第三章工业过程参数检测技术

1、第第3章章 工业过程参数检测技术工业过程参数检测技术3.1 温度检测温度检测3.2 流量检测流量检测3.3 压力检测压力检测3.4 物位检测物位检测3.1.1 概述概述A温度的基本概念和测量方法温度的基本概念和测量方法 温度是一个基本物理量。温度是一个基本物理量。 温度的温度的宏观概念宏观概念是冷热程度的表示，或者说互为是冷热程度的表示，或者说互为热平衡的两物体，其温度相等。热平衡的两物体，其温度相等。 温度的温度的微观概念微观概念是大量分子运动平均强度的表示。是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。分子运动愈激烈其温度表现越高。3.1 温度检测温度检测自然界中几乎所有的自

2、然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密物理化学过程都与温度紧密相关相关，因此温度是工农业生产、科学试验以及日，因此温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来测量，而用来量度物体温度数值的标尺量度物体温度数值的标尺叫叫温标温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温华氏温标、摄氏温标、热力学温

3、标标、摄氏温标、热力学温标.3.1 温度检测温度检测B温标温标n经验温标经验温标利用物质体膨胀与温度的关系。认为在利用物质体膨胀与温度的关系。认为在两个易于实现且两个易于实现且稳定的温度点之间稳定的温度点之间所选定的测温物质所选定的测温物质体积的变化体积的变化与温与温度成度成线性关系线性关系。把在两温度之间体积的总变化。把在两温度之间体积的总变化分为若分为若干等分干等分，并把引起体积变化，并把引起体积变化一份一份的温度定义的温度定义为为1度度。经验温标与测温介质有关，有多少种测温介质就有多经验温标与测温介质有关，有多少种测温介质就有多少个温标。少个温标。按照这个原则建立的有按照这个原则建立的有

4、摄氏温标摄氏温标、华氏温标华氏温标 。3.1 温度检测温度检测摄氏温标摄氏温标：所用标准仪器是所用标准仪器是水银水银玻璃温度玻璃温度计。分度方法是规定在标准大气压力下，计。分度方法是规定在标准大气压力下，水水的的冰点为零度冰点为零度，沸点为沸点为100度度，水银，水银体积膨胀被分为体积膨胀被分为100等份，对应每份的等份，对应每份的温度定义为温度定义为1摄氏度，单位为摄氏度，单位为“oC“华氏温标华氏温标：标准仪器是标准仪器是水银水银温度计，按照温度计，按照华氏温标，华氏温标，水水的的冰点为冰点为32oF，沸点是，沸点是212oF。分成。分成180份，对应每份的温度份，对应每份的温度为为1华氏

5、度，单位为华氏度，单位为“oF”。摄氏温度和。摄氏温度和华氏温度的关系为华氏温度的关系为3.1 温度检测温度检测273.15tTCKn热力学温标热力学温标热力学温标又称热力学温标又称开尔文开尔文温标温标或或绝对绝对温标，它规定温标，它规定分子运动停止分子运动停止时的温度为绝对时的温度为绝对零度零度，水的三相，水的三相点，即液体、固体、气体状态的水同时存在的点，即液体、固体、气体状态的水同时存在的温度，为温度，为273.16K，水的凝固点，即相当摄氏温，水的凝固点，即相当摄氏温标标0，相当华氏温标，相当华氏温标32 的开氏温标为的开氏温标为273.15K。热力学温标（符号为。热力学温标（符号为T

6、）它的单位为）它的单位为开尔文（符号为开尔文（符号为K），定义为水三相点的热力学），定义为水三相点的热力学温度的温度的1/273.16。3.1 温度检测温度检测C测温方法与测温仪器的分类测温方法与测温仪器的分类方法方法: 接触式接触式、非接触式。非接触式。n接触式测温接触式测温测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的感温元件的某一物理参数的量值某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。就代表了被测对象的温度值。优点：直观可靠。优点：直观可靠。缺点：感温元件影响被测温度场缺

7、点：感温元件影响被测温度场 (负载效应负载效应)，接触接触不良不良等会带来测量误差，另外等会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性温度太高和腐蚀性介质介质影响感温元件的性能和寿命。影响感温元件的性能和寿命。3.1 温度检测温度检测n非接触式测温非接触式测温 感温元件不与被测对象相接触，而是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具有温法的缺点，具有较高的测温上限较高的测温上限。此。此外，非接触测温法外，非接触测温法热惯性小热惯性小，可达千分可达千分之一秒，故便于之一秒，故便于测量运动物体测量运动物体的温度和的温度和快速变化快速

8、变化的温度。的温度。3.1 温度检测温度检测n测温仪器测温仪器 分为接触式和非接触式两大类。分为接触式和非接触式两大类。接触式仪器接触式仪器又可分为又可分为: 膨胀式温度计膨胀式温度计(液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计) 电阻式温度计电阻式温度计(金属热电阻温度计、半导体热敏电阻温度计金属热电阻温度计、半导体热敏电阻温度计) 热电式温度计热电式温度计(热电偶和热电偶和P-N结温度计及其它原理温度计结温度计及其它原理温度计) 。 非接触式温度计非接触式温度计又可分为又可分为辐射温度计、亮度温度计、辐射温度计、亮度温度计、比色温度计比色温度计，它们都以光辐射

