中国石油大学化工检测仪表第五章 流量测量1

《中国石油大学化工检测仪表第五章 流量测量1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中国石油大学化工检测仪表第五章 流量测量1（244页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第五章 流量测量及变送,概述 节流式流量计 动压式流量计 转子流量计 容积式流量计 质量流量计 电磁流量计 超声流量计 离心式流量计 小 结,第一节 概述,流量流经管道（或设备）某一截面的流体数量。,(1) 流量计量仪表是能源管理和经济核算不可缺少的工具,是交接双方进行贸易结算的依据，流量测量的准确性就显得尤其重要。,(2)在工业自动化控制系统中只要有流体的系统，都需要进行流量的检测和控制。,流量仪表具有两大功用：,第一节 概述,一、瞬时流量 单位时间内流过某一截面的流体数量。,1. 体积瞬时流量 单位时间内流经某一有效截面的流体体积 。,常用单位：L/h，m3/h 等 。,2. 质量瞬时流量

2、 单位时间内流经某一有效截面的流体质量。,常用单位：t/h，kg/h 等。,可采用体积或质量流量来表示：,流量流经管道（或设备）某一截面的流体数量。,第一节 概述,二、累积流量(总量) 某一段时间内流经某一有效截面的流体总和。,1. 体积累积流量 某一段时间内流经某一有效截面的流体体积总和。,常用单位：L，m3 等,2. 质量累积流量 某一段时间内流经某一有效截面的流体质量总和。,常用单位：t，kg 等,测量瞬时流量的仪表一般称流量计，测量累计流量(总量)的仪表称为计量表（总量表）。,可以采用体积或质量来表示：,（4-3）,（4-4）,第一节 概述,三、关于气体体积流量测量,气体体积与温度、压

3、力有关流量:,标准状态：压力是1个标准大气压，即101.325 kPa， 但是温度就不尽相同，分为三种：,（1）当用于贸易结算时，采用标况流量：标准立方米/h, Nm3/h,（2）对于工艺上， 可采用工况流量：立方米/h, m3/h,或采用标况流量：标准立方米/h, Nm3/h,1954年第十届国际计量大会(CGPM)协议：温度273.15K（0）,世界各国科技领域广泛采用这一标准状态。,国际标准化组织和美国国家标准规定：288.15K（15）,我国天然气流量的标准孔板计算方法：293.15K（20）,各种不同状态的气体体积流量的相互转换：利用以下两个等式,qv00 = qv2020 = qv

4、1515 = qv=qm,（2）由理想气体定律：,例1：两种不同标准状态流量的相互转换 : qv0 qv20,例2：工况到标准状态流量的相互转换: qv qv20,（1）质量流量相等：,空气：1.293,1.205,四、 流动状态,当流体充满水平管道并水平流动时，流动状态可分为层流、紊流。 （1）层流 层流是流体的一种流动状态。流体在管内流动，当流速很小时，流体分层流动，互不混合，流体质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动，亦有称为直线流动的。层流状态下，流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。这种流动状态各点的流速相差较大，在测量中，如果仅用某个局部的流速代表整个截面流速，会产生较大的测量误

5、差。 （2）紊流 随着流速的增加，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，此时的水流在沿管轴方向向前运动的过程中，各层或各微小流束上的质点形成涡体彼此混掺，从每个质点的轨迹看，都是曲折错综的，没有确定的规律性，但是从整个管道截面来看，流体每个质点的运动速度接近一致。这种流动状态称为紊流，又湍流。,五、流量仪表的分类,1 速度式流量计,测量管道中的平均流速。 如：差压式、浮子式、靶式、电磁式、涡轮式、涡街式、超声波式等。,（2）与流体速度分布有关，流量计 前后需要直管段或整流器。,（1）测量平均流速，精度较低。,特点：,第一节 概述,2 容积式流量计,3 质量式流量计,直接测量体积流量。 如：椭圆

