热工测量仪表——流体流量的测量方法

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1、热工测量仪表 流体流量的测量方法7.1 流量测量概述 在热力发电厂中，流体（水、蒸汽、油等）的 流量直接反映设备的负荷高低，工作状况和效 率等运动情况。因此连续监视流体的流量对热 力设备的安全、经济运行及能源管理有着重要 意义。 流体流量就是单位时间内流过某一截面的流体 的量，称为瞬时流量。在某一段时间间隔内流 过某一截面流体的量称为流过的总量。显然， 流过的总量可以用在该段时间内瞬时流量对时 间的积分得到，所以总量常称为积分流量或累 计流量。总量除以得到总量的时间间隔就称为 该段时间内的平均流量。流体的流量可以用单位时间内流过的质量（ ）表示，称为质量流量，也可以用单位时间内流过的体积（ ）

2、来表示， 称为体积流量，它们之间的关系 为（7-1）式中： 为流体密度，它随工质状况而变，因此给出体积流量 的同时，必须指明被 测流量的密度。在测量气体流量时，为了便于比较，常将测得的体积流量 换算成标 准状态下的体积流量 ，称为标准体积流量（ ）。它们之间的关系为 （7-2）式中： 为标准状态（温度为 和压力为101325Pa绝对压力）下的被测气体密度。对 于一定的被测气体， 是定值，所以一直标准体积流量，也就确定了其质量流量 。目前工业上常用的流量测量方法大致可以分为容积式、速度式和质量式三类。流量测量仪表的校验与分度 除标准节流装置和标准毕托管以外的各种流量 测量仪表，在出厂大都需要用实

3、验来求得仪表 的流量系数，以确定仪表的流量刻度标尺，即 进行流量计的分度。 在使用中还需要定期检验，检查仪表的基本误 差是否超过仪表的准确度级所允许的误差范围 。 标准节流装置的分度关系和误差，可按“流量 测量节流装置国家标准”中规定通过计算确定 ，但必须指出，“标准”中的流量系数系数等 数据也是通过大量实验求得的。 另外，在测量准确度要求很高时，还是要将成 套节流装置进行实验分度和校验。 在进行流量测量仪表的校验和分度时，瞬时流量的标准是用标 准砝码、标准容积和标准时间通过一套标准实验装置来得到的 。所谓标准实验装置，也就是能调节流量并使之高度稳定在不 同数值上的一套液体或气体循环系统。若能

4、保持系统中流量稳 定不变，则可通过准确测量某一段时间和这段时间内通过 系统 的流体总容积或总质量，由下式求得这时系统中的瞬时体积流 量或质量流量的标准值 或 将流量标准值与安装在系统中的被校仪表指示值对 照，就能达到校验和分度被校流量计的目的。 图7-1所示为水流量标定系统。该系统用高位水槽来 产生压头，并用溢流的方法保持压力恒定，以达到 稳定的目的； 用与切换机构同步的计时器来测定流体流入计量槽 的时间； 用标准容积计量槽（或用称重设备）测定V； 被校流量计前后必须有足够长的直管段，流量调节 由被校流量计后的阀门控制。系统所能达到的雷诺 数受高位水槽高度的控制，为了达到更大的雷诺数 ，有些实

5、验装置用多级稳压罐代替高位溢流水槽做 恒压水源。 经过容积标定的基准体积管和高准确度的容积式流量 计也经常作为流量测量仪表校验和分度的标准。由于它 们便于移动和能安装在生产工艺管道上，所以更适用于 流量计的现场校验。基准体积管如图7-2所示，其原理 是在一根等直径管径的橡胶球在流体推动下通过前一开 关时，发出一电脉冲去打开计数器的计数门，开始对时 基脉冲计数；当橡胶球通过后一开关时发出一电脉冲， 关闭计数器的计数门，停止计数，两电脉冲信号间所计 的脉冲数代表时间。两开关之间的管段容积是经过准确 地标定过的，即V是确定的，因此测得时间就可求得瞬 时体积流量。基准体积管的两端有橡胶球投入和分离装

