第8章流量测量技术课件.ppt
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1、第第8 8章章 流量测量技术流量测量技术8.1 8.1 流量测量的基础知识流量测量的基础知识8.2 8.2 流量测量仪表流量测量仪表8.3 8.3 流量标准装置流量标准装置 流量测量技术和仪表的应用领域流量测量技术和仪表的应用领域 工业生产过程能源计量 一次能源(煤炭、原油、瓦斯气、石油一次能源(煤炭、原油、瓦斯气、石油气、天然气气、天然气)二次能源(电力、焦炭、煤气、成品油、二次能源(电力、焦炭、煤气、成品油、液化石油气、蒸汽)及含能工质(压缩液化石油气、蒸汽)及含能工质(压缩空气、氧、氮、氢、水)等空气、氧、氮、氢、水)等生物技术 交通运输 环保工程 空气污染空气污染(烟废气排放烟废气排放
2、 )、水污染、水污染 管道输送管道输送 8.1 8.1 流量测量的基础知识流量测量的基础知识 8.1.1 8.1.1流量和流量计流量和流量计8.1.2 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识流体的物理性质与管流基础知识8.1.3 8.1.3 流量测量方法与流量仪表的分类流量测量方法与流量仪表的分类AudtdVtVqtv0limAudtdMtMqtm0lim V V-体积;MM-质量;t t-时间;A A-截面面积;-流体密度单位:m3/s单位:Kg/svmqAuqAdAuAquAvu 平均流速平均流速:流体在流过截面上各点的流速。体积流量和质量流量关系:单位:m3单位:KgdtqQtvvdt
3、qQtmm4.4.雷诺数雷诺数雷诺数是流体流动的惯性力与粘滞力之比n 雷诺数小,意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位,流体各质点平行于管路内壁有规则地流动,呈层流流动状态。雷诺数大,意味着惯性力占主要地位,流体呈紊流流动状态,一般管道雷诺数Re2000为层流状态,Re4000为紊流状态,Re20004000为过渡状态。n 在不同的流动状态下,流体的运动规律流速的分布等都是不同的,因而管道内流体的平均流速与最大流速max的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。研究具有圆形截面的管内流动情况,当管内流体为层流状态时,沿半径方向上的流速分布可用下式表示:2max1Rruux
4、xxu距管中心距离xr处的流速;maxu管中心处最大流速;xr 距管中心径向距离;R 管内半径。当管内流体为紊流状态时,沿半径方向上的流速分布为:nxxRruu/1max1n随流体雷诺数不同而变化的系数 圆管内的流速分布 通过测流速求流量的流量计一般是检测出平均流速然后求得流量。对于层流,平均流速是管中心最大流速的0.5倍();紊流时的平均流速与值有关:max5.0 uu max2)1212unnnu表表8-1 8-1 雷诺数与雷诺数与 n n的关系的关系nnn2.5610.5420.5632.007.07.38.08.338.453.670.084.48.58.89.09.2110.0152
5、.0198.0278.09.49.79.89.9410eDR410eDR410eDR 任取一管段,设截面、截面处的面积、流体密度和截面上流体的平均流速分别为A1、和A2、。1A11u2A22u=11u22u(2)(2)伯努利方程伯努利方程 当理想流体在重力作用下在管内定常流动时,对于管道中任意两个截面和有如下关系式(伯努利方程):2222222111upgZupgZ :重力加速度;:截面和相对基准线的高度;:截面和上流体的静压力;:截面和上流体的平均流速。21,ZZ21,pp21,uug 实际流体具有粘性,在流动过程中要克服流体与管壁以及流体内部的相互摩擦阻力而作功,这将使流体的一部分机械能转
6、化为热能而耗散。因此,实际流体的伯努利方程可写为:wghupgZupgZ2222222111wgh截面和之间单位质量实际流体流动 产生的能量损失。8.1.3 8.1.3 流量测量方法与流量仪表的分类流量测量方法与流量仪表的分类1.1.流量测量方法流量测量方法流量测量方法大致可以归纳为以下几类:(1)利用伯努利方程原理,通过测量流体差压信号来反映流量的差压式流量测量法;(2)通过直接测量流体流速来得出流量的速度式流量测量法;(3)利用标准小容积来连续测量流量的容积式测量;(4)以测量流体质量流量为目的的质量流量测量法。类 别工作原理测量精度体积流量计差压流量式流体流过通管道中的阻力件时产生的压力