9、为基础，故也统称为，它们都以光辐射为基础，故也统称为辐射温度计。辐射温度计。3.1 温度检测温度检测温度测量范围划分温度测量范围划分超低温：超低温：010K 低低 温：温：10800K 中中 温：温： 8001900K高高 温：温：19002800K超高温：超高温：2800K以上以上3.1 温度检测温度检测n液体膨胀式温度计：液体膨胀式温度计：-200750 应用最早应用最早而且当前而且当前使用最广泛使用最广泛的一种温度计。的一种温度计。它由液体储存器、毛细管和标尺组成。它由液体储存器、毛细管和标尺组成。 液体玻璃温度计的测温上限取决于所用液体液体玻璃温度计的测温上限取决于所用液体汽汽化点化点

10、的温度，下限受液体的温度，下限受液体凝点凝点温度的限制。为温度的限制。为了防止毛细管中液注出现断续现象，并提高测了防止毛细管中液注出现断续现象，并提高测温液体的沸点温度，常在毛细管中液体上部充温液体的沸点温度，常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体。以一定压力的气体。3.1 温度检测温度检测33.1 温度检测温度检测 液体玻璃温度计分为液体玻璃温度计分为全浸式全浸式和和部分浸部分浸入入式两种。前者把液柱部分全部浸入被测式两种。前者把液柱部分全部浸入被测介质中。后者把温度计浸入标志以下的部介质中。后者把温度计浸入标志以下的部分插入被测介质中。分插入被测介质中。 全浸式测量精确度较高，故多用于实全

11、浸式测量精确度较高，故多用于实验室和标准温度计，部分浸入式用于一般验室和标准温度计，部分浸入式用于一般工业测温。工业测温。 3.1 温度检测温度检测33.1 温度检测温度检测n固体膨胀式温度计：固体膨胀式温度计：-80600 利用两种不同膨胀系数的材料制成，分为利用两种不同膨胀系数的材料制成，分为杆杆式式和和双金属式双金属式两大类。两大类。 图图33所示为杆式温度计的原理图。由于所示为杆式温度计的原理图。由于芯杆材料的膨胀系数比与基座相连的外套大，芯杆材料的膨胀系数比与基座相连的外套大，故当温度变化时芯杆对基座产生相对位移，故当温度变化时芯杆对基座产生相对位移，经简单的机械放大后，就可直接指示

12、温度值。经简单的机械放大后，就可直接指示温度值。 3.1 温度检测温度检测3.1 温度检测温度检测3双金属感温元件是由膨胀系数不同的两种双金属感温元件是由膨胀系数不同的两种金属片牢固结合在一起而制成，一端固定，金属片牢固结合在一起而制成，一端固定，另一端为自由端。当温度变化时，由于两另一端为自由端。当温度变化时，由于两种材料的膨胀系数不同而使双金属片的曲种材料的膨胀系数不同而使双金属片的曲率发生变化，自由端产生位移，经传动放率发生变化，自由端产生位移，经传动放大机构带动指针指示温度值。为了满足不大机构带动指针指示温度值。为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同同用途的要求，双金属元件制成

13、各种不同的形状，如图的形状，如图34所示。所示。3.1 温度检测温度检测3.1 温度检测温度检测3.1 温度检测温度检测n压力式温度计：压力式温度计：-100600 利用在密封容器中的物质（液体或气体）利用在密封容器中的物质（液体或气体）的压力随温度升高而升高原理，用弹簧管或的压力随温度升高而升高原理，用弹簧管或者膜盒测压力。者膜盒测压力。(周杏鹏周杏鹏 P171图图6-1) 结构简单，可靠，无需特殊维护，抗震。结构简单，可靠，无需特殊维护，抗震。 n热电偶式温度计：热电偶式温度计：-1802800 热电测温中普遍使用的一种感温元件，热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基于热电效应

14、。它的工作原理是基于热电效应。 热电效应热电效应及及基本定律基本定律：两种不同材料：两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成图所示的闭合回路，当两个接触点图所示的闭合回路，当两个接触点(称为称为结点结点)温度温度t和和t0不相同时，回路中既产生不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。成电能的现象称为热电效应。3.1 温度检测温度检测均质导体定律均质导体定律 由均质材料构成的热电偶、热电动势的由均质材料构成的热电偶、热电动势的大小只与材料及结点温度有关。与热电大小只与材料及结点温度

15、有关。与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极温度分布偶的大小尺寸、形状及沿电极温度分布无关。如材料不均匀、由于温度梯度的无关。如材料不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。存在，将会有附加电动势产生。3.1 温度检测温度检测中间导体定律中间导体定律 如图所示，将如图所示，将A、B构成的热电偶的构成的热电偶的T0端断开，接端断开，接入第三种导体入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体同，接入导体C后对回路总电动势无影响。后对回路总电动势无影响。标准电极定律标准电极定律 两种导体两种导体A、B分别与第三种导体分别与第三种导体C组成热电偶。组成热电偶。如

16、果如果A、C和和B、C热电偶的热电动势已知、那么热电偶的热电动势已知、那么这两种导体这两种导体A、B组成的热电偶产生的电动势可由组成的热电偶产生的电动势可由下式求得下式求得3.1 温度检测温度检测000( ,)( ,)( ,)ABACBCET TET TET Tn热电阻温度计：热电阻温度计： 利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为电阻温度计。大多数金属质做成的温度计称为电阻温度计。大多数金属在温度升高在温度升高1 C 时电阻将增加时电阻将增加0.40.6。但半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏但半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比

17、金属高，每升高度比金属高，每升高1 C ，电阻约减小，电阻约减小26。 纯金属热电阻的主要材料是铂（纯金属热电阻的主要材料是铂（ -200 850 初始电阻初始电阻100 或或50 ）、铜（）、铜（ -50 180 ）和镍（）和镍（ -60 180 ）。测）。测量电阻通常可利用量电阻通常可利用欧姆表欧姆表或或电桥电桥。3.1 温度检测温度检测n非接触温度计非接触温度计 利用光辐射来测量物体温度。利用光辐射来测量物体温度。 任何物体受热后都特有一部分的热能转变为任何物体受热后都特有一部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。辐射能以波

18、动形式表现出来，其波长就越多。辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、的范围极广，从短波、x x光、紫外光、可见光、光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。红外光一直到电磁波。 温度测量中主要用可见光和红外光，因为温度测量中主要用可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。的温度升高，所以一般就称为热辐射。3.1 温度检测温度检测 ( (一一) )基尔霍夫定律基尔霍夫定律 ( (二二) )斯斯忒潘潘玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律（三）普朗克定律（三）普朗克定律（四）维恩位移定律（四）维恩位移定律3.

