第六章 流量测量

1、自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College第六章第六章 流量测量流量测量自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College6.1 概述概述流量测量的复杂性流量测量的复杂性介质对象的多样性：介质对象的多样性：液体、气体、多相流。液体、气体、多相流。液体液体：粘性的影响；粘性的影响；气体：气体：压缩性、理想气体与真实气体（蒸汽）；压缩性、理想气体与真

2、实气体（蒸汽）；流动状态：流动状态：层流、湍流（紊流）、介质温度、压层流、湍流（紊流）、介质温度、压力均有很大影响；力均有很大影响；造成流量测量的复杂性，流量仪表的多样性。造成流量测量的复杂性，流量仪表的多样性。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College6.1.1流量测量中常用的物性参数流量测量中常用的物性参数(1) 流量流量体积流量体积流量)/m(utq3sAVV)h/m(u3600tq3AVVV-流体体积，流体体积，m3；T-时间，时间，s；u-管内平均流速，管

3、内平均流速，m/sA-管道横截面积，管道横截面积，m2自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 由于气体具有压缩性，不同压力、温度条件下由于气体具有压缩性，不同压力、温度条件下同样的体积流量是不一样的，因此常将工况条件下同样的体积流量是不一样的，因此常将工况条件下的体积流量的体积流量qv，转换为标准状态下的体积流量，转换为标准状态下的体积流量qVN，以使气体流量有一个统一的衡量尺度。以使气体流量有一个统一的衡量尺度。VNNVNTTqppqT，p分别为工况条件下实测

4、的温度、压力；分别为工况条件下实测的温度、压力；TN，pN别为标准状态下的温度、压力，别为标准状态下的温度、压力，TN=293K，pN=0.101MPa自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College质量流量：质量流量：m-流体质量，kg；t时间，s；流体密度，kgm3；A管道横截面积，m2累积流量、流量总量：累积流量、流量总量：自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engin

5、eering College（2）流体密度）流体密度 表示单位体积内流体的质量，一般用符号表示单位体积内流体的质量，一般用符号表表示。在一般工业生产中，流体通常可以认为是均示。在一般工业生产中，流体通常可以认为是均质，所以密度可以定义为质，所以密度可以定义为) /mKg(m3V 气体密度的在线测量非常困难，通常采用测量气体密度的在线测量非常困难，通常采用测量温度、压力的方法间接测量。对于可以看作理想气温度、压力的方法间接测量。对于可以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：体的普通气体，其密度由理想气体状态方程计算：NNNTTpp 工况条件下气体密度；工况条件下气体密度； N标准

6、状态下气体密度，可查相关的手册标准状态下气体密度，可查相关的手册自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 工程上最常用的实际气体是水蒸气，可分为工程上最常用的实际气体是水蒸气，可分为性质不同的性质不同的饱和蒸汽饱和蒸汽和和过热蒸汽过热蒸汽。饱和蒸汽的压力饱和蒸汽的压力和温度是一一对应的，既可以通过测量压力的方法和温度是一一对应的，既可以通过测量压力的方法得到其密度值，也可以通过测量温度的方法找到对得到其密度值，也可以通过测量温度的方法找到对应的密度值。应的密度值。

7、然而然而过热蒸汽的密度是温度、压力的过热蒸汽的密度是温度、压力的二元函数二元函数，故必须同时测出温度和压力才能求得其，故必须同时测出温度和压力才能求得其密度值。蒸汽的密度与温度、压力的关系不再遵循密度值。蒸汽的密度与温度、压力的关系不再遵循理想气体状态方程，而是以函数表的形式给出的，理想气体状态方程，而是以函数表的形式给出的，可通过水蒸气性质手册查找。可通过水蒸气性质手册查找。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College真实气体饱和蒸汽密度表饱和蒸汽密度表 = f (

8、 p) 或或 = f (t)自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College真实气体过热蒸汽密度表过热蒸汽密度表 = f ( p , t )自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College(3) 流体的黏度流体的黏度黏性：黏性：所有实际流体在流动时都有阻止其流体质点发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。生相对滑

