第8章流量测量技术.ppt

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1、第8章 流量测量技术,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，在石油化工生产过程自动检测和控制中，为了有效地操作、控制和监测，需要检测各种流体的流量。此外，对物料总量的计量还是能源管理和经济核算的重要依据。流量检测仪表是发展生产、节约能源、提高经济效益和管理水平的重要工具。本章介绍流量测量的基本知识和常用的流量检测仪表。,8.1 流量测量的基础知识,8.2 流量测量仪表,8.3 流量标准装置,8.1 流量测量的基础知识,8.1.1流量和流量计,8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识,8.1.3 流量测量方法与流量仪表的分类,8.1 流量测量的基础知识 8.1.1流量和流

2、量计流量定义：(瞬时流量、累积流量)指单位时间内流体(气体、液体或固体颗粒等)流经管道或设备某处横截面的数量，又称瞬时流量。体积流量：当流体以体积表示时称为体积流量;质量流量：当流体以质量表示时称为质量流量。,V 体积；M质量；t时间；A截面面积；流体的密度；,累积流量：,平均流速：,流体在流过截面上各点的流速。,体积流量和质量流量关系：,已知流体的密度和体积流量，即可换算出质量流量。但流体的密度是随流体的温度、压力变化而变化的，特别是气体，其密度随压力、温度变化而显著不同，换算时应予以考虑。,计量单位：体积流量的计量单位为米3秒(m3s)，质量流量的计量单位为千克秒(kgs)；累积体积流量的

3、计量单位为米3(m3)；累积质量流量的计量单位为千克(kg)。工程上还使用的流量计量单位有：米3时(m3h)升分(Lmin)吨小时(t/h)升(L)吨(t)等,在工业生产中，瞬时流量是涉及流体介质的工艺流程中需要控制和调节的重要参量，用以保持均衡稳定的生产和保证产品质量。累积流量则是有关流体介质的贸易、分配、交接、供应等商业性活动中必知的参数之一，它是计价、结算、收费的基础。用于测量流量的汁量器具称为流量计通常由一次装置和二次仪表组成；一次装置安装于流体导管内部或外部，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

4、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。累积式流量计又称计量表。随着流量测量仪表及测量技术的发展，大多数流量计都同时具备测量流体瞬时流量和计算流体总量的功能。,8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 1.流体的密度单位体积的流体所具有的质量称为流体密度，用数学表达式表示为：M 流体质量；V流体体积；流体的密度。流体密度是温度和压力的函数。单位是千克米3(kg/m3)。,2.流体粘度流体运动过程中阻滞剪切变形的粘滞力与流体的速度梯度和接触面积成正比，并与流体粘性有关，其数学表达式为：上式称为牛顿粘性定律。F 粘滞力；A 接触

5、面积；流体垂直于速度方向的速度梯度；表征流体粘性的比例系数，流体的动力粘度。,流体的动力粘度与流体密度的比值称为运动粘度，即 动力粘度的单位为牛顿秒/米2（NS/m2），即帕斯卡秒（PaS）；运动粘度的单位为米2/秒（m2/S）。3.流体的压缩系数和膨胀系数在一定的温度下，流体体积随压力增大而缩小的特性，称为流体的压缩性；在一定压力下，流体的体积随温度升高而增大的特性，称为流体的膨胀性。,压缩系数：当流体温度不变而所受压力变化时，其体积的相对变化率：,流体的体积压缩系数，（1Pa）；,流体的原体积，(m3)；,流体压力增量，(Pa)；,流体体积变化量，(m3)；,流体的体积膨胀系数(1)；,流

6、体的原体积，(m3)；,流体体积变化量，(m3)；,流体温度变化量()。,膨胀系数：在一定的压力下，流体温度变化时其体积的相对变化率，即,4.雷诺数雷诺数是流体流动的惯性力与粘滞力之比，表示为：,雷诺数（无量纲数）；,流动横截面的平均流速，（m/s）；,动力粘度，（NS/m2）；,运动粘度，（m2/S）；,流体的密度，(kg/m3)；,特征长度，（m）。,雷诺数是判别流体状态的准则，在紊流时流体流速分布更是与雷诺数有关，因此在流量测量中，雷诺数是很重要的一个参数。,5.管流类型,(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；两种以上不

7、同相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 流体可分为可压缩流体和不可压缩流体，所以流体的流动也可分为可压缩流体流动和不 可压缩流体流动两种。,通常把流体充满管道截面的流动叫管流。管流分为下述几种类型：,(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和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；若其各处的速度和压力不仅和流体质点所处的位置有关，而且与时间出有关，则流体的这种流动称为不稳定流。,(4)层流与紊流 管内流体有两种流动状态：层流和紊流。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