19、1 温度检测温度检测 ( (一一) )基尔霍夫定律基尔霍夫定律 照射到物体表面的辐射，分为三部分：照射到物体表面的辐射，分为三部分： 一部分被物体吸收一部分被物体吸收 一部分被物体反射一部分被物体反射 一部分透过物体一部分透过物体3.1 温度检测温度检测( , )( )( )dTTd 式中，式中， 为照射到物体单位面积上的辐为照射到物体单位面积上的辐通量通量(包括有不同波长的辐射包括有不同波长的辐射)； 为被为被物体吸收的辐通量。物体吸收的辐通量。 基尔霍夫证明了：物体的光谱出射度与光谱基尔霍夫证明了：物体的光谱出射度与光谱吸收比是一个普适函数，与温度和波长有关吸收比是一个普适函数，与温度和波

20、长有关( , )dT ( )d 光谱吸收比光谱吸收比( )( )( )( ):MTfTTMT物体的光谱辐射出射度（光出射度）3.1 温度检测温度检测 在热平衡时被分析物体向四周的辐射功在热平衡时被分析物体向四周的辐射功率等于它吸收的功率，率等于它吸收的功率，00( )( )( )( )( )MTT MTMTMTT式中：为非黑体光谱辐射出射度，为黑体温度 的光谱辐射出射度( )fT就是温度T时绝对黑体的光谱辐射出射度3.1 温度检测温度检测0( )( )( )MTTMT( )( )TT光谱发射率等于它的光谱吸收率。光谱发射率等于它的光谱吸收率。3.1 温度检测温度检测n斯忒潘根据实验得出结论，物

21、体的总的辐射出射度 与温度的四次方成正比。0( )MT04424( )( )TMTTM TTTTW m KT -3对于非黑体的一般物体：式中：为温度为 时全波长范围的材料发射率，也称为黑度系数；为斯忒潘玻耳兹曼常数；5.6696 10为物体的热力学温度3.1 温度检测温度检测也可用亮度表示：也可用亮度表示：式中，式中， 为波长；为波长；c1、c2为普朗克第一、第二辐射常为普朗克第一、第二辐射常数，数，h为普朗克常数；为普朗克常数；c为光速；为光速；k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数3.1 温度检测温度检测n 维恩位移定律：热辐射电磁波中包含着维恩位移定律：热辐射电磁波中包含着各种波长，从实验可知，

22、物体峰值辐射各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长波长 与物体自身的绝对温度与物体自身的绝对温度T成以下关成以下关系系2897()mTm km3.1 温度检测温度检测K )3.1 温度检测温度检测n（一）全辐射温度计（一）全辐射温度计 全辐射温度计是利用物体的温度与总辐全辐射温度计是利用物体的温度与总辐射出射度全光谱范围的积分辐射能量的射出射度全光谱范围的积分辐射能量的关系来测量温度的。根据斯忒潘一玻耳关系来测量温度的。根据斯忒潘一玻耳兹曼定律总辐射出射度为：兹曼定律总辐射出射度为：n只要采用敏感元件测量出这辐射功率的只要采用敏感元件测量出这辐射功率的大小，就可以测量出被测对象的温度。大小，就

23、可以测量出被测对象的温度。3.1 温度检测温度检测n n 应该注意的是仪表是以绝对黑体辐射功率应该注意的是仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，而实际使用时，被测与温度的关系分度的，而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实际温度。我们一般把这个温于被测物体的实际温度。我们一般把这个温度称为度称为“辐射温度辐射温度”。式中，式中，T和和TF分别为物体的真实温度和辐射温分别为物体的真实温度和辐射温度；度； T为温度为温度T时物体全辐射的黑度系数时物体全辐射的黑度系数3.1 温度检测温度检测3.1 温度检测温度检测(二二)部分

24、辐射温度计部分辐射温度计 为了提高仪表的灵敏度，有时热敏元件不是采为了提高仪表的灵敏度，有时热敏元件不是采用热电堆，而是采用光电池、光敏电阻以及其用热电堆，而是采用光电池、光敏电阻以及其它的一些红外探测元件，这些元件和热电堆相它的一些红外探测元件，这些元件和热电堆相比具有光谱选择性，它们仅能对某一波长范围比具有光谱选择性，它们仅能对某一波长范围的光谱产生效应。因此它们对测量的要求是，的光谱产生效应。因此它们对测量的要求是，只能使工作光谱仅限于一定的光谱范围内。我只能使工作光谱仅限于一定的光谱范围内。我们称此类辐射温度计为部分辐射温度计。们称此类辐射温度计为部分辐射温度计。3.1 温度检测温度检

