第6章-流量式传感器

1、第第6 6章流量式传感器章流量式传感器第第6 6章流量式传感器章流量式传感器在工业自动化生产中，特别是化工、制药和供水等工业中，流量是必须测量和控制的参数。随着产品质量的提高，对流量检测的精度要求也越来越高，需要检测的流量种类也越来越多。由于测量仪表的工作条件不同和测量对象的物理特性不同，应选用适当的流量传感器。6.1 6.1 流量的基础知识流量的基础知识6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法流体在单位时间内流过管道内某一截面的数量，称为流体的瞬时流量。而在某一段时间内流过管道某一截面的总和，称为流体的总量或累积流量，也称为积分流量。流体的总量除以流体流过的时间间隔，就可得到

2、该时间段的平均流量。工程上讲的流量常指瞬时流量，下面若无特别说明指的就是瞬时流量。瞬时流量有体积流量和质量流量之分。6.1 6.1 流量的基础知识流量的基础知识6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 体积流量体积流量 是指流体在单位时间内通过某截面的体积，单位为m3/s。根据定义，体积流量可表示为 式中：A为管道的横截面面积（m2）； 为管道内平均流速（m/s）；V为流体体积（m3）；t为时间（s）。VqVddVqvAt6.1 6.1 流量的基础知识流量的基础知识6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 体积流量体积流量 用体积流量表征流体时，必须同时给出流体

3、的压力和温度，因为流体的体积在不同的压力和温度下是不同的。对于液体，压力的变化对密度的影响非常小，一般可以忽略不计，温度对密度的影响要大一些；对于气体，密度受温度、压力的影响较大，因此对于气体流量检测，通常将某一条件下测得的体积流量转换成标准状态下（温度是20，气压是760mmHg）的体积流量，这样做的目的是便于比较。Vq6.1 6.1 流量的基础知识流量的基础知识6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 质量流量质量流量是指流体在单位时间内通过某截面的质量，单位为kg/s。根据定义，质量流量可表示为式中：m为流体的质量（kg）；为流体的密度（kg/m3）； v为管道内平均流速

4、（m/s）。mqmVddmqvAqt6.1 6.1 流量的基础知识流量的基础知识6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 流体的主要物理性质流体的主要物理性质（1）流体的密度单位体积的质量称为流体的密度，用数学表达式表示为 式中：m为流体质量（kg）；为流体的密度（kg/m3），V为流体的体积（m3）mV6.1 6.1 流量的基础知识流量的基础知识6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 流体的主要物理性质流体的主要物理性质（2）流体黏度流体运动过程中阻滞剪切变形的黏滞力与流体的速度梯度和接触面积成正比，并与流体黏性有关，其数学表达式为 上式称为牛顿黏性定律。式

5、中：F为黏滞力；A为接触面积； 表示流体垂直于速度方向的速度梯度； 为流体黏性的比例系数。ddFAyd /dy6.1 6.1 流量的基础知识流量的基础知识6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 流体的主要物理性质流体的主要物理性质（3）雷诺数雷诺数是流体流动的惯性力与黏滞力之比，表示为 式中： 为雷诺数（无量纲数）；v为流动横截面的平均流速（m/s）； 为动力黏度（ ）；L为特征长度（m）； 为流体的密度（kg/m3）； 为运动黏度（m2/s）。v lvLReRe2N s m6.1 6.1 流量的基础知识流量的基础知识6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法

6、管流类型管流类型（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，两种以上不同相流体同时在管道中流动称为多相流。（2）稳定流和不稳定流当流体流动时，若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，而且与时间有关，则流体的这种流动称为不稳定流。6.1 6.1 流量的基础知识流量的基础知识6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 流体流动的连续性方程和伯努利方程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 、

7、 、 和 、 、 ，如图6-1所示。根据物质不灭定律，单位时间流过任一截面的流体质量必定相等，即 1A21v2A12v11 1222AvAv常数6.1 6.1 流量的基础知识流量的基础知识6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 流体流动的连续性方程和伯努利方程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 、 、 和 、 、 ，如图所示。根据物质不灭定律，单位时间流过任一截面的流体质量必定相等，即 1A21v2A12v11 1222AvAv常数6.1 6.1 流量的基础知识流量的基础知识6.1.1 6.1

8、.1 流量及其表示方法流量及其表示方法（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： （6-1）式中：g为重力加速度；Z1 、Z2为截面和相对基准线的高度；P1、P2为截面和上流体的静压力；v1、v2为截面和上流体的平均流速。2211221222PvPvgZgZ6.1 6.1 流量的基础知识流量的基础知识6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法（2）伯努利方程式（6-1）即不可压缩流体的伯努利方程，表明理想流体做稳定流动时，虽然管道上各个截面处流体的位置、压力和流速不同，但是它们的总能量不变。实际流体具有黏性，在流动过程中要克服流