8、则的流线。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。,6.流速分布与平均流速 流体有粘性，当它在管内流动时，即使是在同一管路截面上，流速也因其流经的位置不同而不同。越接近管壁，由于管壁与流体的粘滞作用，流速越低；管中心部分的流速最快。流体流动状态不同将呈现不同的流速分布。,研究具有圆形截面的管内流动情况，当管内流体为层流状态时，沿半径方向上的流速分布可用下式表示：,距管中心距离,处的流速；,管中心处最大流速；,距管中心径向距离；,管内半径。,当管内流体为紊流状态时，沿半径方向上的流速分布为：,n随流体雷诺数不同而变化的系数,圆管内的流速分布,通过测流速求流量的流量计一般是

9、检测出平均流速然后求得流量。对于层流，平均流速是管中心最大流速的0.5倍()；紊流时的平均流速与n值有关：,表8-1 雷诺数与 n的关系,7.流体流动的连续性方程和伯努利方程(1)连续性方程,任取一管段，设截面、截面处的面积、流体密度和截面上流体的平均流速分别为A1、和A2、，根据质量守恒定律，单位时间内经过截面I流入管段的流体质量必等于通过截II流出的流体质量。即有连续性方程：,=,连续性方程示意图,(2)伯努利方程,当理想流体在重力作用下在管内定常流动时，对于管道中任意两个截面和有如下关系式（伯努利方程）：,伯努利方程示意图,重力加速度 截面和相对基准线的高度；截面和上流体的静压力；截面和

10、上流体的平均流速。,而实际流体具有粘性，在流动过程中要克服流体与管壁以及流体内部的相互摩擦阻力而作功，这将使流体的一部分机械能转化为热能而耗散。因此，实际流体的伯努利方程可写为：,截面和之间单位质量实际流体流动 产生的能量损失。,8.1.3 流量测量方法与流量仪表的分类1.流量测量方法,流量测量方法大致可以归纳为以下几类：(1)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；(2)通过直接测量流体流速来得出流量的速度式流量测量法；(3)利用标准小容积来连续测量流量的容积式测量；(4)以测量流体质量流量为目的的质量流量测量法。,2.流量仪表的分类,3.流量仪表的主要技术参数

11、（4组）,(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，亦称流量计的范围度。,(3)允许误差和精度等级 流量仪表在规定的正常工作条件下允许的最大误差，称为该流量仪表的允许误差，一般用最大相对误差和引用误差来表示。,流量仪表的精度等级是根据允许误差的大小来划分的，其精度等级有：0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5等。,(4)压力损失,压力损失的大小是流量仪表选型的一个重要技术指标。压力损失小，流体能消耗小，输运流体的动力要求小，测量成本低。

12、反之则能耗大，经济效益相应降低。故希望流量计的压力损失愈小愈好。,8.2 流量测量仪表,8.2.1 差压式流量计,8.2.2 容积式流量计,8.2.4 质量流量计,8.2.3 速度式流量计,8.2 流量测量仪表,8.2.1 差压式流量计 差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，通过测量差压值求得流体流量。差压式流量计主要有以下几种：1.节流式流量计2.皮托管和均速管流量计3.转子流量计4.靶式流量计5.弯管流量计,1.节流式流量计,1-节流元件 2-引压管路3-三阀组 4-差压计,节流式流量计组成,流体流经节流件时压力和流速变化情况,=,测

13、量原理及流量方程,截面1和2上流体的静压力；,截面1和2上流束直径；,截面1和2上流体的平均流速；,、,截面1和2上流体的密度,、,求出：,体积流量,质量流量,以实际采用的某种取压方式所得到的压差,来代替,的值；同时引入流出系数C,（或流量系数）对上式进行修正：,对于可压缩流体，考虑到节流过程中流体密度的变化而引入流束膨胀系数 进行修正采用节流件前的流体密度，由此流量公式可更一般的表示为：,a.流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是均匀的、单相的，或者可认为是单相的流体。,b.流体必须充满管道和节流装置且连续流动，流经节流件前流动应达到充分紊流，流束平行于管道轴线且无旋转，流经节流件时不发生

14、相变。,c.流动是稳定的或随时间缓变的,（2）节流装置 标准节流装置的适用条件,标准节流元件的结构形式,a.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。,结构简单，加工方便，价格便宜,压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质，测量大管径高温高压介质时，孔板易变形。,标准孔板,标准节流元件有孔板、喷嘴和文丘里管。工业上最常用的是孔板，其次是喷嘴，文丘里管使用较少。,b.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。,ISA

