第6章 核电站仪表流量测量

家用自来水表 其结构如图。自进水口流人的 水经筒状部件周围的斜孔，沿切 线方向冲击叶轮。叶轮轴经过齿 轮逐级减速，带动各个十进制指 针以指示累计总流量。此后水流 再经过筒状部件上排孔，汇总至 出水口。
比较简单价廉，但准确度不高，一般只有2级左右。
6.6 电磁流量计（非接触导电液体）
依据：法拉第电磁感应定律，测量管道内的流动的导 电液体（等效于许多连续的导电薄圆盘）做垂直于 磁场的运动，产生感应电动势，电势大小与流量相 关。 磁场： 恒定磁场：适于测量时不易产生极化现象的非 电解液； 交变磁场：工业用的大部分形式（可减小极化 现象）。
常用的节流件有
标准化的孔板、 圆缺孔板 标准化的喷嘴、 非标准化的1/4圆喷嘴 长径喷嘴、文丘里喷嘴 和文丘里管、等
节流装置的取压方式
节流装置的性能比较
孔板：结构简单，易加工，省料，造价低；工业上应用多， 只能用于清洁的流体。 文丘里管：结构复杂，难加工，费料，造价高；一般用于有 特殊要求的场合，如低压损高精度。它的流通连续变化，所 以可用于脏污流体的流量测量，并在大管径流量测量方面应 用较多。 喷嘴：居中。由于其坚固性，一般用于高速的蒸汽流量测量。 流出系数的稳定性：孔板差，喷嘴好。 压力损失：孔板大，喷嘴小，文丘里管更小。
流量测量的基础知识
dQ 1）瞬时流量（流量） q dt 单位时间内流过某一截面的物质数量（质量或体积）。
2）总流量（总量、累积流量） Q qd t
在某一时间内流过的物质数量。 质量流量 q m ： 单位：kg/s kg/h 3 3 流量表示法： 体积流量 qv ： 单位：m /s m /h 二者之间的关系： qm qv
前提：不计叶轮转动时的摩擦阻力的影响，不计流体粘性阻力的 影响，不计磁电感应器产生的感应电流所引起的电磁反作用力矩 的影响。
v0tg r qv v0 F qv 1
f nZ Z 2 Ztg f qv qv 2rF
f
• 注意事项： 被测流体必须洁净，防止叶片被卡和减少轴与轴承 的摩擦。（过滤器） 被测流体的粘度和密度必须与仪表刻度标定时的流 体粘度和密度相同，否则重新标定。 安装方式要求与校验情况相同。进出口不能接反， 水平安装，前后直管段。（整流器）
6.2.2 流量公式
流体流经节流件时压力和流速变化情况
伯努利方程和连续性方程
p1 v p2 v 1 2 2 2
A2 v1 v2 A1 qm A2v2
2 2
2 1
2 2
A1v1 A2v2
1 2
若流体为不可压缩的：
2( p1 p2 ) v A2 2 1 ( ) A1
电磁流量计测量原理及结构示意图
电磁流量计测量原理
E BDv
qv

4
Dv
2
4B E qv Kqv D qv CE
优点：压损极小；可测 流量范围大；适用管径 范围宽（最大可达 3m）；测量精度高， 线性度好。 不足：只能测量导电液 体（电导 1s/cm ）， 不能测气体、蒸汽及纯 净水、石油制品。
伯努利方程和连续性方程联立求解，可得出其体积和 质量流量分别为：
d 4 4 1 ( ) D 1 '2 qm d 2 (p1 - p 2 ) ' d 4 4 1 ( ) D 替换
'
qv
1

d '2
2
(p1 - p 2 )
由于，实际测量的是压差，并且测量过程中总有 压力损失，可以引入流出系数进行修正。
6.3 弯管流量计
• 原理及流量公式
• 稳定流动的流体经过弯管时，由于离心力的作用在弯管 内、外侧壁上产生压力差。在弯曲中心最远与最近位置 上测得的压力差的平方根正比于流速，即正比于流量。
qm
qm

4
D
2
R 2 ( P P2 ) 1 2D

4
D2
R 2 P C D 2 2 P 2D 4
先替换： q v
1
4

1 4
1
d
2
2

p
qm
式中

1 4 4
d 2 2 p
d 是工作状态下节流件开孔直径
是工作状态下节流件开孔直径比， d / D
采用流出系数修正后为：
qv
Eห้องสมุดไป่ตู้

