流量测量知识概述

流量测量第一节概述流量的概念

流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前者称体积流量（m3/s)，后者称质量流量(kg/s)。如果在截面上速度分布是均匀的，则：体积质量流过管道某截面的流体的速度在截面上各处不可能是均匀的，假定在这个截面上某一微小单元面积上dAF速度是均匀的，流过该单元面积上的体积流量为整个截面上的流量qv为二、流量仪表的分类（一）计量表1.容积式计量表这类仪表用仪表内的一个固定容量的容积连续地测量被测介质，最后根据定量容积称量的次数来决定流过的总量。习惯上人们把计量表也称为流量计。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、活塞式流量计等。2.速度式计量表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量，叶轮转动带动计数器的齿轮机构，计数器即显示读数。这类计量表机构简单，但精度低。一般在2％左右，大多的水表即采用此结构表。（二）流量计第二节总量测量仪表（一）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。二、腰轮流量计（罗茨流量计）腰轮流量计除可测液体外，还可测量气体，精度可达0.1％，并可做标准表使用；最大流量可达1000m3/h。腰轮上没有齿，它们不是直接相互啮合转动，而是通过按装在完体外的传动齿轮组进行传动．三、容积式流量计的误差仪表输出由指针指示，指示值I: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。上述两种转子子型式的容积积流显计，可可用于各种液液体流量的测测量，尤其是是用于油流量量的准确测量量，在高压力力、大流量的的气体流量测测量中，这类类流量计也有有应用．由于于椭圆齿轮容容积流量计直直接依靠测量量轮啮合，因因此对介质的的清洁要求较较高，不允许许有固体颗粒粒杂质流过流流量计．当充满圆管的的流体流经在在管道内部安安装的节流装装置时，流束束将在节流件件处形成局部收缩，使使流速增大，，静压力降低低，于是在节流流件前后产生生压力差．该该压力差通过过差压计检出出．流体的体体积流量或质质量流量与差差压计所测得得的差压值有有确定的数值值关系。差压式流流量计计（节流式流流量计）伯努利方程式式流线上任意两两点的压力势势能、动能与与位势能之和和保持不变选定两个截面面，I—I是节流装置前前流体开始受受节流装置影影响的截面；；II-II是流束经过节节流装置后收收缩最厉害的的流束截面，，由伯努利方方程式得由于流束在节节流装置后的的最小收缩面面积S2，实际上很难难确切地知道道它的数值，，因此用节流装置开孔孔的截面积S0来表示,其中称为流束的收收缩系数，其其大小与节流流装置的类型型有关。p1’、p2’—流体在截面I—I和II—II处的静压力v1、v2’—流体在截面I—I和II—II处的平均流速速上面得到的流流速是理论值值，因为理想想的不可压缩缩的流体是不不存在的。流流体有粘度，，故有摩擦，，因此实际的的流速应修正正。其次，考考虑到使用方方便，实际上上经常在节流流装置前后两两个固定位置置上测取压力力p1、p2，代替p1’、p2’，在计算v2的公式中亦应应修正。考虑虑这两方面的的因素，在在II—II截面上的流速速流过截面II—II的体积流量为为节流式流量计计主要由两部部分组成：节节流装置和测测量静压差的的差压计。节流装置是安安装在流体管管道中，使流流体的流通截截面发生变化化，引起流体体静压变化的的一种装置。。常用的节流流装置有文丘丘利管、喷嘴嘴和孔板，如如图所示。常用的节流装装置文丘利管压力力损失最小，，而孔板压力力损失最大。。文丘利管孔板喷嘴标准孔板是用用不锈钢或其其它金属材料料制造的薄板板，它具有圆圆形开孔并与与管道同心，，其直角入口口边缘非常锐锐利，且相对对于开孔轴线线是旋转对称称的。