25、测n 部分辐射温度计的光路系统如图所示，一般部分辐射温度计的光路系统如图所示，一般由主镜和次镜一组发射系统来完成焦距的调整，由主镜和次镜一组发射系统来完成焦距的调整，使成像集中在热敏元件表面。使成像集中在热敏元件表面。 n 而目镜系统主要用于对目标的瞄准、热敏元而目镜系统主要用于对目标的瞄准、热敏元件的输出信号通过测量电路来完成信号的放大件的输出信号通过测量电路来完成信号的放大和整流。测量电路包括测量桥路、前置放大、和整流。测量电路包括测量桥路、前置放大、选频、移相放大以及相敏整流等部分。选频、移相放大以及相敏整流等部分。3.1 温度检测温度检测3.1 温度检测温度检测n灯丝隐灭式光学温度计（

26、光学高温计）灯丝隐灭式光学温度计（光学高温计） 原理：原理：被测物体辐射的单色亮度与仪表被测物体辐射的单色亮度与仪表内部高温计灯泡丝的单色亮度相比较，内部高温计灯泡丝的单色亮度相比较，当两亮度相同时，灯丝温度与被测温度当两亮度相同时，灯丝温度与被测温度一致，可通过灯丝电流大小确定温度。一致，可通过灯丝电流大小确定温度。 特点：特点：方便、灵敏、测量范围广、不能方便、灵敏、测量范围广、不能自动测量。自动测量。下图是光学高温计示意图下图是光学高温计示意图3.1 温度检测温度检测3.1 温度检测温度检测n光电亮度温度计光电亮度温度计 实现自动化的光学高温计实现自动化的光学高温计n颜色温度计颜色温度计

27、 通过两个光谱能量比的方法来测量温度的，所通过两个光谱能量比的方法来测量温度的，所以也称为比色温度计。以也称为比色温度计。 用这种方法测量非黑体温度时得到的用这种方法测量非黑体温度时得到的“颜色温颜色温度度”和真实温度有差异。我们将颜色温度定义和真实温度有差异。我们将颜色温度定义为：为：绝对黑体辐射的两个波长绝对黑体辐射的两个波长 和和 的亮度比的亮度比等于非黑体的相应亮度变化时，绝对黑体的温等于非黑体的相应亮度变化时，绝对黑体的温度就称为这个非黑体的颜色温度度就称为这个非黑体的颜色温度。123.1 温度检测温度检测n颜色温度计和光电亮度温度计相似，也颜色温度计和光电亮度温度计相似，也包含有光

28、路系统、调制系统、单色器、包含有光路系统、调制系统、单色器、光敏元件、放大器、显示仪表等。它一光敏元件、放大器、显示仪表等。它一般用一个开孔的旋转调制盘进行调制。般用一个开孔的旋转调制盘进行调制。在开孔上附有两种颜色的滤光片，多选在开孔上附有两种颜色的滤光片，多选用红色和蓝色。经调制后的单色红光、用红色和蓝色。经调制后的单色红光、蓝光交替照在光敏元件上，使光敏元件蓝光交替照在光敏元件上，使光敏元件输出相应的红光和蓝光的信号、再放大输出相应的红光和蓝光的信号、再放大并经过运算后送到显示仪表。如图所示。并经过运算后送到显示仪表。如图所示。3.1 温度检测温度检测3.1 温度检测温度检测光电比色温度

29、计（教材图光电比色温度计（教材图4.99）对象对象 透镜透镜光敏元件光敏元件放大电路放大电路 显示仪表显示仪表步进电机步进电机调制盘调制盘滤光片滤光片滤光片滤光片3.1 温度检测温度检测常用温度仪表的测量范围膨胀式温度计膨胀式温度计-200600双金属温度计双金属温度计-100600压力式温度计压力式温度计-100500玻璃液体温度计玻璃液体温度计-200600热电阻热电阻-258900铂热电阻铂热电阻-258900铜热电阻铜热电阻-200150镍热电阻镍热电阻-150300热敏电阻热敏电阻-50300低温热电阻低温热电阻-27203.1 温度检测温度检测常用温度仪表的测量范围热电偶热电偶-2

30、692800铂铑铂铑30-铂铑铂铑601800镍铬镍铬-镍硅镍硅01300镍铬镍铬- 考铜考铜-200800铜铜-康铜康铜-200400金铁金铁-镍铬铜镍铬铜-2690铂铑铂铑10-铂铂01600钨钨-铼铼100028003.1 温度检测温度检测常用温度仪表的测量范围光学高温计光学高温计7003200辐射温度计（热电堆）辐射温度计（热电堆）1003200部分辐射温度计部分辐射温度计3200比色温度计比色温度计32003.1 温度检测温度检测常用温度仪表的应用范围玻璃液体温度计类别应用范围实验室、工业上单点测量双金属温度计飞机、轮船、机车等大振动场合压力式温度计就地指示或几十米远点的测量热电偶测

31、量气、液、固温度，广泛应用热电阻集中控制和计量，广泛应用光学高温计浇铸、轧钢、锻压、热处理、熔玻璃全辐射温度计熔炉、高温窑、盐浴炉部分辐射温度计静止、运动的灼热表面温度比色温度计热的轧钢板、水泥窑、熔炉坩埚壁3.2 流量检测流量检测3.2.1 流量检测概述流量检测概述3.2.2 流量仪表的分类流量仪表的分类 3.2.3 总量测量仪表总量测量仪表 3.2.5 流体阻力式流量计流体阻力式流量计3.2.4 差压式流量计差压式流量计 3.2.6 测速式流量计测速式流量计 3.2.7振动式流量计振动式流量计3.2.8质量流量计质量流量计A 流量的概念流量的概念 流体在流体在单位时间单位时间内流经某一有效