9、体与管壁以及流体内部的相互摩擦阻力而做功，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 式中：hwg为截面和之间单位质量实际流体流动产生的能量损失。112212wg22PvPvgZgZh6.1 6.1 流量的基础知识流量的基础知识6.1.2 6.1.2 流量的测量方法流量的测量方法流体的状态（如介质的温度、压力等）及流体的黏度、腐蚀性、导电性也不同，很难用一种原理或方法测量不同流体的流量。某些场合的流体是高温、高压的，某些场合是气液两相或液固两相的混合流体。目前测量流量的方法很多，测量原理和流量传感器（或称流量计）也各不相同，从测量方法上一般可分为速度式、容积式和

10、质量式3大类。6.1 6.1 流量的基础知识流量的基础知识6.1.2 6.1.2 流量的测量方法流量的测量方法 速度式流量计速度式流量传感器大多是通过测量流体在管路内的已知截面流过的流速大小实现流量测量。它是利用管道中流量敏感元件（如孔板、转子、涡轮、靶子、非线性物体等）把流体的流速变换成差压、位移、转速、冲力、频率等对应的信号来间接测量流量的。差压式、转子、涡轮、电磁、旋涡和超声波等流量传感器都属于此类。6.1 6.1 流量的基础知识流量的基础知识6.1.2 6.1.2 流量的测量方法流量的测量方法 容积式流量计容积式流量传感器是根据已知容积的容室在单位时间内所排出流体的次数来测量流体的瞬时

11、流量和总量。常用的有椭圆齿轮式、刮板式等。 质量式流量计质量式流量传感器有两种。一种是根据质量流量与体积流量的关系，测出体积流量再乘以被测流体的密度的间接质量流量传感器，如工程上常用的补偿式质量流量传感器；另一种是直接式质量流量传感器，如热电式、惯性力式、动量矩式等质量流量传感器。直接法测量具有不受流体的压力、温度、黏度等变化影响的特点，是一种正在发展中的质量流量传感器。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器差压式流量传感器又称节流式流量计，它是利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差，然后用压力传感器将差压信号转换成电信号，或直接用差压变送器把差压信号

12、转换成与流量对应的标准电流信号或电压信号。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 节流式流量计的组成节流式流量计由节流装置、引压导管和差压传感器或差压变送器组成，如图6-3所示。 图6-3 节流式流量计组成1节流元件；2引压管路；3三阀组；4差压计6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 节流式流量计的组成节流式流量计由节流装置、引压导管和差压传感器或差压变送器组成，如图所示。（1）节流装置。是差压式流量计的流量敏感元件，是安装在管道中的阻力元件，它产生差压，此压力差与流体流量之间

13、有确定的数值关系，通过测量压力差值可以求得流体的流量。（2）引压导管。引压导管用于将节流装置前后产生的差压传送给差压变送器。（3）差压变送器。差压变送器用于将节流装置前后产生的差压转换成标准的电信号，如420mA的电流信号。 1节流元件；2引压管路；3三阀组；4差压计6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 节流装置的工作原理在管道中安置一个中间带有小孔的阻力件，当流体通过该阻力件的小孔时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压力差。它与流量（流速）的大小有关，流量愈大，差压也愈大。把流体通过阻力

14、件时流束的收缩造成压力变化的过程称为节流过程，其中的阻力件称为节流元件。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 节流装置的工作原理（1）节流装置完整的节流装置由节流元件、取压装置和上下游测量导管3部分组成。几种常见的节流装置有孔板、喷嘴和文丘里管，如图所示。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 节流装置的工作原理（1）节流装置作为流量检测用的节流元件有标准的和非标准的两种。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm，雷诺数在10

15、4-105以上的流体，而且流体应当清洁，充满全部管道，不发生相变。非标准的可以利用已有实验数据进行估算，但必须用实验方法单独标定。非标准节流件主要用于特殊介质或特殊工况条件的流量检测6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 节流装置的工作原理（1）节流装置3种节流装置的优缺点对比见表6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 节流装置的工作原理（1）节流装置最常用的节流装置是孔板，其次是喷嘴，文丘里管应用得要少一些。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

16、缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形，如图所示。优点是结构简单，加工方便，价格便宜，但是在测量中压力损失较大，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。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 节流装置的工作原理（1）节流装置标准喷嘴分ISA1932喷嘴和长径喷嘴两种。喷嘴在管道内的部分是圆的，由圆弧形的收缩部分和圆筒形喉部组成。ISA1932喷嘴如图所示，它由垂直于中心线平面入口部分A，两端圆弧曲面B和C构成的入口收缩部圆筒形喉部E与防止出口边缘损伤的保护槽F组成。当d=2D/3时，该平面的径向宽度为零；

17、当d2D/3时，在管道内的喷嘴上游端面不包括平面入口部分，如图6-6（b）所示。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 节流装置的工作原理（2）取压方式根据节流装置取压口位置可将孔板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5种，如图所示。 图6-7 节流装置的取压方式1-1理论取压；2-2角接取压；3-3法兰取压；4-4径距取压；5-5损失取压6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 节流装置的工作原理（2）取压方式 理论取压。上游取压管的中心位于距孔板前端面一