9、移的性质，这就是流体的黏性。黏度：黏度：度量流体黏性大小的参数。度量流体黏性大小的参数。黏度影响因素：黏度影响因素：是是流体介质、流体温度、压力的函数，流体介质、流体温度、压力的函数，温度上升，液体黏度就下降，而气体黏度则上升。温度上升，液体黏度就下降，而气体黏度则上升。 在一般工程计算中，液体黏度只需考虑温度对它在一般工程计算中，液体黏度只需考虑温度对它的影响，只在压力很高时才考虑压力的修正。而气的影响，只在压力很高时才考虑压力的修正。而气体和水蒸气的黏度与温度、压力的关系十分密切。体和水蒸气的黏度与温度、压力的关系十分密切。应时刻注意状态参数的修正。应时刻注意状态参数的修正。两种常用粘度：

10、动力两种常用粘度：动力黏黏度（度（）、运动）、运动黏黏度（度（）自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 动力黏度动力黏度 流体的动力黏度可用牛顿内摩擦定律来表示，流体的动力黏度可用牛顿内摩擦定律来表示，当流体流动时，流层之间发生相对滑移而产生的内当流体流动时，流层之间发生相对滑移而产生的内摩擦力与流体流层间的速度梯度、流层接触面积及摩擦力与流体流层间的速度梯度、流层接触面积及流体本身的动力黏度有关。其数学表达式为流体本身的动力黏度有关。其数学表达式为内摩擦力：内

11、摩擦力：单位面积上的内摩擦力，即内单位面积上的内摩擦力，即内摩擦压力：摩擦压力：dhduAT dhdudhdu自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 单位面积上的内摩擦压力，单位面积上的内摩擦压力，Pa u流体流动速度，流体流动速度，m/s； h流体流层间距离，流体流层间距离，m；du/dh流层间速度梯度，流层间速度梯度，1/s； -流体的动力黏度，流体的动力黏度，Pas 动力黏度的单位动力黏度的单位Pas是国际单位制是国际单位制(SI)的导出的导出单位，它与过

12、去习惯使用的单位，它与过去习惯使用的CGS单位制中的单位制中的P(泊泊)、cP(厘泊厘泊) 等单位的换算关系为等单位的换算关系为 1Pas=10P 1mPas=lcP自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College不同温度下水的密度及动力不同温度下水的密度及动力黏黏度度 = f (t)自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College介质不同，介质不同

13、，黏黏度不同度不同1cP = 103 Pa s = 1mPa s自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 运动黏度运动黏度 由于流体的黏度与密度有关，将动力黏度与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，称为运动流体密度的比值作为黏度的另一参数，称为运动黏度，常用黏度，常用来表示来表示 在在SI单位制中，单位制中， 的单位为的单位为m2/s。它与过去习。它与过去习惯使用的惯使用的CGS单位制中的斯托克斯单位制中的斯托克斯(简称斯简称斯

14、St，也，也即即cm2/s)，厘斯，厘斯(cSt)等单位之间的换算关系为等单位之间的换算关系为 1m2/s104St自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College(4) (4) 牛顿流体及非牛顿流体牛顿流体及非牛顿流体牛顿流体牛顿流体常数dhdu 当当 (动力黏度动力黏度)为常数时，内摩擦力为常数时，内摩擦力与速度梯与速度梯度度du/dh呈线性关系。符合这一规律的流体即称牛呈线性关系。符合这一规律的流体即称牛顿流体，如水或空气等低分子流体。顿流体，如水或空气等低分子流体

15、。非牛顿流体：非牛顿流体： 不符合牛顿黏性定律的流体。不符合牛顿黏性定律的流体。如：高黏滞性流体和高分子溶液如：高黏滞性流体和高分子溶液自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College(5) (5) 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性 流体的压缩性流体的压缩性 当作用在流体上的压力增加时，流体所占有当作用在流体上的压力增加时，流体所占有的体积将会缩小，这种特性称为的体积将会缩小，这种特性称为流体的压缩性流体的压缩性。其其压缩系数的定义为压缩系数的定义为：当温度不变时