32、截面的内流经某一有效截面的体积或质量体积或质量， 前者称体积流量（前者称体积流量（m3/s)，后者称质量流量，后者称质量流量(kg/s)。如果在截面上速度分布是均匀的，则：vFqvAmv如果介质的密度为 ，那么量q流=量q质3.2 流量检测流量检测3.2.1 流量检测概述流量检测概述流过管道某截面的流过管道某截面的流体的速度在截面上各处不流体的速度在截面上各处不可能是均匀的，可能是均匀的，假定在这个截面上某一微小单假定在这个截面上某一微小单元面积上元面积上dAF速度是均匀的，流过该单元面积上速度是均匀的，流过该单元面积上的体积流量为的体积流量为,vFdqvdAv为 流 速整个截面上的流量整个截

33、面上的流量qv为为vFFqvdA3.2 流量检测流量检测测量某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对测量某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间的积分，称之流体总量。时间的积分，称之流体总量。vtmtVq dtMq dt 用来用来测量流量测量流量的仪表统称为的仪表统称为流量计流量计。测量总量测量总量的仪表称为的仪表称为流体计量流体计量表或表或总量计总量计。3.2 流量检测流量检测B 流体的几个概念流体的几个概念n粘性与粘度粘性与粘度 在流体的内部相互接触的部分在其切线方向的速度有差别时会产生减小其速度差的作用。这是因为流速快的部分要加速与其相接触的流速慢的部分，而流速慢的部分要减小与其相接触的

34、流速快的部分，流体的这种性质，称为粘性。粘性。 衡量流体粘性大小的物理量称为粘度粘度。 3.2 流量检测流量检测例如：两块面积很大距离很近的平板，中间是流体。下面的平例如：两块面积很大距离很近的平板，中间是流体。下面的平 板不动，力板不动，力F使上面平板以速度使上面平板以速度v沿沿x方向移动。由于流体方向移动。由于流体 粘性，上板底面的一薄层液体以速度粘性，上板底面的一薄层液体以速度v随上板运动，而下随上板运动，而下 板不动故附在上面流体不动。两板间的液体就分成无数薄板不动故附在上面流体不动。两板间的液体就分成无数薄 层而运动，如图所示。层而运动，如图所示。 作用力作用力F与受力面平行，称为剪

35、力，与受力面平行，称为剪力， 剪力与板的速度剪力与板的速度v、板的面积、板的面积S成正比，而与两板间的距离成正比，而与两板间的距离 y成反比成反比dvdy3.2 流量检测流量检测 称为粘度称为粘度(动力粘度动力粘度)，单位是：泊（，单位是：泊（P）(Pa.s)= /，称为运动粘度，单位：，称为运动粘度，单位：m2/s/FS vyFySvvy3.2 流量检测流量检测n层流和紊流层流和紊流 流体在细管中的流动形式分为层流和紊流两种。流体在细管中的流动形式分为层流和紊流两种。 所谓所谓层流层流就是流体在细管中流动的就是流体在细管中流动的流线平行流线平行于管轴于管轴时的流动。时的流动。 所谓所谓紊流紊

36、流就是流体在细管中流动的就是流体在细管中流动的流线相对流线相对混乱混乱的流动。的流动。 利用利用雷诺数雷诺数可以判断流动的形式。如果雷可以判断流动的形式。如果雷诺数小于某一值时，可判断为层流，而大于此诺数小于某一值时，可判断为层流，而大于此值时则判断为紊流。值时则判断为紊流。3.2 流量检测流量检测管内流体流动时存在着两种状态：管内流体流动时存在着两种状态：层流状态层流状态： 流量与压力降成正比流量与压力降成正比紊流状态紊流状态： 流量与压力降的平方根成正比流量与压力降的平方根成正比两种不同的流动状态，管内的速度分布也两种不同的流动状态，管内的速度分布也大不相同。这对于采用测流速法测流量很大不

37、相同。这对于采用测流速法测流量很重要。重要。3.2 流量检测流量检测在层流流动状态下，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。3.2 流量检测流量检测n雷诺数雷诺数 流体流动时惯性力与粘性力之比流体流动时惯性力与粘性力之比 利用细管直径利用细管直径d，可求出雷诺数，可求出雷诺数Rd： vd vdRd= = v为细管中的平均流速；为细管中的平均流速； 为流体的运动粘度为流体的运动粘度, d为管径。为管径。Rd2320时为层流，时为层流，Rd2320时为紊流；时为紊流；平均流速：指流过管路的体积流量除以管路截面积

38、平均流速：指流过管路的体积流量除以管路截面积3.2 流量检测流量检测n流体流动的连续性方程流体流动的连续性方程1 11222v Sv S12常数， v为某截面上流体的平均速度若流体是不可压缩的，即：则：vS=常数即：不可压缩流体在稳定流动时，流过各截面流体的体不可压缩流体在稳定流动时，流过各截面流体的体积为常量。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。3.2 流量检测流量检测33.2.2 流量仪表的分类流量仪表的分类A 计量表计量表n容积式计量表容积式计量表(流量计流量计) 用一个固定容量的容积连续地测量被测介质，用一个固定容量的容积连续地测量被测介质，根据定量容积称