4
1
d
2
2

p

qm
C 1 4

4
d
2
2 p
1
2、测量流量的现状
现状： 迄今为止，流量的测量准确度较低，流量计的通用 性很差，流量计仪器的检定也很困难，因此流量计量的 研究领域和空间很广阔。 原因分析： 流体性质多样：单相与多相、牛顿与非牛顿、粘与 非粘、可压和不可压、汽化、结晶和清洁杂质等。 管路系统的多样性：圆和非圆、光滑和粗糙、弯曲 情况等。 流动状态多样：层流，紊流、满管、非满管，流量 大小。
• 特点： • 弯管流量计在弯管内流动无障碍，所以没有压力 损失，且安装方便，价格低廉。对介质条件要求 低。 • 缺点是产生的压差小，是一种尚未标准化的仪表。 由于许多装置上有不少的弯头，所以它是一种便 宜的流量计。 • 弯头之间的差异限制了测量精度的提高，其精度 约在±5 ％ ——±10 ％，重复性可达±1 ％
qv

4
d
2
2

2
p
q m

4
d
2 p
标准节流装置的压力损失
1 p p 2 1
2
压力损失与节流件形式有关，随直径比的减小而 增大，随压差的增加而增加。
设计节流件是应对压力损失有所限制，不能超出 允许范围。
输入—输出关系的静特性： 节流装置的输入为 q ，输出为 p ，由流量公式可知：
质量流量是反映流量的最好方法（不受温度等环境参数 变化）。凡是没有特殊说明的流量，均指的是瞬时流量。
流体的物理性质与管流基础知识
流体的密度、粘度； 压缩系数和膨胀系数； 雷诺数； 管流类型； 流速分布与平均流速； 连续性方程和伯努利方程； P114
流量仪表的主要技术参数
1）流量范围 流量范围指流量计可测的最大流量与最小流量的范围。 2）量程和量程比 流量范围内最大流量与最小流量值之差称为流量计的 量程。最大流量与最小流量的比值称为量程比， 3）允许误差和精度等级 精度等级有：0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、 1.5、2.5等。 4）压力损失 流量仪表选型的一个重要技术指标。压力损失小，测 量成本低。反之则能耗大，经济效益相应降低。
第六章
流量测量
主 要 内 容
1
5.1 流量测量概述 5.2 节流式流量计 5.3 其它常用流量计简介
2
3
6.1 流量测量概述
1、意义
在工农业生产和科学研究试验中，流量都是一个很 重要的参数。例如，石油化工和电力生产过程 一方面：保证生产安全；
另一方面：有效地控制和监测生产过程，需要检测各种 流体的流量； 其他方面：同时为优化生产、提高效益提供重要依据；
与节流件形式有关。
不同的节流件其流出系数不同
使用标准节流装置时，必须满足下列条件：
•流体必须充满管道和节流装置，并连续地流经管道； •流体必须是牛顿流体，即在物理上和热力学上是均匀的、 单 相的或者可以认为是单相的； •流体流经节流件时不发生相交； •流体流量不随时间变化或变化非常缓慢； •流体在流经节流件以前，流束是平行于管道轴线的无旋流 标准节流装置不适用于脉动流和临界流的流量测量。 对管道来说，圆管的圆度有要求，管径有限制，节流件前后应 有一定长度的直管段，管内上游10D，下游5D内要求光滑，没 有凹坑、毛刺以及沉积物。
• 原理： 涡轮机原理。 当变送器被安装在管道上时，涡轮就置于被测流体 中，流体流动时冲击涡轮叶片使之转动，其转速代 表了流体的流量。叶轮由导磁材料制成，当叶轮转 动经过磁电转换器中的永久磁钢时，转换器中的磁 路磁阻发生变化，在磁电转换器的线圈上感应出电 势，其频率与转速成正比。
• 流量——转速的转换原理：
p Kq2 说明：
q 即：p 、 为非线性关系；
差压变送器内增添开方运算功能，将标准电流 信号进行开方。
q很小时，灵敏度显著降低，使得差压计相对误 差急剧增大，测量范围通常为1/3上限～上限。
流体密度为节流装置上游取压口处的流体实测密度。 可压缩流体的 1 f p，T，成分 ，所以当温度、压力 或成分有变化，则 p 就有变化，应进行密度修正。
