差压式流量测试技术问答(三):差压式流量计的测量元件或传感器

专家:汪玉忠 领域:仪器仪表 行业:石油天然气 日期:11-07-08 15:07 点击数:1408

    15 均速管流量计的取压孔位置是如何确定的?

    从流体在管道的流动状态来看,可分为充分发展状态下速度分布和非充分发展状态下速度分布的两种状态。对于充分发展状态下速度分布,可以在速度分布中找到一点平均速度,也就很容易测出流体的流量。均速管只适应非充分发展状态下速度分布的流量测量。由于非充分发展状态下速度分布影响因素较多,如管壁的粗糙度、雷诺数、流体粘度等,均速管测量总压的四个取压孔位置能否正确反映流体流速分布规律,所以取压孔位置的确定出现很多方法。

    ⑴ 等面积法:将管道的截面积分割四个面积相等(两个同心半圆和两个同半圆环),每个取压点是该点所处小面积流量平均值。取压点为±r1/R=0.4932、±r2/R=0.8951。

    ⑵ 等流量法:将管道截面积分割成四块,每块面积通过的流量相等。取压点位置为±r1/R=0.4680、±r2/R=8842。

    ⑶ 切比雪夫法:是假使在整个截面上的流速都符合下面的规律:
           
     

    然后分成截面积环,用切比雪夫数值积分方法决定开孔位置,此时取压点位置为±r1/R=0.4932、±r2/R=0.8951。
此方法符合均速管的设计原理,唯一不足的是没有考虑到近壁附近具有的不同分布。

    ⑷ 对数 — 切比雪夫法:将管道内流动截面分成三个区域,其总压开孔位置为r0/R=0.3754 r1/R=0.7252 r2/R=0.9358。此种方法已被ISO(国际标准化组织)—TS30(流量测量委员会)确认。

    ⑸ 对数 — 线性法:取压点r1/R=0.4190 r2/R=0.9143

    ⑹ 高斯积分法:取压点r1/R=0.3400 r2/R=0.8611

    16 均速管流量计与孔板流量计相比有哪些优缺点?

    优点:

    ⑴ 结构简单、工作可靠、价格低廉;

    ⑵ 安装方便,不仅可以在圆形管道上,也可安装在矩形管道上;

    ⑶ 准确度与标准孔板流量计相当,并可以长期保持不变;

    ⑷ 适用范围广,可用于各种液体、气体和蒸汽的流量测量;

    ⑸ 压力损失小,一般约为孔板差压的10%以下;

    ⑹ 不仅适用于小口径(管径1/2″~2″)测量,也适用于大口径(内径2m以上)测量;

    ⑺ 用耐腐蚀材料(蒙耐尔合金、哈氏合金等)制作传感器元件,可测量腐蚀性介质流量。

    缺点:

    ⑴ 不适用于测量脏污流体,易堵塞引压孔;

    ⑵ 不适用于测量粘度大的流体(如石蜡、焦油等);

    ⑶ 不适用于高温、高压过热蒸汽,有冲刷作用。

    17 什么是内锥式节流装置?有哪些特点?

    如图8所示,内锥式节流装置是利用同轴安装在管道中的V形尖圆锥将流体逐渐地节流收缩到管道的内边壁,并通过测量V形内锥体前后的差压来测量流量的节流装置。
   
                    
                                      图7内锥式流量计

    内锥式节流装置的特点:

    ⑴当流体接触内锥体后,流体逐渐朝向管内壁收缩,流速不断增加并迫使流速分布发生变化,它是逐渐收缩式节流装置,压力损失小;

    ⑵在设计和制造内锥体时,让流体在管内壁与内锥体表面产生边界层效应,这样可以保证圆锥体最大直径处不受磨损,可以使流出系数较长时间保持不变;

    ⑶由于内锥体本身的结构,流体从接触内锥体到离开时流速加快但各点流速基本相等,使节流装置具有自整流作用,因此使用该节流装置基本不需要或需要很小的直管段;

    ⑷内锥式节流装置的负压取压口在内锥体下游的管中心,在流体流动时,此处仅产生高频低幅旋涡,其压力分辨率可优于25Pa,可以获得宽量程比(量程比≥15:1)和0.1%的重复性。

    18 内锥式流量计与标准孔板流量计相比,差压值波动为什么比较小?

