工业仪表流量测量

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1、6.4 超声波流量测量方法与仪表 特点： （1）测量范围广，不受流体物理性质、化学性质的影 响，可测任何流体； （2）测量方式多，非接触式，可测量不易接触和观察 的流体； （3）安装方便，直接安装于管道上； （4）测量简便，指示读数与所测流体流量成线性函数 ，便于流量的直接读数、记录和累计； （5） 测量精度高； （6）可将转换器与标准工业控制计算机相连接，对流 量计进行控制，对数据进行处理。 6.4.1超声流量计的测量原理 概念：在超声检测中，把超声波发射出去并接收回波，再 将回波转换成电信号的装置称为超声波换能器。 原理：超声流量计由发射换能器产生超声波，以一定的方 式穿过流体，通过接收换

2、能器转换成电信号，经信号处理 后反映出流体的流速u，通过流速u来换算成流体的质量流 量qm，其关系为: qm =uA 式中，密度，取决于流体介质及工况； A流通面积，主要由管道状况及工况决定。 6.4.1.1 传播速度差法的原理 传播速度差法的基本原理是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被测流体的流速。根据 测量的物理量的不同，可以分为时差法(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)、相差法(测量 超声波在顺、逆流中传播的相位差)、频差法(测量顺、逆流 情况下超声脉冲的循环频率差)。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。

3、 （1）时差法的工作原理 时差法测量是在被测流体内由两对超声波发射器和接 收器组成两个通道，分别在顺流和逆流方向发射超声波脉 冲，测量其传播的时间差t。 顺流方向发射超声波脉冲的传播时间为 逆流方向发射超声波脉冲的传播时间为 在顺流和逆流情况下测量出的超声波传播时间差为： 由于cu，故可认为 ,故有 由上式可见，当超声波在静止流体中的传播速度假设为常 数时，流体流速与时间差成正比，测得t即可得到流速， 进而求得流量。 （2）频差法的工作原理 频差法是测量在顺流和逆流时超声波脉冲的循环频率来获得流体流速、流 量值的方法。 图6-25是超声波流量计的声环回路简图。其工 作原理为：取F1和F2为一对

4、超声波换能器，在 一定时间间隔内它们交替作为超声波发射器和 接受器使用。 顺流为例说明： 超声波发射器F1向流体发射脉冲，透过管壁， 然后通过流体，进入另一侧管壁，接收器F2收 到声脉冲信号，转换成电信号，经电子线路放 大后，再回到超声波发射器F1，触发F1发射下 个脉冲。这样就完成了一个声循环过程。 通过收发转换器，可同样进行逆流时的声 循环过程。 图6-25 声环回路示意图 完成一次循环需要的时间倒数称为声环频率，它与流体的速度有关。通过测量顺 、逆流声环频率差，可以求得流体速度，其最终形式为： 6.4.2 超声波多普勒流量计测量原理 6.4.2.1 基本工作 原理 测量原理多普勒效应 根

5、据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时， 观察者所感受到的声频率将不同于声源频率，因相对运动而产 生的频率变化与两物体的相对速度成正比。 在超声波多普勒流量测量方法中，超声波发射器为一固定声 源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察 者”的作用，其作用为:将入射到固体颗粒上的超声波反射回接收 器。发射声波与接收声波之间的频率差，就是由于流体中固体 颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于此频率差正比于流体 流速，所以测量频差即可求得流速，进而得到流体的流量。 超声波多普勒流量测量的一个必要条件是：被测流体介质中应含有一定数量 反射声波的固体粒子或气泡等的两相介质。该特点可

6、用于测量两相流，这是 其它流量计难以解决的问题。因此，作为一种极有前途的两相流测量方法和 流量计，超声波多普勒流量测量方法目前正得到日益广泛的应用。 6.4.2.2 流量方程 图6-26 多普勒效应示意图 如图6-26所示，当超声波束在管轴线上遇到 一固体颗粒，该粒子以速度u沿管轴线运动。 对超声波发射器而言，该粒子以ucos的速度 离去，所以粒子收到的超声波频率f2应低于发 射的超声波频率fl，降低的数值为 ： 综合各种因素，最终体积流量为： 其中： ucos 6.5热线测速计 组成：热线，支架。 原理： 热线被电加热发热，当被测流体从热线表面 流过时，它们之间发生对流换热，当电发出的热 流

