液体流量检测技术

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1、第10章 流量检测技术 前言 流量检测的主要任务有两类：一是为流体工业提高产品质量和生产效 率，降低成本以及水利工程和环境保护 等做必要的流量检测和控制；二是为流体贸易结算、储运管理和污水 废气排放控制等做总量计量。本章介绍流量测量的基本知识和常用的 流量检测仪表。流量检测技术 10.1 流量检测的基本概念10.2 流量测量仪表10.3 流量计的校准与标准装置 10.1 流量检测的基本概念 10.1.1 流量和流量计10.1.2 流体物性参数与管流基础知识 10.1.3 流量检测仪表的分类 10.1.1 流量和流量计v体积流量 (10-1)v质量流量 (10-2)体积流量和质量流量的关系式：(

2、10-3)流量 单位时间内流体流经管道或明渠某横截面的数量， 又称瞬时流量。当流体以体积表示时称为体积流量 ,以质量表示时称为质量流量。10.1.1 流量和流量计(10- 4)(10- 5) 累积流量是有关流体介质的贸易、分配、交接、 供应等商业性活动中所必知的参数之一，是计价 、结算、收费的基础。积累流量在某一段时间内流过某横截面流体的总量。累积流 量等于该时间内瞬时流量对时间的积分。10.1.1 流量和流量计v一次装置安装于流体管道内部或外部，根据流体 与一次装置相互作用的物理定律，产生一个与流 量有确定关系的信号，一次装置又称流量传感器 。 v二次仪表接受一次装置的信号，并转换成流量显

3、示信号或输出信号。 v流量计可分为专门测量流体瞬时流量的瞬时流量 计和专门测量流体累积流量的累积式流量计。流量计用于测量流量的计量器，通常由一次装置和 二次仪表组成。10.1.1 流量和流量计体积流量的计量单位为米3秒(m3/s); 质量流量的计量单位为千克/秒(kg/s);累积体积流量的计量单位为米3(m3);累积质量流量的计量单位为千克(kg)。除上述流量计量单位外，工程上还使用米3 /时 (m3/h)、升/分(L/min)、吨/小时(t/h)、升(L) 、吨(t)等作为流量计量单位。10.1 流量检测的基本概念 10.1.1 流量和流量计10.1.2 流体物性参数与管流基础知识 10.1

4、.3 流量检测仪表的分类 10.1.2 流体物性参数与管流基础知识 (10-6)流体密度是温度和压力的函数，流体密度通常 由密度计测定，某些流体的密度可查表求得。流体的密度单位体积的流体所具有的质量1. 流体的密度10.1.2 流体物性参数与管流基础知识牛顿粘性定律 (10-7)流体的粘性 实际流体在流动时有阻止内部质点发生相对滑移的性质 流体的粘度 表示流体粘性大小的参数。通常采用动力粘度和运动粘 度来表征流体粘度。 2. 流体粘度 10.1.2 流体物性参数与管流基础知识运动粘度(10-8) v粘度是温度和压力的函数，可由粘度计测定 ，有些流体的粘度可查表求得。3. 流体的压缩系数和膨胀系

5、数 10.1.2 流体物性参数与管流基础知识流体的粘性 在一定的温度下，流体体积随压力增大而缩小的特性 流体的膨胀性 在一定压力下，流体的体积随温度升高而增大的特性 流体的压缩性 流体的压缩性用压缩系数表示，定义为：当流体温度 不变而所受压力变化时，其体积的相对变化率 10.1.2 流体物性参数与管流基础知识压缩系数(10-9)膨胀系数流体的膨胀性用膨胀系数来表示，定义为：在一定的 压力下，流体温度变化时其体积的相对变化率 10.1.2 流体物性参数与管流基础知识(10-10)流体膨胀性对测量结果的影响较明显，无论是 气体还是液体均须予以考虑。 4. 管流类型 管流 把流体充满管道截面的流动叫