7、差与流量之间有确定关系,通过测量差压值求得流量1212140.55容流积量式计直接对仪表排出的定量流体计数确定流量0.20.50.2速流度量式计通过测量管道截面上流体平均流速来测量流量0.10.50.510.51.51直接式直接检测与质量流量成比例的量来质量流量10.220.15间接式同时测体积流量和流体密度来计算质量流量0.5体积流量计质量流量计3.3.流量仪表的主要技术参数流量仪表的主要技术参数特性特性1:流量范围及量程比:流量范围及量程比流量计的流量范围指可测最大流量和最小流量所限定的范围。在这个范围内,仪表在正常使用条件下示值误差不超过最大允许误差。最大流量与最小流量的比值称为量程比量
8、程比,一般表达为某数与 1 之比,流量计量程比量程比的大小受仪表的原理与结构所限制。特性特性2:测量精确度和误差:测量精确度和误差 流量计的精确度用误差表示。流量计在出厂时均要进行标定,仪表所标出的精确度为基本误差。在现场使用中由于偏离标定条件会带来附加误差.流量计的实际测量精确度为基本误差与附加误差的合成,这种合成的估算很复杂,可以参照有关规定计算。流量仪表的精度等级是根据允许误差的大小来划分的,其精度等级有:0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5等。特性特性3:压力损失:压力损失 安装在流通管道中的流量计实际上是一个阻力件,流体在通过流量计时将产生压力损失,这会
9、带来一定的能源消耗。各种流量计的压力损失大小是仪表选型的一个重要指标。压力损失小,流体能消耗小,输运流体的动力要求小,测量成本低。反之则能耗大,经济效益相应降低。故希望流量计的压力损失愈小愈好8.2 8.2 流量测量仪表流量测量仪表8.2.1 8.2.1 差压式流量计差压式流量计8.2.2 8.2.2 容积式流量计容积式流量计8.2.4 8.2.4 质量流量计质量流量计8.2.3 8.2.3 速度式流量计速度式流量计8.2.1 差压式流量计差压式流量计 测量对象测量对象:流体方面,单相、混相、洁净、脏污;工作状态工作状态:常压、高压、真空、常温、高温、低温;管径方面管径方面:从几毫米到几米;流
10、动条件流动条件:亚音速流、临界流、脉动流历史悠久、技术成熟、应用最广泛。节流式特点:结构简单、使用寿命长,适应能力强,几乎能测量各种工况下的流量。孔孔板板引压管引压管差压计差压计1.1.节流式流量计节流式流量计l 优点:结构简单,无可动部件;可靠性较高;复现性能好;适应性较广,它适用于各种工况下的单相流体,适用的管道直径范围宽,可以配用通用差压计;装置已标准化。l 缺点:安装要求严格;流量计前后要求较长直管段;测量范围窄,一般范围度为 3:1;压力损失较大;对于较小直径的管道测量比较困难;精确度不够高(1%2%)。1-节流元件 2-引压管路3-三阀组 4-差压计 流体流经节流件时压力和流速变化
11、图2222222111upup 11u24D=22u24d(1)(1)测量原理及流量方程测量原理及流量方程21pp、截面1和2上流体的静压力;截面1和2上流束直径;21uu、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 D、d 体积流量:21242224/11ppdDdAuqv质量流量:21242224/11ppdDdAuqm以实际采用的某种取压方式所得到的压差p来代替21pp 的值;同时引入流出系数C 对上式进行修正:pdpdCqv24241224pdpdCqm24241224 对于可压缩流体,考虑到节流过程中流体密度的变化而引入流束膨胀系数 进行修正采用节流件前的流体密度 ,由
12、此流量公式可更一般的表示为:pdqv242pdqm242结论结论:流量与压力差的平方根成正比:流量与压力差的平方根成正比a.流体必须是牛顿流体,在物理学和热力学上是均匀的、单相的,或者可认为是单相的流体。b.流体必须充满管道和节流装置且连续流动,流经节流件前流动应达到充分紊流,流束平行于管道轴线且无旋转,流经节流件时不发生相变。c.流动是稳定的或随时间缓变的。(2 2)节流装置)节流装置 标准节流装置的适用条件标准节流装置的适用条件标准节流元件的结构形式标准节流元件的结构形式a.标准孔板 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