16、，其体积随：当温度不变时，其体积随压力的变化而发生的相对变化率，即压力的变化而发生的相对变化率，即p1-VV 一般工程应一般工程应用中，只要压力用中，只要压力不是太高，液体不是太高，液体的体积压缩系数的体积压缩系数非常小，可认为非常小，可认为是不可压缩流体。是不可压缩流体。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 流体的膨胀性流体的膨胀性 当流体的温度升高时，流体所占有的体积会增当流体的温度升高时，流体所占有的体积会增加，这种特性称为加，这种特性称为流体的膨胀性流

17、体的膨胀性。其。其膨胀系数定义膨胀系数定义为：为：当压力不变时，其体积随温度的变化而发生的当压力不变时，其体积随温度的变化而发生的相对变化率，即相对变化率，即T1-VV 液体的膨胀系数也不大，但对于碳氢化合物，液体的膨胀系数也不大，但对于碳氢化合物，在精确计量中同样应考虑膨胀系数的影响。在精确计量中同样应考虑膨胀系数的影响。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College(6) 气体的等熵指数气体的等熵指数 工程实际中，如果流体工质在状态变化的某一工程实际中，如果流体工质

18、在状态变化的某一过程中不与外界发生热量交换，则该过程就称为绝过程中不与外界发生热量交换，则该过程就称为绝热过程。热过程。 绝热过程状态方程：绝热过程状态方程：pv = 常数常数 当被测流体服从理想气体定律时，其等墒指数当被测流体服从理想气体定律时，其等墒指数可用质量定压热容可用质量定压热容Cp和质量定容热容和质量定容热容Cv之比之比(比热比热比比)来表示，即来表示，即等墒指数与气体种类，以及所处的温度、压力等有关等墒指数与气体种类，以及所处的温度、压力等有关单原子气体单原子气体/ /双原子气体双原子气体/ /多原子气体：多原子气体：1.67/1.4/1.291.67/1.4/1.29自动化工程

19、学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College6.1.2 管内流动基本知识管内流动基本知识(1) 层流与湍流层流与湍流层流：层流：管内流体分层流动，各流层之间互不混杂而管内流体分层流动，各流层之间互不混杂而平行于管道轴线流动。流体通过一段管道的压力降平行于管道轴线流动。流体通过一段管道的压力降与流量成正比。与流量成正比。湍流：湍流：管内流体不再分层流动，流体质点除沿管道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。流体通过轴线方向运动外，还有剧烈的径向

20、运动。流体通过一段管道的压力降与流量的平方成正比。一段管道的压力降与流量的平方成正比。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 判断管内流动是层流流动还是湍流流动的判据判断管内流动是层流流动还是湍流流动的判据是一个无量纲数，即雷诺数是一个无量纲数，即雷诺数Re。它实际上是流体。它实际上是流体流动时惯性力和流动时惯性力和黏黏性力的比值。其表达式为性力的比值。其表达式为ululeR自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动

21、化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 雷诺数的大小取决于流速、特征尺寸和流体雷诺数的大小取决于流速、特征尺寸和流体黏黏度三个参数。对于圆形管道，特征尺寸一般取度三个参数。对于圆形管道，特征尺寸一般取管道直径管道直径D，所以，雷诺数的计算公式为，所以，雷诺数的计算公式为临界雷诺数：临界雷诺数：Re ReD 时为层流，否则为湍流。时为层流，否则为湍流。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College(2) 速度分布速度分布 在管

22、道横截面积在管道横截面积上流体速度轴向分量上流体速度轴向分量的分布模式称为速度的分布模式称为速度分布。分布。 越靠近管壁，由于流体与管壁的越靠近管壁，由于流体与管壁的黏黏滞作用，流滞作用，流速越小，管壁上的流速为零；越靠近管中心由于流速越小，管壁上的流速为零；越靠近管中心由于流体与管壁的这种体与管壁的这种黏黏滞作用越小，流速就越大，管道滞作用越小，流速就越大，管道中心的流速达最大值。中心的流速达最大值。 在层流状态下，流速分布是以管道中心线为对在层流状态下，流速分布是以管道中心线为对称轴的一个抛物面；称轴的一个抛物面；在湍流状态下，流速分布是以在湍流状态下，流速分布是以管道中心线为对称铀的指数