6、置，使橡胶球能自动从基准体积管前投入，从体积管后 分离出来，连续循环于体积管中。 7.2 节流式流量计在管道内装入节流件，流体流过节流件时流束 收缩，于是在节流件前后产生差压，对于一 定形状和尺寸的节流件，一定的测压位置和 前后直管段情况，一定参数的流体，和其他 条件下，节流件前后产生的差压值随流量而 变，两者之间并有确定的关系。因此可通过 测量差压来测量流量。 节流变压降流量计的显示仪表就是差压计，只 是差压的标尺是按求得的流量与差压间的关 系，以流量值刻度的。节流件的形式1形式很多：有孔板、喷嘴、文丘利管、1/4圆 喷嘴，等等。 2用得最广泛的节流件是孔板和喷嘴，这两种形 式的节流件的外形

7、、尺寸已标准化，并同时 规定了它们的取压方式和前后直管段要求， 总称为“标准节流装置”，通过大量试验求得 了这类标准节流装置的流量与差压的关系， 以“流量测量节流装置国家标准”的形式公布 。凡符合国家标准的节流装置，其流量和差 压之间的关系及测量误差可按国家标准直接 计算确定。标准节流装置的适用范围 1、只适用于测量圆形截面管道中的单相、均匀流体的 质量； 2、并要求流体充满管道； 3、在节流件前后一定距离内不发生相变或析出杂质； 4、流速小于音速，流动属于非脉动流； 5、流体在节流件前，流束与管道轴线平行，不得有旋 转流。一、标准节流装置如图7-3所示，标准节流装置包括：节流件、取压装置、节

8、流件上游 侧第一个阻力件、第二个阻力件，下游侧第一个阻力件以及在它 们之间的直管段。标准节流装置应根据我国流量测量 节流装置国家标准和检测规程的规 定进行设计、制造、安装和使用。我 国的标准和国际标准（ISO/R541） 基本一致。 1993 年发布了国标GB/T2624 93流量测量节流装置：用孔板、喷 嘴和文丘里管测量充满圆管的流体测 量。图7-3 整套节流装置示意 1上游侧第二个局部阻力件； 2上游侧第一个局部阻力件；3节 流件；4下游侧第一个局部阻力件1、标准节流件及其取压装置 标准节流件的形式和取压方式，目前国际规定 如下： 标准孔板：角接取压、法兰取压； 标准喷嘴（亦称ISA193

9、2喷嘴）：角接取压。 国际上还有一些其他的已标准化了的节流件，如径距取 压（即D和0.5D取压，D为管道内径）标准孔板，径距 取压长径喷嘴（亦称ASME喷嘴），古典文丘利管和文 丘利喷嘴等。1.1标准孔板标准孔板的结构如图7-4所示，孔板要求 如下： （1）标准孔板的开孔直径d是一个重要的 尺寸，应实际测量。测量在上游段进行 ，最好是在四个大致相等的角度上测量 直径，求其平均值。要求各个单测值与 平均值之差在0.05%范围内。 （2）标准孔板的全称是“同心薄壁锐缘孔 板”，因此孔板进口圆筒形部分应与管 道同心安装； （3）孔板进口边缘应是严格直角，不能 有毛刺和可见的反光，即进口边缘应很 尖锐

10、，边缘半径不大于0.0004d。所谓 薄壁是指孔板厚度E和圆筒形厚度e不 能过大。图7-4 标准孔板 E=0.020.05D， e=0.0050.02D1)在各处测得的E值之间的最大差值和各处测得的e值之间的最大差值 均不得超过0.001D 2)孔板必须与管道轴线垂直安装，其偏差不超过1度3)若E0.02D，则可以不做成 的圆锥形出口，这样的孔板适用 于测量双向流动的流体，但这时要求下游端面的标粗糙度和边缘尖锐 度必须与上游端面的相同；4)孔板加工过程中，不得使用刮刀和砂布进行修刮和打磨。标准孔板 的适用范围如下表所示：角接取压压法兰兰取压压径距取压压 12.mmd 50mmD100mm 0.

