第4章流量检测与仪表课件

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1、第四章 流量检测与仪表,流量是指单位时间内流过管道或特定通道横截面的流体数量，称为瞬时(平均)流量。流量分体积流量(Q或qv表示)与质量流量(M或qm表示)，体积流量是流体平均流速V与流经管道横截面积A乘积，即Q=AV；而M=Q。 流量计类型很多，常分为以下两类： 速度式流量计：通过测量流体在管道内的流速来计算流量。 容积式流量计：以单位时间内根据所推出流体固定容积数作为测量依据来计算流量。,第一节 节流式流量计 第二节 均速管流量计 第三节 电磁流量计 第四节 容积式流量计 第五节 质量流量计 第六节 其它流量计,第一节 节流式流量计,流体流经节流件时，流束收缩引起压头转换而在节流件前后产生

2、静压力差，该压差与流过的流量之间存在一定的关系，通过测量压差而求出流量的一种流量计通称节流装置，也称为差压装置。节流装置结构简单，性能稳定，使用维护方便，且有一部分已标准化，是目前应用最多的一种流量计。常用标准节流装置有孔板、喷嘴及文丘里管，如下图所示。,一、节流装置测量原理,当流体连续流过节流孔时，在节流件前后由于压头转换而产生压差。对于不可压缩流体例如水，节流前后流体的密度保持不变。当忽略压头损失p时，由柏努里方程可得：,流体流经节流孔前 后的流态变化,式中 ，P1、P2为流束在截面I、处相应的静压力，Pa；V1、V2为流束在截面I、处的流速，m/s； 为流体的密度，kg/m3。,若流体的

3、流速均匀一致，则由式(1)可得：,由流体流动连续性方程： A1V1= A2V2 (3) 式中， A1 、 A2 截面I、处流束的断面积，A1等于管道的断面积，m2。,设流束收缩系数为= A2/Ad，即A2=Ad (Ad为节流件的开孔面积)，又设管道直径为D和节流体开孔直径为d，则有 Ad/A1=d2/D2=2 其中，称为直径比，由式(2)和式(3)整理后得：,实际流体流动时有压头损失，流速也不是均匀一致的，并且在节流件前后两侧管壁测量的压差P=P1-P2，并非图中所示的P=P1-P2，考虑到这些因素，在上式中应引入修正系数，则不可压缩流体的体积流量Q与质量流量M为:,式(5)与式(6)本质上一

4、致。但因为流出系数不包括渐近速度系数的因素，它的计算公式和图表较流量系数的简单，故国家标准GB/T 2624-2019采纳C值。,不可压缩流体差压-流量方程,可压缩流体差压-流量方程,对于空气、煤气、水蒸汽等可压缩流体，流体流经节流装置前后的流体密度会发生变化，故应引入一个可膨胀系数，则可压缩流体的流量基本方程为：,实用流量方程,(1)流量Q以m3/h 表示，在流体工作温度下节流件开孔直径dt以mm表示，压差P以Pa表示，流体工作密度仍以kg/m3表示时的流量方程为：,(2) 压差P以kPa表示，其它单位不变，则上式改写为：,(3)如果P以 mmH2O (水柱)表示，水的密度(20)998.2

5、 kg/m3 ，其它单位不变时，则流量实用方程为：,二、标准节流装置,在国家标准【GB/T 2624-2019用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量，等同于国际标准ISO 5167(2019) 】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。 标准孔板、标准喷嘴与标准文丘里管(简称孔板、喷嘴、文丘里管)等，毋须经过实液标定即可使用，测量准确度一般为l%2%，能满足工业生产上的一般要求。,(一)标准孔板,1、结构形式 主要参数： 开孔直径d ： 满足d12.5mm 0.100.75 孔板的厚度E ：e E 0.05D 节流孔厚度

