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1、第十一章 流量的测量本章要点：1.流量的表示方式和流量计的分类2.各种流量计的原理和正确使用的方法 总量流量计 差压和流体阻力流量计 测速式流量计 振动式流量计1第一节 概 述一、流量的概念 定义：流体(气体、液体或固体颗粒等)在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，又称瞬时流量。 体积流量：m3/s；质量流量：kg/s。二、流量的计算1. 截面上速度分布均匀 体积流量 qv = vAF 质量流量 若介质的密度为 则有 qm = qv = vAF 22. 截面上速度分布非均匀截面上速度分布非均匀假定在这个截面上某一微小单元面积上假定在这个截面上某一微小单元面积上dAF速度速度v是是均匀的，均
2、匀的，流过该单元面积上的流过该单元面积上的体积流量体积流量为为整个截面上的流量qv为 在某一时间内流过管道流体的总和，也就是流量在某一段时间里的积分，即总量V或M。 或 测量流量所用的仪表，我们常称为流量计，而计量总量的仪表则称为计量表。亦可统称为流量计。v=常数时， 3三、流量测量的重要性1. 流量是三大工业过程控制量（压力、温度、流量）之一；2. 石油、天然气、化工原料等流体的计量直接关系到国家利益；3. 自来水、灌溉、污水处理等关系到国计民生。456四、流体的几个概念牛顿粘性定律：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。 称为粘度，或动力粘度
3、(dynamic viscosity)， 单位：泊（P）(Pas) =/，为运动粘度，单位是m2/syxvF1.粘度 衡量流体粘性大小的物理量称为粘度，用于表征流体的流动阻力。72. 压缩性和膨胀性压缩性：在一定的温度下，流体体积随压力增大而缩小的特性 膨胀性：在一定压力下，流体的体积随温度升高而增大的特性 不可压缩性和不可膨胀性：液体，其密度不随温度而变化；可压缩性和膨胀性：气体，其密度随温度和压力而变化；3. 层流和紊流层流：流体沿直线顺着管道平行的流线规律地运动。 紊流：流体质点的运动是紊乱的。4. 雷诺数（表征流体流动时惯性力与粘性力之比）Re=vd/ 利用雷诺数可以判断流动的形式。R
4、e2000时为层流，Re2000时为紊流；结论：流动状态由流体比重、管道直径、流速、流体粘度决定8研究雷诺数的意义： 不同的流动状态下，流体有不同的流动特性，对于许多采用测量流速来得到流量的测量方法是很重要的。 （1）层流流动状态时，流量与压力降成正比； 紊流流动状态时，流量与压力降的平方根成正比； （3）管内的速度分布也大不相同在层流流动状态下，流速分布是以管轴为中心线的轴对称抛物线分布。在紊流流动状态下，管内流速同样是以管中心线轴对称的分布，但是其分布呈指数曲线形式。9五、流体的两个基本方程1. 连续性方程 流体在管道内作稳定流动的情况：截面积：A1 A2流 速： v1 v2密 度： 1
5、2即流体在稳定流动，且不可压缩时，流过各截面流体的体积为常量。因此利用上式，很方便的求出流体流过管道不同截面时的流速。v为截面积上的平均速度不可压缩流体1 = 2 = ，vA=常数102. 伯努利方程伯努利方程势能势能mgh1mgh2动能动能0.5mv120.5mv22压力能压力能mp1/ 1mp2/ 2势能势能动能动能压力能压力能流体能流体能p1p2v1v2h1h2能量守恒能量守恒11六、流量仪表的分类六、流量仪表的分类 () 计量表（总量）1容积式计量表2速度式流量计(如水表)(二) 流量计（瞬时）1差压流量计 2流体阻力式流量计 (1) 转子流量计 (2) 靶式流量计3测速式流量计(1)
6、 涡轮流量计 (2) 电磁流量计 (3) 超声波流量计 (4) 热量流量计 (5) 标志法测速流量计 4流体振动式流量计 (1) 卡门涡街流量计 (2) 旋进漩涡式流量计 (3) 射流振荡式流量计(4) 科里奥利流量计 12第二节 总量测量仪表 一、椭圆齿轮流量计 椭圆齿轮流量计是计量流体体积总量的仪表，每转一周，椭圆齿轮流量计是计量流体体积总量的仪表，每转一周，两个齿轮共送出四个标准体积的流体。两个齿轮共送出四个标准体积的流体。 由设在测量室外的机械式齿轮减速机构及滚轮机构计数。由设在测量室外的机械式齿轮减速机构及滚轮机构计数。13流过流量计的总流量流过流量计的总流量 V = NV0仪表输出
