《流量测量及变送》PPT课件.ppt

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1、第四章 流量测量及变送,概述 差压式流量计 靶式流量计 容积式流量计 转子流量计 其他流量计 质量流量计 小 结,第一节 概述,一、瞬时流量 单位时间内流过某一截面的流体数量。,1. 体积瞬时流量 单位时间内流经某一有效截面的流体体积 。,常用单位：L/h，m3/h 等 。,2. 质量瞬时流量 单位时间内流经某一有效截面的流体质量。,常用单位：t/h，kg/h 等。,可采用体积或质量流量来表示：,返回,第一节 概述,二、累积流量(总量) 某一段时间内流经某一有效截面的流体总和。,1. 体积累积流量 某一段时间内流经某一有效截面的流体体积总和。,常用单位：L，m3 等,2. 质量累积流量 某一段

2、时间内流经某一有效截面的流体质量总和。,常用单位：t，kg 等,测量瞬时流量的仪表一般称流量计，测量累计流量(总量)的仪表称为计量表（总量表）。,返回,第一节 概述,三、关于气体体积流量测量,气体体积流量测量单位采用标准立方米。,其换算公式为,物理标准状态： 0 ，0.101325MPa,工业标准状态：20，0.101325MPa,Q00 = Q2020,由理想气体定律：,Q0 = 0.9318 Q20,返回,一、概述,由管道中节流元件产生的差压和已知流体条件及节流元件与管道的几何尺寸进行流量测量。,第二节 差压式流量计,差压式流量计的组成:,1. 节流装置(节流件和取压装置) vP,2. 引

3、压管路与三阀组,3. 差压计(差压变送器) P 420mA信号输出,将P 差压计，回零检查及维修。,返回,二、节流原理及流量方程,1. 节流原理分析,第二节 差压式流量计,动压能与静压能转换的原理。,流体流经节流元件将QP ，测量P进行流量测量。,节流原理,节流元件：改变管道中流体流通 面积的元件。,返回,第二节 差压式流量计,2. 流量基本方程,根据质量守恒定律和能量守恒定律得到：,直径比，=d/D; C 流出系数； d 工作条件下节流件的孔径； 1 节流装置上游流体密度； D 工作条件下上游管道内径； P 节流装置前后测得的差压； A0 节流件的开孔截面积， 可膨胀性系数（液体 =1；可压

4、缩流体 1）；,三、标准节流装置,它包括节流元件和取压装置。,按国标设计、加工、制造和安装的节流装置。,返回,无需标定，可直接用于流量测量，其误差不会超出规定的数值。,第二节 差压式流量计,1. 标准孔板,特点：,a. 压力损失较大；,b. 一般只适用于洁净流体。,孔板是一块上游具有锐利直角边缘的同心圆形薄板。,2. 标准喷嘴,特点：,a. 压力损失略小于孔板；,b. 对带有污垢的流体介质较为适宜。,ISAl932喷嘴和长径喷嘴。,（一）标准节流元件,由两个圆弧曲面构成的入口收缩部分及与之相接的圆筒形喉部组成。,返回,第二节 差压式流量计,3. 标准文丘利管,上、下游取压口做成单独管壁取压形式

5、，由均压环将多个取压口连接。,返回,第二节 差压式流量计,（二）标准取压方式,1. 角接取压,同一节流元件，相同流量下，取压位置不同所得P不同，故Q与P关系不同。,（1）环室：用于400mm以下管径，精度高。,（2）单独钻孔：安装方便。,紧靠节流件前后端面取压。适于孔板、喷嘴。,返回,第二节 差压式流量计,3. 径距取压,2. 法兰取压,距节流件前后端面1英寸(25.4mm)处取压。 仅适用于孔板。,均距节流元件前端面1D、后端面D/2处取压， 适用于孔板和喷嘴。,返回,第二节 差压式流量计,三种标准节流元件的区别:,压力损失: 孔板 喷嘴 文丘利管,加工安装难度: 孔板 喷嘴 文丘利管,成本