15、1932喷嘴,长径喷嘴,c.文丘里管文丘里管有两种标准型式：经典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。,节流装置的取压方式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:,节流装置的取压方式,角接取压装置,法兰取压装置,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，容易实现环室取压，测量精度较高。法兰取压法结构较简单，容易装配，计算也方便，但精度较角接取压法低些

16、。,测量管道条件 测量管道截面应为圆形，节流件及取压装置安装在两圆形直管之间。节流件附近管道的圆度应符合标准中的具体规定。,当现场难以满足直管段的最小长度要求或有扰动源存在时，可考虑在节流件前安装流动整流器，以消除流动的不对称分布和旋转流等情况。安装位置和使用的整流器型式在标准中有具体规定。注意：安装了整流器后会产生相应的压力损失。,非标准节流装置,标准化节流装置有其适用的范围和条件。在工程实际应用过程中，对于诸如脏污介质、低雷诺数流体、多相流体、非牛顿流体或小管径、非圆截面管道等流量测量问题，标准节流元件就不能适用，需要采用一些非标准节流装置或选择其他型式的流量计来测量流量。非标准节流装置就

17、是试验数据尚不充分，可用数据误差较大的尚未标准化的节流装置。其设计计算方法与标准节流装置基本相同，但使用前需要进行实际标定。,a.1/4圆喷嘴,b.锥形入口孔板,c.圆缺孔板,还有偏心孔板、双重孔板、环形孔板等多种形式。,标准节流装置的计算,流量计算 这类计算命题是在管道、节流装置、取压方式、被测流体参数已知的情况下，根据测得的差压值计算被测介质流量。属校核计算，常用在使用现场，所依据的基本公式是流量公式。设计节流装置 这类计算命题是要根据用户提出的已知条件以及限制要求来设计标准节流装置，属设计计算。,差压计 差压计与节流装置配套组成节流式流量计。差压计经导压管与节流装置连接，接受被测流体流过

18、节流装置时所产生的差压信号，并根据生产的要求，以不同信号形式把差压信号传递给显示仪表，从而实现对流量参数的显示、记录和自动控制。差压计的种类很多，凡可测量差压的仪表均可作为节流式流量计中的差压计使用。目前工业生产中大多数采用差压变送器。它们可将测得的差压信号转换为0.02-0.1 MPa的气压信号和4-20mA的直流电流信号。,2.皮托管和均速管流量计皮托管 皮托管是一根弯成直角的双层空心复合管，带有多个取压孔，能同时测量流体总压和静压。,皮托管结构,皮托管的工作原理可分析如下：,皮托管头部迎流方向开有一个小孔A，称为总压孔，在距头部一定距离处开有若干垂直于流体流向的静压孔B，各孔所测静压在均

19、压室均压后输出。设在均匀流动的管道中某点处流体的静压为p，流速为u。若在此处放置一根皮托管，井使皮托管轴线与流向平行，紧靠皮托管前端A的流体被阻滞，在阻滞区域的中心形成“驻点”，驻点处流动完全停止，流速等于零，压力由静压p上升到滞止压力p1（总压）,设流动为不可压缩无粘性流体的稳定流动，驻点处流体的伯努利方程为,驻点处流体总压；,，,分别为驻点处流体静压和流速；,流体密度。,由此可以得该点的流速为：,考虑到实际测量情况与理论上的差别，引入皮托管系数(数值由实验确定)对上式进行修正：,对于可压缩流体，考虑到压缩性的影响，实际流速计算公式为：,(1-,)为流体可压缩性修正系数，对不可压缩流体,=0

20、。,均速管流量计,均速管是一根横跨管道的中空、多孔金属管，在迎流方向上开有对称的两对总压取压孔(也可以是二对以上，各总压取压孔位置分别对应4个面积相等的半环形和半圆形区域，各总压孔相通，测得的流体总压均压后由总压管引出，这可认为是反映截面平均流速的总压。在背向流体流向一侧的中央开有一个静压取压孔，测得流体静压由静压管引出。由平均总压与静压之差即可求得管道截面的平均流速，从而实现测量流量的目的。,均速管测量流速的原理与皮托管相同，体积流量可由下式确定：,式中，A为管道截面枳；为取决于均速管及管道内径的流量系数，由实验确定。均速管流量计结构简单，便于安转，价格便宜；压力损失小，能耗少；准确度及长期

21、稳定性较好；适用范围广，可适用于液体、气体和蒸汽等多种流体以及高温高压介质的流量测量。均速管流量计适用的管径范围为25-9000mm，尤其适用于大口径管道的流量测量；但它产生的差压信号较低，需要配用低量程差压计；不适用于污脏、有沉淀物的流体。,3.转子流量计,转子流量汁又称浮子流量计。它也是利用节流原理测量流体的流量，但在测量过程中节流元件前后的差压值基本保持不变，而通过节流面积的变化反映流量的大小，故也称恒压降变截面流量计。转子流量计在工业生产过程中应用较广，可以测量多种介质的流量，特别适用于中小管径和低雷诺数的中小流量测量。转子流量计结构简单灵敏度高，量程比宽(10：1)，压力损失小且恒定