39、量的次数来决定流过的总量。根据定量容积称量的次数来决定流过的总量。 这类仪表主要有：这类仪表主要有： 椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计 腰轮流量汁腰轮流量汁 活塞式流量计等活塞式流量计等3.2 流量检测流量检测括板式流量计椭圆齿轮流量计腰轮流量计活塞式流量计容积式计量表3.2 流量检测流量检测n速度式计量表速度式计量表 原理原理: 在仪表中装一旋转叶轮，流体流过时，推在仪表中装一旋转叶轮，流体流过时，推动叶轮旋转，叶轮的转动正比于流过介质的总动叶轮旋转，叶轮的转动正比于流过介质的总量，叶轮转动带动计数器的齿轮机构，计数器量，叶轮转动带动计数器的齿轮机构，计数器即显示读数。即显示读数。 特点特点:

40、机构简单，但精度低机构简单，但精度低,一般在一般在2左右，大多左右，大多的水表采用此结构。的水表采用此结构。3.2 流量检测流量检测B 流量计流量计流体振动式流量计差压式流量计流体阻力式流量计测速式流量计流量计3.2 流量检测流量检测3.2.3 总量测量仪表总量测量仪表A 椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计每转一周，两个齿轮共送出四个标准体积的流体。3.2 流量检测流量检测3B腰轮流量计（罗茨流量计）腰轮流量计（罗茨流量计）可测液体、气可测液体、气体，精度可达体，精度可达 0.1，并可做，并可做标准表使用；标准表使用；最大流量可达最大流量可达1000m3/h。腰轮上没有齿，通过腰轮上没有齿，通过安装

41、在体外的传动齿安装在体外的传动齿轮组进行传动轮组进行传动。3.2 流量检测流量检测n仪表输出由指针指示，指示值I:0VNVIN为仪表系数流量较小时，误差为负值，在流量增大时、误差为正值、且基本保持不变(曲线1)。这种现象主要是由于在运动件的间隙中泄漏所引起的。这个泄漏量与间隙、粘度、前后压差有关，另外也和流过体积V所需的时间有关。C 容积式流量计的误差容积式流量计的误差3.2 流量检测流量检测容积式流量计的测量误差值E，可由指示值与真值之差与指示值之比表示。设：V为通过流量计的流体体积真值；I为流量计指示值，则误差值E可表示为0011IVN VVEIN,vVtqvq为 流 量 仪 表 的 流

42、量 。0001(1/)sssvssvsvq VVq tqVN VVIVVVqqIVVIqq 3.2 流量检测流量检测3.2 流量检测流量检测减小误差：伺服式容积流量计减小误差：伺服式容积流量计（周杏鹏，（周杏鹏，P264）n上述两种转子型式的容积流量计，可用于各种液体流量的测量，尤其是用于油流量的准确测量，在高压力、大流量的气体流量测量中，这类流量计也有应用。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。3.2 流量检测流量检测n当充满圆管的流体流经在管道内部安装的节流装置时，流束将在节流件处形成局部收缩，使流速增大，静压力降低，于是在节流

43、件前后产生压力差。该压力差通过差压计检出。流体的体积流量或质量流量与差压计所测得的差压值有确定的数值关系。3.2.4 差压式流量计（节流式流量计）差压式流量计（节流式流量计）3.2 流量检测流量检测3.2 流量检测流量检测流过截面IIII的体积流量为0222012220122()12()vSgQv SvSppmgSppm称为流量系数，和节流装置的面积比 、流体的粘度、密度、取压方式有关，是用实验方法确定的系数。3.2 流量检测流量检测实际的流速修正系数称为流束的收缩系数S0节流装置开孔的截面积n节流式流量计主要由两部分组成：节流式流量计主要由两部分组成：节流节流装置装置和测量静压差的和测量静压

44、差的差压计差压计。n节流装置是安装在流体管道中，使流体节流装置是安装在流体管道中，使流体的流通截面发生变化，引起流体静压变的流通截面发生变化，引起流体静压变化的一种装置。常用的节流装置有化的一种装置。常用的节流装置有文丘文丘利管、喷嘴和孔板利管、喷嘴和孔板，如图所示。，如图所示。 3.2 流量检测流量检测 常用的节流装置常用的节流装置文丘利管压力损失最小，而孔板压力损失最大。 文丘利管孔板 喷嘴3.2 流量检测流量检测3.2 流量检测流量检测3.2 流量检测流量检测标准孔板是用不锈钢标准孔板是用不锈钢或其它金属材料制造或其它金属材料制造的薄板，它具有圆形的薄板，它具有圆形开孔并与管道同心，开孔

45、并与管道同心，其直角入口边缘非常其直角入口边缘非常锐利，且相对于开孔锐利，且相对于开孔轴线是旋转对称的。轴线是旋转对称的。标准孔板的形状如图标准孔板的形状如图所示。所示。3.2 流量检测流量检测 标准喷嘴即标准喷嘴即ISAl932喷嘴它是一个以管喷嘴它是一个以管道喉部开孔轴线为中道喉部开孔轴线为中心线的旋转对称体，心线的旋转对称体，由两个圆弧曲面构成由两个圆弧曲面构成的入口收缩部分及与的入口收缩部分及与之相接的圆筒形喉部之相接的圆筒形喉部所组成其结构如图所组成其结构如图所示所示3.2 流量检测流量检测标准文丘利喷嘴是标准文丘利管的一种型式，如图下所示它由廓形修圆的收敛部分，圆筒形喉部和扩散段组

46、成。喉部取压平面之前上游平面A、入口圆弧B、C和喉部的圆筒E部分与标准喷嘴完全相同3.2 流量检测流量检测3.2 流量检测流量检测 A 取压方式取压方式 差压式流量计是通过测量节流件前后压力差p来实现流量测量的， p与取压孔位置和取压方式紧密相关。节流装置的取压方式有以下5种，各种取压方式及取压孔位置如图所示。 (1)角接取压: 上下游取压管位于孔板(或喷嘴)的前后端面处。角接取压包括单独钻孔和环室取压。 (2)法兰取压：上下游侧取压孔的轴线至孔板上、下游侧端面之间的距离均为25.40.8mm（1inch)。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上。3.2 流量检测流量检测（3)径距取压：上游侧取压孔的