18、倍管径D处，下游取压管的中心位于流速最大、收缩最小的断面处。如图6-7中的1-1所示。这种取压方式应用于管道内径D100mm的情况，对于小直径管道，因为法兰的相对厚度较大，不宜采用该法。 角接取压。上、下游的取压管位于孔板前后端面处，如图6-7中的2-2所示，通常有环室或夹紧环取压。环室取压是在紧贴孔板的上、下游形成两个环室，通过取压管测量两个环室压力差；夹紧环取压是在紧靠孔板上、下游两侧钻孔，直接取出管道压力进行测量2-2。两种方法相比，环室取压均匀，测量误差小，对直管段长度要求较短，多用于管道直径小于400mm处，而夹紧环取压多用于管道直径大于200mm处。6.2 6.2 差压式流量传感器

19、差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 节流装置的工作原理（2）取压方式 法兰取压。不论管道直径大小，上下游取压管中心均位于距离孔板两侧相应端面25.4mm处，如图6-7中的3-3所示。 径距取压。上游的取压管的中心位于距离孔板前端一倍管道直径D处，下游取压管的中心位于距离孔板前端D/2处，如图6-7中的4-4所示。径距取压法和理论取压法的差别仅是其下游取压点是固定的。 损失取压。上游的取压管的中心位于距离孔板前端2.5D处，下游取压管的中心位于距离孔板后端面8D处，如图6-7中的5-5所示。这种取压方式测得的压差值，即流体流经孔板的压力损失值。目前广泛采用的是角接取

20、压法，其次是法兰取压法。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 测量原理 当充满管道的流体流经管道内的节流件时，如图6-8所示，流束将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流装置前后产生压力差，且流过的流量越大，节流装置前后的压差也越大，流量与压差之间存在一定关系，这就是差压式流量传感器的测量原理。这种测量方法是以流体连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）为基础的。压差的大小不仅与流量有关，还与其他许多因素有关，在节流装置形式、管道内流体的物理性质（密度、黏度）不同时，在同样大小的流量下产生的压差也是

21、不同的。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 测量原理在界面1处，流体未受节流件的影响，流体充满管道，管道截面积为A1，流体静压力为P1，平均流速为U1，流体密度为 。截面2是经节流件后流束收缩的最小截面，其截面积为A2，流体静压力为P2 ，平均流速为U2，流体密度为 。流体的静压力和流速在节流件前后的变化情况，充分地反映了能量形式的转换。在节流件前，流体向中心加速。图6-8 流体流经节流件时压力和流速变化情况126.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 测量原理至截面2处，流束

22、截面收缩到最小，流速达到最大，静压力最低。然后流束扩张，流速逐渐降低，静压力升高，直到截面3处。由于涡流区的存在，导致流体能量损失，因此在截面3处的静压力P3不等于原先静压力P1，从而产生永久的压力损失。 图6-8 流体流经节流件时压力和流速变化情况6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 测量原理 设被测流体为不可压缩的理想流体，其流过节流件时，不对外做功，与外界没有热量交换，流体本身也没有温度变化。根据伯努利方程，对界面1、2处沿管道中心的流体存在以下能量关系： （6-2）因为被测流体是等温不可压缩的，即 ，所以式（6-2）可写为 （

23、6-3）根据流体的连续方程得 （6-4）2211221222PUPU1222121222UUPP2121AUUA6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 测量原理将式（6-4）代入式（6-3）可得 对于截面2，代入质量流量方程得 （6-5）设节流件的开孔直径d与管道直径D的比值 ，这样得到理想流体的流量公式122222121PPUAA12m2222212 ()1PPqAUAAAdD012m0442 ()211CAPPqCAP6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.1 6.2.1 节流式流量计节流式流量计 标准节流装置的适用

24、条件 节流装置只适于测量圆形截面管道内的流体，流体必须充满圆管且连续地流过管道。在紧邻节流装置的上游管道内，流体的流动状态接近紊流状态。 流束应与管轴平行，不得有旋转流或旋涡。在进行流量测量时，内流体的流动应是稳定的。 流体流量基本上不随时间而变化，或者变化是非常缓慢的。 流体可以是可压缩气体或不可压缩的液体，不适于脉动流与临界流。 流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是单相的、均匀的或者可认为是单相的，且流经节流装置时不发生相变。 节流装置的制造和使用条件超出国家标准的极限时，必须标定后才能安装使用。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器6.2.2 6.2.2 皮托管式流量计皮托

25、管式流量计皮托管(pitot tube)流量计属差压式流量计的一种，是一种测流体流速的装置。可以用来测量气体、液体和蒸气的流量，是利用驻点压力原理制成的一种常用的测速仪器。它具有可靠度高、成本低、耐用性好、使用简便等优点。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。最简单的皮托管就是一根弯成90的开口细管，如图所示。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器 皮托管的工作原理是应用伯努利方程，通过测量压强的方法来间接地测出速度的大小。流动流体中，静止流体最前缘点速度为0，称为驻点，驻点处的动能全部转换为压力能，驻点处压强称为总压P0，由伯努利能量方程可