    产生差压值的波动原因是由于流体经过节流件前后消耗的能量所致。在节流件正压侧由于管道系统压力比较稳定,正压不会产生波动;在其负压侧则不同,由于孔板节流时,流体通过孔板能量损耗很大,同时产生大量的旋涡并旋转移动,使负压产生了很大的波动。而内锥式节流元件能量损耗很小,因此产生的旋涡也少波动也少。

    根据有关的实验,流体为水、流速为4m/s、在DN=80mm的管道中,标准孔板的永久压力损失为20kPa;内锥式元件的永久压力损失为4.2kPa,标准孔板的永久压损是内锥的4~5倍。这说明标准孔板下游产生的旋涡体积大、具有高能量、旋转快;而内锥式传感器的下游旋涡体积小、旋转慢,自然它们产生的差压波动是不同的。图8是标准孔板与内锥式流量传感器产生的差压曲线图。
  
                  
                          图8 标准孔板与内锥式流量计的差压曲线

    19 内锥式流量计计算公式与标准孔板计算公式有什么关系?

    内锥式差压流量计属于差压式流量计的一种,它遵守伯努力方程和流体连续性方程,因此它的计算公式可以在标准节流装置计算公式的基础上推导出来。

    标准节流装置的计算公式为:
   
      
     
       


    用等效的(D 2 – dV2)代替d2,用βV 代替β并代入上面两式,得到:
    或 
   
     或  

    


    式中:D—操作状态下管内径 m;

    dV — 操作状态下内锥体最大横截面处圆面积 m;

    βV — 等效直径比,纯数 

    ε — 气体或蒸汽膨胀系数(液体ε=1)


    k —气体或蒸汽的等熵系数;

    p1—操作状态下内锥体上游的压力(绝对值)Δp与p1的单位应相同;

    C—流出系数,由标定得到,其值范围0.75~0.85 

    20 内锥式节流装置有几种结构型式?

    如图9所示内锥式节流装置有三种不同的结构形式:

    ⑴ 法兰连接式:见图9a,口径一般在15~2000mm;

    ⑵ 管道连接式:见图9b,口径在15~2000mm;

    ⑶ 法兰卡装式:见图9c,口径在15~200mm;

    上述三种形式适用温度为-200℃~+800℃、压力为1.0~10.5MPa,可测量液体、气体、和蒸汽。差压接口为承杈焊接式或法兰连接式。

    21 内锥式流量计的主要技术特性是什么?

    ⑴ 一般内锥式流量计的标准等效直径比:βV = 0.45、0.55、0.65、0.75、0.85;

    ⑵ 内锥式流量计上游的阻流件与流量计之间的直管段一般为0~3D、若阻流件是阀门,直管段为3D、其下游直管段为0~1D;
           
                  
                              
                                       (a) 法兰连接式
                         
                          
                                    (b) 焊接连接式
                    
 
                      
                                (c)  法兰卡装式 
           
                    图9 内锥式节流装置结构形式

    ⑶ 流量计的准确度可达0.5%、重复性为±0.1%;

    ⑷ 流量计的量程比为10:1~15:1;

    ⑸ 最小雷诺数为8000,当雷诺数小于8000时,可采用一个拟合关系式;

    ⑹ 由于流体沿环型管边缘流过,节流装置本身有自清洗作用;

    ⑺ 流量计最高使用温度为640℃、使用最高压力为6MPa;

    ⑻ 流量计可广泛使用在气体、蒸汽和液体流量的测量上,由于压损小还适用于低静压的流量测量,如烟道气的流量测量等。

    22 内锥式流量计计算公式是如何推导的?

    (1)根据流体连续性原理:在同一管道内,不同截面积的流量是相同的。图10所示
       
         
          
                          图10 流体连续性示意图
     
       (22-1)

      设液体为不可压缩的,密度不变 p1=p2=p 

    改写为体积流量式 (22-2)

   (2)根据能量守恒定律(即伯努利方程)
   
    (22-3)

     改写为  (22-4)

      (3)由式(22-2)代入式(22-4)整理后  
         
      (22-5)

    (4)将面积比改为直径比β
 
     (22-6)

      (5)将流速改为体积流量 v2=q2/s2(22-7)

      (6)将式(22-5、6、7)整理后得:
   
    (22-8)

    (7) 改写为: (22-9)

    (8)理论计算公式 (22-10)

    23 内锥式传感器的流出系数CV是如何推导的?

    根据理论上体积流量、质量流量与差压的关系,由上题式(22-10)改写为:

    (23-1)

    (23-2)

    流出系数(CV =qv实际 /qv理论
   
    CV = qvsj / qvll     (23-3)

    qvsj = qvll ×CV  

      (23-4)

   由于上式中,只有ΔP、ρ是变量,其余是常量,式(54-4)可改写为:

    (23-5)
   
    (23-6)
    (23-7) 

     摘自《自动化博览》2011年第三期

 



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