第四章 流量测量及变送

第四章 流量测量及变送本章重点：流量的表示方法、单位，各种流量仪表的结构、原理、特点及适用场合。 第一节 概述 流量仪表具有两大功用： 一是作为工业自动化控制系统的检测物料数量的总量表； 二是在工业自动化控制系统中只要有流体的系统，都需要进行流量的检测和控制。 特别是在能源计量方面，无论是石油、天然气等，还是二次能源成品油、煤气、石油汽 及蒸气，含能工质压缩空气、氧、氢和水等都使用着数量较大的流量计量仪表。流量计量仪 表是能源管理和经济核算不可缺少的工具。对于储运，流量的测量是交接双方进行贸易结算 的依据，流量测量的准确性就显得尤其重要。 一 流量的定义和单位 定义: 定义: 流量是指流经某一截面的流体数量。 这个量用流体的体积来表示称为体积流量(Q),简称体积流量； 这个量用流量的质量来表示称为质量流量(M),简称质量流量。 随着工艺要求的不同，它的测量可分为瞬时流量和累积流量。

第一节

概述

(一)瞬时流量(瞬时量): 单位时间内流过某一截面的流体数量。 可以采用体积或质量来表示： 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 。

Q=

dV V = lim = vA dt t →0 t

(4-1)

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。M = dm m = lim = Qρ = vAρ dt t t →0

(4-2)

常用单位：t/h,kg/h 等

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。 可以采用体积或质量来表示： 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

Q总 = ∫ Qdt0

t

(4-3)

常用单位：L,m3 等 2 质量累积流量：某一段时间内流经某一有效截面的流体质量总和

M总 =

∫ Mdt0

t

(4-4)

常用单位：t,kg 等 测量流体瞬时流量的仪表一般称为流量计，它能指示和记录某流体的瞬时流量值；而 测量流体累计流量(总量)的仪表称为计量表(总量表)。

第一节

概述

(三) 关于气体流量测量单位标准立方米的意义 气体流量测量单位采用标准立方米，我们常称为仿质量单位，因为它看似体积单位， 其实为质量单位，它与使用地点的压力，温度没有任何关系，如果气体为天然气，1标 准立方米的质量还与天然气的组分有关，在天然气贸易结算计量时采用能量单位比较合 理就因为同样的天然气质量，如其组分不同，则其发热量亦不同。 例4-1:空气 1标准立方米=1.2041千克 (标准状态为101.325 kPa, 20°C) 流量 100 m3/h (标准状态)=120.41 kg/h 天然气 设天然气相对密度 d=0.6, 则 1标准立方米=1.2041×0.6=0.7225 kg

流量 100 m3/h (标准状态)=72.25 kg/h 标准状态中压力无论国内外都是标准大气压，即101.325 kPa, 但是温度就不尽相同， 我国有二种温度标准，20°C,0°C。天然气用20°C,煤气用0°C或20°C,这是历史原 因造成的。在贸易结算中合同双方可协商用任何一个温度，称为合同温度。 国际上则采用15.6°C(60°F)或15°C(59°F) 流量计测量出工况体积流量，标准流量需经压力、温度换算而得。 其换算公式为

qvn =

PTn Z n qv PnTZ

第一节二 流量测量仪表分类

概述

流量测量的流体是多样化的，如测量对象有气体、液体、混合流体；流体的温度、压力、 流量均有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。因此，根据工艺要求，考虑被测流 体的特性(物理性质和化学性质、流动状态)、安装条件、环境条件等测量条件的不同， 需采用不同类型的流量计。 V dV Q= = lim = vA 1 速度式流量计 dt t →0 t 以测量流体在管道中的流速作为测量依据来计算流量的仪表。 如差压式、浮子式、靶式、电磁式、涡轮式、涡街式、超声波式、激光测速式等。 需要直管段。 dm m M = = lim = Qρ = vAρ dt t →0 t 2 容积式流量计 以单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量依据， 如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板式流量计和旋转活塞或往复活塞式、双转子式、 转筒式等流量计。不需要直管段。 3 质量式流量计 以测量流过流体的质量M 作为测量依据。 如热式、补偿式、振动式等。 特点：测量精度不受温度、压力、粘度等变化的影响。

第一节三 流量测量仪表的输出信号 1 模拟量输出信号 标准信号 4-20 mADC 2 脉冲输出信号

概述

二线制或三线制

3 通讯输出信号 (1) Hart HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的 4~20mA模拟信号 上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。 由于信号的平均值为0,不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模 拟系统的兼容性。 (2) RS485,RS232,RS422

第二节一 概述

差压式流量计 (Differential Pressure Flowmeter) )

差压式流量计是根据安装于管道中流量检测 件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道 的几何尺寸来测量流量的仪表，由一次装置(检测 件)和二次装置(差压计和流量显示仪表)组成。通 常以检测件的型式对其分类，如孔扳流量计、文 丘里管流量计及均速管流量计等。 差压式流量计的组成: 1 节流装置(节流件和取压装置)作用:将V→△P 2 引压管路: 引压 3 三阀组与差压计(差压变送器):△P→4-20mA信号输出

第二节

差压式流量计

二 节流原理及流量方程(应用节流原

理测流量) 应用节流原理测流量) 应用节流原理测流量 (一) 节流原理分析 流体在管内流动时具有能量,表现为两种形式:动压能 和静压能,这两种能量在一定条件下可以互相转化,但 能量总和不变。在管道中设置节流装置来测流量正是 利用了这种能量转化。 节流元件：改变管道中流体流通面积的元件。 当在管道中放量一孔板作为节流元件时,管道中的流 体情况如下: 充满管道的流体，当它流经管道内的节流件 时(如图4-1所示)。在截面Ⅰ之前流体流速V1、 静压P10,在靠近节流元件时，由于节流件的阻挡作 用，流体在靠近管壁处受到的阻力最大，使的流 体的使的流体的动压能(部分)转化静压能，因此 管壁处的静压力上升到P1, P1大于流束中心的压力,

图4-1 孔板附近的流速和压力分布

流束逐渐收缩，根据流动连续性方程，可知此时流束中心流速增大，而静压力逐渐减小(能量 守恒),由于惯性作用，流束的最小收缩面积处位于截面Ⅱ(孔板之后),显然此时V2最大，P2最 小，然后流体由于流通面积的恢复而逐渐恢复到充满全管， 即压力逐渐恢复到P3,流速为 V3(V3=V1),P3<P1摩擦导致压力损失。这就是节流现象。流速将在节流件处形成局部收缩，因而 流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大， 这样可依据压差来衡量流量的大小。

第二节

差压式流量计

差压变送器通过取压装置测量孔板前后的压差, P1>P2(△P=P1-P2), 压差△P与流量的关系是怎样呢? 我 们来看一下流量方程。 (二) 流量基本方程 根据流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程 (能量守恒定律)Q= C 1 β4

εA0 2 p / ρ

(4-5) (4-6)

M=

C 1 β 4

εA0 2 pρ

式中 Q—体积流量；M—质量流量； β--直径比，β=d/D; d--工作条件下节流件的孔径； D--工作条件下上游管道内径； π 2 A0--节流件的开孔截面积，即 A0 = d4

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