大学精品课件：流量检测(1).ppt

1、,核工程检测技术,2020/4/3,核工程检测技术,2,第五章 流 量 检 测,2020/4/3,核工程检测技术,3,流量的基本概念,流量（瞬时流量）：单位时间内流过管道某一截面的流体的数量。 累积流量（总流量）：某一时段内流过的流体的总合。瞬时流量在某一时段的累积量。 质量流量(M)：单位时间内流过某截面的流体的质量。单位：(kg/s) 体积流量(Q)：单位时间内流过某截面的流体的体积。（工作状态下）单位：（m3/s ）,2020/4/3,核工程检测技术,4,对于气体，密度受温度、压力变化影响较大，如在常温常压附近，温度每变化10，密度变化约为3%；压力每变化10kPa，密度约变化3%。 因

2、此在测量气体流量时，必须同时测量流体的温度和压力。为了便于比较，常将在工作状态下测得的体积流量换算成标准状态下（温度为20，压力为101325Pa）的体积流量，用符号Qn表示，单位符号为Nm3/s。,2020/4/3,核工程检测技术,5,分 类,(1)体积式流量计 体积式流量计在进行流量测量时相当于一个标淮容器，在测量的过程中，它连续不断对流体进行度量，流量的大小与仪表度量的次数成正比，这类流量仪表有椭圆齿轮流量计、腰轮(罗茨)流量计、刮板式流量计等。,2020/4/3,核工程检测技术,6,(3)差压式流量计 根据伯努力定律通过测量流体流动过程中产生的差压信号来测量流量。这类流量计有节流装置、

3、皮托管、均速管、转子流量计、靶式流量计等。,(2)速度式流量计 速度式流量测量方法是以直接测量管道内流体流速作为流量测量的依据。若侧得的是管道截面上的平均流速v，则流体的体积流量QAv，A为管道截面积。这类流量计有涡轮流量计、漩涡流量计、电磁流量计、超声波流量计等。,2020/4/3,核工程检测技术,7,第一节 差压式流量计,差压式（也称节流式）测量方法是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。它是目前生产中测量流量最成熟，最常用的方法之一。通常是由节流装置产生的压差信号，通过差压流量变送器转换成相应的标准电信号，以供显示、记录或控制用。,2020/4/3,

4、核工程检测技术,8,差压式（也称节流式）流量变送器外形图,2020/4/3,核工程检测技术,9,一、节流装置,节流装置是差压式流量传感器的流量敏感检测元件，是安装在流体流动的管道中的阻力元件。机组控制常用的节流元件有孔板、文丘里管。 它们的结构形式、相对尺寸、技术要求、管道条件和安装要求等均已标准化，故又称标准节流元件。,2020/4/3,核工程检测技术,10,标准节流元件 (a) 孔板 (b)文丘里管,2020/4/3,核工程检测技术,11,测量原理,在管道中流动的流体具有动压能和静压能，在一定条件下这两种形式的能量可以相互转换，但参加转换的能量总和不变。用节流元件测量流量时，流体流过节流装

5、置前后产生压力差p(p=p1-p2)，且流过的流量越大，节流装置前后的压差也越大，流量与压差之间存在一定关系，这就是差压式流量传感器测量原理。,2020/4/3,核工程检测技术,12,孔板前后流体的速度与压力的分布图,2020/4/3,核工程检测技术,13,图中充分地反映了能量形式的转换。由于流动是稳定不变的，即流体在同一时间内通过管道截面A和节流件开孔截面A0的流体量应相同，这样通过截面A0的流速必然比通过截面A时快。在流速变化的同时，流体的动压能和静压能也发生变化，根据能量守恒定律，因而在孔板前后出现了静压差。通过测量此静压差便可以求出流量。,2020/4/3,核工程检测技术,14,流量方

6、程,流体流经节流件时压力和流速变化情况,2020/4/3,核工程检测技术,15,截面1和2上流体的静压力；,截面1和2上流体的平均流速；,截面1和2上流束直径；,截面1和2上流体的密度;,体积流量：,质量流量：,2020/4/3,核工程检测技术,16,以实际采用的某种取压方式所得到的压差 来代替 的值；同时引入流出系数C对上式进行修正：,2020/4/3,核工程检测技术,17,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 ，由此流量公式可更一般的表示为：,2020/4/3,核工程检测技术,18,二、节流装置相关结构,标准节流装置的适用条件,流