3、常见的流量测量方法
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；
利用标准小容积来连续测量流量的容积式测量；
通过直接测量流体流速来得出流量的速度式流量测量 法； 以测量流体质量流量为目的的质量式流量测量法。 目前已投入使用的流量计已超过100种。从不同的 角度出发，流量计有不同的分类方法。P113
C R 2D
• 应用：广泛用于反应堆流量测量。 • 注意：测堆冷却剂流量时，先用实际工作流体 进行标定。如不进行标定，但精度要求达到 3%-5%时，须测定弯管的曲率半径和弯头内径。 • 上下游有足够的直管段。 • 取压口在中央管径上弯曲的最外侧和最内侧， 取压口直径大于 D 8 ，两个取压口对准。
流体对转子的浮力（定值）+节流△P产生的力=转子 重力（定值）所以，流量上升，△P上升，力上升， 浮子位置随流量不同而不同。
• 常用转子的形式：旋转式、圆盘式、板式
6.5
涡轮流量计
基于速度—面积法的流量测量
qv v A
体积流量
流通面积
平均流速
• 组成： 变送器：涡轮、导流器、磁电转换器 指示积算器 壳体和导流器由不导磁材料制成。导流器的作用是支撑叶轮 并导直流体的流动，以及减少流体自旋及涡旋干扰。 • 特点： 准确度高；动态性能好（时间常数为ms级）；频率输出，线 性好； 对流速分布和粘度变化敏感，不易测量高粘以及脏污流体； 适于水、轻质油、具有腐蚀性的溶液及空气、氧气等介质的 流量测量。 有可动部件，有磨损问题，寿命不长。
6.2.3 节流装置的类型与结构 节流装置的组成和类型 由节流件、取压装置、以 及测量管段 好的节流件应当使得流量 和差压之间的关系较为稳定。 标准节流装置的结构
图5-6节流装置的组成示意图
从节流件、取压装置、以及测量管段三方面标准化 通常节流件选用标准孔板或标准喷嘴，取压方 式常采用环室取压、角接取压、法兰取压以及D-D/2 取压等方式。
6.2 节流式流量计 节流式流量计是一种典型的差压式流量计。是目 前工业生产中用来测量气体、液体和蒸气流量的最常 用的一种流量仪表。在整个工业生产领域中，节流式 流量计约占流量仪表总数的50%以上。
优点 结构简单，安装方便，工作可靠，成本低，又 具有一定准确度； 有很长的使用历史，有丰富的、可靠的实验数 据，设计加工已经标准化。
截面积或者直径，为实际温度下的数值 流束膨胀系数 f , k, P2 / P或P / P 与节流件形式有关， 1 1
Ｋ是等熵指数，它与介质有关。
流出系数Ｃ 是在一定的 和 p下，实测的流量值与 理论计算的流量值之比。由于实测时总有损失情况，所以
Ｃ<1；
C f , R D
CE
4
E:速度渐进系数，与节流件的直径比有关。 C：流出系数， ：流量系数。它们由实验确定，与节流 件形式、取压方式、直径比、雷诺数、管道粗糙度有关。
另外，如果测量对象为可压缩流体，那么它在节 流过程中流体密度将发生变化，需要引入流束膨胀系 数修正采用节流件前的流体密度，最后，可压缩流体 综合流量公式表示为：
6.2.1 节流式流量计的组成及原理 基本工作原理： 测量出节流装置两端的差压信号 来间接测量流量。 主要组成结构： 节流装置：将流量转换成差压信号， 也称“一次装置”，包括节流件、取 压装置和前后直管段。 差压计：测量差压、显示流量 也称“二次装置”，包括差压信号管 节流式流量计组成示意图 路和测量仪表（差压变送器、开方器、 1节流装置；2引压管路； 3三组阀；4差压计 显示仪表、积算器）。
6.4 转子流量计（罗托计）
• 结构：属于恒压降 变截面积流量计
• • • • 顺流流量计 定压差流量计 浮子流量计 恒压降流量计
玻璃转子流量计 金属转子流量计
玻璃转子流量计
• 原理： 在测量过程中保持节流件（转子）的前后压差不变， 而节流件的流通截面积随流量改变，通过测量流通截 面积来达到测量流量的目的。 • 浮子平衡条件：