传感及检测技术(周杏鹏)第十章

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,体积流量 (10-1) 质量流量 (10-2) 体积流量和质量流量的关系式： (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,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。 二次仪表接受一次装置的信号，并转换成流量显示信号或输出信号。 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,10.1.2 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),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 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 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 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 流体物性参数与管流基础知识,4) 层流与紊流 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； 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。 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快,10.1.2 流体物性参数与管流基础知识,紊流流动 (10-13) 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,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 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基础知识,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 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) 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,10.1.3 流量检测仪表的分类,1) 按测量对象分类 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 流量仪表可分为瞬时流量计和总量表。 3) 按测量原理分类 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 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,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 压式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。 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 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,如图10-4;稳定流动的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。 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。 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,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 差压式流量计,3. 节流装置 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。 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 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。 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,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 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喷嘴的结构如图10-6,10.2.1 差压式流量计,文丘里管 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。 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 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。 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,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 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 差压式流量计,3)标准节流装置的管道条件 安装节流元件的管道应是圆形直管道 管道内壁应洁净 节流元件前后应有足够长的直管段 4)非标准节流装置 5)差压计,10.2.1 差压式流量计,4. 节流式流量计主要特点 优点 结构简单，工作可靠，成本低；应用范围非常广泛，能够测量各种工况下的液、气、蒸汽等全部单相流体和高温、高压下的流体，也可应用于部分混相流，如气固、气液、液固等的测量 缺点 现场安装条件要求较