26、得: 式中：P、u为流体未受扰动前的来流的静压和速度202PPu6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器如果测得某点的总压P0和静压P，就可以得到该点的速度。在工程应用中，一般把皮托管的一端放到压力管内流体中，开口顶端对准来流，在皮托管入口处形成一个驻点，静压管和皮托管组合成一体，静压管包围着皮托管，并在驻点之后适当距离的外管壁上沿圆周均匀地钻几个小的静压测孔，用U型管测出内管总压和环形空间内静压或差值 ，计算得到测点处的流速。 测点处流速为:022PPPu6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器实际上，由于流体具有黏性，能量转换时会有损失，还有皮托管放入流体后对流场的干扰等，

27、所以上式中右端应乘以一修正系数c，即上式中的修正系数c，可由实验确定，一般为1.01.04，标准皮托管通常为1.0。2puc6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器 6.2.3 6.2.3 均速管式流量计均速管式流量计均速管又称为均速流量传感器或均速探头，它通过测量管道内流动流体的速度压力实现流量的测量。与节流件相比，它的结构简单容易加工，成本低廉，不可恢复的压力损失小，大约只相当于节流装置的百分之几。均速管流量探头主要有阿牛巴（Annubar）、威力巴（Vrabar）、威尔巴（Wellbar）等几种。它们的共同特点都是简单的插入式探头，适于测量气体、蒸汽和液体的流量，管道内径从十几毫

28、米到几米，使用范围很广。一般要求雷诺数104ReD107，测量准确度通常为(13)%。均速管尚未标准化，故制作的均速管应经过标定后才能使用。由于均速管的取压孔直径仅几毫米到几十毫米，取压孔容易堵塞，一般不适于含尘或黏度大的流体。另外压差信号较小，通常用微压差式或低压差变送器作二次仪表。下面只介绍阿牛巴、威尔巴流量计。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器1阿牛巴流量计阿牛巴流量计是最早用来测量平均速度压力的仪表。为了获取管道内的流体平均速度，先要测量其平均速度头。将管道截面分成几个等面积圆环，插入一根总压管1和一根静压管2，如图6-10所示。图图6-6-10 0 阿牛巴流量计原理阿牛

29、巴流量计原理11总压管；总压管；22静压管静压管6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器总压管面对流动方向开有4个取压孔，所测量的是该4个环形截面的流体总压头（包括静压头和动压头），在总压管内另插入一根引压管，由它引出4个总压头的平均值 ，静压管装在背着流动方向上，取压孔在管道轴线位置上，引出流体的静压头 。 将分别引入差压变送器，测出两者的压差P，P便是流体的平均速度头。根据伯努利方程，从平均速度头可求出流体平均速度和流量。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器2威尔巴流量计 威尔巴流量计由威尔巴探头、差压变送器和流量积算仪等组成，如图6-11所示。威尔巴流量计作为一种差压

30、式流量测量仪表，流体流量与差压的平方根成比例关系。图图6-11 6-11 威尔巴流量计威尔巴流量计6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器威尔巴流量计主要特点如下所述。 子弹头形探头，符合流体动力学原理，一体化双腔结构，强度高，耐高温，可用于高温高压的场合。 探头前部金属表面进行了粗糙化处理，后部低压取压孔进行防堵设计，产生的差压信号稳定，防堵性能好，基本免维护。 流量系数不受管道雷诺数的影响，流量系数稳定，测量精度高。 适用范围广泛，可用于测量气体、液体、蒸汽、腐蚀性介质和高温高压介质等流体，可适应在各种尺寸的圆形管道和方形管道上安装使用。 安装方便，可在线带压安装和检修（不断流装卸

31、），对直管段的长度要求较短。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器 6.2.4 转子流量计转子流量计也是利用节流原理测量流体的流量，但它的差压值基本保持不变，是通过节流面积的变化反映流量的大小，故又称恒压降变截面流量计，也有称为浮子流量计。转子流量的结构有锥管和浮子。浮子在管内可视为一个节流件，在锥形管和浮子之间形成一个环形通道，浮子的升降就改变环形通道的流通面积，从而测定流量，故又称为变面积式流量计。它与流通面积固定，通过测量压差变化实现流量的测量。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器工作原理如图6-12所示。在一个向上略为扩大的均匀锥形管内，放一个比被测流体密度稍大的

32、浮子（也叫转子），图中被测流体从下向上经过锥管1和浮子2形成的环隙时，浮子上下端产生差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时，浮子便上升。流体的流量愈大，浮子上升愈高，浮子上升的高度就代表一定的流量。当上升力等于浸在流体中的浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。从而可从管壁上的流量刻度标尺直接读出流量数值。图图6-12 6-12 工作原理工作原理11锥形测量管；锥形测量管；22转子转子6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器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

33、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。转子流量计的特点：结构简单，直观、使用维护方便、压力损失小；适用于中小管径、中小流量和较低雷诺数的流量测量；流量计口径从几毫米到几十毫米，流量范围从每小时几升到几百立方米，准确度在1%2.5%；浮子对污染比较敏感，不宜用来测量使浮子污染的介质的流量。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器 6.2.5 6.2.5 靶式流量计靶式流量计靶式流量计是为解决高黏度、低雷诺数流体流量测量而发展起来的一种新型流量测量仪表。例如，用于测量重油、沥青、含固体颗粒的浆