6、: 孔板 喷嘴 文丘利管,返回,四、三阀组与差压计,第二节 差压式流量计,节流装置仅产生P ，由差压计测量P远传，用于显示、记录或控制。,1. 差压计,（1）差压变送器（同前）,（2）双波纹管差压计或U型管,不需电源或气源，用于就地显示。,返回,P差压计I0或就地指示,PI0控制室,线性等分差压百分数 方根 (非线性)流量百分数,差压计显示刻度：,2. 三阀组,第二节 差压式流量计,三阀组作用：,（1）防止差压计启动和停运时,因单向受压损坏。,启动顺序： 打开平衡阀2； 打开切断阀1或3（先后无关）； 关闭平衡阀2; 打开切断阀3或1（先后无关）,关闭顺序： 关闭切断阀1、3（先后无关）；打开

7、平衡阀2。,（2）差压计回零检查。,返回,一体化差压流量计,返回,第三节 靶式流量计,一、工作原理,K比例常数，与靶形状及雷诺数有关； Ad垂直于流速的靶面积， 流体密度；v环形流通截面平均流速。,测量部分：靶、杠杆、密封膜片、测量管路。,转换部分：原理同力平衡式差压变送器。,靶上作用力可分为三部分：,（1）流体对靶的冲击力，即流体动压力。,（2）靶节流作用，在前后侧产生的压差。,（3）流体对靶的粘滞摩擦力。,返回,流体动压原理。,动压F,第三节 靶式流量计,测得F，可知Q 。,流量系数，与靶形、管径、直径比、雷诺数等有关。,设管径为D，靶径为d，则环形流通面积为:,靶式流量计,返回,第三节

8、靶式流量计,二、特点,1. 可测量含杂质的脏污流体、高温渣油、浆液、沥青等。,2. 用于小口径(DN1550)，高粘度，低雷诺数流体。,3. 可测压力高达数十MPa，温度达450。,4. 压力损失较低，约为标准孔板的一半。,返回,第四节 容积式流量计,常用：椭圆齿轮流量计、罗茨流量计(腰轮流量计)、 刮板流量计、旋转活塞流量计等。,工作原理：,将流体连续地分割成固定体积的单元流体，测量元件的动作次数得到体积总量。即容积分界法。,V0 固定体积； N 测量元件的转数； k 与流量计结构有关的系数。,返回,一、椭圆齿轮流量计,第四节 容积式流量计,适合于中、小流量，测量范围：3L540 M3/h液

9、体； 口径：10250mm；精度：0.20.5 。,图a：P1 P2 ，A为主动轮，B为从动轮；,图b：A、B均为主动轮；,图c：B为主动轮，A为从动轮；,椭圆齿轮,返回,第四节 容积式流量计,允许微小颗粒通过，可测液体或气体。,缺点：体积大、笨重，维修不便， 压损较大，运行中有震动。,精度：0.1 0.5，可作标准流量计。 口径：16500mm。,二、腰轮流量计,返回,第四节 容积式流量计,5. 要求被测流洁净，在流量计前加装过滤器。,6. 压损大。结构复杂、体积笨重，故适合于中、小口径。,7. 不适用于高温或低温场合。温度范围：-30160， 压力10MPa。,三、特点,1. 精度高，可达

10、0.1级；,2. 管道安装条件对计量精度没有影响，不要求直管段；,3. 直读式无需外部能源；,4. 特别适合高粘度流体测量；,返回,第五节 转子流量计,一、工作原理,转子在垂直锥管中随流量变化而升降，改变流通面积测量流量。,转子受力分析：,转子在某一位置平衡时：,流体动压力,转子重力,浮力,V 环形流通面积平均流速； C 转子阻力系数； Ar转子迎流最大截面积； Vr转子体积； r转子密度； 被测流体密度。,返回,第五节 转子流量计,二、分类,1. 玻璃管转子流量计,用于就地指示，不适用高温、高压场合，不能远传，易碎。,2. 金属管浮子流量计,用于远传，高温、高压场合。,远传式转子流量计,返回

11、,三、转子流量计示值修正,第五节 转子流量计,流量计刻度在工业标准状态(20，0.101325MPa)下，以水或空气为介质单独标定所得。,1. 液体流量的修正,标定时：,实测时：,则修正公式为：,Q0水标定的刻度流量； w水的密度,Q密度的实际流量。,返回,实用时，若介质密度或工作状态不同，须修正。,工作状态下 实际流量,第五节 转子流量计,2. 气体流量的修正,工作状态下 实际流量,需将工作状态下流量换为工业标态下气体流量：,标定时：,实测时：,返回,则修正公式为：,将和Q带入,得：,例：,用转子流量计测CO2气体流量。测量时被测气体t=40，P=0.49105Pa，若流量计读数为120Nm