6、 e：0.005D e0.02D,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,每个取压装置至少有一个上游取压孔和一个下游取压孔，不同取压方式的上、下游取压孔位置都必需符合国家标准的规定。 取压口的位置表征标准孔板的取压方式，一般分为角接取压、法兰取压、径距取压、缩流取压和管接取压五种，标准孔板常用角接取压法和法兰取压法。取压方式不同的标准孔板，其取压装置的结构，孔板的适用范围，流出系数的实验数据以及有关技术要求均有所不同。,2、取压装置,(1)角接取压装置,从节流件上下游断面与管壁的夹角处取出待测的压力，称为角接取压，角接取压包括单独钻

7、孔和环室取压两种。,单独钻孔取压,环室取压,单独钻孔取压,环室取压,(2)法兰取压装置,标准孔板的上下游两侧均用法兰连接。,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25.40.8mm(1inch)。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上。,(3)径距取压(或称D与D/2取压)装置 上游取压口中心与孔板上游端面距离名义上等于D，但在0.9D与1.1D之间时，无须对流出系数进行修正。下游取压口中心与孔板上游端面距离为D/2，但当0.60，在0.480.52D之间时，或当0.60，在0.490.51D之间时，都不必对流出系数进行修正。,节流式流量测量系统,(二)标准喷嘴,标准喷嘴分ISA 19

8、32喷嘴(左图)和长径喷嘴两种。喷嘴在管道内的部分是圆的，由圆弧形的收缩部分和圆筒形喉部组成。 适用范围: 50D500mm，0.300.80。 当0.300.44时， 7104ReD107； 当0.440.80时， 2104ReD107 。,(a)d(2/3)D (b) d (2/3)D,(三) 文丘里管,标准文丘里管有两种形式: 古典文丘里管(简称文丘里管，见图)与文丘里喷嘴。文丘里管是由入口圆筒段A，圆锥收缩段B，圆柱形喉部C以及圆锥形扩散段E组成。文丘里管内壁是对称于轴线的旋转表面，该轴线与管道同轴。,三、标准节流装置的使用条件, 节流装置只适于测量圆形截面管道内的流体，流体必须充满圆

9、管，连续地流过管道。 在紧邻节流装置的上游管道内流体的流动状态接近典型的充分发展的紊流状态。 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。 流体流量基本上不随时间而变化，或者变化是非常缓慢的。 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。 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。具有高分散程度的胶质溶液例如牛奶，可以认为是单相流体。 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。,四、节流装置的安装,节流装置安装在一定长度的直管道上，上下游难免有影响

10、流体流动的拐弯、扩张、缩小、分岔及阀门等阻力件如图所示。节流装置前后直管段及阻力件位置等均需满足国家标准。,节流装置的安装管段 1，2，5-局部阻力件，3-节流件， 4-引压管,五、非标准节流装置,(一) V锥流量计 因为锥体有“整流”作用，即使在极为恶劣的情况下(如紧邻仪表上游有单弯管，双弯管等阻力件)，经过锥体后的流体分布也比较均匀，可保证仪表在恶劣的条件下获得较高的测量精度。因此对上下游直管段的要求小，安装时在上游留0-3D的直管段，在下游留0-1D的直段管即可。,1-上游端开孔(总压管)； 2-下游端开孔(静压管)； 3-节流件,(二)内文丘里管,内文丘里管与经典文丘里管的测量原理相同

11、，流体流经内文丘里管的流动与节流过程同流经经典文丘里管时相似，通过测量差压，便可得知流体流过内文丘里管流量的大小。 它对传统文丘里管结构作了质的变革而集经典文丘里管、环形孔板、耐磨孔板和锥形入口孔板优点为一体的新一代异型文丘里管，其特性与使用性能优于标准节流装置，适于测量各种液体、气体和蒸汽，特别适用于测量各种煤气、非洁净天然气、高含湿气体以及其它各种脏污流体，大多可取代传统孔板、喷嘴、经典文丘里管的理想换代产品。,内文丘里管流量计,(a) 结构示意图；(b)芯体结构I ；(c) 芯体结构II 1-圆形测量管；2-文丘里型芯体；3,4-支撑环； 5-取压孔；6-前段圆锥(图b)或圆锥台(图c)