11、20.75 当0.20.45 时时，ReD5000 ReD12602D 当0.4时时， ReD10000标准孔板制造安装的其他要求1.2标准喷嘴标准喷嘴的形状如图7-4所示。其型线由进口端面A、收缩部分第 一圆弧面C1、第二圆弧面C2、圆筒形喉部e和圆筒形出口边缘 保护槽H等五部分组成。 圆筒形喉部长度为0.3d，其直径就是节流件开孔直径d。d值应是 不少于8个单测值的算术平均值，其中4个在圆筒喉部的始端测 得，另4个在其终端测得，并且是大致相距45度的位置上测得的 。要求任何一个单测值与平均值的差值不得超过0.05%。各段 型线之间必须相切，不得有不光滑部分。 当2/3时，由于此时1.5d已

12、大于管道直径D，必须将喷嘴上游端 面切去一部分L，使上游进口部分最大值径与管道内径相等， 以便夹持，应切去的长度为: 喷嘴在管道上的安装要求与标准孔板的相同。图7-5 标准喷嘴 （a）2/31.3角接取压装置角接取压装置有环室取压和单独孔 取压两种。分别如图7-6上半部 和下半部所示。 环室取压的前、后环室装在节流件 两边，环室夹在法兰之间，法兰 和环室、环室和节流件之间放有 垫片并加紧。节流件前后的压力 是从前、后环室和节流件前、后 端面之间所形成的连续环隙上取得 的，为整个圆周上的平均值。 单独钻孔取压可以钻在法兰上，也 可以钻在法兰之间的夹紧环上。 取压孔在夹紧环内壁的出口边缘 必须与夹

13、紧环内壁平齐，并有不 大于取压孔直径1/10的倒角，无 可见的毛刺和突出部分。取压孔 应为圆筒形，其轴线应尽可能与 管道轴线垂直。 图7-6 环室取压和单独钻孔 取压装置结构，f2a;1.4法兰取压装置法兰取压装置如图7-7所示， 孔板夹持在两块特制的法兰 中间，其间加两片垫片，厚 度不超过1mm。取压口只 有一对，上游取压口中心线 与节流件上游端面距离 L1=25.4mm，下游取压口 中心线与节流件下游端面距 离L2=25.4mm。当0.6且 D0.6 时为0.01D。取压孔必须符合单独钻取压得全 部要求，取压孔中心线必须与管道中心线垂直 。2、标准节流装置的管道条件节流装置的流量与差压之间

14、的关系，不仅与节流件类型有 关，而且与流体在节流件上下游流动情况有关。对于标 准节流装置，要求在节流件前24D处的管道截面上已 基本形成典型的紊流速度分布，节流件下游的阻力件不 影响流束的正常恢复。因此对节流件前后的管道必须有 明确的要求，此外还必须确定所用管道内壁粗糙度限值 。2.1节流件前后直管段要求节流件上下游第一阻力与节流件之间的直管段长 度L1和L2如图7-3所示，L1和L2取决于上下游 第一阻力件的形式和所用节流件的值，如表 10-2所列，表中所列数值为管道内径D的倍数 。如果实际的L1和L2中有一个括号内数值，或 在括号内外的数值之间，则在计算流量测量不 确定度时，在流出系数的不

15、确定度上要算术相 加0.5%的附加偏差。 凡实际装在节流件上游侧的阻力件形式没有包括在表7-2之内，或要求 的三段直管段有一个小于括号内的数值或有两个都在括号内外的 数值之间，则应在实验室实际测定差压和流量之间的关系。表7-2 节流件上游侧的最小直管段长度直径比 v时 (7-30)如发送器发出的是连续正弦波，则上、下游接收到的波的相位 差 （7-31）式中超声波的角频率。由式(7-29)、（7-31）看出，测得 t或就能求得流速v。但是，流体中声速c是随流体温度而 变得，水中声速c的温度系数为0.2%/。因此在流速一定时， t和的温度系数约为0.4%/，造成测量误差。一般需采 用流体温度补偿装置。采用频率法的优点是可消除声速c的影 响，因此上、下游接收到的超声波的频率之差 （7-32）可见在频率法中，频率差与声速c无关，因此工业上常用频率 法。 速度式流