12、3h，问CO2实际流量是多少?,解：已知 Q0=120Nm3h，T0=293.15K，P0=0.10133MPa P=0.0490.10133=0.15033MPa，T=40273.15=313.15K,由气体性质表查得：20，0.10133MPa条件下：,01.205kgm3，01.842kgm3。,则带入修正公式得：,第五节 转子流量计,返回,第五节 转子流量计,四、特点,1. 适用于小管径、小流量气体或低粘度液体测量。 常用仪表口径：4050mm以下，最小为14mm。 玻璃管最大口径100mm，金属为150mm。,4. 只能用于自下向上垂直流动管道。,3. 受被测介质密度、粘度、温度、压

13、力等因素影响， 精度较低，最高1.0级左右。,2. 压力损失较低，平衡时为恒压降。,返回,第六节 其他流量计,电磁流量计 旋涡流量计 涡轮流量计,返回,第六节 其他流量计,1. 测量原理,电磁感应：,B磁感应强度； D管道内径； v垂直于磁力线方向的流速； C比例系数，单位换算系数。,k仪表常数，取决磁感应强度、管径。,磁场励磁方式：直流励磁、交流励磁或方波励磁等。,一、电磁流量计,返回,第六节 其他流量计,2. 特点及使用,仅适用于导电液体。,（1）压损小, 可测含固体颗粒、悬浮物或腐蚀性等介质；,（2）输出线性,且不受介质物理性质影响；,（3）测量范围宽。量程比可达100:1，口径 120

14、00mm，精度可达0.5级；,（4）反应速度快，可测脉动流和正、反两 向流。,缺点：使用温度为0200，压力 6.4MPa；,易受外界电磁场干扰影响，必须有良好的屏蔽措施。,返回,应用流体振动原理。分为自然振动和强迫振动方式。,1. 涡街流量计,St 斯特罗哈尔(Strouhal)系数； v发生体两侧平均流速； d旋涡发生体的迎流面最大宽度。,垂直于流体方向插入非流线形柱状物，流速大于某值时，下游两侧交替产生方向相反的旋涡，称涡街。,满足 h/l=0.281 时，涡街保持稳定。单侧漩涡频率与流速的关系为：,流体自然振动,二、旋涡流量计,第六节 其他流量计,返回,第六节 其他流量计,相似理论证明

15、：几何形状相同的旋涡发生体，无论尺寸大小，只要在相似流场中，则具有相同的斯特罗哈尔系数St 。,K流量计系数，脉冲数/ m3,当管道和旋涡发生体尺寸一定，K为常数，测得旋涡频率f ，即可知流量Q。,返回,第六节 其他流量计,产生旋涡一侧与无旋涡一侧形成P ，引起空腔内流体移动，交替改变电阻值。,测桥路输出频率旋涡频率f流量Q,频率的检测方法,旋涡发生体,返回,电阻变化频率与旋涡频率相同。,第六节 其他流量计,2. 旋进漩涡流量计,旋进漩涡流量计工作示意图,Q=f / K,流体强迫振动,流体流经扩大管时，涡流产生进动现象：,由于涡流进动运动，旋涡偏心旋转。管道截面切线方向的速度分量按进动频率周期

16、性的变化。,切线方向发出与进动频率相同的脉冲，与流量成正比。,返回,涡流绕自身轴线旋转； 涡流轴线绕主流轴线旋转运动。,即：一种绕流动轴线旋转的旋涡流。,第六节 其他流量计,3. 特点,(1) 输出脉冲，频率与流量成正比，不受流体性质影响；,(2) 测量范围宽，量程比可达（30:1100:1）；,(4)压损涡街较小，旋进漩涡较大（约为涡街的510倍）。,(5) 特别适合大口径（ 252700mm ）、大流量、雷诺数 ReD104流体测量。,(6) 因采用流体振动原理，安装地点应避免机械振动。,(3) 精度较高，0.51.0，可适用液体、气体和蒸气；,返回,第六节 其他流量计,三、涡轮流量计,1