13、。结构简单,加工方便,价格便宜 压力损失较大,测量精度较低,只适用于洁净流体介质,测量大管径高温高压介质时,孔板易变形。标准孔板 b.b.标准喷嘴标准喷嘴 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喷嘴长径喷嘴c.c.文丘里管文丘里管 文丘里管有两种标准型式:经典文丘里管与文丘里喷嘴。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。节流装置的取压方式 根据节
14、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五种:节流装置的取压方式 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,容易实现环室取压,测量精度较高。法兰取压法结构较简单,容易装配,计算也方便,但精度较角接取压法低些。测量管道条件 测量管道截面应为圆形,节流件及取压装置安装在两圆形直管之间。节流件附近管道的圆度应符合标准中的具体规定。当现场难以满足直管段的最小长度要求或有扰动源存在时,可考虑在节流件前安装流动整流器,以消除流动的不对称分布和旋转流等情况。安装位置和使用的整流器型式在标准中有具体规定。a.1/4圆喷嘴b.锥形入口孔板c.圆缺孔
15、板标准节流装置的计算标准节流装置的计算流量计算流量计算 这类计算命题是在管道、节流装置、取压方式、被测流体参数已知的情况下,根据测得的差压值计算被测介质流量。属校核计算,常用在使用现场,所依据的基本公式是流量公式。设计节流装置设计节流装置 这类计算命题是要根据用户提出的已知条件以及限制要求来设计标准节流装置,属设计计算。差压计差压计 差压计与节流装置配套组成节流式流量计。差压计经导压管与节流装置连接,接受被测流体流过节流装置时所产生的差压信号,并根据生产的要求,以不同信号形式把差压信号传递给显示仪表,从而实现对流量参数的显示、记录和自动控制。差压计的种类很多,凡可测量差压的仪表均可作为节流式流
16、量计中的差压计使用。目前工业生产中大多数采用差压变送器。它们可将测得的差压信号转换为0.02-0.1 MPa的气压信号和4-20mA的直流电流信号。皮托管结构 皮托管头部迎流方向开有一个小孔A,在距头部一定距离处开有若干垂直于流体流向的静压孔B,各孔所测静压在均压室均压后输出。皮托管的工作原理可分析如下:L型皮托管 皮托管测量原理 设流动为不可压缩无粘性流体的稳定流动,驻点处流体的伯努利方程为:2021upp由此可以得该点的流速为:pppu221 考虑到实际测量情况与理论上的差别,引入皮托管系数 (数值由实验确定)对上式进行修正:pu2 对于可压缩流体,考虑到压缩性的影响,实际流速计算公式为:
17、pu21(1-)为流体可压缩性修正系数,对不可压缩流体=0。皮托管主要应用于HVAC,洁净空间和空气处理领域。可以测量温度较高的气体和有颗粒的气体,还可测量较高风速。静压可达6bar温度最高可到650800精度:0.5%(指排列顺序)测量风速和风量时能保证2%精度)均速管流量计均速管流量计 均速管测量流速的原理与皮托管相同,体积流量可由下式确定:pAqv2测量原理测量原理根据流体连续性方程和伯努利方程,转子流量计的体积流量可表示为:pAqv2 流量系数;A转子与锥形管间的环形流通面积;流体密度;p差压。转子流量计结构转子流量计结构玻璃管转子流量计玻璃管转子流量计主要由玻璃锥形管、转子和支撑结构
18、组成。流量示值刻在锥形管上。金属管转子流量计金属管转子流量计金属管转子流量计的锥形管采用金属材料制成,其流量检测原理与玻璃管转子流量计相同。金属管转子流量计有就地指示型和电气信号远传型两种。电远传式转子流量计工作原理转子流量计的刻度换算转子流量计的刻度换算 转子流量计是一种非通用性仪表,出厂时其刻度需单独标定。仪表厂在工业标准状态下,以空气标定测量气体流量的仪表;以水标定测量液体流量的仪表。若被测介质不是水或空气,则流量计的指示值与实际流量值之间存在差别,必须对流量指示值按照实际被测介质的密度、温度、压力等参数的具体情况进行刻度修正。液体介质:)()(ffvvqq气体介质 TTppqqvv已知
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