7、指示值仪表输出指示值 I = N 仪表系数仪表系数由于由于 (1) 齿轮一周中受力不均，瞬时角速度不均匀；齿轮一周中受力不均，瞬时角速度不均匀； (2) 被测介质由固定容积逐份送出。被测介质由固定容积逐份送出。 故只能测量平均转速和平均流量。故只能测量平均转速和平均流量。14二、腰轮流量计(罗茨流量计)转子是一对由圆弧和摆线围成的中间凹进的腰形光轮。转子是一对由圆弧和摆线围成的中间凹进的腰形光轮。可测液体、气体，可做标准表使用。可测液体、气体，可做标准表使用。测量精度测量精度0.1，最大流量，最大流量1000m3/h。 腰轮上无齿，故不是直接相互啮合转动，而是通过安装在体外的传动齿轮组进行传动
8、。15三、容积式流量计的误差 原因：运动件间隙有泄漏。泄漏量与间隙、粘度、前后压差、原因：运动件间隙有泄漏。泄漏量与间隙、粘度、前后压差、 流过体积流过体积V所需的时间有关。所需的时间有关。 容积式流量计的流量上、下限：上限根据磨损允许的转速决定，容积式流量计的流量上、下限：上限根据磨损允许的转速决定，下限由误差决定。量程比经常选在下限由误差决定。量程比经常选在510。仅考虑泄漏的影响用压差进行修正误差分析（考虑泄漏时）：由得：16四、容积式流量计的应用上述两种转子型式容积流量计的用途：（1）可用于各种液体流量的测量，尤其是油流量的准确测量；（2）在高压力、大流量的气体流量测量中，这类流量计也
9、有应用。（3）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流过流量计。17第三节 差压流量计 应用现状：约占工业应用应用现状：约占工业应用30%30%以上。以上。优优 点：测量方法简单、无可动部件，工作可靠、点：测量方法简单、无可动部件，工作可靠、适应性强、可不经实际定标而保证一定精适应性强、可不经实际定标而保证一定精度。（发展较早、技术成熟完善，可参照度。（发展较早、技术成熟完善，可参照国标执行）国标执行）原原 理：利用理：利用节流件节流件前后的差压与平均流速或流量前后的差压与平均流速或流量的关系，由差压测量计计算出流量值。的关系，由差压测量计计算
10、出流量值。 组组 成成：节节流流式式流流量量计计主主要要包包括括节节流流装装置置和和测测量量静静压差的差压计压差的差压计。18一、差压式管道流量计1. 流量公式 理论依据：流体力学的连续性方程和伯努利方程若水平放置：h1=h2；不可压缩液体：1=2= 由流体连续性方程，体积流量：由伯努利方程，有：19体积流量qv计算公式 质量流量qm计算公式 式中 联立求解，得：(A2 ， f 0注意：上述修正在忽略粘度条件下得到的，故只适用于粘度相差不大的流体之间在流动工况变化时的修正。 37二、靶式流量计 靶式流量计是60年代随着工业生产迫切需要解决高粘度、低雷诺数流体的流量测量而发展起来的一种新型流量测
11、量仪表。工作原理：通过测量流体作用在靶上的力而实现流量测量。优 点：结构简单、安装维护方便、不易堵塞应用范围：低雷诺数（如大粘度、小流量）、含固体颗粒的浆液（如泥浆、纸浆、沙浆、矿浆）及腐蚀介质流量测量。测量精度：可达0.5%38靶受到流体的作用力：（1）流体和靶表面的摩擦力（2）流束在靶后分离产生的压差阻力（主要的） 阻力阻力系数，雷诺数到达一定数值时为常数A1靶迎流面积，d2/4 v 靶与管壁间环面积平均流速39第五节 测速式流量计 一、电磁流量计工作原理：法拉第电磁感应定律优 点：结构简单、无机械惯性，反应灵敏，可测量脉冲流量，而且线性较好，可以直接进行等分刻度适用范围：可以测量各种腐蚀
12、性介质：酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液。但只能测量导电液体，因此对于气体、蒸气以及含大量气泡的液体，或者电导率很低的液体不能测量。注意事项：由于测量管内衬材料一般不宜在高温下工作，一般的电磁流量计不能用于测量高温介质。40基本结构：均匀磁场、非导磁管道、一对电极工作过程：导电液体在导管中流动时，作切割磁力线运动而产生感应电势。 E=BDv则体积流量与感应电势成正比MKULC2100系列电磁流量计 41励磁方式：（1）直流励磁；（2）交流励磁 ； （3）恒定电流方波励磁 优点：受交流电磁场干扰小；缺点：电解质液体易被极化，导致电极间内阻增大，影响仪表工作。 一般只用于测量非电解质液体，如液