23、曲面。管道中心线为对称铀的指数曲面。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College（3）流动基本方程）流动基本方程 连续性方程连续性方程质量守恒定律在运动流体中的具体应用质量守恒定律在运动流体中的具体应用对于可压缩流体非定常流动，连续性方程为对于可压缩流体非定常流动，连续性方程为自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College对于可压缩流体定常流动

24、，连续性方程为对于可压缩流体定常流动，连续性方程为对于不可压缩流体定常流动，连续性方程为对于不可压缩流体定常流动，连续性方程为自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 伯努利方程伯努利方程 伯努利方程伯努利方程就是就是能量守恒定律能量守恒定律在运动流体中的在运动流体中的具体应用。可以证明，当无具体应用。可以证明，当无黏黏性正压流体在有势外性正压流体在有势外力的作用下做定常运动时，其总能量力的作用下做定常运动时，其总能量(位置势能、压位置势能、压力能和流体动能之和力

25、能和流体动能之和)沿流线是守恒的。沿流线是守恒的。 根据能量守恒定律，根据能量守恒定律，不可压缩流体在位置不可压缩流体在位置和和位置位置的总能量不变。的总能量不变。（）02222012112121VpmumgzVpmumgz自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering Collegemgmg0V （1）式两边除以）式两边除以V0）（22222221211pugzpugz2222121122pugzpugz常数pugz22常数或p2222uzpuz自动化工程学院自动化工程学院自动化工程

26、学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 若管道水平放置，则若管道水平放置，则22212122pupu常数pu22 说明不可压缩流体在流动过程中，流速增加必说明不可压缩流体在流动过程中，流速增加必然导致压力的减小；相反，流速减小也必然导致压然导致压力的减小；相反，流速减小也必然导致压力的增加。力的增加。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 对于可压缩绝热完全的气体，伯

27、努利方程可对于可压缩绝热完全的气体，伯努利方程可用如下表达式表示。用如下表达式表示。常数vp221-kkCCup自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 6.1.3 流量测量仪表的分类流量测量仪表的分类按测量原理分类：体积式、质量式。按测量原理分类：体积式、质量式。类别类别仪表名称仪表名称体积流量计容积式流量计椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等差压式流量计节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计、靶式流量计、浮子流量计等速度式流量计涡轮流量计、涡街流量计、电

28、磁流量计、超声波流量计等质量流量计推导式质量流量计体积流量经密度补偿或温度、压力补偿求得质量流量等直接式质量流量计科里奥利流量计、热式流量计、冲量式流量计等按应用领域分类：计量仪表、过程控制仪表。按应用领域分类：计量仪表、过程控制仪表。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College6.2 容积式流量计容积式流量计工作过程：工作过程：流体不断地充满具有一定容积的某流体不断地充满具有一定容积的某“计量计量空间空间”，然后再连续地将这部分流体送到出口流出。，然后再连续地将这部

29、分流体送到出口流出。体积总量体积总量=固定容积固定容积某时间间隔内经过流量计排出某时间间隔内经过流量计排出流体的固定容积数流体的固定容积数 容积式流量计是采用容积累加的方法获得流体总容积式流量计是采用容积累加的方法获得流体总量的流量测量仪表。量的流量测量仪表。 容积式流量计具有对上游流动状态变化不敏感，容积式流量计具有对上游流动状态变化不敏感，测量准确度高，可用于高测量准确度高，可用于高黏黏度液体，并直接得到流体度液体，并直接得到流体累积量等特点。在各工业部门，尤其在石油化工、贸累积量等特点。在各工业部门，尤其在石油化工、贸易和轻工、食品等部门中得到了广泛的应用。易和轻工、食品等部门中得到了广