6、管流 10.1.2 流体物性参数与管流基础知识1) 单相流和多相流 v 管道中只有一种均匀状态的流体流动称为单相流，如只 有单纯气态或液态流体在管道中的流动；两种不同相的 流体同时在管道中流动称为两相流；两种以上不同相的 流体同时在管道中流动称为多相流。 2) 可压缩和不可压缩流体的流动 v 流体的流动分为可压缩流体流动和不可压缩流体流动两 种，这两种不同的流体流动在流动规律中的某些方面有 根本的区别。 3) 稳定流和不稳定流 v 当流体流动时，若其各处的速度和压力仅与流体质点所 处的位置有关，而与时间无关，则流体的这种流动称为 稳定流；若还与时间有关，则称为不稳定流。10.1.2 流体物性参

7、数与管流基础知识4) 层流与紊流 v 层流 层流中流体沿轴向作分层平行流动，各流层质点没有垂 直于主流方向的横向运动，互不混杂，有规则的流线， 层流状态流体流量与流体压力降成正比； v 紊流 紊流状态管内流体不仅有轴向运动，而且还有剧烈的无 规则的横向运动，紊流状态流量与压力降的平方根成正 比。 v 用无量纲数雷诺数作为判别管内流体流动是层流还是 紊流的判据。对于圆管流，雷诺数表示为：(10-11)10.1.2 流体物性参数与管流基础知识5. 流速分布与平均流速流速分布模型 层流流动 (10-12)流速分布 流体在管内流动时，由于管壁与流体的粘滞作用，越 接近管壁，流速越低，管中心部分的流速最

8、快10.1.2 流体物性参数与管流基础知识紊流流动 (10-13)v层流状态下流速呈轴对称抛物线分布，在管中心 轴上达到最大流速；紊流状态下流速呈轴对称指 数分布，其流速分布形状随雷诺数不同而变化， 而层流流速分布与雷诺数无关 10.1.2 流体物性参数与管流基础知识v平均流速是管中心最大流速的0.5倍(u=0.5umax)； 紊流时的平均流速u与n值有关： (10-14) 流速分布10.1.2 流体物性参数与管流基础知识1)连续性方程 v对于可压缩流体的定常流动，连续性方程可表达 为： 1u1 A1=2u2 A2=qm =常数 (10-15)6. 流动基本方程10.1.2 流体物性参数与管流

9、基础知识v对于不可压缩流体，则为常数，方程可简化为 ：u1 A1= u2 A2=qv=常数 (10-16)2) 伯努利方程 v 当无粘性、不可压缩流体在重力作用下在管内 定常流动时，伯努利方程可表达为： (10-17)v伯努利方程说明，流体运动时，单位质量流体的 总机械能(位势能、压力能和动能)沿流线守恒， 且不同性质的机械能可以互相转换。 10.1 流量检测的基本概念 10.1.1 流量和流量计10.1.2 流体物性参数与管流基础知识 10.1.3 流量检测仪表的分类 10.1.3 流量检测仪表的分类1) 按测量对象分类 v流量仪表可分为封闭管道流量计和明渠流量计。 2) 按测量目的分类 v

10、流量仪表可分为瞬时流量计和总量表。 3) 按测量原理分类 v流量仪表可分为差压式、容积式、速度式等几类 。 4) 按测量方法和仪表结构分类 v流量仪表可分为差压式流量计、浮子流量计、容 积式流量计、叶轮式流量计、电磁式流量计、流 体振动式流量计、超声式流量计以及质量流量计10.2 流量测量仪表10.2.1 差压式流量计10.2.2 容积式流量计10.2.3 叶轮式流量计10.2.4 电磁流量计10.2.5 流体振动式流量计 10.2.6 超声波流量计10.2.7 质量流量计10.2.1 差压式流量计 v 差压式流量计是目前工业生产中用来测量液体、气体或 蒸汽流量的最常用的一类流量仪表 v 压式

11、流量计基于流体在通过设置于流通管道上的流动阻 力件时产生的压力差与流体流量之间的确定关系，通过 测量差压值来求得流体的流量。 v 产生差压的装置有多种型式，相应的有各种不同的差压 式流量计，其中使用最广泛的是节流式流量计，其他型 式的差压式流量计还有均速管、弯管、靶式流量计、浮 子流量计等等。 10.2.1 差压式流量计 1.节流式流量计测量原理 v 节流式流量计由节流装置、引压管路、三阀组和差压计 组成，如图10-3所示 在节流元件形状、尺寸一定，管道条件和流体参数 一定的情况下，节流元件前后的压力差与流体流量之间 成一定的函数关系。 10.2.1 差压式流量计 v 如图10-4;稳定流动的