标准孔孔板的形状如如图所示．标准喷嘴即ISAl932喷嘴．它是一一个以管道喉喉部开孔轴线线为中心线的的旋转对称体体，由两个圆圆弧曲面构成成的入口收缩缩部分及与之之相接的圆筒筒形喉部所组组成．其结构构如图3—4所示标准文丘利喷喷嘴是标准文文丘利管的一一种型式，如如图3—5所示．它由廓廓形修圆的收收敛部分，圆圆筒形喉部和和扩散段组成成．喉部取压压平面之前上上游平面A、入口圆弧B、C和喉部的圆筒筒E部分与标准喷喷嘴完全相同同．1．取压方式差压式流量计计是通过测量量节流件前后后压力差p来实现流量测测量的，而压压力差p的值与取压孔孔位置和取压压方式紧密相相关。节流装装置的取压方方式有以下5种，各种取压压方式及取压压孔位置如图图3—7所示．(1)角接取压:上下游取压管管位于孔板(或喷嘴)的前后端面处。角接取压包包括单独钻孔孔和环室取压压。如图3—7中l—l位置。(2)法兰取压：上下游侧取压压孔的轴线至孔板板上、下游侧侧端面之间的的距离均为25.4±0.8mm（1inch)。取压孔开在在孔板上下游游侧的法兰上上．如图3—7中2—2位置．（3)径距取压：上游侧取压孔孔的轴线至孔板板上游端面的的距离为1Dm±0.1Dm，下游侧取压孔孔的轴线至孔极极下游端面的的距离为0.5Dm。如图3—7中的3.3位置（Dm管道直径）。。(4)理论取压：上游侧取压孔孔的轴线至孔板板上游端面的的距离为lDm±0.1Dm，下游侧取压孔孔的轴线至孔板板上游端面的的距离因值不同而异。。该距离理论上就是流流束收缩到最最小截面的距离。如图图3—7中的4—4位置。(5)管接取压：上游侧取压孔孔的轴线至孔板板上游端面的的距离为2.5Dm，下游侧取压压孔的轴线至至孔板下游端端面的距离为为8Dm．如图3—7中的5—5位置．该方法法使用很少．．标准取压装置置是国家标形形中规定的两两种取压装置置，即角接取取压装置和法法兰取压装置置。其中角接取压适用用于孔板和喷喷嘴，而法兰兰取压仅用于于孔板。(1)角接取压装置置角接取压装置置可以采用环环室或夹紧环环(单独钻孔)取得节流件前前后的差压。。（2）法兰取压装装置法兰取压装置置由两个带取取压孔的取压压法兰组成。。标准取压压装置置角接取压装置置可以采用环环室或夹紧环环(单独钻孔)取得节流件前前后的差压。法兰取压装置置由两个带取取压孔的取压压法兰组成。。一、浮子流量量计（转子流流量计）转子流量计又又名浮子流量计或或面积流量计计。浮子流量计计具有结构简简单，使用维维护方便，对对仪表前后直直管段长度要要求不高，压压力损失小且且恒定，测量量范围比较宽宽，工作可靠靠且线性刻度度，可测气体体、蒸汽(电、气远传金金属浮子流量量计)和液体的流量量，适用性广广等特点．第四节流体体阻力式流量量计浮子流量计的的测量本体由由一根自下向向上扩大的垂垂直锥管和一一只可以沿着着锥管的轴向向自由移动的的浮子组成．．如图4-1所示．．当被测测流体体自锥锥管下下端流流入流流量计计时，，由于于流体体的作作用，，浮子子上下下端面面产生生一差差压，，该差差压即即为浮浮子的的上升升力。。当差差压值值大于于浸在在流体体中浮浮子的的重量量时，，浮子子开始始上升升。随随着浮浮子的的上升升．浮浮子最最大外外径与与锥管管之间间的环环形面面积逐逐渐增增大，，流体体的流流速则则相应应下降降，作作用在在浮子子上的的上升升力逐逐渐减减小，，直至至上升升力等等于浸浸在流流体中中的浮浮子的的重量量时，，浮子子便稳稳定在在某一一高度度上。。这时时浮子子在锥锥管中中的高高度与与所通通过的的流量量有对对应的的关系系。作用在在浮子子上的的力有有：流体自自下而而上运运动时时，作作用在在浮子子上的的阻力力F;浮子本本身的的垂直直向下下的重重力W；流体体对浮浮子所所产生生的垂垂直向向上的的浮力力B。当浮浮子处处于平平衡状状态时时，可可列出出平衡衡方程程式转子流流量计计的测测量原原理式中，，cd为浮子子的阻阻力系系数；；o为流体体密度度；v为环形形流通通面积积的平平均流流速：：Af为浮子子的最最大迎迎流面面积。。