13、态金属等。1直流励磁用直流电产生磁场或永久磁铁产生恒定的磁场。42过去：工频(50Hz)交流励磁，目前较少采用；2交流励磁优点：消除了电极表面的极化干扰； 降低变送器内阻； 输出交流信号的放大及处理比直流容易。缺点：电磁干扰大。若磁场磁感应强度则电极上感应电动势被测流量43 3低频方波励磁 晶体管开关电路产生正负交变的方波恒定电流，输出到变送器的励磁线圈优点：（1） 在半个周期内，磁场是恒稳的直流磁场，它具有直流励磁的特点，受电磁干扰影响很小。（2） 从整个时间过程看，方波信号又是一个交变的信号，它能克服直流励磁易产生的极化现象。 综合了直流励磁方式和交流励磁方式的优点，其频率通常为工频的 1
14、/4l/10，在电磁流量计上广泛应用。44二、涡轮流量计优点优点: 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，压力损失小； 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。缺点缺点: 制造困难，成本高。应用场合应用场合: 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。 45工作原理：是一种以动量矩守恒原理为基础的速度式流量计。流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化。最后从涡轮的转数求出流量值。 46三、超声波流量计 优点：可实现非接触测量，管内无插入
15、零件，无液体附加阻力，不受介质粘度、导电度及腐蚀性影响。具有线性特性，易于数字化。缺点：精度不够高，不适用于温度波动大、介质物理性质变化大的液体测量；不适用于小流速、小管径的精确测量。原理：将超声波在流体流动时与静止时的传播情形进行比较，流速不同会使超声波的传播速度发生变化。47对F1与J1，超声波速度 流速 对F2与J2，超声波速度 速度差(c1-c2)的测量方法：时差法、相差法、频差法481. 时差法流量 原理：发射一短小超声波脉冲，测量顺流与逆流波束的传播时间差来得到流速。时差 2. 相差法 原理：发射角频率的连续超声波，测量顺流与逆流时声波信号的相位差来得到流速。相位差 493. 频差
16、法 （目前常用方法）原理：通过测量顺流和逆流时超声脉冲的重复频率差去测量流速。在单通道法中脉冲重复频率是在一个发射脉冲被接收器接收之后，立即发射出一个脉冲，这样以一定频率重复发射。流量 频差 50四、多普勒法利用声学多普勒原理确定流体流量。主要用于较浑浊液体。原理：从发射晶体T发射的超声波束遇到流体中的运动颗粒或气泡，再反射回来由接收晶体R接收。发射与接收信号的多普勒频率偏移与流体流速成正比。使用条件：忽略管壁影响，并假设流体没有速度梯度，以及粒子是均匀分布，可得方程：多普勒效应：当声源和目标之间有相对运动，会引起声波在频率上的变化，这种频率变化正比于运动的目标和静止的换能器之间的相对速度。5
17、1补充：自来水表水表的内部结构从外向里可分为壳体、套筒、内芯三大件。壳体是生铁铸成的，水从进水口进来之后通过壳体的下部环形空间，这里叫做“下环室”。在这个环形空间的上面有“上环室”和出水口相通。套筒的底部有个带有小孔的过滤网，滤出水中的杂物。套筒侧面有上下两排圆孔，孔的位置恰好与壳体的上下环室对着，显然，下排是进水孔，上排是出水孔。特别值得注意的是，这两排孔都是沿圆的切线方向斜着打的（注意上下两排孔的方向相反）。水从下排孔沿切线方向流进去，势必形成旋转的水流，这对于水表的工作是十分重要的。52第六节 振动式流量计原理：流体振动原理测量流量。包括两种 (1) 应用自然振动的卡门涡街流量计； (2
18、) 应用强迫振动的漩涡流量计。特点：被测流体本身就是振动体，无机械可动部件，几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响； 可得到与流量成正比的频率输出信号； 压力损失小，精度高。531. 涡街流量计 优点：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。 54原理：利用流体流过阻碍物时产生稳定的