22、，对直管段的要求不高，刻度近似线性，价格便宜，使用维护简便，但仪表受被测介质密度、粘度、温度、压力等因素的影响，其精度一般在1.5级左右。,测量原理,测量原理,转子流量计本体由一根自下向上直径逐渐扩大的垂直锥形管和一只可以随流体流量大小而沿锥形管上下自由移动的转子组成。当被测流体自下而上流经锥形管时，由于节流作用而在转子上下端面产生差压形成作用于转子的上升力，使得转子向上运动。随着转子的上栘，转子与锥形管之间的环形流通面积增大，流体流速变慢，直到转于的重量与流体作用在转子上的力达到平衡时，转子就稳定在一个平衡位置上。当流量变化时，转子便会移到新的平衡位置，这样平衡位置的高度就代表被测介质流量值

23、的大小。,根据流体连续性方程和伯努利方程，转子流量计的体积流量可表示为：,流量系数；,转子与锥形管间的环形流通面积；,流体密度；,差压。,转子流量计结构,玻璃管转子流量计主要由玻璃锥形管、转子和支撑结构组成。转子根据不同的测量范围及不同介质(气体或液体)可分别采用不同材料制成不同形状。流量示值刻在锥形管上,金属管转子流量计金属管转子流量计的锥形管采用金属材料制成，其流量检测原理与玻璃管转子流量计相同。金属管转子流量计有就地指示型和电气信号远传型两种,电远传式转子流量计工作原理,图817所示为电远传式转子流量计工作原理。采用差动变压器作为转换机构，用于测量转子的位移。当流体流量变化引起转子移动时

24、，磁钢1、2通过磁耦合带动杠杆3及连扦机构6、7、8，使指针10在标尺9上就地指示流量，同时再通过连杆机构11、12、13带动差动变压器中的铁心14作上、下运动，产生的差动电势通过放大和转换后输出电信号表示相应流量大小，供显示和调节。,转子流量计的刻度换算 转子流量计是一种非通用性仪表，出厂时其刻度需单独标定。仪表厂在工业标准状态下，以空气标定测量气体流量的仪表；以水标定测量液体流量的仪表。若被测介质不是水或空气，则流量计的指示值与实际流量值之间存在差别，必须对流量指示值按照实际被测介质的密度、温度、压力等参数的具体情况进行刻度修正。,液体介质,气体介质,式中，qv、qv分别为流量计标定刻度流

25、量和被测介质的实际流量；、为标定流体密度和被测介质密度；f为转子的密度；P、P 为标定流体和被测流体的绝对压力，T、T 为标定流体和被测流体的热力学温度。如果测量流体和标定流体相同，但需要改变仪表量程时，可由改变转子材枓，即改变转子密度来实现。量程扩大后灵敏度降低，相反则灵敏度增大。改变前后的转子应满足几何相似条件。,4.靶式流量计,靶式流量计由检测(传感)和转换部分组成，检测部分包括放在管道中心的圆形靶、杠杆、密封膜片和测量管，当流体流过靶时，靶受到主要由流体的动压力和靶对流体的节流作用而形成的力F的作用，此作用力与流速之间存在着一定关系，通过测量靶所受作用力，可以求出流体流速与流量。,靶式

26、流量计是一种适用于测量高粘度、低雷诺数流体流量的流量测量仪表，例如用于测量重油、沥青、含固体颗粒的浆液及腐蚀性介质的流量。,靶式流量计工作原理,流体对靶的作用力流体流速密度靶的受力面积,管道直径为D，靶直径为d，环隙通道面积为A，则可求出流体体积流量为：,设：,5.弯管流量计 弯管流量计是一种可用于任何工艺管道流量测量的装置。设弯管直径为 D，弯管中心线半径为 R，流体密度，根据弯管流速面积分布定律和流体能量守恒定律可推导出体积流量 与流体差压 的理论关系式：,考虑到流体粘性、管道形状及实际使用条件的影响，将上式乘上由实验求得的流量系数，并令，则可得弯管流量计的实用流量公式：,弯管流量计,如果

