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1、6 流量测量,主要内容：,流量测量的复杂性表现在： 介质对象的多样性：液体、气体、多相流。 液体：粘性的影响； 气体：压缩性、理想气体与真实气体（蒸汽）； 流动状态：层流、湍流（紊流）、介质温度、压力均有很大影响；,流量测量的复杂性致使流量仪表的多样性。,6.1 概述,6.1.1 流量测量中常用的物性参数,（1）流量：,体积流量,质量流量,标准状态下体积流量：,标准状态,pN = 0.101MPa,T N = 293 K,总量：,由于气体具有压缩性，不同压力、温度下同样的体积，流量是不一样的。,工况状态：压力P，温度T,（2）流体密度,流体密度表示单位体积内流体的质量,工程上，将液体视为不可压
2、缩流体，可以不考虑压力变化对密度的影响，但对于气体，温度、压力对其影响很大，表示密度时必须严格说明气体所处的温度、压力状态。,工程上常用的水蒸气分为饱和蒸汽和过热蒸汽，饱和蒸汽的密度是压力或温度的一元函数，而过热蒸汽的密度是温度、压力的二元函数，不遵循理想气体状态方程。,对于可看作理想气体的普通气体，其密度由理想气体状态方程计算：,粘性：所有实际流体在流动时都有阻止其流体质点发生相对滑移的性质，这就是流体的黏性 粘度：度量流体黏性大小反应流体内摩擦力的一个参数 。 影响粘度的因素：流体介质、流体温度、流体压力（通常，温度上升，液体黏度就下降，而气体黏度上升）,（ 3 ）流体的粘度,介质不同，粘
3、度不同：一般，液体粘度只考虑温度对它的影响，只有在压力很高时才考虑压力修正；而气体和水蒸气的黏度与温度和压力关系十分密切。,当流体流动时，层流之间单位面积上的内摩擦力与速度梯度、和流体本身的动力黏度有关,动力粘度，单位 Pa s,常用P（泊）、cP(厘泊),1. 动力黏度,两种常用粘度：动力粘度、运动粘度,2. 运动粘度,由于流体的黏度与密度有关，将动力黏度与流体密度的比值作为黏度的另一参数运动黏度,单位常用St（斯）、cSt(厘斯),（ 4 ）牛顿流体与非牛顿流体,牛顿流体：动力黏度为常数，内摩擦力与速度梯度呈线性的流体。,非牛顿流体： 不符合牛顿黏性定律的流体。 如：高黏滞性流体和高分子溶
4、液（可塑性流体和膨胀性流体）。,常数,举例：水、空气等低分子流体,5）流体的压缩性和膨胀性 流体的 压缩性：压力增加时，流体所占的体积会减少。 压缩系数：当 温度不变 时，其体积随压力的变化而发生的相对变化率, 流体的膨胀性：温度升高时，流体所占的体积会增加。 膨胀系数：当压力不变 时，其体积随温度的变化而发生的相对变化率。,压力不高时，液体的压缩系数非常小，可认为是不可压缩流体,液体的膨胀系数很小，对于碳氢化合物的精确计算需才考虑,（ 6 ） 气体的等熵指数 绝热过程：工程实际中，如果流体工质在状态变化的某一过程中不与外界发生热量交换，则该过程就称为绝热过程。,绝热过程状态方程：,注：当被测
5、流体服从理想气体定律时，其等熵指数 可用质量定压热容Cp和质量定容热容Cv 之比（比热比）来表示，即,等熵指数与气体种类，及温度、压力有关。 单原子 / 双 原 子 / 多原子的等熵指数为： 1.67/1.4/1.29,6.1.2 管内流动基本知识,（1）层流和湍流,层流：管内流体分层流动，各流层之间互不混杂而平行于管道轴线流动。,湍流：管内流体不再分层流动，流体质点除沿管道轴线方向运动外，还有剧烈的径向运动。,判断管内流动是层流还是湍流的依据是雷诺数Re（无量纲）,对于圆管雷诺数为,临界雷诺数： ReD = 2320,ReReD 时为层流,否则为湍流.,u流体平均流速，D管道直径， v流体运
6、动黏度,（2）速度分布,越靠近管壁，流速越小，管壁上流速为零； 越靠近管中心，流速越大，管道中心流速达最大值；,在管道横截面积上流体速度轴向分量的分布模式称为速度分布。,层流状态,湍流状态,规律：,（3）流动基本方程,对于可压缩流体定常流动 ：,对于不可压缩流体定常流动 ：, 伯努力方程：能量守恒定律在运动流体中的应用,对于可压缩流体伯努力方程表达式为：,此式表明单位质量流体的总能量沿流线守恒。,实际测量中位置高度变化很小，则伯努力方程简化为,此式表明不可压缩流体流动时，速度增加必然导致压力减少；相反，流速减少也必然导致压力增加。,6.1.3 流量测量仪表的分类,按测量原理分类：容积式、速度式