34、液及腐蚀性介质的流量。靶式流量计由测量元件、靶式流量变送器和显示仪表组成，其测量元件是一个在测量管中心并垂直于流向的被称为“靶”的圆板。通过测量流体作用在靶上的力而实现流量测量。流体在流动中受到阻力而在靶的前后形成静压差，靶上所受流体的作用力与流速之间存在着一定的关系。通过测量作用力可知流速，从而确定流量。6.2 6.2 差压式流量传感器差压式流量传感器靶式流量计的结构如图6-13所示。在被测管道中心迎着流速方向安装一个靶，当流体流过时，靶受到流体的作用力。这个力由两部分组成，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，后者是主要的。当流体的雷诺数达到一定数值时，阻

35、力系数不随雷诺数变化，而保持常数。流量与靶输出力的平方根成正比，测量靶所受的力，就可以测定被测流体的流量。靶式流量计特点：结构简单，适于测量高黏度、高脏污的流量，压力损失大，测量精度不高。图图6-13 6-13 靶式流量计结构原理靶式流量计结构原理11力平衡式变送器力平衡式变送器 22密封膜片密封膜片33靶杆靶杆 44靶靶 55测量导管测量导管6.3 容积式流量计容积式流量计内部有一个已标定容积的计量室，容积是在仪表壳体与旋转体之间形成的。随着转子的转动，使流体从流入口流向排出口，当流体经过仪表时，利用仪表入口和出口之间产生的压力差，推动旋转体转动，将流体从计量室中容积 一份一份地推送出去。如

36、果设计好该空间的体积，测量转子的转动次数，就能得出该空间给出的体积量，所推送出的流体流量为 式中：n为转动的次数，r/s（转/秒）。根据它的结构不同，这类仪表主要有椭圆齿轮流量计、腰轮流量汁、刮板式流量计等。0QnV6.3 容积式流量计6.3.1 6.3.1 椭圆齿轮流量椭圆齿轮流量计计 1结构和工作原理椭圆齿轮流量计由一对相互啮合的椭圆齿轮和壳体组成，这对椭圆齿轮在进出口差压的作用下，交替地相互驱动并各自绕轴做非匀角速度的旋转。在流体差压作用下，推动椭圆齿轮A和B反方向旋转，不断地将充满半月形固定容积中的流体推出去，其转动与充液排液过程如图6-14所示。图图6-14 6-14 椭圆齿轮流量计

37、的工作原理椭圆齿轮流量计的工作原理6.3 容积式流量计齿轮每转一周就推出4个半月形容积的流体，从齿轮的转数可计算出排出流体的总流量。椭圆齿轮的转动通过减速传动机构带动指针与机械计数器，仪表盘中间的大指针指示流体的瞬时流量，经过齿轮计数器显示体积总流量。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。 瞬时流量qV和体积流量分别为:工作过程如下 t=0，=0 流体进入计量室。 t=T/8，=45 流体开始排出计量室。 t=T/4，=90 流体全部排出，开始下一个循环，每次 周期完成4次计量。t为转动时间，为转动角度，T为转动周期。V44qnVQNV和6.3 容积式流量计 2

38、工作特点椭圆齿轮流量计借助于固定的容积来计量流量，与流体的流动状态及黏度无关。若保证加工精度，且各运动部件的配合紧密，使用中不腐蚀和磨损，测量精度可很高，一般为0.5%1%，较好时可达0.2%。椭圆齿轮流量计的缺点是对流体的清洁度要求较高。另外，齿轮容易磨损，特别是在流量计超负荷运行时，磨损加剧，导致精度下降。6.3 容积式流量计6.3.2 6.3.2 腰轮流量计腰轮流量计 1.结构和工作原理腰轮流量计如图6-15所示，其工作原理与椭圆齿轮流量计相同。腰轮流量计的转子是一对不带齿的腰形轮，转动过程依靠套在壳体外的与腰轮同轴上的啮合齿轮来完成驱动。通过腰轮（转子）与壳体之间所形成的固定计量室来实

39、现，腰轮转过一圈，排出4个固定计量体积的流体，只要记下腰轮的转动转数，就可得到被测流体的体积流量。其流量的计算公式与椭圆齿轮流量计相同。图图6-15 6-15 腰轮流量计腰轮流量计11壳体；壳体；22轴；轴；33驱动齿轮；驱动齿轮；44腰轮；腰轮；55计量室计量室6.3 容积式流量计 2工作特性腰轮转子流量计中，两个腰轮转子的加工精度和表面粗糙度要求较高，安装时必须要保证两腰轮轴线的平行度要求。由于腰轮流量计的驱动是由专门的驱动齿轮担任，其磨损不影响测量精度，而与测量密切相关的只是腰轮，由于腰轮没有齿，不易被流体中尘灰夹杂卡死，同时腰轮的磨损也较椭圆齿轮轻一些，因此使用寿命较长，准确度较高，重