只要保保持流流量系系数a为常数数，则则流量量与浮浮子高高度h之间就就存在在一一一对应应的近近似线线性关关系．．我们们可以以将这这种对对应关关系直直接刻刻度在在流量量计的的锥管管上．．显然然，对对于不不同的的流体体，由由于密密度发发生变变化，，所以以qv与h之间的的对应应关系系也将将发生生变化化，原原来的的流量量刻度度将不不再适适用．．所以以原则则上，，转子子流量量计应应该用用实际际介质质进行行标定定．注意：：靶式流流量计计由靶靶式流流量变变送器器和显显示仪仪表两两部分分组成成，其其测量量元件件是一一个在在测量量管中中心并并垂直直于流流向的的被称称为““靶””的圆圆板。。通过过测量量流体体作用用在靶靶上的的力而而实现现流量量测量量．靶式流流量计计是60年代随随着工工业生生产迫迫切需需要解解决高高粘度度、低低雷诺诺数流流体，，的流流量测测量而而发展展起来来的一一种新新型流流量测测量仪仪表．．可用用于低低雷诺诺数、、含固固体颗颗粒的的浆液液及腐腐蚀介介质流流量测测量。。它具具有结结构简简单，，安装装维修修方便便，成成本低低。靶式式流流量量计计流体力力学中中表征征粘性性影响响的相相似准准数靶式流流量计计的结结构如如图所所示，，在被被测管管道中中心迎迎着流流速方方向安安装一一个靶靶，当当介质质流过过时，，靶受受到流流体的的作用用力。。这个个力由由两部部分组组成，，一部分分是流流体和和靶表表面的的摩擦擦力，，另一一部分分是由由于流流束在在靶后后分离离，产产生压压差阻阻力，后者者是主主要的的。当当流体体的雷雷诺数数达到到一定定数值值时，，阻力力系数数不随随雷诺诺数变变化，，而保保持常常数，，这时时阻力力为式中，，F为靶受受到流流体的的阻力力；为阻力力系数数；A1为靶迎迎流面面积，，d为靶直直径；；v为靶和和管壁壁间环环面积积中的的平均均流速速；为介质质密度度。流量与与靶输输出力力F的平方方根成成正比比．测测量靶靶所受受的力力F，就可可以测测定被被测介介质的的流量量．速度式式流量量计是是从直直接测测量管管道内内流体体流速速v作为流流量测测量依依据的的。若若测得得的是是管道道截面面上的的平均流流速v，则流流体的的体积积流量量qv＝A×v；(A为测量管道道横截面积积)。若测得的的是管道横横截面上的的某一点流流速v，则流体的的体积流量量qv＝K.A.v(K为截面上的的平均流速速与被测点点流速的比比值，它与与管道内流流速分布有有关)．第五节测测速速式流量计计一、电磁流流量计电磁流量计计是根据法拉第电磁磁感应定律律制成的一种种测量导电电液体体积积流量的仪仪表。可以测量各各种腐蚀性性介质：酸酸、碱、盐盐溶液以及及带有悬浮浮颗粒的浆浆液。被测介质在在测量管内内，由于没没有阻滞部部件，所以以没有压力力损失。此此流量计无无机械惯性性，反应灵灵敏，可以以测量脉冲冲流量，而而且线性较较好，可以以直接进行行等分刻度度。但电磁磁流量计，，由于只能能测量导电电液体，因因此对于气体、、蒸气以及及含大量气气泡的液体体，或者电电导率很低低的液体不不能测量。。由于测量管管内衬材料料一般不宜宜在高温下下工作，所所以目前一一般的电磁磁流量计还还不能用于测测量高温介介质。如图所示，，设在均匀匀磁场中，，垂直于磁磁场方向有有一个直径径为D的管道。管管道由不导导磁材料制制成，当导导电的液体体在导管中中流动时，，导电液体体切割磁力力线，因而而在磁场及及流动方向向垂直的方方向上产生生感应电动动势，如安安装一对电电极，则电电极间产生生和流速成成比例的电电位差。式中，c为感应电动动势：B为磁感应强强度，D为管道内径径；v为液体在管管道内平均均流速。1．直流励磁磁直流励碰方方式用直流流电产生磁磁场或采用用永久磁铁铁，它能产产生一个恒恒定的均匀匀磁场．这这种直流励励磁变送器器的最大优优点是受交交流电磁场场干扰影响响很小，因因而可以忽忽略液体中中的自感现现象的影响响。