12、流体沿水平管道流动到节流元件前 的截面1处之后，流束开始收缩，靠近管壁处的流体向管 道中心加速，而管道中心处流体的压力开始下降。 v 由于惯性作用，流体流过节流元件后流束继续收缩，因 此流束的最小截面位置不在节流元件处，而在节流元件 后的截面2处(此位置随流量大小而变)，此处流体平均流 速U2最大，压力P2最低。截面2后，流束逐渐扩大。 v 在截面3处，流束又充满管道，流体速度U3恢复到节流前 的速度U1 (U3U1)。由于流体流经节流元件时会产生漩 涡以及沿程的摩擦阻力等会造成能量损失，因此压力P3 不能恢复到原来的数值P1。P1与P3的差值P(P= P1-P3) 称为流体流经节流元件的压力

13、损失。10.2.1 差压式流量计 2. 流量方程 节流件前后差压与流量之间的关系，即节流式流量计的 流量方程可由流动连续性方程和伯努利方程推出。设管 道水平放置，对于截面1、2，由于Z1 =Z2 (10-18)(10-19) p1, p2截面1和2上流体的静压力； u1, u2截面1和2上流体的平均流速； 1, 2截面1和2上流体的密度，对于不可压缩流体，1= 2=； D, d截面1和2上流束直径；10.2.1 差压式流量计 v 实际的流量方程 (10-23)(10-24) 流量系数 E称为渐近速度系数 对于可压缩流体，引入流束膨胀系数进行修正 (10-25)(10-26)10.2.1 差压式

14、流量计 3. 节流装置 v 节流装置由节流元件、取压装置与测量管段(节流件前后 的直管段)等三部分组成。 v 根据标准化程度，节流装置分为标准节流装置和非标准 节流装置两大类。 1)标准节流元件的结构形式 v 按国标规定，标准节流元件有标准孔板、标准喷嘴 (ISA1932)、长径喷嘴、文丘里管和文丘里喷嘴等。v 工业上最常用的是孔板，其次是喷嘴，文丘里管使用较 少。 标准孔板v 标准孔板是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，迎流一 侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散 的锥形。 10.2.1 差压式流量计 标准喷嘴v 标准喷嘴是一种以管道轴线为中心线的旋转对称体，主 要由入口圆弧收

15、缩部分与出口圆筒形喉部组成，有 ISAl932喷嘴和长径喷嘴两种型式。ISA1932喷嘴的结构 如图10-610.2.1 差压式流量计 文丘里管v 文丘里管有两种标准型式：经典文丘里管(简称文丘里管 )与文丘里喷嘴。 v 文丘里管压力损失最低，有较高的测量精度，对流体中 的悬浮物不敏感，可用于污脏流体介质的流量测量，在 大管径流量测量方面应用的较多，但尺寸大、笨重，加 工困难，成本高，一般用在有特殊要求的场合。10.2.1 差压式流量计 2)节流装置的取压方式与取压装置v 根据节流装置取压口位置，可将取压方式分为理论取压 、角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压等五种。 v 标准节流装置的取压方式： 标准孔板可以采用角接取压、法兰取压和径距取压； ISA1932喷嘴上游采用角接取压，下游可采用角接取压 或在较远处取压； 经典文丘里管在上游和喉部均各取不少于4个、且由均 压环室连接的取压口取压，各取压口在垂直于管道轴线 的截面平均分布。10.2.1 差压式流量计 v 目前广泛采用的是角接取压法，其次是法兰取压法。角 接取压法比较简便，角接取压装置(见图10-8)的取压口结 构有环室取压和单独钻孔取压两种 v 法兰取压装置(见图10-9)结构较简单，由一对带有取压孔 的法兰组成，两个取压孔轴线垂直于管道轴线，取压孔 直径612mm。 10.2.1 差压式流量