30、泛的应用。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College美国塔海尔椭圆齿轮流量计FPP（1）容积式流量计的测量原理与结构）容积式流量计的测量原理与结构自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College容积式流量计容积式流量计自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automati

31、on Engineering College上海西派埃气体腰轮流量计上海西派埃气体腰轮流量计自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College容积式流量计容积式流量计气体腰轮流量计工作原理图气体腰轮流量计工作原理图自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College（2）容积式流量计的测量原理：）容积式流量计的测量原理： 设流量计的设流量计的“计量空间计量

32、空间”体积为体积为v(m3)，一定，一定时间内转子转动次数为时间内转子转动次数为N，则在该时间内流过的，则在该时间内流过的流体体积为流体体积为vNV 再设仪表的齿轮比常数为再设仪表的齿轮比常数为，其值由传递转子，其值由传递转子转动的齿轮组的齿轮比和仪表指针转动一周的刻度转动的齿轮组的齿轮比和仪表指针转动一周的刻度值所确定。若仪表的指示值为值所确定。若仪表的指示值为I，它与转子转动次，它与转子转动次数数N的关系为的关系为NI 一定时间内通过仪表的流体体积与仪表指示一定时间内通过仪表的流体体积与仪表指示值的关系为值的关系为IVv自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院

33、自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 齿轮型容积式流量计齿轮型容积式流量计 流量计的壳体内装有两个转子，直接或间接流量计的壳体内装有两个转子，直接或间接地相互啮合，在流量计进出口之间的压差作用下地相互啮合，在流量计进出口之间的压差作用下产生转动。通过齿轮的转动，不断地将充满在齿产生转动。通过齿轮的转动，不断地将充满在齿轮与壳体之间的轮与壳体之间的“计量空间计量空间”中流体排出。通过中流体排出。通过测量齿轮转动次数，可得到通过流量计的流量。测量齿轮转动次数，可得到通过流量计的流量。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工

34、程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 另一种齿轮型容积式流量计是腰轮容积流量计，另一种齿轮型容积式流量计是腰轮容积流量计，也称罗茨容积流量计，其工作原理及工作过程与椭也称罗茨容积流量计，其工作原理及工作过程与椭圆齿轮型基本相同，同样是依靠进、出口流体压力圆齿轮型基本相同，同样是依靠进、出口流体压力差产生运动，每旋转一周排出差产生运动，每旋转

35、一周排出4份份“计量空间计量空间”的的流体体积量。所不同的是腰轮上没有齿，它们不是流体体积量。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传动。齿轮组进行传动。 由于椭圆齿轮容积流量由于椭圆齿轮容积流量计直接靠测量轮啮合，因此计直接靠测量轮啮合，因此对介质的清洁度要求较高，对介质的清洁度要求较高，不允许有固体颗粒杂质通过不允许有固体颗粒杂质通过流量计。流量计。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineeri

36、ng College6.2.2 6.2.2 容积式流量计的特性分析容积式流量计的特性分析(1) (1) 容积式流量计的误差特性容积式流量计的误差特性 误差特性，误差特性，就是流量计的误差值与流量测量就是流量计的误差值与流量测量值之间的关系。值之间的关系。指示值：指示值：齿轮比：齿轮比由由vNV 得得IVv设设V为真值，为真值，I 为指示值，误差：为指示值，误差：自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 容积式流量计的误差只与计量室空间的容积容积式流量计的误差只与计

37、量室空间的容积v和齿轮比常数和齿轮比常数有关。对于一定的流量计，这两个有关。对于一定的流量计，这两个参数都为常量，所以，误差也是常量，与通过流量参数都为常量，所以，误差也是常量，与通过流量计的流量大小无关。在误差特性曲线上为一条水平计的流量大小无关。在误差特性曲线上为一条水平线，如图中曲线线，如图中曲线1所示。可以把这样的误差特性称所示。可以把这样的误差特性称为理想的误差特性曲线。为理想的误差特性曲线。 然而，在流量标准装然而，在流量标准装置上对容积式流量计进行置上对容积式流量计进行特性试验时所得的结果并特性试验时所得的结果并非像图中曲线非像图中曲线1所示。而所示。而是接近曲线是接近曲线2和曲