27、将管道弯成同心圆，就可构成环形管流量计,考虑到在制造时，环形管直径与管道直径比,很大，因而可得环形管流量计的流量近似公式：,环形管流量计,弯管流量计是一种尚未标准化的仪表；它结构简单，无可动部件，安装维修方便；对流体流动无障碍，没有附加压力损失；可用于一般液体或含固体颗粒及含悬浮物污水的测量；由于许多装置上都有不少的弯头，所以在受到工艺管道条件限制情况下，可采用弯管流量计测量流量。使用时要求直管段长度，上游至少10D，下游至少5D，弯管流量计精度不高，约在 5。专门加工的弯管流量计，经单独标定，精度可提高到：o5。环形管流量计受粘度及脉动影响较小，可以在直线管道上安装，与弯管流量计相比，测量值

28、比较稳定。,8.2.2 容积式流量计（椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板式流量计、伺服式容积流量计）,容积式流量计是一种直接测量型流量计，它利用机械测量元件，把流体连续不断地分隔为单个的固定容积部分排出，而后通过计数单位时间或某一时间间隔内经仪表排出的流体固定容积的数目来实现流量的计量与计算，它可用于各种液体和气体的体积流量测量。容积式流量计的优点是：测量精度高，量程比宽，对上游流动状态不敏感，无前后直管段长度要求，特别适合高粘度介质的测量，因此广泛应用于工业生产过程的流量测量并作为流量计量的标准仪表。其缺点是对被测流体中的污物较敏感，当被测管道口径较大时，流量计比较笨重。,椭圆齿轮流量计椭圆齿

29、轮流量计工作原理：,椭圆齿轮流量计工作原理,由于流体在流量计入、出口处的压力P1P2，当A、B两轮处于(a)所示位置时，A轮与壳体间构成容积固定的半月形测量室(图中阴影部分)，此时进出口差压作用于B轮上的合力矩为零，而在A轮上的合力矩不为零，产生一个旋转力矩，使得A轮作顺时针方向转动，并带动B轮逆时针旋转，测量室内的流体排向出口；当两轮旋转处于(b)位置时，两轮均为主动轮；当两轮旋转90，处于(c)位置时，转子B与壳体之间构成测量室，此时，流体作用于A轮的合力矩为零，而作用于B轮的合力矩不为零，B轮带动A轮转动，将测量室内的流体排向出口。,当两轮旋转至180时，A、B两轮重新回到位置(a)。如

30、此周期地主从更换，两椭圆齿轮作连续的旋转。当椭圆齿轮每旋转一周时，流量计将排出4个半月形(测量室)体积的流体。设测量室的容积为V，则椭圆齿轮每旋转一周排出的流体体积为4V。只要测量椭圆齿轮的转数N和转速n，就可知道累积流量和单位时间内的流量，即瞬时流量：,椭圆齿轮流量计适用于高粘度液体的测量；流量计基本误差为0.2-0.5%，量程比为10：1。椭圆齿轮流量计的测量元件是齿轮啮合传动，被测介质中的污物会造成齿轮卡涩和磨损，影响正常测量，故流量计的上游均需加装过滤器，这样会造成较大的压力损失。,2.腰轮流量计 腰轮流量计又称罗茨流量计，其工作原理与椭圆齿轮流量计相同，结构也很相似，只是转子的形状略

31、有不同。腰轮流量计的转子是一对不带齿的腰形轮，在转动过程中两腰轮不直接接触而保持微小的间隙，依靠套在壳体外的与腰轮同轴上的啮合齿轮来完成驱动。,腰轮流量计,3.刮板式流量计 转子在流量计进、出口差压作用下转动，每当相邻两刮板进入计量区时均伸出至壳体内壁且只随转子旋转而不滑动，形成具有固定容积的测量室，当离开计量区时，刮板缩入槽内，流体从出口排出，同时后一刮板又与其另一相邻刮板形成测量室。转子旋转一周，排出4份固定体积的流体，由转子的转数就可以求得被测流体的流量。,凸轮式刮板流量计,4.伺服式容积流量计在流量计工作时，腰轮由伺服电机通过传动齿轮带动，伺服电机转动的快慢，随流体入出口压力差的大小而

32、改变。导压管将入出口压力引至差压变送器以测量入出口压差的变化，当入出口压差大于零时，差压变送器输出信号经放大后驱动伺服电机带动腰轮加快旋转，使流量计排出较大流量的流体，从而使压差趋近于零。这种近于无压差的流量计，使泄漏量减小到最低限度，因而可以实现小流量的高精度测量，而且测量误差几乎不受流体压力、粘度和密度的影响。,伺服式腰轮流量计工作原理,8.2.3 速度式流量计（涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计）1.涡轮流量计(1)工作原理与结构 在定范围内，涡轮的转速与流体的平均流速成正比，通过磁电转换装置将涡轮转速变成电脉冲信号，以推导出被测流体的瞬时流量和累积流量。,涡轮流量计结构,