47、轴线至孔板上游端面的距离为1Dm0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔极下游端面的距离为0.5Dm。（Dm管道直径）。 (4)理论取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为l Dm0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离因 值不同而异。该距离理论上就是流束收缩到最小截面的距离。 (5)管接取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为2.5Dm，下游侧取压孔的轴线至孔板下游端面的距离为8Dm，该方法使用很少。3.2 流量检测流量检测3.2 流量检测流量检测B 标准取压方式标准取压方式是国家标形中规定的两种取压装置，即角接取压装置是国家标形中规定的两种取压装置，即角接取压装置和法兰取压

48、装置。其中和法兰取压装置。其中角接取压适用于孔板和喷嘴，角接取压适用于孔板和喷嘴，而法兰取压仅用于孔板。而法兰取压仅用于孔板。(1)角接取压装置角接取压装置角接取压装置可以采用环室或夹紧环角接取压装置可以采用环室或夹紧环(单独钻孔单独钻孔)取得节流件前后的差压。取得节流件前后的差压。（2）法兰取压装置）法兰取压装置法兰取压装置由两个带取压孔的取压法兰组成。法兰取压装置由两个带取压孔的取压法兰组成。3.2 流量检测流量检测3.2 流量检测流量检测3.2 流量检测流量检测A 浮子流量计（转子流量计、面积流量计）浮子流量计（转子流量计、面积流量计）特点：特点：结构简单，使用维护方便，对仪表前后直管结

49、构简单，使用维护方便，对仪表前后直管段长度要求不高，压力损失小且恒定，测量范围比段长度要求不高，压力损失小且恒定，测量范围比较宽，工作可靠且线性刻度，可测气体、蒸汽较宽，工作可靠且线性刻度，可测气体、蒸汽(电、电、气远传金属浮子流量计气远传金属浮子流量计)和液体的流量，适用性广。和液体的流量，适用性广。结构：结构：由一根自下向上扩大的垂直锥管和一只可以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。沿着锥管的轴向自由移动的浮子组成。3.2 流量检测流量检测3.2.5 流体阻力式流量计流体阻力式流量计原理：原理：当被测流体自锥管下当被测流体自锥管下端流入流量计时，浮子上升

50、，端流入流量计时，浮子上升，浮子与锥管之间的环形面积浮子与锥管之间的环形面积逐渐增大，流体的流速则相逐渐增大，流体的流速则相应下降，作用在浮子上的上应下降，作用在浮子上的上升力逐渐减小，直至上升力升力逐渐减小，直至上升力等于浸在流体中的浮子的重等于浸在流体中的浮子的重量时，浮子便稳定在某一高量时，浮子便稳定在某一高度上。这时浮子在锥管中的度上。这时浮子在锥管中的高度与所通过的流量有对应高度与所通过的流量有对应的关系。的关系。3.2 流量检测流量检测作用在浮子上的力有：作用在浮子上的力有：流体自下而上运动时，作用在浮子上的阻力流体自下而上运动时，作用在浮子上的阻力F; 浮子浮子本身的垂直向下的重

51、力本身的垂直向下的重力W；流体对浮子所产生的垂；流体对浮子所产生的垂直向上的浮力直向上的浮力B。当浮子处于平衡状态时，可列出平。当浮子处于平衡状态时，可列出平衡方程式衡方程式转子流量计的测量原理转子流量计的测量原理2012dfWBFFv c A式中，式中，cd为浮子的阻力系数；为浮子的阻力系数； o为流体密度；为流体密度；v为环为环形流通面积的平均流速：形流通面积的平均流速：Af为浮子的最大迎流面积。为浮子的最大迎流面积。3.2 流量检测流量检测0020000000122(,2()1ffffffdfffdfffvdfWVVgVv c AVvc AVqA vAcA0f0f0为浮子材料的重度；为浮

52、子的体积。浮子在流体中所受的浮力为：B=V为流体的重度。V）该环形流通面积为A 则体积流量为：3.2 流量检测流量检测000222200220001/,2()()(2tantan)2()(2tantan)2()(2tan )dfffffvfffvfcVgAAARrhrhVgqhrhAgVqrhAff0v00f0设 称为流量系数，则2V(-)q =A v= AA3.2 流量检测流量检测只要保持流量系数只要保持流量系数为常数，则流量与浮子高度为常数，则流量与浮子高度h之间就存在一一对应的近似线性关系。将这种对之间就存在一一对应的近似线性关系。将这种对应关系直接刻度在流量计的锥管上。显然，对于应关系

53、直接刻度在流量计的锥管上。显然，对于不同的流体，由于密度发生变化，所以不同的流体，由于密度发生变化，所以qv与与h之间之间的对应关系也将发生变化，原来的流量刻度将不的对应关系也将发生变化，原来的流量刻度将不再适。所以原则上，转子流量计应该用实际介质再适。所以原则上，转子流量计应该用实际介质进行标定。进行标定。注意：注意：3.2 流量检测流量检测 B 靶式流量计靶式流量计结构：结构：由靶式流量变送器和由靶式流量变送器和显示仪表两部分组成，其测显示仪表两部分组成，其测量元件是一个在测量管中心量元件是一个在测量管中心并垂直于流向的被称为并垂直于流向的被称为“靶靶”的圆板。通过测量流体作用的圆板。通过