40、复性好，范围度大。对流量计前后直管段要求不高，可作标准表使用。因此这种流量计具有结构简单、使用寿命长、适用性强等特点，对于不同黏度的流体，均能够保证精确的计量，一般精度可达0.2%。6.3 容积式流量计 6.3.3 刮板式流量计刮板式流量计有凸轮式和凹线式两种形式如图6-16所示。刮板式流量计工作原理是，转子在流量计进、出口差压作用下转动，转子上有两对可以内外滑动的刮板，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

41、转数就可以求得被测流体的流量。凸轮式和凹线式工作原理基本相同。区别在于凸轮式刮板的滑动是靠凸轮控制转子按顺时针方向转动的，而凹线式滑板的滑动是靠具有凹线的壳体来实现转子的逆时针方向转动的。 6.3 容积式流量计图6-16 刮板式流量计 1刮板；2凸轮；3转子刮板流量计适用于计量液体流量，适合计量含杂质的流体。计算精度高，运行平稳，无脉动、噪声低，使用寿命长，对黏度变化适应性强。因采用了双壳体不受管道应力的影响，检查维修较方便。缺点是流量计结构复杂，制造精度要求较高。6.4 速度式流量计速度式流量计是流体冲击叶轮或涡轮旋转，瞬时流量和速度成正比，一段时间内的转数与该时间段的累积总流量成正比。常用

42、的有涡街流量计、电磁流量计和超声波流量计。涡街流量计又称旋涡流量计，它是利用流体振荡的原理进行流量测量。6.4.1 6.4.1 涡街流量计涡街流量计1工作原理在均匀流动的流体中，垂直地插入一个具有非流线型截面的柱体，称为旋涡发生体，则在其两侧会产生旋转方向相反、交替出现的旋涡，如图6-17所示。由于旋涡之间的相互影响，旋涡列一般是不稳定的。卡门从理论上证明了当旋涡列之间的纵向距离h和涡列间横向距离L满足一定的关系，即h/L=0.281时，这两个旋涡列将是稳定的，称为“卡门涡街”。6.4 速度式流量计旋涡体产生频率与流速的关系： 式中： v为旋涡发生体两侧平均流速（m/s）； St 为斯特劳哈尔

43、数；d为旋涡发生体迎面宽度。涡街流量计输出的脉冲频率信号不受流体物性的影响。图6-17 旋涡发生原理tvfSd6.4 速度式流量计2旋涡频率的检测旋涡检测器的任务是一方面使流体绕过检测器时，在其后能形成稳定的涡列，另一方面能准确地检测出旋涡产生的频率。目前使用的旋涡检测器主要有两种形式：圆柱形和三角柱体。圆柱形检测器如图6-18所示。它是一根中空的长管，管中空腔由隔板分成两部分。管的两侧开两排小孔，隔板中间开孔，孔上贴有铂电阻丝。铂丝通常被通电加热到高于流体温度10左右。当流体流过圆柱时，如在下侧产生旋涡，由于旋涡的作用使圆柱体的下部压力高于上部压力，部分流体从下部被吸入，从上部小孔吹出，结果

44、将使下部旋涡被吸在圆柱表面，越转越大。而没有旋涡的一侧，由于流体的吹出作用，将使旋涡不易发生。下侧旋涡生成之后，它将离开圆柱表面向下运动，这时柱体的上侧将重复上述过程生成旋涡。与此同时，在柱体的内腔自下而上或自上而下产生的脉冲通过被加热的电阻丝。空腔内流体的运动，交替对电阻丝产生冷却作用，电阻丝的阻值发生变化，从而产生和旋涡的生成频率一致的脉冲信号，通过检测器即可完成对流量的测量。6.4 速度式流量计图6-19所示为三角柱体涡街检测器，可以得到更稳定、更强烈的旋涡。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，在交替产生的旋涡的作用下，两个电阻被周期

45、地冷却，使其阻值改变，阻值的变化由桥路测出，即可测得旋涡产生频率，从而测出流量。3涡街流量计的特点涡街流量计的输出信号是与流量成正比的脉冲频率信号或标准电流信号，可以远距离传输，而且输出信号与流体的温度、压力、密度、成分、黏度等参数无关。用水或空气标定后的流量计无需校正即可用于其他流体的测量；使用寿命长，测量精度较高，压力损失小，安装与维护比较方便；结构简单，无运动件，测量精度高。缺点是流体流速分布情况和脉动情况影响测量准确度，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。6.4 速度式流量计图图6-18 6-18 圆柱形检测器圆柱形检测器 图图6-19 6-19 三角

46、柱体检测器三角柱体检测器6.4 速度式流量计 6.4.2 超声波流量计超声波在流体中传播时，会带有流体流速的信息。因此，根据接收到的超声波信号，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。超声波流量测量方法有很多，这里主要介绍传播速度差方法和多普勒方法。1速度差法速度差法的基本原理：利用超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度差来得到被测流体的流速。根据被测物理量的不同，可以分为时差法、相差法、频差法超声波流量计。频差法是目前最常用的测量方法，它是在前两种测量方法的基础上发展起来的。（1）时差法超声波在流动的液体中传播时，如顺流方向传播，则声速的速度会增大，当逆流方向传播时，则声波的速度会减小，从