33、(2)流量方程,涡轮叶片速度分解,与流量的关系曲线,u 流体平均流速,叶片的切向速度,n 涡轮转速,而磁电转换器所产生的脉冲频率:,Z涡轮叶片的数目。,体积流量方程：,单位体积流量通过磁电转换器所输出的脉冲数,(3)涡轮流量计的特点和使用优点:其测量精度高,复现性和稳定性均好；量程范围宽，量程比可达(1020):1,刻度线性；耐高压，压力损失在最大流量时小于25kPa；对流量变化反应迅速，可测脉动流量；抗干扰能力强，信号便于远传及与计算机相连。缺点:制造困难，成本高。场合:通常涡轮流量计主要用于量精度要求高、流量变化快的场合，还用作标定其他流量的标准仪表。,2.涡街流量计(1)涡街流量计原理在

34、均匀流动的流体中,垂直地插入一个具有非流线型截面的柱体,称为漩涡发生体，则在该漩涡发生体两侧会产生旋转方向相反、交替出现的漩涡，并随着流体流动，在下游形成两列不对称的漩涡列，称之为“卡门涡街”，如图,圆柱漩涡发生器,其体积流量方程式为:,每一列漩涡产生的频率 u流体流速 d直径漩涡发生体的特征尺寸 St斯特罗哈尔数 D 管道内径 A 在漩涡发生体处的流通截面积,(2)漩涡频率的测量图 图为三角柱体涡街检测器原理示意图，在三角柱体的迎流面对称地嵌入两个热敏电阻组成桥路的两臂，以恒定电流加热使其温度稍高于流体，在交替产生的漩涡的作用下，两个电阻被周期地冷却，使其阻值改变，阻值的变化由桥路测出，即可

35、测得漩涡产生频率，从而测出流量。,三角柱涡街检测器,(3)涡街流量计的特点优点:涡街流量计测量精度较高；量程比宽,可达30:1；使用寿命长，压力损失小，安装与维护比较方便；测量几乎不受流体参数变化的影响，用水或空气标定后的流量计无须校正即可用于其它介质的测量；易与数字仪表或计算机接口,对气体、液体和蒸汽介质均适用。缺点:流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度，因此适用于紊流流速分布变化小的情况，并要求流量计前后有足够长的直管段。,3.电磁流量计(1)测量原理和结构电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理制成的一种流量计，其测量原理如图8-30所示。当被测导电流体在磁场中沿垂直于磁力线方向流动而切

36、割磁力线时，在对称安装在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，此电势与流速成正比。,电磁流量计原理,流体流量方程为：,B为磁感应强度 D 管道内径 u流体平均流速E感应电势,电磁流量计的结构如图所示：,管内壁用搪瓷或专门的橡胶、环氧树脂等材料作力绝缘衬里，使流体与测量导管绝缘并增加耐腐蚀性和耐磨性。电极一般由非导磁的不锈钢材料制成，测量牖蚀性流体时，多用铂铱合金、耐酸钨基台金或镍基合金等。电极嵌在管壁上，若导管为导电材料，必须和测量导管很好地绝缘。电极应在管道水平方向安装，以防止沉淀物堆积在电极上而影响测量精度。电磁流量计的外壳用铁磁材料制成，以屏蔽外磁场的干扰，保护仪表。,(1)电磁流量计的特

37、点及应用优点：压力损失小，适用于含有颗粒、悬浮物等流体的流量测量；可以用来测量腐蚀性介质的流量；流量测量范围大；流量计的管径小到1mm，大到2m以上；测量精度为0.5-1.5级；电磁流量计的输出与流量呈线性关系；反应迅速，可以测量脉动流量。对直管段要求不高，使用比较方便。缺点：被测介质必须是导电的液体，不能用于气体、蒸汽及石油制品的流量测量；流速测量下限有一定限度；工作压力受到限制。结构也比较复杂，成本较高。,电磁流量计的安装地点应尽量避免剧烈振动和交直流强磁场，要选择在任何时候测量导管内部能充满液体。在垂直安装时，流体要自下而上流过仪表，水平安装时两个电汲要在同一平面上，要确保流体、外壳、管

38、道间的良好接地和良好点接触。电磁流量计的选择要根据被测流体情况确定合适的内衬和电极材料；其测量准确度受导管的内壁，特别是电极附近结垢的影响使用中应注意维护清冼。,4.超声波流量计 超声波测流量的作用原理有传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速液面法等多种方法。(1)传播速度法测量原理（时差法、相差法、频差法）,超声测速原理,时差法时差法就是测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差。流体流速,t1-按顺流方向，超声波到达接收器时间t2-按逆流方向，超声波到达接收器时间,相差法相位差法是把上述时间差转换为超声波传播的相位差来测量。超声波换能器向流体连续发射形式为的 超声波脉冲，式中