54、测量流体作用在靶上的力而实现流量测量。在靶上的力而实现流量测量。特点：特点：用于高粘度、低雷诺用于高粘度、低雷诺数、含固体颗粒的浆液及腐数、含固体颗粒的浆液及腐蚀介质流量测量蚀介质流量测量。3.2 流量检测流量检测原理：原理：在被测管道中心迎着流速方向安装一个靶，在被测管道中心迎着流速方向安装一个靶，当介质流过时，靶受到流体的作用力。这个力由两当介质流过时，靶受到流体的作用力。这个力由两部分组成，部分组成，一部分是流体和靶表面的摩擦力，另一一部分是流体和靶表面的摩擦力，另一部分是由于流束在靶后分离，产生压差阻力部分是由于流束在靶后分离，产生压差阻力，阻力阻力为为212vFA式中，式中，F为靶受

55、到流体的阻力；为靶受到流体的阻力； 为阻力系数；为阻力系数；A1为靶迎流面积为靶迎流面积d为靶直径；为靶直径；v为靶和管壁间环面积中的平均流速；为靶和管壁间环面积中的平均流速； 为介质密度。为介质密度。2114Ad3.2 流量检测流量检测2122()21vvFADdFqd式中：为流量系数，D为管道内径。流量与靶输出力流量与靶输出力F的平方根成正比。测量靶所受的的平方根成正比。测量靶所受的力力F，就可以测定被测介质的流量。，就可以测定被测介质的流量。3.2 流量检测流量检测 速度式流量计是从直接测量管道内流体流速v作为流量测量依据的。若测得的是平均流速v，则体积流量qvAv；(A为测量管道横截面

56、积)。若测得的是管道横截面上的某一点流速v，则体积流量qvKAv(K为截面上的平均流速与被测点流速的比值，它与管道内流速分布有关)。3.2 流量检测流量检测3.2.6 测速式流量计测速式流量计A 电磁流量计电磁流量计电磁流量计是根据电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律制成的一制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。种测量导电液体体积流量的仪表。特点：特点：可测各种腐蚀性介质（酸、碱、盐溶液、悬浮可测各种腐蚀性介质（酸、碱、盐溶液、悬浮颗粒的浆液），无机械惯性，灵敏，可测脉冲流颗粒的浆液），无机械惯性，灵敏，可测脉冲流量，线性较好，可直接进行等分刻度。量，线性较好，可直接进行等分刻

57、度。只能测导电液体，不能测气体、蒸气以及含大只能测导电液体，不能测气体、蒸气以及含大量气泡的液体，或者电导率很低的液体。由于测量气泡的液体，或者电导率很低的液体。由于测量管内衬材料一般不宜在高温下工作，一般的电量管内衬材料一般不宜在高温下工作，一般的电磁流量计还不能用于测量高温介质。磁流量计还不能用于测量高温介质。3.2 流量检测流量检测3.2 流量检测流量检测原理原理:如图，直径为如图，直径为D的的不导磁管道垂直于磁感不导磁管道垂直于磁感应强度为应强度为B的均匀磁场的均匀磁场方向。平均流速为方向。平均流速为v的的导电液体切割磁力线，导电液体切割磁力线，产生与流速成比例感应产生与流速成比例感应

58、电动势，由一对电极得电动势，由一对电极得到电位差。到电位差。 EBDv244vDDEqvB励磁励磁方式方式: 直流励磁直流励磁用直流电产生磁场或采用永久磁铁，只用用直流电产生磁场或采用永久磁铁，只用于测量非电解质液体，如液态金属等。否于测量非电解质液体，如液态金属等。否则则, 通过测量管道的电解质液体被极化，即通过测量管道的电解质液体被极化，即电解质在电场中被电解，产生正负离子，电解质在电场中被电解，产生正负离子，在电场力的作用下，负离子跑向正极，正在电场力的作用下，负离子跑向正极，正离子跑向负极。导致正负电极分别被相反离子跑向负极。导致正负电极分别被相反极性的离子所包围，严重影响仪表的正常极

59、性的离子所包围，严重影响仪表的正常工作。工作。3.2 流量检测流量检测3.2 流量检测流量检测交流励磁交流励磁工业上电磁流量计，大都采用工频工业上电磁流量计，大都采用工频(50Hz) 产生交变磁场。产生交变磁场。消除了电极表面的极化干扰。消除了电极表面的极化干扰。 输出信号也是交变信号。输出信号也是交变信号。3.2 流量检测流量检测低频方波励磁低频方波励磁直流励磁和交流励磁各有优缺点，为了充分发挥它直流励磁和交流励磁各有优缺点，为了充分发挥它们的优点，尽量避免它们的缺点，人们开始采用低们的优点，尽量避免它们的缺点，人们开始采用低频方波励磁方式。它的励磁电流波形如图所示，其频方波励磁方式。它的励

60、磁电流波形如图所示，其频率通常为工频的频率通常为工频的14一一l10 。在半个周期内，磁场是恒稳的直流磁场，它具有直在半个周期内，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。从整个时间流励磁的特点，受电磁干扰影响很小。从整个时间过程看，方波信号又是一个交变的信号，所以它能过程看，方波信号又是一个交变的信号，所以它能克服直流励磁易产生的极化现象。低频方波励磁是克服直流励磁易产生的极化现象。低频方波励磁是一种比较好的励磁方式，目前已在电磁流量计上广一种比较好的励磁方式，目前已在电磁流量计上广泛的应用。泛的应用。3.2 流量检测流量检测3.2 流量检测流量检测B 超声波流量计超声