7、、差压式、质量式。,按应用领域分类：计量仪表、过程控制仪表。,质量流量计：以测量流体流过的质量M为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。,速度式流量计：以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。（电磁式、涡轮式等）,容积式流量计：以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。（椭圆齿轮式、活塞式）,差压式（也称节流式）流量计：是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。它是目前工业生产过程中流量测量最成熟、最常用的方法之一。,6.2 容积式流量计,工作过程：流体不断充满“计量空间”，然后再排出，不断累加充满的次数，乘
8、上“计量空间”的体积，就是流体总量了。,容积式流量测量是采用固定的小容积来反复计量通过流量计的流体体积所以，在容积式流量计内部必须具有构成一个标准体积的空间，通常称其为容积式流量计的“计量空间”或“计量室”这个空间由仪表壳的内壁和流量计转动部件一起构成,容积式流量计对上游流动状态变化不敏感，测量准确度高，可用于高粘度液体的测量。,6.2.1 容积式流量计的测量原理与结构,（1）容积式流量计的测量原理,流体通过流量计，就会在流量计进出口之间产生一定的压力差流量计的转动部件(简称转子)在这个压力差作用下产生旋转，并将流体由入口排向出口在这个过程中，流体一次次地充满流量计的“计量空间”，然后又不断地
9、被送往出口在给定流量计条件下，该计量空间的体积是确定的，只要测得转子的转动次数就可以得到通过流量计的流体体积的累积值 设流量计计量空间体积为v(m3)，一定时间内转子转动次数为N，仪表的齿轮比常数为 a，仪表指示值为I，则在该时间内流过的流体体积V为,（2）容积式流量计的结构,通过椭圆齿轮流量计的体积流量,N为椭圆齿轮的转速 v 为计量空间体积,V = 4nv = 2n(R 2 ab) n：圈数,椭圆齿轮流量计,由于椭圆齿轮容积流量计直接依靠测量轮啮合，因此对介质的清洁要求较高，不允许有固体颗粒杂质通过流量计,2.3 容积式流量计,n ：椭圆齿轮的转速 V0：测量室容积,精度高 只适用于洁净单
10、相流体,腰轮流量计,腰轮容积流量计，也称罗茨型容积流量计，与椭圆齿轮流量计原理相似，同样是依靠进、出口压差产生运动，每旋转一周排出四份“计量空间”的流体体积量，所不同的是腰轮上没有齿，它们不是直接相互啮合运动，而是通过安装在壳体外的传动齿轮组进行转动的。,刮板式容积流量计,凸轮式刮板流量计结构如图所示图中壳体的内腔是一圆形空筒，转子也是一个空心圆筒形物体，径向有一定宽度，径向在各为90的位置开四个槽，刮板可以在槽内自由滑动四块刮板由两根连杆连结，相互垂直，在空间交叉在每一刮板的一端装有一小滚珠，四个滚珠均在一固定的凸轮上滚动使刮板时伸时缩当相邻两刮板均伸出至壳体内壁时，就形成计量空间的标准体积
11、刮板在计量区段运动时，只随转子旋转而不滑动，以保证其标准容积恒定当离开计量区段时，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第二个“计量空间”，同样动作转子运动一周，排出四份“计量空间”体积的流体 刮板式流量计的转子在流量计进、出口差压作用下转动，每,转动一周排出四份“计量空间”的流体体积，只要测出转动次数，就可以计算出排出流体的体积量,旋转活塞式容积流量计 旋转活塞式(摆动活塞式)容积流量计的结构与工作原理如图所示,旋转活塞式容积流量计具有通流能力较大的优点它的不足是在工作过程会有一定的泄漏，所以准确度较低,旋转活塞位于固定的内外圈3，4之间，活塞的轴6靠着导辊5滚动，