但是，，使用直流流磁场易使使通过测量量管道的电电解质液体体被极化，即电解质在在电场中被被电解，产产生正负离离子，在电电场力的作作用下，负负离子跑向向正极，正正离子跑向向负极。这样，将导导致正负电电极分别校校相反极性性的离子所所包围，严严重影响仪仪表的正常常工作．所所以，直流励磁一一般只用于于测量非电电解质液体体，如液态态金属等．．2．交流励磁磁目前，工业业上使用的的电磁流量量计，大都都采用工频频(50Hz)电源交流励励磁方式，，即它的磁磁场是由正正弦交变电电流产生的的，所以产产生的磁场场也是一个个交变磁场场。交变磁磁场变送器器的主要优优点是消除除了电极表表面的极化化干扰．另另外，由于于磁场是交交变的，所所以输出信信号也是交交变信号。。直流励磁方方式和交流流励磁方式式各有优缺缺点，为了了充分发挥挥它们的优优点，尽量量避免它们们的缺点，，70年代以来，，人们开始始采用低频频方波励磁磁方式．它它的励磁电电流波形如如图所示，，其频率通通常为工频频的1／4一l／10．从图可见，，在半个周周期内，磁磁场是恒稳稳的直流磁磁场，它具具有直流励励磁的特点点，受电磁磁干扰影响响很小。从从整个时间间过程看，，方波信号号又是一个个交变的信信号，所以以它能克服服直流励磁磁易产生的的极化现象象．因此，，低频方波波励磁是一一种比较好好的励磁方方式，目前前已在电磁磁流量计上上广泛的应应用．3．低频方波波励磁当超声波在在流体中传传播时，会会载带流体体流速的信信息。因此此，根据对对接收到的的超声波信信号进行分分析计算，，可以检测测到流体的的流速，进进而可以得得到流量值值。超声波波流量测量量方法有很很多，本节节主要介绍绍传播速度度差方法和和多普勒方方法的基本本原理与流流量方程．．二、超声波波流量计传播速度差差法的基本本原理为：：测量超声波波脉冲在顺顺流和逆流流传播过程程中的速度度之差来得得到到被测测流体的流流速。根据测量的的物理量的的不同，可可以分为时时差法(测量顺、逆逆流传播时时由于超声声波传播速速度不同而而引起的时时间差)、相差法(测量超声波波在顺、逆逆流中传播播的相位差差)、频差法(测量顺、逆逆流情况下下超声脉冲冲的循环频频率差)。频差法是是目前常用用的测量方方法，它是是在前两种种测量方法法的基础上上发展起来来的．在测量管道道中，装两两个超声波波发射换能能器F1和F2以及两个接接收换能器器J1和J2，F1J1和F2J2与管道轴线线夹角为a，管径为D，流体由左左向右流动动，速度为为v，此时由F1到J1超声波传播播速度为F2到J2超声波传播播速度为：：1、时差法如果超声波波发生器发发射一短小小脉冲，其其顺流传播播时间为而逆流传播播的时间为为测量速度差差的方法2、相差法所谓相差法法，既是通通过测量超超声波在顺顺流和逆流流时传播的的相位差来来得到流速速．3、频差法此法是通过过测量顺流流和逆流时时超声脉冲冲的重复频频率差去测测量流速。。在单通道法法中脉冲重重复频率是是在一个发发射脉冲被被接收器接接收之后，，立即发射射出一个脉脉冲，这样样以一定频频率重复发发射，对于顺流流和逆流重重复发射频频率为2、多普勒法法多普勒法是是利用声学学多普勒原原理确定流流体流量的的．多普勒效应应是当声源源和目标之之间有相对对运动，会会引起声波波在频率上上的变化，，这种频率率变化正比比于运动的的目标和静静止的换能能器之间的的相对速度度。图是超声多多普勒流量量计示意图图。超声换换能器安装装在管外。。从发射晶晶体T发射的超声声波束遇到到流体中运运动着颗粒粒或气泡，，再反射回回来由接收收晶体R1接收。发射射信号与接接收信号的的多普勒频频率偏移与与流体流速速成正比。。如忽略管管壁影响，，并假设流流体没有速速度梯度，，以及粒子子是均匀分分布的，可可得方程流体振动流流量计是60年代末期发发展起来的的一种较新新的流量测测量技术。。