7、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 。,2020/4/3,核工程检测技术,19,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。 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,2020/4/3,核工程

8、检测技术,20,孔板的三种取压方式,2020/4/3,核工程检测技术,21,标准孔板使用范围（d和D的单位用mm）,2020/4/3,核工程检测技术,22,b. 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。,长径喷嘴,2020/4/3,核工程检测技术,23,ISA1932喷嘴,2020/4/3,核工程检测技术,24,c. 文丘里管,文丘里管有两种标准型式：古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

9、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。,2020/4/3,核工程检测技术,25,古典文丘里管 文丘里喷嘴,2020/4/3,核工程检测技术,26,节流装置的取压方式,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五种:,节流装置的取压方式,2020/4/3,核工程检测技术,27,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。,2020/4/3,核工程检测技术,28,法兰取压装置,角接取压装置,2020/4/3

10、,核工程检测技术,29,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。,2020/4/3,核工程检测技术,30,非标准节流装置,a.1/4圆喷嘴,b. 锥形入口孔板,c. 圆缺孔板,2020/4/3,核工程检测技术,31,要使仪表的指示值与通过管道的实际流量相符，必须做到以下几点：,（1）差压变送器的压差和显示仪表的流量标尺有若干种规格，选择时应与节流装置

11、孔径匹配。 （2）在测量蒸汽和气体流量时，常遇到工作条件的密度与设计时的密度c不相同，这时必须对示数进行修正。 （3）显示仪表刻度通常是线性的，测量值（差压信号）要经过开方运算进行线性化处理后再送显示仪表。 节流装置应正确安装。 接至差压变送器的压差应该与节流装置前后压差相一致，这就需要正确安装压差信号管路。,2020/4/3,核工程检测技术,32, 被测流体为清洁液体时，导压管路安装方式如图,a)垂直管道差压仪表在管道下方 b) 差压仪表在管道上方,2020/4/3,核工程检测技术,33, 被测流体为清洁的干燥气体时，导压管路安装方式如图,a)垂直管道差压仪表在管道下方 b) 差压仪表在管道

12、上方,2020/4/3,核工程检测技术,34, 被测流体为蒸汽时，导压管路安装如图,测量蒸汽时的安装图示意图,2020/4/3,核工程检测技术,35, 被测流体为洁净湿气体时，导压管路安装如图,测量洁净湿气体时的安装图示意图,2020/4/3,核工程检测技术,36,标准节流装置的计算,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 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。,2020/4/3,核工程检测技术,37,三、皮

13、托管和均速管流量计,皮托管 皮托管是一根弯成直角的双层空心复合管，带有多个取压孔，能同时测量流体总压和静压。,皮托管结构,2020/4/3,核工程检测技术,38,皮托管测量原理,L型皮托管,皮托管的工作原理可分析如下： 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。,2020/4/3,核工程检测技术,39,皮托管主要应用于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）,2020/4

14、/3,核工程检测技术,40,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 ：,由此可以得该点的流速为：,2020/4/3,核工程检测技术,41,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：,为流体可压缩性修正系数，对不可压缩流体,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：,2020/4/3,核工程检测技术,42,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：,2020/4/3,核工程检测技术,43,四、进口流量管,进口流量管是用于管道端面进口处测量流量的流量计。,流体被吸进流量管，通过渐缩的型面逐步

15、加速，静压降低。这个压力的变化与流量有关，可以将它作为流量变化的尺度。这种流量管在它的进口型线选择合适时，能使流场均匀，压力损失很小；同时其结构简单，计算也很方便，所以应用很广泛。,2020/4/3,核工程检测技术,44,（一）流量管的流量方程,按不可压缩流体理想能量方程,从截面到截面之间过程求解，得,由,2020/4/3,核工程检测技术,45,根据流体的连续方程，通过管径为D的质量流量为,考虑使用中的各种因素，对上式加以多项修正后，即可得到实用的流量方程 ：,2020/4/3,核工程检测技术,46,（二）流量计算的修正,1流量系数 由于流体的粘性，进口流量管的近壁处有附面层存在。附面层内的速