38、线和曲线3甚至甚至曲线曲线4的形式。其特征如的形式。其特征如下。下。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College在小流量时，误差急剧在小流量时，误差急剧地向负方向倾斜。地向负方向倾斜。随着流量的增加，误差随着流量的增加，误差曲线逐渐向正向移动，并曲线逐渐向正向移动，并稳定在某一值上。稳定在某一值上。当流量很大时，某些流当流量很大时，某些流量计的误差曲线又有向负量计的误差曲线又有向负方向倾斜的倾向。方向倾斜的倾向。 容积式流量计实际误差特性曲线所呈现这种容积式流量计实际

39、误差特性曲线所呈现这种变化趋势的原因是容积式流量计中除了湿式气体变化趋势的原因是容积式流量计中除了湿式气体流量计外，都不可避免地存在漏流现象。漏流又流量计外，都不可避免地存在漏流现象。漏流又称滑流，或间隙流，显然，称滑流，或间隙流，显然，漏流越大，流量计误漏流越大，流量计误差就越大。差就越大。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 设漏流流量为q ，通过流量计的流量为qv ，总流量为V，总漏流量为V，则，转子计量了转子计量了N个空间时：个空间时： 为时间，为时间

40、，指示值：指示值：整理得到：整理得到：代入误差公式：代入误差公式：自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 由于漏流由于漏流q的存在，误差不再是一个常数，的存在，误差不再是一个常数，而是一条随流量变化的曲线。而是一条随流量变化的曲线。 假设假设q为常数。当流量为常数。当流量qv很小时，小到极限情很小时，小到极限情况就是况就是qv = q ，即通过流量计的流量都是漏过流，即通过流量计的流量都是漏过流量计的，流量计量元件根本还没有动作，此时误量计的，流量计量元件根本还

41、没有动作，此时误差差E趋向于负无穷大。趋向于负无穷大。 当流量当流量qv继续增加达到很大时，继续增加达到很大时， q / qv已变得已变得很小，误差曲线逐渐趋向于理想的误差曲线，基很小，误差曲线逐渐趋向于理想的误差曲线，基本为一常数。本为一常数。 曲线曲线3和曲线和曲线4的情况是因为还有其他因素的影的情况是因为还有其他因素的影响，如前面假设响，如前面假设q为常数并不符合实际情况；流为常数并不符合实际情况；流量汁差压特性的影响；流体物性参数的影响等。量汁差压特性的影响；流体物性参数的影响等。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工

42、程学院Automation Engineering College(2) 容积式流量计的压力损失特性容积式流量计的压力损失特性 流体流过容积式流量计时，将产生不可恢复流体流过容积式流量计时，将产生不可恢复的压力降称为压力损失，一般用的压力降称为压力损失，一般用p表示。表示。引起容积式流量计压力损失原因有两个方面。引起容积式流量计压力损失原因有两个方面。由于流量计测量元件动作的机械阻力引起的压力由于流量计测量元件动作的机械阻力引起的压力损失损失由于流体由于流体黏黏性造成的流动阻力引起的压力损失性造成的流动阻力引起的压力损失 流量越大，压力损失就越大；流体黏性越大，流量越大，压力损失就越大；流体黏

43、性越大，压力损失也越大。压力损失也越大。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College6.2.3 6.2.3 容积式流量计的特点及安装使用容积式流量计的特点及安装使用（1）特点）特点优点：优点： 精度高，精度高，0.2%1% ，一般用于计量仪表；，一般用于计量仪表； 范围宽，一般为范围宽，一般为1030：1或更大，可用于高或更大，可用于高精度流体的测量；精度流体的测量； 无需前后直管段，在流速场畸变时对计量精度无需前后直管段，在流速场畸变时对计量精度没有影响；没有影响；