6、齿轮流量计、腰轮流量计、刮板式流量计等。,直接测量质量流量。 如：热式、补偿式、振动式等。,特点： （1）不需要直管段。,特点：（1）不需要直管段；,（2）精度最高，测量精度不受温度、压力、粘度等影响。,（2）精度高，但与温度、压力有关,第一节 概述,五、流量仪表的输出信号,返回,1 模拟量输出信号,标准信号 4-20 mADC 二线制或三线制,2 脉冲输出信号,如：0.015m3/Pulse,Q总=0.06m3,qv=0.06/5*3600=43.2 m3/h,第一节 概述,3 数字输出信号,(2) RS485,RS232,RS422(MODBUS协议),(1) Hart,节流式流量计：在管

7、道中设置了一个节流元件，节流件上下游产生的差压与流体流量有关。,第二节 差压式流量计,节流元件：安装于管道中，改变管道中流体流通 面积的元件。,differential pressure flowmeter,一、节流原理及流量方程,1. 节流原理,第二节 差压式流量计,但是：,流体流经节流元件将QP ，测量P进行流量测量。,节流原理,能量守恒定律： 总能量=动压能+静压能=常数,质量守恒定律：,D 管道直径； d 节流元件开孔直径。,令,2、流量方程,对理想流体，由能量守恒方程,根据流体连续性方程（质量守恒）：, 不可压缩流体,（1）理论方程,由能量守恒方程：, 等熵指数。,可压缩流体,对于理

8、想气体，流体经过节流件是等熵过程， 密度与压力的关系：,令=P2 /P1,可膨胀性系数： 低静压、高压差时存在不可忽略的误差。,根据流体连续性方程（质量守恒）：,（2）实际流量方程,引入C值修正实际流量与理论流量的差异，则实际流量方程为：,C流出系数。无量纲数，由实验方法按下式得到：,雷诺数Red Rek (临界值)，C趋于常数。,Rek ,测量时必须保证流量计工作在大于Rek的区域。,1 节流元件前的流体密度。,不同的节流元件和不同取压方式其C值不同。,标准孔板流出系数与雷诺数的关系,体积流量实用公式：,（3）实用流量公式,实际工程应用时，流量公式中通常不采用国际单位,kg/h,d mm;

9、P Pa; kg/m3,流量系数,m3 /h,第一节 测量原理,质量流量实用公式：,直径比，=d/D;,C 流出系数；, 节流装置上游流体密度；,D 工作条件下上游管道内径；,P 节流装置前后测得的差压；, 可膨胀性系数（液体 =1；可压缩流体 1）；,A0 节流件的开孔截面积;,d 工作条件下节流件的孔径；,K通常可用一常数表示，流量与差压的平方根成正比，而且流量值与流体密度有关，当介质密度变化时应考虑密度影响。,要想通过差压 P、计算qv或qm，必须已知流量系数K, 流量系数K如何得到？,第二节 差压式流量计,=d/D,K与以下条件有关： （1）几何尺寸：d、D （2）额定流体条件（P、T

10、、Q等）;,第二节 差压式流量计,对节流装置进行标定，通过实验得到Q- P、的数据，进行数据处理可得到K。,特点：,精度高,0.5 级；,费用高；,工艺额定流体条件不易满足；,（1 ）通过实验标定得到,耗时耗力，不方便；,第二节 差压式流量计,（2） 通过查表、计算得到：,数据表数据来源：世界各国专家试验总结,ISO5167-1和GB/T2624-2008 标准,b. 已知的额定流体条件和管道/节流元件的几何尺寸等;,a. 节流装置为国际上规定的标准节流装置。,特点：,精度较低, 1.5级；,费用低；,直接查表，方便；,无需标定，可直接用于流量测量，其误差不会超出规定的数值。,查表条件：,二、

11、差压式流量计的组成,第二节 差压式流量计,差压式流量计的组成:,1. 节流装置(节流元件和取压装置),2. 引压管路与三阀组,3. 差压计(差压变送器) P 420mA信号输出,将P 差压计，回零检查及维护。,vP 决定：,第二节 差压式流量计,（一）标准节流装置：标准节流元件+标准取压方式,ISO5167-1 GB/T2624-2008 标准,标准化：按照国家/国际标准条件和数据设计、加工、 制造及安装的节流装置。 不必再经单独标定（系数K可查表得到），即可投入使用，其误差不会超出规定的流量不确定度。精度可达1.5级。,非标准化：必须用实际流体标定。,包括：标准节流元件 标准取压方式（取压位