它具有如如下一些特特点：可得到与流流量成正比比的频率输输出信号；被测流体体本身就是是振动体，，无机械可可动部件，，几乎不受受流体组成成、密度、、粘度、压压力等因素素的影响；；所以，该该测量方法法越来越受受到人们的的重视，涡街流量计计（Vortexflowmeter)是利用流体体流过阻碍碍物时产生生稳定的漩漩涡，通过过测量其漩漩涡产生频频率而实现现流量计量量的。涡街流量计计由涡街流流量传感器器和流量显显示仪表两两部分构成成，第六节振振动式式流量计涡街流量计计实现流量量测量的理理论基础是是流体力学学中著名的的“卡门涡涡街”原理理。在流动动的流体中中放置一根根其轴线与流向向垂直的非非流线性柱柱形体(加三角柱、、圆柱等)，称之为漩漩涡发生体体，见图。。当流体沿沿漩涡发生生体绕流时时，会在漩漩涡发生体体下游产生生如图所示示不对称但有有规律的交交替漩涡列列，这就是是所谓的卡卡门涡街。。Whenafluidflowencountersabody,thelayersoffluidclosetothesurfacesofthebodyaresloweddown.Withastreamlinesbody,theseboundarylayersfollowthecontoursofthebodyuntilvirtuallymeetingattherearoftheobject.Thisresultsinverylittlewakebeingproduced.Withanon-streamlinedbody,aso-calledbluff-body,theboundarylayersdetachfromthebodymuchearlierandalargewakeisproduced.Whentheboundarylayerleavesthebodysurfaceitrollsupintovortices.Theseareproducedalternatelyfromthetopandbottomsurfacesofthebody.Theresultistwoparallelrowsofvorticesmovingdownstreamwiththedistancebetweensuccessivevorticesineachrowbeingthesame,avortexinonerowoccurringhalfwaybetweenthoseintheotherrow.由于漩涡之之间的相互互影响，其其形成通常常是不稳定定的。冯.卡门对涡列列的稳定条条件进行了了研究，于于1911年得到结论论：只有当当两漩涡列列之间的距距离h和同列的两两漩涡之间间的距离L之比满足时，所产生生的涡街才才是稳定的的圆柱体后漩涡发生的频率为：圆柱体表面面开有导压压孔，与圆圆柱体内部部空腔相通通．空腔由由隔板分成成两部分，，在隔板的的中央部分分有—小孔，在小小孔中装有有检测流体体流动的铂铂电阻丝．．当旋涡在圆圆柱体下游游侧产生时时，出于升升力的作用用，使得圆圆柱体下方方的压力比比上方高一一些，圆柱柱体下方的的流体在上上下压力差差的作用下下，从圆柱柱体下方导导压孔进入入空腔，通通过隔板中中央部分的的小孔，流流过铂电阻阻丝，从上上方导压孔孔流出。如如果将铂电电阻丝加热热到高于流流体温度的的某温度值值，则当流流体流过铂铂电阻丝时时，就会带带走热量，，改变其温温度，也即即改变其电电阻值。当当圆柱体上上方产生一一个旋涡时时，则流体体从上导压压孔进入，，由下导压压孔流出，，又一次通通过铂电阻阻丝，又改改变一次它它的电阻值值。由此可可知：电阻阻值变化与与流动变化化相对应，，也既与旋旋涡的频率率相对应。。所以，可可由检测铂铂电阻丝电电阻变化频频率得到涡涡频率，进进而得到流流量值。在工业生生产中，，由于物物料平衡衡，热平平衡以及及储存、、经济核核算等所所需要的的都是质质量，并并非体积积，所以以在测量量工作中中，常需需将测出出的体积积流量，，乘以密密度换算算成质量量流量。。但由于于密度随温温度、压压力而变变化，所所以在测测量流体体体积流流量时，，要同时时测量流流体的压压力和密密度，进进而求出出质量流流量。