12、中间隔板1将计量空间分成两部分，活塞2的上缺口和隔板1咬合，当活塞依箭头方向运动时与隔板1成直线运动活塞在进出口流体压力差的作用下，始终与内外圆桶壁紧密接触旋转，交替不断地将活塞与内外圆筒之间的流体排出，通过计算活塞旋转次数可得到流过的流体量,湿式气体流量计主要由圆鼓形壳体、转鼓及传动记数机构所组成，如图所示。湿式气体流量计转鼓是由圆筒及四个弯曲形状的叶片所构成。四个叶片构成四个体积相等的小室。鼓的下半部浸没在水中。充水量由水位器指示。气体从背部中间的进气管处依次进入各室，并相继由顶部排出时，迫使转鼓转动。转动的次数通过齿轮机构由指针或机械计数器计数也可以将转鼓的转动次数转换为电信号作远传显示
13、。,湿式气体流量计,工作原理,6.2.2容积式流量计的特性分析,(1) 容积式流量计的误差特性,误差特性，就是流量计的误差值与流量测量值之间的关系。,误差的来源？,存在漏流,漏流越大，流量计的误差就越大。误差随流量变化。,(2) 容积式流量计的压力损失特性,产生压力损失的原因？,由机械阻力引起的压力损失 由流体黏性造成流动阻力引起的压力损失,压力损失随流量的增加而增加，对于液体流量计，黏度越大压力损失越大，对于气体流量计，压力越高压力损失就越大。,6.2.3 容积式流量计的特点及安装使用 （1）特点 精度高，0.2% 1% ，压力损失较小（0.1MPa ），安装使用也较方便。一般用于计量仪表；
14、 量程宽，使用温度有一定范围（普通型120，高压型200 加工成本较高 ； 无需前后直管段，在流速场畸变时对计量精度没有影响； 是直读式仪表，无需外部能源，可直接获得累计总量，清晰明了，操作简便； 适用于高黏度介质的流量测量。 椭圆齿轮流量计的入口端必须加装过滤器，防止变送器因杂物阻塞管道。过滤器应定期清洗。 变送器周围不应有影响仪表工作的强磁场存在。 变送器在使用时，应使表内充满液体。被测液体内不应混有气体，否则应安装气体分离器。,（2）适用范围,（3）安装,6.3 浮子流量计,浮子流量计又称为转子流量计，或面积流量计。在流量测量过程中前后压降不变，故又称为恒压降流量计。,玻璃浮子流量计,金
15、属管浮子流量计,克罗尼H250浮子流量计结构,6.3.1 浮子流量计的结构原理与流量方程,浮子流量计本体由一个锥形管和一个置于锥形管中可以上下自由移动的浮子(或称转子)构成。浮子流量计本体用两端法兰、螺纹或软管与测量管道连接，并且垂直安装在测量管道上。,（1）结构与原理,原理：,浮子流量计的测量本体由一根自下向上扩大的垂直锥管和一只可以沿着锥管的轴向自由移动的浮子组成，当被测流体自锥管下端流入流量计时，由于流体的作用，浮子上下端面产生一差压，该差压即为浮子的上升力。当差压值大于浸在流体中浮子的重量时，浮子开始上升。随着浮子的上升，浮子最大外径与锥管之间的环形面积逐渐增大，流体的流速则相应下降，
16、作用在浮子上的上升力逐渐减小，直至上升力等于浸在流体中的浮子的重量时，浮子便稳定在某一高度上。这时浮子在锥管中的高度h与所通过的流量有对应的关系。,（2）流量方程,在图中截面1与截面2处列伯努力方程,连续性方程,可得,迎面压差阻力：,c为阻力系数,迎面压差阻力：,浮子受到的浮力：,浮子自重：,当浮子在流体中处于平衡状态时，有,即,所以,可知，无论浮子停留在什么位置，流体流过环形面积的平均流速u是一个常数。,D浮子所在处锥管的内径；Df浮子的最大直径,设椎管的锥角为 ，零刻度处椎管内径为 ，则在浮子高度h处,有,如果锥半角足够小，则忽略二次项得到：,因此，根据转子浮起的高度就可以判断被测介质的流量大小。,定量分析流量公式中二次项的影响,写成,例：某DN80浮子流量计，浮子直径Df=68mm，行程60mm，锥管大端直径94mm，小端直径68mm， tan =13/ 60,目前，各口径的浮子流量计已统一制作成250mm长度。,6.3.2 浮子流量计的刻度换算,流量