44、 是直读式仪表，无需外部能源，可直接获得累是直读式仪表，无需外部能源，可直接获得累计总量，清晰明了，操作简便；计总量，清晰明了，操作简便；自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College缺点缺点对于大流量的检测来说成本高、质量大、维护不对于大流量的检测来说成本高、质量大、维护不方便。方便。 需定期检定，体积大，笨重；需定期检定，体积大，笨重； 一般均需加装过滤器，需定期清理，维护工作量一般均需加装过滤器，需定期清理，维护工作量大；大； 最常见故障是流入脏污介质，造成流量计

45、运转不最常见故障是流入脏污介质，造成流量计运转不灵活甚至卡死。灵活甚至卡死。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College（2）适用范围）适用范围自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College（3）安装）安装自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Eng

46、ineering College6.3 浮子流量计浮子流量计 浮子流量计又称为转子流量计，或面积流量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。压降流量计。 浮子流量计按其制造材料的不同，可分为玻浮子流量计按其制造材料的不同，可分为玻璃浮子流量计和金属管浮子流量计两大类。璃浮子流量计和金属管浮子流量计两大类。克罗尼玻璃管浮子流量计自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College克

47、罗尼H250浮子流量计浮子流量计自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College克罗尼微小金属管浮子流量计自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College克罗尼H250浮子流量计结构浮子流量计结构自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering

48、 College天大泰和TDF数显式智能浮子流量计数显式智能浮子流量计自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College6.3.1 浮子流量计的结构原理与流量方程浮子流量计的结构原理与流量方程 原理：浮子流量计的测量原理：浮子流量计的测量本体由一根自下向上扩大的垂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直锥管和一只可以沿着锥管的轴向自由移动的浮子组成。轴向自由移动的浮子组成。 当被测流体自锥管下端流当被测流体自锥管下端流入流量计时，由于流体的作用，入流量计时，由

49、于流体的作用，浮子上下端面产生一差压，该浮子上下端面产生一差压，该差压即为浮子的上升力。当差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压值大于浸在流体中浮子的重量时，浮子开始上升。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，作用在浮子上的上积逐渐增大，流体的流速则相应下降，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时，浮子便稳定在某一高度上。这时浮子在锥管中的

50、高度h与所通过的流量有对应的关系。与所通过的流量有对应的关系。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 流量方程流量方程: 在图中截面1与截面与截面2处处列伯努力方程：列伯努力方程：连续性方程：连续性方程：可得：可得：迎面压差阻力：迎面压差阻力：自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 迎面压差阻力：迎面压差阻力： 浮子受到的浮力：浮

51、子受到的浮力： 浮子自重：浮子自重： 当浮子在流体中处于平衡当浮子在流体中处于平衡状态时状态时即：即：所以所以 不管浮子停留在什么位置，流体流过环形面积不管浮子停留在什么位置，流体流过环形面积的平均流速的平均流速u是一个常数。是一个常数。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College其中其中A是环隙面积是环隙面积)(42f2DDA 设锥管的锥角为设锥管的锥角为，零刻度处锥管内径为，零刻度处锥管内径为Df，则在浮子高度则在浮子高度h处处自动化工程学院自动化工程学院自动化工

52、程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College)(4)(422fffDDDDDDA)tanhhtan()htan2)(htan22(422ffDD如果锥半角足够小，则忽略二次项得到如果锥半角足够小，则忽略二次项得到为浮子流量计的流量系数为浮子流量计的流量系数212222c1AAA自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College6.3.2 浮子流量计的刻度换算浮子流量计的刻度换算(1)

53、 (1) 液体流量的刻度换算液体流量的刻度换算 对于液体浮子流量计，制造厂家一般用标准对于液体浮子流量计，制造厂家一般用标准状态状态(温度温度t0=20，压力，压力p0=101325Pa)的水对流的水对流量计进行标定刻度，所以该状态也称刻度状态。量计进行标定刻度，所以该状态也称刻度状态。 设设0，qv0和和0分别表示浮子流量计在刻度状态分别表示浮子流量计在刻度状态下标定介质的密度、体积流量及流量系数；而下标定介质的密度、体积流量及流量系数；而 、qv和和分别表示实际运行状态下被测介质的密度、体积分别表示实际运行状态下被测介质的密度、体积流量和流量系数，流量和流量系数，流量公式：流量公式：自动化