19、漩涡，通过测量其漩涡产生频率而实现流量计量的。理论基础：在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线性柱形体(如三角柱、圆柱等，称之为漩涡发生体) ，则当流体沿漩涡发生体绕流时，会在漩涡发生体下游两侧产生旋转方向相反、交替出现的漩涡，并随着流体流动，这就是所谓的卡门涡街。组成：涡街流量传感器和流量显示仪表55稳定的卡门涡街满足下列关系： h/l=0.281宽度为d 的方形杆后卡门涡漩涡发出的频率St斯特罗哈常数，与雷诺数有关；Vb杆件处流速；5657哈数与雷诺数的关系对圆柱阻流体，在Re=31022103时，哈数为一恒定值，约为0.21。对三角柱形，哈数为0.16。58圆柱形三棱柱形结 论：
20、漩涡产生频率仅与流速v，直径（或三角柱扁平面）d有关，而与流体种类、压力、温度、密度无关。测量上下限的决定因素：上限由流体的雷诺数决定；下限由漩涡检测器限制。592.漩涡频率的检测 工作原理： 当旋涡在圆柱体下游侧产生时，出于升力的作用，使得圆柱体下方的压力比上方高一些，流体经下方导压孔流向上方导压孔，从而改变铂电阻丝的电阻值。圆柱体上方产生漩涡时，与此类似。结构说明：圆柱体表面开有导压孔，与圆柱体内部空腔相通。空腔由隔板分成两部分。隔板中央开孔，内张铂电阻丝（电阻丝温度高于流体10C左右）。结论：电阻值的变化与放出漩涡的频率相对应。圆柱体涡街频率检测原理 60三角柱体涡街频率检测原理 工作原
21、理：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，即可测得漩涡产生频率，从而测出流量。61漩涡频率的几种检测方法： 1. 铂电阻丝温度计法； 2. 膜片法； 3. 压电晶体法； 4. 超声波法62第七节 质量流量计原因：密度随温度、压力而变化，所以在温度、压力变化较频繁的场合，难以通过体积流量求质量流量。由此希望用质量流量计直接测量质量流量，而无需人工换算。分类：直接式：直接检测与质量流量成比例的量，检测元件直接反映出质量流量。 推导式： （1）用体积流量计和密度计组
22、合的仪表来测量质量流量，同时检测出体积流量和流体密度，通过运算得出与质量流量有关的输出信号。 （2）同时检测流体体积流量和流体的温度、压力值，再根据流体密度与温度、压力的关系，由计算单元计算得到该状态下流体密度值，计算得到流体的质量流量值。63根据理论力学可知，当某一质量为m的物体在旋转参考系中以速度v运动时，将受到一个力的作用，其值为如图所示，当质量m的质点以速度v在对P轴作角速度为 旋转的管道内移动时，质点具有两个分量的加速度法向加速度切向加速度一、直接式质量流量计原理：流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的科里奥利力来测量质量流量。组成：一般由振动管与转换器组成。1. 科里奥利质量
23、流量计64密度为的流体在旋转管道中以恒速v流动时，任何一段长度x 的管道都受到一个Fc 的切向科里奥利力直接或间接测得科里奥利力，就可测得质量流量。65 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。 转动角速度Ks转弹性模量 r1 = r2 = r662. 热式质量流量计 根据传热规律： Cp流体的定压比热;T两点温度差。 两热电偶的温差反映质量流量。亦可用热敏电阻代替热电偶，再接入惠斯特电桥的方法测量温差。质量流量取决于温差。67二、推导式质量流量计分类： （1）检测qV2的流量计与密度计的组合 （2）检测qV的流量计与密度计的组合 （3）检测qV2的流量计与检测qV的流量计组合 （4）检测qV的流量计与检测流体温度和压力的组合681. 检测qV2的流量计与密度计的组合692. 检测 qV的流量计与密度计的组合qV检测器包括：容积流量计、电磁流量计、超声波流量计、涡轮流量计等703. 检测q2V的流量计与检测qV的流量计的组合yqV714. 体积流量计与温度、压力变送器的组合 当被测介质为气体或蒸气时，其密度受温度、压力的变化影响较大，此时检测管道内温度、压力来补偿较检测密度补偿的方法容易。72个人观点供参考，欢迎讨论