16、度很低，其作用相当于减小的流通面积，这就使实际通过的流量比按上式计算出的流量要小。为此而引进了对计算流量进行修正的流量系数，如果不计压缩性影响，它就等于实际通过的流量与理论计算的流量（不计损失）之比。,2020/4/3,核工程检测技术,47,2膨胀系数 流体从无限大空间收缩到有限的流量管截面，压力降低，使流体体积发生变化，密度减小，因而实际通过的流量值也将减小。为此考虑压缩性的影响，引进了流体的膨胀系数。在进口流量管中，当压差在(103104）Pa之间变化时，膨胀系数约在0.9990.949范围内变化。,2020/4/3,核工程检测技术,48,转子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降

17、，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表，又称浮子流量计。,五、转子流量计,转子流量计具有结构简单、工作可靠、压力损失小而且恒定、界限雷诺数低和可测较小流量以及刻度线性等优点，已广泛应用于气体、液体的流量测量和自动控制系统中。 转子流量计分为玻璃管转子流量计和金属管转子流量计两大类。玻璃管转子流量计除基型外还有耐腐蚀型、保温型和分流型。金属管转子流量计除基型外还有特殊耐腐蚀型和保温型。,2020/4/3,核工程检测技术,49,(一)工作原理：,如图所示，被测流体从下向上经过锥管1和浮子2形成的环隙3时，浮子上下端产生差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时， 浮子

18、便上升，环隙面积随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力亦随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。,2020/4/3,核工程检测技术,50,金属转子流量计,金属转子流量计,金属浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。,2020/4/3,核工程检测技术,51,（二）被测介质重度改变时示值的换算,转子流量计的流量方程式，是在重度为常数（不可压缩性流体）的条件下导出的。仪表在出厂前是用水或空气标定的，只要流量方程中各量值在使用时与标定时一样，则仪

19、表的示值是准确的。如果使用时的温度、压力及被测介质与标定时不同，这时仪表的示值必须修正。,2020/4/3,核工程检测技术,52,1.测量非水液体时的修正系数,2.测量非空气气体时的修正系数,2020/4/3,核工程检测技术,53,(三) 远传转子流量计,l. 气远传转子流量计,气远传转子流量计，是将浮子的位移转换成气动单元组合仪表的标准信号（0.2-1kgf/cm2气压信号)输出的。其工作原理是按位移平衡原理设计的。,2020/4/3,核工程检测技术,54,2电远传转子流量计,浮子的位移经磁性耦合机构传出，再经双四连杆机构带动差动变压器铁芯移动。,2020/4/3,核工程检测技术,55,(四

20、) 仪表的安装与误差的计算,1仪表的安装 转子流量计必须垂直安装，进出口应保证 有长于5倍管道直径的直管段。为保证浮子下部导向杆拆 装时不被碰弯，金属管转子流量计下部应有可以和仪表同 时拆装的直管段。 2转子流量计的误差计算 取式(5-39)右边所有变量的偏导 数，根据间接测量误差合成法，则转子流量计流量均方根 相对误差为：,2020/4/3,核工程检测技术,56,六、弯管流量计,1.原理及其流量公式,原理： 稳定流动的流体通过弯管时，由于离心力的作用在弯管内、外侧壁上产生压力差，曲率半径一定的90弯管，在离开其弯曲中心最远位置和最近位置上所测得压力差的平方根正比于流体的流速，即正比于流体的流

21、量。,2020/4/3,核工程检测技术,57,2020/4/3,核工程检测技术,58,弯管流量计,2020/4/3,核工程检测技术,59,流量公式,质量流量：,体积流量：,2020/4/3,核工程检测技术,60,实际流量公式：,2020/4/3,核工程检测技术,61,2.弯管流量计的应用,由于弯管流量计对给定流量所产生的压差有良好的复现性一般为3%左右，所以较好地用于压水堆冷却剂流量的检测和控制系统。若对绝对精度有明确的要求，则需对检测系统进行实际流量标定，最好是在现场用实际工作流体进行标定。 对于不经个别标定的实际应用，若精度要求达到3%5%必须精确测定弯管的曲率半径R，特别要精确测定弯头的内径D，弯头的内径与连接管的内径应相等(偏差在1%以内)。 弯管流量计的上、下游要有足够的直管段，取压口应位于弯管的中央直径上弯曲的最外侧和最内侧，取压口直径应大于D/8，同时要特别注意两个取压口的对准。,