54、工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 刻度状态：刻度状态： 工作状态：工作状态： 可得到：可得到： 等号右边第一项等号右边第一项qv0为浮子流量计的读数；第二为浮子流量计的读数；第二项为修正项，项为修正项， 、 0 和和 f分别表示被测介质的密度、分别表示被测介质的密度、标定介质的密度和浮于密度。标定介质的密度和浮于密度。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engine

55、ering College(2)(2) 气体流量的刻度换算气体流量的刻度换算气体：气体：故：故：0刻度状态气体密度，刻度状态气体密度， 工作状态气体密度工作状态气体密度自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College工作状态与刻度状态为同种气体工作状态与刻度状态为同种气体0刻度状态气体密度，刻度状态气体密度， 工作状态气体密度工作状态气体密度由理想气体状态方程：由理想气体状态方程：得：得：自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院

56、自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College工作状态与刻度状态为不同种气体工作状态与刻度状态为不同种气体由理想气体状态方程：由理想气体状态方程：0刻度状态气体密度，刻度状态气体密度， 工作状态气体密度工作状态气体密度01 ：工作气体在刻度状态下的密度：工作气体在刻度状态下的密度自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College(3) 浮子流量计的量程换算浮子流量计的量程换算 如果浮子的几何形状完全一致，则改变浮子的如果浮子的几何形

57、状完全一致，则改变浮子的材料，即改变浮子的密度，可以改变浮子流量计的材料，即改变浮子的密度，可以改变浮子流量计的量程。量程。 如果如果 f f 0即浮即浮子材料密度增加，则子材料密度增加，则浮于流量计量程将扩浮于流量计量程将扩大；如果大；如果 fu2 cos2自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 测量结果测量结果u取决于声传播速度取决于声传播速度c，即声速的任何变化都会，即声速的任何变化都会影响测量结果。为了消除声速的影响，可对影响测量结果。为了消除声速的影响

58、，可对t1和和t2分开进行分开进行测量。测量。代入代入得：得：如果管径为如果管径为D当当45时时自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 锁相环路锁相环路(PLL)的时间差法测量线路原理的时间差法测量线路原理 测量回路用了两组锁测量回路用了两组锁相环路。管壁上使用了一相环路。管壁上使用了一组组1.2MHz的压电跃变振荡的压电跃变振荡器。器。 一个回路沿顺流方向，一个回路沿顺流方向，另一回路沿逆流方向发射另一回路沿逆流方向发射超声波，并将两个超声波超声波，并将两个超

59、声波探测器的收发交替进行转探测器的收发交替进行转换。换。VCO-压控振荡器压控振荡器 测量相位差是指测测量相位差是指测VCO的振荡频率分频为的振荡频率分频为N分之一的信分之一的信号与接收信号之间的相位差。号与接收信号之间的相位差。 这个接收信号是把分频信号和这个接收信号是把分频信号和同期发射的信号同时接收下来的，超声波在液体中的传播时同期发射的信号同时接收下来的，超声波在液体中的传播时间比发射时间滞后。间比发射时间滞后。自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院Automation Engineering College 因

60、为顺、逆两个回路都是锁相环路，因此，在锁定相位因为顺、逆两个回路都是锁相环路，因此，在锁定相位的场合，的场合，VCO(1) 的振荡频率的振荡频率11tNF tl是超声波从是超声波从P1到到P2的传播时间的传播时间VCO(2) 的振荡频率的振荡频率22tNF t2是超声波从是超声波从P2到到P1的传播时间的传播时间 因此，频率之差为因此，频率之差为)11(-2121ttNFF211221-t tttNFFNFFt ttt212112-NFFLt tttLu212112-cos2cos2自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院自动化工程学院