7、量等于流体流过发生的对流换热量时，热线将 维持在一定的温度上。该温度与流体流速具有确 定的定量函数关系。因此，可以通过测量热线温 度来确定流体速度，进而确定流体的流量。 其他方面，了解一下就可以。 图6-27 热线模型 6.6 节流式流量计 节流式流量计是一种典型的差压式流量计，是目前工业生 产中用于测量气体、液体和热气流量的最常用的一种流量仪表 。据统计，在炼钢厂、炼油厂等工业生产系统中所使用的流量 计中有7080为节流式流量计。在整个工业生产领域中，节 流式流量计也占流量仪表总数的一半以上。节流式流量计之所 以得到如此广泛的应用，主要是因为它具有以下两个非常突出 的优点： 结构简单，安装方

8、便，工作可靠，成本低，又具有一定准 确度，能满足工程测量的需要； 使用历史长，有丰富的、可靠的实验数据，设计加工已经标 准化。只要是按标准设计加工的节流式流量计，无需进行实际 标定，也能在已知的不确定度范围内进行流量测量。这使得节 流式流量计在制造和使用上都非常方便。 组成：节流装置，它包括节流件、取压装置和前后直 管段；显示装置包括差压信号管路和测量所需的仪表 。 使用标准节流装置时，流体的性质和状态必须满足 下列条件： 流体必须充满管道和节流装置，并连续地流经管 道。 流体必须是牛顿流体。 流体流经节流件时不发生相变。 流动为恒定流。 流体在流经节流件以前，流束是平行于管道轴线 的无旋流。

9、 工作原理：节流式流量计的工作原理如图6-33所示。当流体通 过设置在管道中的节流件时，造成流束局部收缩，其流速提高 ，压力减小，在节流件前后产生压差，此压差值与该流量的平 方成正比。 6.6.1 理论基础和流量方程 图6-33 节流式流量计的工作原理 最为常见的节流件有孔板，喷嘴、文丘里 管和文丘里喷嘴等几种形式，如图6-34所 示。 图6-34 节流件基本形式 图6-35孔板前后流动特性 不可压缩流体的流量方程： 质量流量 体积流量 可压缩流体的流量方程 6.6.2 标准节流装置 标准节流装置由标准节流件、标准取压装置和节流件前后测量 管三部分组成。全套标准节流装置的组成如图6-36所示。

10、 图6-36 标准节流装置组成 1-上游测量管；2-导压管；3-标准节流件； 4-下游测量管；5-法兰；6-取压环室 目前，国际标准节流装置有以下几种： 1 角接取压标准孔板; 2 法兰取压标推孔板； 3 径距取压标准孔板; 4 角接取压标准喷嘴(ISOl932喷嘴)； 5 径向取压长径喷嘴； 6 文丘里喷嘴； 7 古典文丘里管 6.6.3取压方式和取压装置 取压方式就是节流件前后取压位置的不同，不同位置取出的 压力数值不同，其流量系数也不同。 (1) 取压方式 通常采用的取压方式有理论取压法、径距取压法(也称D- D/2取样法)、角接取压法和法兰取压法等。图6-42表示了各 种取压方式的取压

11、位置。 图6-42 不同取压法的取压位置 1)理论取压法 上游取压管中心位于距孔板 前端面一倍管道直径D处，下游 取压管中心位于流束最小截面处 ，如图6-42中截面-所示 2) 径距取压法 上游取压管中心位于距离孔板(或喷嘴)前端面一倍管道直径D 处，下游取压管中心距离孔板(或喷嘴)前端面D2处，如图6-42 中-截面。所以径距取压法也称DD/2取压法。 图6-42 不同取压法的取压位置 3) 角接取压法 上下游取压管位于孔板(或喷嘴)的 前后端面处，如图6-42中的II截面。 4) 法兰取压法 不论管道直径和孔径比的大小，上下游取压管中心均位 于距离孔板两侧相应端面1英寸(2.54cm)处，