47、而有不同的传播时间。通过测量两种不同的传播时间，就可以推导出管道中流体的速度。6.4 速度式流量计工作原理如图6-20所示。在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射器和接收器（F1，T1）、（F2，T2）。根据这两束超声波在液体中传播的速度，测得两接收器上的时间差，就可测出流体的平均流速及流量。图图6-20 6-20 时差式超声流量计时差式超声流量计6.4 速度式流量计设静止流体中的声速为c，流体流速为v，发送器与接收器之间的距离为L，则顺流的传播时间和逆流的传播时间分别为式中 t1 t2 分别为顺流和逆流传播时间，则顺流和逆流的传播时间差为 （6-9） 当c远大于v时12Ltcv

48、Ltcv12222Lvtttcv 22Lvtc 6.4 速度式流量计（2）相差法所谓相差法，是通过测量超声波在顺流和逆流时传播的相位差来得到流速。若发送器发出的是连续正弦波，则顺流和逆流接收到的波的相位差为 式中 w为超声波的角频率。由式（6-9）、式（6-10）看出，测得t或就能求得流速v。但是，流体中声速c是随流体温度而变的，水中声速c的温度系数为0.2%/。因此在流速一定时，t和的温度系数约为0.4%/，造成测量误差。（6-10)6-10)22 Lvtc 6.4 速度式流量计 （3）频差法频差法测量流量的原理如图6-21所示。 是完全相同的超声波探头，安装在管壁的外面，通过电子开关的控制

49、交替作为超声波发射器和接收器。首先由 发射出第一个超声脉冲，被 接收，此信号经放大后再次去触发 的驱动电路，使 发射第二个超声脉冲，依次类推。设在一个时间间隔 内， 共发射了 个脉冲，脉冲的发生频率 在紧接下去的另一个相同的时间间隔 ( )内，与上述过程相反，由 发射超声波脉冲，而 作接收器。同理可以测得 的脉冲重复频率为 经推导，顺流发射频率 与逆流发射频率 的频差 为:111() /fn tcvL222/fntcv L1F2F1F2F2F1F1F2ff1f1t1F1n12tt1F2F2t1212122nncvcvvfffttLLL 6.4 速度式流量计所以流体的流速为:采用频差法的优点是可

50、消除声速c的影响，可见在频差中，频差法与声速c无关，因此工业上常用频差法。图6-21 频差法测量流量原理图2Lvf6.4 速度式流量计2多普勒法多普勒法是利用声学多普勒原理确定流体流量的。多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动时，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。图6-22所示是超声多普勒流量计示意图。超声换能器安装在管外。从T发射的超声波束遇到流体中运动着粒子或气泡，再反射回来由R接收。发射信号与接收信号的多普勒频率偏移与流体流速成正比。图图6-22 6-22 超声多普勒流量计示意图超声多普勒流量计示意图6.4 速度式流量计 假设超声波的发射

51、频率为 ，流体运动速度与超声波的夹角为，流体的流速与流体中悬浮粒子的速度均为v ，当频率为 的入射超声波遇到粒子时，粒子相对超声波发射器以 的速度离去，则粒子接收到的超声波的频率为cosv21coscvffc1f1f6.4 速度式流量计由于粒子同样以 （忽略超声波入射方向与反射方向的夹角）的速度离开接收器，所以粒子反射给接收器声波频率为由于声速c远大于流体的流速v，故上式可简化为接收器接收到的反射波频率与发射波频率之差，即多普勒频移频 ，即因此流体的流速为312 cos1vffc1312 cosvffffc 22232112coscos2 coscos1cvcvvvffffcccccosvco

52、sv3f3fff12coscvff6.4 速度式流量计3超声波流量计的特点超声波流量计的优点：对介质适应性强；是一种理想的节能型流量计；性价比高，超声波流量计仪表造价基本上与被测管道口径大小无关；测量准确度几乎不受被测流体参数影响，且测量范围度较宽；仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行。缺点：用传播速度差法只能测量清洁流体，不能测量含杂质或气泡超过某一范围的流体；而多普勒法只能用于测量含有一定悬浮粒子或气泡的液体，且多数情况下测量精度不高；如管道结垢太厚、锈蚀严重或衬里与内管壁剥离则不能测量；另外，超声波流量计结构复杂，成本较高。6.5 质量流量传感器在工业生产中，由于物料平衡、热平衡及储存

53、、经济核算等所需要的都是质量，并非体积，所以在测量工作中，常需将测出的体积流量乘以密度换算成质量流量。质量流量计大致分为3大类。 直接式：即直接由检测元件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。 间接式：即用体积流量计和密度计组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。 补偿式：同时检测流体的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，计算得到该状态下流体的密度值，最后再计算流体的质量流量值。补偿式质量流量测量方法是目前工业上普遍应用的一种测量方法。质量流量计的优点是最后输出信号只与介质的质量流量成比例，这就能