12、； 7-中段圆柱；8-后段圆锥台；9,10-支撑轴,(三)小管道流量测量,标准节流装置只能用在直径大于50mm管道上，直径小于 50mm的管道采用非标准节流装置。 1、小管径孔板,2、内藏孔板,把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(或称整体孔板)。 内藏孔板适用于测量清洁气体和液体的小流量，工艺管道直径范围825mm，孔板孔径范围通常为0.5-6mm，测量精度(13)%，流量系数与雷诺数和孔径等因素有关，通常由仪表厂标定。,(四)含悬浮物和高粘度流体的流量测量,含悬浮物和高粘度流体的流量时，在标准孔板前后会积存沉淀物，

13、使管道实际面积减小，测量不准确，甚至管道被堵塞，因而，必需采用特殊节流装置来测量。 (1)楔形孔板。 (2)圆缺孔板。 (3)偏心孔板。,1楔形流量计；2，3取压管段；4差压变送器,适用管径范围8600mm(或达1200mm)，雷诺数3001106，流体温度300，流体压力6 MPa，测量范围度1:5,目前已达1:10；测量精度：经标定为0.5%，未标定的约为3%。,楔形流量计,圆缺孔板,圆缺孔板形状似扇形，它的开孔是一个圆的一部分(圆缺部分)，这个圆的直径是管道直径的98%，如图所示。主要用于脏污介质含有固体微粒的液体和气体的流量测量，圆缺开孔一般位于下方，但对于含气泡的液体，其开孔位于上方

14、。测量时管道应水平安装。,圆缺孔板适用范围：管径50mmD350mm(可达500mm)，0.350.75，雷诺数：104ReD106。取压方式采用法兰取压和缩流取压。,偏心孔板,这种孔板的孔是偏心的，它与一个和管道同心的圆相切，这个圆的直径等于管道直径的98%，如图所示。其取压方式也有两种：法兰取压和缩径取压。 适用范围：管径100mmD1000mm，直径比0.460.84，雷诺数105ReD106。,(五) 低雷诺数情况下的流量测量,管道雷诺数(ReD)与管径、流体粘度、密度和流量大小等有关，某些介质的粘度大、密度小或流量小，则雷诺数低，达不到标准节流装置要求的界限雷诺数(或最小雷诺数)，因

15、而流出系数不稳定，造成较大的测量误差。 以下介绍两种低雷诺数使用的非标准孔板：1/4圆孔板与锥形入口孔板。,1、1/4圆孔板,1/4圆孔板(又称1/4圆喷嘴)与标准孔板相似，只是节流孔的入口边缘形状不同，上游入口边缘是以半径为r的1/4圆，其圆心在下游端面上，如图所示，这种孔板结构简单，又具有喷嘴的一些优良性能，如不受磨蚀、腐蚀和孔板表面固体沉积物的影响，适用范围：管径D25mm，直径比0.2450.6，雷诺数500ReD6104，孔径d15mm。,1/4圆孔板 1-上游端面A；2-下游端面；3-流向,2、锥形入口孔板,锥形入口孔板的形状与标准孔板相似，相当于一块进出口反装的标准孔板，其入口与

16、中心线夹角为451o，如图所示。它要求的雷诺数下限比1/4圆孔板还要小，适用范围：管径D25mm，直径比0.10.316，孔径d6mm。,锥形入口孔板 1-环隙；2-夹持环；3-上游端面A；4-下游端面B；5-轴线；6-流向； 7-取压口；8-孔板,七、节流式流量计的选用,(一)节流装置的选择 节流式流量计的主要优点是结构简单，使用方便，寿命长，适应性广。不足之处是量程比较窄，一般为 (34):1，压力损失较大，需消耗一定的动力；对安装要求严格，需要足够长的直管段。选用时需注意以下问题： 允许的压力损失 ； 加工； 被测介质的侵蚀性 ； 现场安装条件。,(二) 使用节流装置应注意的问题,节流式流量计不仅需要合理选型，精确设计计算和加工制造，更应注意正确安装、使用和维护，方能获得足够的实际测量准确度。 使用应注意问题主要包括以下四个方面，以免产生额外误差： (1 )被测流体参数与设计条件不符； (2) 原始数据不正确；