17、. 结构,涡轮：叶片由高导磁材料制成；,导流器：对流体导流并支承涡轮；,壳体：非导磁材料制成；,前置放大器：放大转换器输出的 电信号。,2. 工作原理,J 涡轮的转动惯量； d/dt 涡轮角加速度； T 推动转动的旋转力矩； Ti 阻碍旋转的各种阻力矩。,涡轮运动方程为,动量矩守恒,返回,磁电感应转换器：产生与叶片转 速成正比的电信号；,第六节 其他流量计,阻力矩：流体阻力矩T1 机械摩擦阻力矩T2 电磁系统阻力矩T3,流量恒定时: d/dt=0，则 T =T1 + T2 + T3,涡轮以角速度作匀速旋转。,流量变化时: d/dt0，涡轮作 加速或减速旋转。,经一段时间达到新稳态。,稳态方程,

18、流量与脉冲频率的关系为：,测量原理,返回,流量系数，一定范围内为常数。,3. 特点,(1) 精度高，0.10.5%，可作准确计量仪表。,(2) 反应迅速，可测脉动流量，线性。,(3) 输出频率信号，抗干扰能力强。,成本高、寿命短。,(4) 应水平安装，流量计前应加过滤装置。,注意：各流量计不得混淆。,返回,第七节 质量流量计,直接式：直接检测与M成比例的变量。,间接式(推导式)：同时检测Q和，经运算得M。,温度、压力补偿式：同时检测Q、t、p，计算修正， 与Q运算得M。,测量方法：,返回,第七节 质量流量计,一、科里奥利质量流量计,利用科里奥利力制成的质量流量计。,1. 科里奥利力,在匀角速度

19、转动参照系中的运动物体，除附加惯性离心力作用外，所附加的另外一种惯性力。,科氏力的大小取决转动角速度和物体的径向速度v 。,fc存在条件：运动速度v和转动角速度必须同时存在。,v与垂直fc最大；两者平行fc=0。,返回,第七节 质量流量计,(1) 右手握起四指为旋转角速度运动方向， 拇指垂直向上的方向为法线方向P；,(2) 四指由质点运动(流速)方向，向90 的法线方向P握起，拇指垂直向上 的方向即fc方向。,fc方向由右手法则判定：,扭曲方向总是出水侧摆动领先于入水侧，流速越大，出水侧相位领先于入水侧越多。,m,返回,第七节 质量流量计,2. 科里奥利质量流量计,流量测量管在电磁系统驱动下，

20、以固有频率作周期性振动，频率80Hz，振幅约1mm。,U型管流入、流出侧流动方向相反，两侧受到大小相同、方向相反的科氏力。则扭转力矩为：,Mc fc1 r1 fc2 r2 2fc r,U形管刚性作用形成的反作用力矩：, 、KsU形管扭转变形角、弹性系数。,返回,第七节 质量流量计,科里奥利力流量计的基本方程。,r、 Ks由U形管材料和几何尺寸所确定的常数。,t两个检测器脉冲之间的时间间隔。,返回,第七节 质量流量计,质量流量计,返回,第七节 质量流量计,3. 特点,直接测量。适合各种液体、足够密度的高压气体或含少量气体的两相流；精度高（0.15或0.2级）。,对管路振动较敏感，限于200mm以

21、下管径，压损较大，体积笨重，价格较高。,无直管段要求。,二、间接式质量流量计 （参见教材8587页，略）,返回,返回,小 结,一、差压式流量计,二、靶式流量计,三、容积式流量计,动压能与静压能转换，恒截面、变压差。,由标准节流装置、引压管路和差压计组成。,vP,标准节流装置：,按给定操作条件设计、加工而成，条件变化需考虑修正。,按国标设计、加工、安装的节流装置， 无需标定（标准节流元件和取压方式）。,流体动压原理。,动压F,容积分界法。,恒压差、变面积。,刻度换算：标定条件、气、液体修正公式。,Q h,四、转子流量计,改变流通面积。,返回,小 结,六、质量流量计,五、其他流量计,1. 电磁流量计,vEx,2. 旋涡流量计,电磁感应,涡街流量计 流体自然振动,旋进旋涡流量计 流体强迫振动,v 旋涡频率f,3. 涡轮式流量计,v f,动量矩守恒,直接式 由科氏力测M,vfc或t,fc存在条件：速度v和转动角速度同时存在。 v与垂直fc最大；两者平行fc=0。,掌握各流量计的原理、特点、适用介质、工作条件、流量与输出的关系等。,返回,流体振动,