54、从根本上提高流量测量的精度，省去了繁琐的换算和修正。6.5 质量流量传感器6.5.1 直接式质量流量计科里奥利质量流量计科里奥利质量流量计（简称CMF）是利用流体在直线运动的同时，处于一个旋转系中时，产生与质量流量成正比的科里奥利力而制成的一种直接式质量流量传感器。然而，通过旋转运动产生科里奥利力实现起来比较困难，目前的传感器均采用振动的方式来产生。由于它实现了真正意义上的、高精度的直接流量测量，具有抗磨损、抗腐蚀、可测量多种介质及多个参数等诸多优点，现已在石油化工、制药、食品及其他工业过程中广泛应用。6.5 质量流量传感器 1工作原理科氏力流量计由传感器和变送器两大部分组成。其中传感器用于流

55、量信号的检测，主要由分流器、测量管、驱动、检测线圈和驱动、检测磁钢构成，如图6-23所示。图图6-23 6-23 流量传感器示意图流量传感器示意图 6.5 质量流量传感器传感器力学分析如图6-24所示。图图6-24 6-24 传感器力学分析图传感器力学分析图6.5 质量流量传感器当测量管向上振动但无流体流过时，运用右手螺旋法则，四指指向旋转方向，则大拇指指向的方向为外加驱动的角频率。当流体流入“U”形管时，由于惯性，流体将反抗“U”形测量管强加给它的垂直动量的改变。在“U”形管的入口段，在管子向上振动期间，流体将压管子向下。在“U”形管的出口段，流体将推管子向上，于是测量管被扭曲如图6-25所

56、示，图图6-25 6-25 科氏力引起科氏力引起“U”U”形管扭曲形管扭曲6.5 质量流量传感器 这就是科氏力的作用结果。右手定则可以确定科氏力的方向，大拇指代表方向，食指代表流体的流速 方向，则中指的反方向即科氏力 的方向。在图6-25中， 和 的箭头表示科氏力的方向。当“U”形管被向下驱动时（方向反向），则 和 亦反向。设测量管左右对称 ， 管的直腿段长度为L，管的回弯宽度为2r，设流体单位质量为m，流速为 ，U形管的转动角速度为，流过单边直腿段的时间为t。cFcFcFcF12rrrccFF6.5 质量流量传感器U形管子所受的扭曲力矩M为 式中 因为流体瞬时质量流量为 ， 流速为 ，则 ，

57、代入式（6-11）则有 （6-116-11） （6-126-12）设管子的角弹性系数为设管子的角弹性系数为 ，在扭力矩作用下，在扭力矩作用下，U形管产生的扭转形管产生的扭转角为角为， ，代入式（，代入式（6-126-12），则），则（6-136-13）c 1c224MF rF rFrm vrccFFF Fmqm tvL tmvLqmms() / (4)qKrLsMKsKm4Mrq L6.5 质量流量传感器U形管绕OO轴振动时有式中： 为图6-26中 和 不能同时越过中心位置O时而存在的时间差，有将式（6-14）代入式（6-13）得（6-146-14） （6-156-15）式（6-15）中t为流

58、体流过传感器左右检测器时产生的时间差，也就是两组检测信号的相位差，如图6-26所示。2Ltr tcFcF() / 2Ltrsm28Kqtr6.5 质量流量传感器由式（6-15）可知，质量流量 与两组电磁检测器检出信号的时间差 成正比，而与振动的频率及角速度等均无关，根据这一原理，质量流量计将 转换成脉冲信号（010kHz）或电信号输出并显示流体质量，从而解决了质量流量的直接测量问题。mqmqttt6.5 质量流量传感器2特点由于科里奥利质量流量计是一种直接式质量流量计，因而具有许多其他流量计无可比拟的优点。 可直接测得质量流量的信号，不受被测介质物理参数的影响，实现了真正的、高精度的直接质量流

59、量测量。精度一般可达0.1%0.2%，重复性优于0.1%。 可以测量多种介质，如油品、化工介质、造纸黑液、桨体及天然气等，也可用于多相流的测量。 流体的介质密度、黏度、温度、压力、导电率、流速分布等特性对测量结果影响较小。因此，对流量计前后直管段要求不高。 无可动部件，流量管内无障碍物，便于维护。缺点：对震动较为敏感，故对传感器的抗震、抗扰要求较高，运行中由于两根测量管的平衡破坏而引起零点漂移；不适用于低密度介质和低压气体，不适用于大管道，目前局限于直径150（或200）mm以下，测量管内壁磨损、腐蚀和结垢，影响测量精度较大。6.5 质量流量传感器 6.5.2 6.5.2 热式质量流量计热式质

60、量流量计热式质量流量计在国内习称量热式流量计，是利用流动中的流体与热源（流体中加热的物体或测量管外加热体）之间热量交换关系来测量流体质量流量的一种流量仪表。一般用来测量气体的质量流量。具有压损低、流量范围度大、高精度、高重复性、高可靠性、无可动部件，以及可用于极低气体流量检测和控制等特点1分类热式质量流量计根据热源及测温方式的不同可分为接触式和非接触式两种。（1）接触式热式质量流量计 这种质量流量计的加热元件和测温元件都置于被测流体的管道内，与流体直接接触，常被称为托马斯流量计，适于测量气体的较大质量流量。由于加热及测量元件与被测流体直接接触，因此元件易受流体腐蚀和磨损，影响仪表的测量灵敏度和