V的数目来实现的。 如果单位时间内排出固定容积的数目为n,则 流体的容积流量 Q=nV。

容积式流量计 椭圆齿轮流量计
工作原理

将流量测量转化为对齿轮转速的测量

容积式流量计 椭圆齿轮流量计
椭圆齿轮流量计的特点 优点: 适于测量高粘度液体;表前后不需安装 直管段。 缺点: 有滑漏量;只适于一定流量范围的液体; 表前需安装过滤器。

工作原理
1-计数器; 2-远传发讯器; 3-指示仪表; 4-记录仪表; 5-差动变压器; 6-微差压变送器; 7-伺服放大器; 8-反馈用测速电机; 9-伺服电机; 10-传动齿轮。

容积式流量计 伺服式容积流量计

容积式流量计 伺服式容积流量计
特点 优点: 滑漏量小;测量精度不受流体的压力、 粘度、密度等参数变化的影响;可测小流量。 缺点: 在仪表前需安装过滤器。

超声波流量计 概述
原理:超声波流量计是利用超声波在流体中的传播 特性来实现流量测量的。超声波在流体中传播时, 将载上流体流速的信息,如顺流和逆流的传播速度 由于叠加了流体流速而不相同等。因此,通过接收 到的超声波,就可以检测出被测流体的流速,再换 算成流量,从而实现测量流量的目的。 分类:超声波测量流量的方法有多种。根据对信号 检测的方法,可分为传播速度差法(时差法、相位 差法、频差法)、波束偏移法、多普勒法及噪声法 等类型。

超声波流量计 传播速度差法
传播速度差法:基于测量超声波脉冲顺流和逆流传 播的速度差来反映流体速度,从而达到流量测量的 目的。 时差法 超声波顺、逆流的传播时间差为 L L 2 Lv ?t = ? = 2 2 c?v c+v c ?v 当c?v时:

2 Lv ?t = c2

超声波流量计 传播速度差法
相位差法 如果顺流和逆流方向同时向流体连续发射超声正弦 波,并令ω为其角频率,则上、下游接收到的超声 ω 波的相位差为: 频差法 顺逆流脉冲循环频差为:

2ω Lv ?? = ω?t = 2 c

c + v c ? v 2v = ?f = f + ? f ? = ? L L L

超声波流量计 工作原理

超声波流量计 特点
(1) 从管道外部对被测流体进行非接触式测量,在管 道内部无任何测量部件,不干扰流场,没有压力损 失,因此是一种比较理想的节能仪表。特别是在大 流量计量时,节能效益更加显著; (2) 特别适合大口径的流量测量; (3)可以对各种流体介质进行流量测量且不受流体的 压力、温度、粘度及密度等的影响; (4) 安装维修方便; (5) 通用性好。

思考题
1. 为什么测量流量时,一般都要求在流量计的上下 游两侧有一定长度的直管段?采用测速法测流量时, 为什么要了解截面的速度分布?实际的平均流速测 量选择特征点有哪几种方法? 2. 试述涡轮流量计的工作原理及特点? 3. 涡轮流量计为什么要规定最小使用流量值? 如果 实际流体粘度大于水的粘度?为什么要重新校准? 4. 涡轮流量计安装管路中消气器、过滤器和整直器 的作用各是什么?

思考题
5. 试述涡街流量计的工作原理和特点?为何涡街流量 计有较高精度? 6. 试述涡街流量计旋涡频率的检测方法? ? 7. 试述电磁流量计的测量原理和特点? 8. 试述电磁流量计流量公式成立的条件? 9. 试述电磁流量计的三种励磁方式及其各自的特点? 10. 节流装置由哪几部分组成?各部分作用是什么? 11. 试述差压法测流量的基本思路?也就是流量公式是 如何得出的?

思考题
12. 节流流量计中的流量系数α和膨胀系数ε、压力损 失δp是如何确定的? 13. 试述节流流量计的使用条件? ? 14. 试述进口流管的使用条件及结构? 15. 进口流量计的流量系数是如何确定的?若想求出流 量系数必须实测哪个量? 16. 进口流量计的进口型面的作用是什么? 17. 浮子流量计与其它的压差式流量计原理上有何异 同点?

思考题
18. 试述浮子流量计的特点? 19. 试述伺服式容积流量计为何能减小滑漏量?容积式 流量计的最大优点是什么? 20.试述超声波流量计的特点?为何频差法得到广泛应 用? 21. 如何选择流量测量仪表?

习题
1. 用皮托管测量直径为600mm管道内的空气流速时, 假定将管道截面分成五个等截面环(n=5),则测点 距管壁的距离是多少? 2. 用标准孔板测量空气流量,当压差?p1 = 8.40kpa时, ? 流量G1 = 1.0×104kg/h,现测量压差为 ?p2 = 30.24kPa时,求所对应的流量G2。


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