12、如图6-42- 截面。 (2) 标准取压装置 两种标准取压装置，即角接取压装置和法兰取压装置。 前者适用于孔板和喷嘴，而法兰取压仅适用于孔板。 1) 角接取压装置 角接取压装置可采用环室或夹紧环(单独钻孔)取得节流件前后的差压， 其结构如图6-43所示。 图6-43 环室压紧环结构 2) 法兰取压装置 法兰取压装置由两个带取压孔的取压法 兰组成，如图6-44所示。 图6-44 法兰取压装置结构 6.7 差压式流量计 图6-52 毕托管的结构 6.7.1毕托管 (1) 毕托管的构造 毕托管是一根双层结构的弯成直角的金属小管，如图6-52(a)所示。在毕托管的 头部迎流方向开有一个小孔A，称总压孔

13、。头部下游某处又开有若干小孔B，称为静 压孔。毕托管所测得的流速是毕托管头部顶端所对的那一点的流速。 (2) 毕托管工作原理 考虑到局部损失，修正后的速度为： 特点：用毕托管只能测量某一点的流速。因此，用毕托管测量流量的关键 是如何确定特征点。 目前比较常用的有等环面法、切比雪夫积分法和对数线性法。 1) 等环面法 将半径为R的圆管分成n个面积相等的同心圆环(最中间的为圆)。在每一个 同心圆环的面积等分处设置测点，即特征点的位置。以该点所测得的速度值 代表整个圆环的平均速度。所以，管道内的速度分布曲线就近似地被阶梯形 的分布规律所代替，如图6-53所示 。 图6-53 等环面测点布置 从圆管中

14、心开始，各特征点离圆心的距离r1, r2, rn可按下式计算： 式中, n一圆管截面等分数； i一测点序号(从圆心向管壁依次增加)； R圆管半径； r等面积圆环上的特征圆半径。 2) 对数线性法 对数线性法同样将管道截面分成M个等面积环(最中间的为圆)，并假 设每个环面上速度分布的数学模型为 : U = A十Blog(yD)十C(yD) (6-85) 式中，A、B、C为待定的三个常数，并认为最外缘(即近管壁区)相对于管 壁距离的速度分布服从对数规律。 对数线性法选择特征点的原则是把各个环面上的平均速度看作是该环 面上各特征点处所测得的速度的算术平均值，而整个截面上的平均速度等 于各环面平均速度

15、的算术平均值。具体做法是在每个圆环的半径方向选择 两个测点，使得该两特征点上测得的速度平均值刚好等于该环面速度分布 为式(6-85)时的速度平均值，而不管A、B、C为何值。 设ym1和ym2为从管壁起始第m环上的两个测点，logbm和am分别为log(2 yD)和2 yD在该环上的平均值，则有 所以 ， ， 根据韦达定理，2ym1/D和2ym2/D是一元二次方程 的二个解，即 由式(6-89)可以看出，只要am，bm已知（对于确定的m, am，bm可通过 有关方法求得，此处略），第m环上的两个测点ym1和ym2就可以方便地 得到。 (6-89) （3） 防堵毕托管 1）遮板式防堵毕托管 二根细

16、管弯成，二孔彼此相对，中间隔一块铜质薄 片遮板。背向气流方向的孔灰尘不易进入孔内；面对气 流方向的孔，灰尘易进入孔内，故用遮板遮挡。 套管与二细管连成一体，管接头上的孔与测压孔相通。 面对气体的孔静压 背向气流的孔近似全压 注意： （1）使用前要用标准测速管校正，求出动压校正 系数。校正后要标明“+”、“”，使用时不得接反； （2）保护头部测量部分，以免测压孔和薄片位置 变化。 2）靠背式防堵毕托管 特点： （1）管孔较大且曲率半径较大，不易堵塞； （2）对气流方向的敏感性较小，偏角在 200内不 会引起明显的误差。 二测压管孔 1800对称布置。 面向气流者感 受全压； 背向气流者感 受静压。 6.7.2 均速管流量计 均速管流量计(又称阿纽巴，Annubar)，是20世纪60年代 以来基于毕托管原理发展起来的一种新型流量计，其基本结 构是一根中空的金属杆，杆上迎