12、置）,第二节 差压式流量计,1.标准节流元件：,标准孔板,标准喷嘴,标准文丘利管,按统一标准进行设计、加工和安装,ISO5167-1 GB/T2624-2008 标准,(1) 标准孔板,孔板是一块上游具有锐利直角边缘的同心圆形薄板。,技术要求:对图中的 、及，标准中均有具体规定,a.压力损失较大；,b.一般适用于洁净流体；,喷嘴的结构形式,喷嘴的结构形式,总体形状 入口平面 收缩部分 喉部 保护槽 其他,ISA 1932喷嘴,长径喷嘴,技术要求:,(2)标准喷嘴,由两个圆弧曲面构成的入口收缩部分及与之相接的圆筒形喉部组成。,特点：,a. 压力损失略小于孔板；,b. 对带有污垢的流体介质较为适宜

13、。,第二节 差压式流量计,(3) 标准文丘利管：包括经典文丘里管和文丘利喷嘴,在标准喷嘴的基础上，增加了扩张段，有利于减小压力损失。,经典文丘里管：由入口圆筒段A、圆锥收缩段B、圆筒形喉部C及圆锥扩散段E组成。,文丘里喷嘴,ISA 1932喷嘴,第二节 差压式流量计,三种标准节流元件的区别:,压力损失: 孔板 喷嘴 文丘利管,加工安装难度: 孔板 喷嘴 文丘利管,成本: 孔板 喷嘴 文丘利管,标准孔板最常用，其次是标准喷嘴，文丘利管使用较少。,同一流量，不同的取压方式，即取压孔在节流件前后的位置不同，取出的差压值也不同。所以，不同的取压方式，对同一个节流件的系数也将不同(K不同)。,角接取压法

14、 法兰取压法 -/2取压法（也称径距取压法）,第二节 差压式流量计,2 标准取压方式：,标准取压方式：按标准规定的位置取压,第二节 差压式流量计,（1） 角接取压,环室：用于400mm以下管径，精度高。,单独钻孔：安装方便。,紧靠节流件前后端面取压。,适于孔板、ISA1932喷嘴。,第二节 差压式流量计,（3） 径距取压,（2） 法兰取压,距节流件前后端面1英寸(25.4mm)处取压。 仅适用于孔板。,均距节流元件前端面1D、后端面D/2处取压， 适用于孔板和长径喷嘴。,D-D/2取压,第二节 差压式流量计,角接取压,法兰取压,径距取压,对同一个节流元件，不同的取压方式，K不同。,第二节 差压

15、式流量计,1D,最小界面处 压力最小,2.5D,8D,文丘里管取压,上、下游取压口应做成管壁多个单独钻孔取压口形式，由均压环将几个取压口连接起来。,（1）孔板采用角接取压、法兰取压、D-D/2取压三种方式。,（2）ISA 1932喷嘴只能采用角接取压；长径喷嘴只能采用D-D/2取压。,（3）文丘里管的取压方式另有规定。,归纳,第二节 差压式流量计,标准节流装置：标准节流元件+标准取压方式,同时满足,角接取压标准孔板节流装置,K可查表获得,（二）差压计,第二节 差压式流量计,返回,差压计由两种类型：,qvP ：,节流装置(节流元件和取压方式)的作用,就地指示,I0远传到控制室,+,-,节流装置仅

16、产生P ，由差压计测量P就地指示或I0远传，用于显示、记录或控制。,第二节 差压式流量计,（1）引压管路：将P 差压计； （2）三阀组：回零检查及维护。,（三）引压管路与三阀组,作用：,第二节 差压式流量计,三阀组作用：,（1）防止差压计启动和停运时,因单向受压损坏。,（2）差压计回零检查。,差压变送器能承受：流体压力大、差压小,6.2MPa,6.0MPa,差压计测量：0-400KPa,启动顺序： 打开平衡阀2； 打开切断阀1； 关闭平衡阀2; 打开切断阀3,关闭顺序： 关闭切断阀1、2（先后无关）； 打开平衡阀2（为下次运行准备）,对于带隔离液的介质流量测量，不能三阀同时打开,第二节 差压式流量计,节流装置(节流元件和取压方式)的作用：,qvP ：,（3）确定K：根据标