39、为超声波的角频率。,按顺流方向发射时收到的信号相位,按逆流方向发射时收到的信号相位,频差法 频差法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频率之差来测量流量的。,顺流时脉冲循环频率：逆流时脉冲循环频率：脉冲循环频差：流体流速:,在时差法和相位差法中，流速测量均与声速c有关，而声速是温度的函数，当被测流体温度变化时会带来流速测量误差，因此为了正确测量流速，均需要进行声速修正。流体流速和频差成正比，式中不含声速，因此流速的测量与声速无关，这是频差法的显著优点。循环频差很小，直接测量的误差大，为了提高测量精度，一般需采用倍频技术。由于顺、逆流两个声循环回路在测循环频率时会相互干扰，工作难以稳定，而且要保

40、持两个声循环回路的特性一致也是非常困难的。因此实际应用频差法测量时，仅用一对换能器按时间交替转换作为接收器和发射器使用。,流量方程:截面平均流速 和流速u的关系：,层流：,紊流：,流体的体积流量方程为：,(2)多普勒法测量原理 根据多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个频率的变化与两者之间的相对速度成正比。超声波多普勒流量计就是基于多普勒效应测量流量的。,超声多普勒法流量测量原理,利用多普勒效应测流量的必要条件是：被测流体中存在一定数量的具有反射声波能力的悬浮颗粒或气泡。因此，超声多普勒流量计能用于两相流的测量，这是其他流量计难以解决的

41、。,(3)超声波流量计的特点与应用超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示系统组成。超声波换能器通常由锆钛酸铅陶瓷等压电材料制成，通过电致伸缩效应和压电效应，发射和接收超声波。换能器在管道上的配置方式如图8-34所示。,超声波换能器在管道上的配置方式,超声流量计测量时，超声换能器可以置于管道外，不与流体直接接触，不破坏流体的流场，没有压力损失。其可用于各种液体的流量测量，包括测量腐蚀性液体、高粘度液体和非导电液体的流量，尤其适于测量大口径管道的水流量或各种水渠、河流、海水的流速和流量，在医学上还用于测量血液流量等。和其他流量计一样，超声流量计前需要一定长度的直管段。一般直管段长度在上游侧

42、需要10D以上，而在下游侧则需要5D左右。,8.2.4 质量流量计 流体的体积是流体温度、压力和密度的函数。质量流量计的测量方法，可分为间接测量和直接测量两类。间接式测量方法通过测量体积流量和流体密度经计算得出质量流量，这种方式又称为推导式；直接式测量方法则由检测元件直接检测出流体的质量流量。,1.间接式质量流量计一般是采用体积流量计和密度计或两个不同类型的体积流量计组合，实现质量流量的测量。常见的组合方式主要有3种。节流式流量计与密度计的组合,节流式流量计与密度计组合,体积流量计与密度计的组合,体积流量计和密度计组合,节流式流量计与体积流量计的组合,节流式流量计和其它体积流量计组合,2.直接

43、式质量流量计 直接式质量流量计的输出信号直接反映质量流量，有许多种型式。（热式质量流量计、差压式质量流量计、科里奥利质量流量计）热式质量流量计,根据传热规律,。设,为流体的定压比热,两点温度差,热式质量流量计示意图,差压式质量流量计 差压式质量流量计是以马格努斯效应为基础的流量计，实际应用中利用孔板和定量泵组合实现质量流量测量。有双孔板和四孔板与定量泵组合两种结构。,双孔板差压式质量流量计,K式中为常数；为流体的密度。孔板A、B前后的压差与流体质量流量成正比，测出压差便可以求出流体质量流量,根据差压式流量测量原理，孔板A和B处压差分别为,四孔板差压式质量流量计：,四孔板差压式质量流量计,科里奥

44、利质量流量计 科里奥利质量流量计(简称科氏力流量计)是一种利用流体在振动管中流动而产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理来直接测量质量流量的仪表。科氏力流量计结构有多种形式，一般由振动管与转换器组成。,科氏力流量计测量原理,图841所示为U形管式科氏力流量计的测量原理示意图。U形管的两个开口端固定，流体由此流人和流出。U形管顶端装有电磁激振装置，用于驱动U形管，使其铅垂直干U形管所在平面的方向以OO为轴按固有频率振动。U形管的振动迫使管中流体在沿管道流动的同时又随管道作垂直运动，此时流体将受到科氏力的作用，同时流体以反作用力作用于U形管。由于流体在U形管两侧的流动方向相反，所以作用于U形管两侧