在温度度、压力力变化比比较频繁繁的情况况下，难难以达到到测量的的目的。。这样便便希望用用质量流流量计来来测量质质量流量量，而无无需再人人工进行行上述换换算。第七节质质量流流量计3、补偿式：同时检检测流体体的体积积流量和和流体的的温度、、压力值值，再根根据流体体密度与与温度、、压力的的关系，，由计算算单元计计算得到到该状态态下流体体的密度度值，最最后再计计算得到到流体的的质量流流量值。。补偿式质量流流量则量方法法，是目前工工业上普遍应应用的一种测测量方法。质量流量计大大致分为三大大类：1．直接式：即直接检测测与质量流量量成比例的量量，检测元件件直接反映出出质量流量。。2．推导式：即用体积流流量计和密度度计组合的仪仪表来测量质质量流量，同同时检测出体体积流量和流流体密度，通通过运算得出出与质量流量量有关的输出出信号。一、直接式质质量流量计——科里奥利质量量流量计科里奥利质量量流量计(简称CMF)是利用流体在振动管管中流动时，，产生与质量量流量成正比比的科里奥利利力而制成的一种种直接式质量量流量仪表。。如图所示，当当质量m的质点以速度度v在对P轴作角速度为为旋转的管管道内移动时时，质点具有有两个分量的的加速度及相相应的加速度度力：1.法向加速度，，即向心加速速度ar，其量值为2r，方向朝向P轴。2.切向加速度at，即科里奥利利加速度，其其量值为2v，方向与ar垂直。由理论论力学可知，，当某一质量量为m的物体在旋转转参考系中以以速度v运动时，将受受到一个力的的作用，其值值为当密度为的流体在选择择管道中以恒恒定速度v流动时，任何何一段长度x的管道都受到到一个Fc的切向科里奥奥利力二、热式质质量流流量计9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Sunday,December25,202210、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。03:44:3903:44:3903:4412/25/20223:44:39AM11、以我独沈久久，愧君相见见频。。12月-2203:44:3903:44Dec-2225-Dec-2212、故人江海别别，几度隔山山川。。03:44:3903:44:3903:44Sunday,December25,202213、乍见见翻疑疑梦，，相悲悲各问问年。。。12月月-2212月月-2203:44:3903:44:39December25,202214、他乡乡生白白发，，旧国国见青青山。。。25十十二二月20223:44:39上上午03:44:3912月月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月223:44上上午午12月月-2203:44December25,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/253:44:3903:44:3925December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。3:44:39上午午3:44上午午03:44:3912月-229、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。12月-2212月-22Sunday,December25,202210、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。03:44:3903:44:3903:4412/25/20223:44:39AM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2203:44:3903:44Dec-2225-Dec-2212、世间成事事，不求