45、的科氏力大小相等方向相反,从而使U形管受到一个力矩的作用，管端绕RR轴扭转而产生扭转变形，该变形量的大小与通过流量计的质量流量具有确定的关系。因此，测得这个变形量，即可测得管内流体的质量流量。,U形管受到一个力矩的作用，其管端绕R-R轴扭转而产生扭转变形，该变形量的大小与通过流量计的质量流量具有确定的关系。,为转动角速度,转弹性模量,8.3 流量标准装置 为了得到准确的流量值，除了正确使用和维护流量计外，还必须对流量计进行标定和定期校验，以保证计量的准确度。流量计的标定随流体的不同有很大的差异，需要建立各种类型的流量标准装置。流量标准装置的建立是比较复杂的，不同的介质如水、气、油，以及不同的流

46、量范围和管径大小均要有与之相应的装置。以下介绍几种典型的流量标准装置。,8.3 流量标准装置,8.3.1 液体流量标准装置,8.3.2 气体流量标准装置,8.3 流量标准装置（液体流量标准装置、气体流量标准装置）8.3.1 液体流量标准装置液体流量的标定方法和标准装置大致有以下几种。（标准容积法、标准质量法、标准流量计法、标准体积管）1.标准容积法 容积法液体流量标准装置由水源、流量稳压装置、试验管道、切换机构和标准计量容器等几个部分组成。其中流量稳压装置有高位水槽和气液容器稳压法两种。标准计量容器是经过精确标定的，其容积精度可达万分之几，其上装有读数装置，有各种不同的容积可根据流量范围需要选

47、用。,图8-42所示为标准容积法流量标准装置示意图。在校验时，高位水槽中的液体通过被校流量计经切换机构流入标准容器。从标准容器的读数装置上读出在一定时间内进入标准容器的液体体积，并将由此决定的体积流量值作为标准值与被校流量计的显示值相比较。,进行校验的方法有动态校验法和静夺校验法两种；动态校验法是让液体以一定的流量流入标准容器，读出在一定时间间隔内标准容器内液面上升量，或者读出液面上升一定高度所需的时间。静态校验法是控制停止阀或切换机构让一定体积的液体进入标准容器，测定开始流入到停止流入的时间间隔。标准容积法有较高精度，但在标定大流量时制造精密的大型标准容器比较困难。,1水池；2水泵；3高位水

48、槽；4溢流管；5稳压容器；6夹表器；7切换机构；8切换挡板；9标准容积计量槽；10液位标尺；11游标；12被校流量计,标准容积法流量标准装置,2.标准质量法 这种方式是以秤代替标准容器作为标准器，用秤量一定时间内流入容器内的流体总量的方法来求出被测液体的流量。秤的精度较高，这种方法可以达到0.1的精度。其实验方法 也有静态法和动态法两种，静态法可以消除流体的剩余动能的影响，精度更高。3.标准流量计法 这种方式是采用高精度流量计作为标准仪表对其他工作用流量计进行校正。用作高精度流量计的有容积式、涡轮式、电磁式和差压式等型式，可以达到0.1左右的测量精确度。对一般工作用流量计进行校验时，该方法比较

49、简单、方便且节省费用。,4.标准体积管 用标准体积管作为流量标准装置可以在现场对流量计进行较大流量的实流标定，由于标定条件与使用条件一致，因而有较高精度可以检定高精度的流量计。标准体积管流量装置在结构上有多种类型，其基本组成部分有：两个检测开关之间的基准体积管；安装在基准管进出口的检测开关及发讯器；在标准体积管中起置换、发讯、密封和清管作用的置换器（球）。,图8-43为单球式标准体积管的原理示意图。合成橡胶球经交换器进入体积管，在流过被校验仪表的液流推动下，按箭头所示方向前进。橡胶球经过入口探头时发出信号启动计数器，橡胶球经过出口探头时停止计数器工作。橡胶球受导向杆阻挡，落入交换器，再为下一次

50、实验作准备。被校表的体积流量总量与标准体积段的容积相等，脉冲计数器的累计数相应于被校表给出的体积流量总量。这样，根据检测球走完标准体积段的时间求出的体积流量作为标准，把它与被校表显示值进行对比，即可得知被校表的精度。,1被校验流量计；2交换器；3球；4终止检测器；5起始检测器；6体积管；7校验容积；8计数器,单球式标准体积管原理示意图,8.3.2 气体流量标准装置对于气体流量计，常用的校正方法有：用标准气体流量计的校正法，用标准气体容积的校正法，使用液体标准流量计的置换法等。,标准气体容积校正的方法采用钟罩式气体流量校正装置，其系统示意图如图所示。,1钟罩；2导轨和支架；3平衡锤；4补偿锤；5