第4章 流量测量

第四章流量测量瞬时流量与累计流量：4.1

流量测量概述4.1.1流量

单位时间内通过某一既定截面流体的质量qm(kg/s，称质量流量)或体积qV(m3/s，称体积流量，无特殊说明，简称为流量)。

qm＝ρqV工作状态下气体体积流量，换算成标准状态下(t=20℃，p=101325Pa)体积流量。表示：QN。4.1.2流量测量方法1.差压法利用伯努利方程基本原理，通过测量流体差压信号来反映流量的测量法。2.容积法：测量流体在单位时间内流过标准容器的容积度量数来反映流量的测量法，qV=nV；如椭圆齿轮、腰轮流量计、刮板流量计等。3.速度法

根据流体一元流动连续方程，截面上的平均流速与体积流量成正比，因此与流速有关的各种物理现象都可用来度量流量。

如节流式流量计、转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声流量计等。4．质量流量法方法1：

测量流体的体积流量，并根据流体的压力、温度等状态参数对流体密度的变化进行补偿。方法2：测量与流体质量流量有关的物理量（如动量、动量矩等），从而直接得到质量流量。

任何流量计都有其适用范围，即对流体的特性以及管道条件都有特定的要求。①流体必须充满管道内部，并连续流动；②流体在物理上和热力学上是单相的，流经测量元件时不发生相变；③流体的速度一般低于音速。两相流动是工业过程中广泛存在的流动现象。但目前尚无成熟的两相流流量仪器。4.1.3流量测量系统测量系统的动态特性主要取决于传感器。4.1.4流量计的校验与标定

流量是质量或体积对时间的导数，难以按定义直接做出流量单位的标准器。一般在流量不变前提下，使流体连续流入容器内，精确测量流体流动的起、止时间，以及流入容器流体总量，用平均流量代替瞬时流量作为标准。

要求：

在累积时间内，必须保证流量高度稳定，计时和计量足够准确。4.2节流式流量计4.2.1节流装置测量原理及流量方程原理：流体流过流道中节流元件时产生局部收缩，其流速增加，静压降低，根据节流元件前后静压差Δp来计算流量。

截面Ⅰ—Ⅰ是节流装置前流体未受节流装置影响处截面；截面Ⅱ—Ⅱ是流束经过节流装置后收缩最厉害处截面。截面距离很近，可以设定z1=z2忽略可压缩性，则：流束收缩系数连续方程流量系数流束收缩最小截面直径对于不同几何形状的节流元件及不同的取压方式，流量方程中α和ε各不相同，受多种因素影响，由实验求出。标准形式：α和ε的实验数据；保证实验相似的几何相似条件和流体动力学相似条件。使用给出的α和ε值，在规定的误差范围内，根据压差直接计算得到流量。4.2.2标准节流装置国家标准GB2624-2006规定的部分标准节流装置:①标准孔板，角接取压或法兰取压；②标准喷嘴（ISA1932喷嘴），角接取压。其他标准化节流装置:①长径喷嘴；②文丘里管；③文丘里喷嘴。由节流元件、取压设备、节流元件前后直管段组成。2、标准节流元件标准孔板：用不锈钢或其它金属材料制造的薄板，它具有圆形开孔并与管道同心，其直角入口边缘非常锐利，且相对于开孔轴线是旋转对称的。标准孔板的形状如图所示。标准喷嘴：即ISA1932喷嘴。它是一个以管道喉部开孔轴线为中心线的旋转对称体，由两个圆弧曲面构成的入口收缩部分及与之相接的圆筒形喉部所组成。其结构如图所示。取压方式节流元件前后压力差p的值，与取压孔位置和取压方式紧密相关。常见取压方式有以下五种：

(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。如图中l—l位置。(2)法兰取压：上下游侧取压孔轴线至孔板上、下游侧端面之间距离均为25.4±0.8mm（1inch)。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上．如图中2—2位置。(3)径距取压：上游侧取压孔轴线至孔板上游端面距离为1D±0.1D，下游侧取压孔轴线至孔极下游端面距离为0.5D。如图中的3—3位置（D管道直径）。(4)理论取压：上游侧取压孔轴线至孔板上游端面距离为lD±0.1D，下游侧取压孔轴线至孔板下游端面距离因值不同而异。该距离理论上就是流束收缩到最小截面的距离。如图中的4—4位置。(5)管接取压：上游侧取压孔轴线至孔板上游端面距离为2.5D，下游侧取压孔轴线至孔板下游端面距离为8D．如图中的5—5位置．该方法使用很少。标准取压装置国家标准中规定了两种取压装置，即角接取压装置和法兰取压装置。（1）角接取压装置角接取压装置可以采用环室或夹紧环(单独钻孔)取得节流件前后的差压。环室取压和单独钻孔取压

角接取压法兰取压角接取压：比较简便，容易实现环室取压，测量精度较高。法兰取压：结构较简单，容易装配，计算也方便，但精度较角接取压低些。（2）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。标准孔板装置角接取压标准孔板装置法兰取压标准孔板装置标准节流装置的管道条件

标准节流装置的流体条件①满管：流体必须充满管道内部，并连续流动；②单相：流体在物理上和热力学上应是单相的，且流经测量元件时不发生相变；③低于音速：流体的速度一般应低于音速。此外，流体须在圆管内流动，且密度和粘度已知，流速稳定，不存在旋涡，流量变化缓慢，不宜测量脉动流。①节流元件前后直管段结构尺寸要求见P109页表4-1；②尽可能把温度计套管安装在节流元件之后，距离大于5D。4.2.3标准节流装置的参数1.流量系数α与β值、

ReD值以及管道粗糙度有关，管道越粗糙，α就越大。流量系数2.膨胀损失对角接取压标准孔板，可由如下经验公式计算对于标准喷嘴，可按等熵流动过程推导出3．压力损失由流体流经节流元件会产生涡流等原因引起，其大小可按下式估算：4.2.5标准节流装置的使用范围①流体条件：易沉淀、有腐蚀性流体，应采用喷嘴。②管道条件：管道内壁较粗糙，宜采用喷嘴；若用孔板时，应采用法兰取压。③压力损失：孔板的压力损失最大。④运行精度：高参数、大流量状态下，通常采用喷嘴。⑤在同一值下，喷嘴较孔板d大，故测量范围大。⑥与喷嘴相比，孔板的最大优点是加工方便、安装容易、省料、造价低。4.3速度式流量计涡轮流量计、电磁流量计、靶式流量计、涡街流量计、超声波流量计4.3.1涡轮流量计工作原理：利用置于流体中的叶轮受流体冲击而旋转，其旋转角速度与流体速度成比例，通过测量叶轮的转速就能获得体积流量的大小。涡轮磁电转换装置前置放大器信号脉冲频率转速流量流体流量方程：α—涡轮叶片与涡轮轴线夹角；r0—叶轮平均半径；S0—叶栅流通面积；vQ—r0处流体切向速度。磁电法：n的测量有磁电法、光电法、霍尔效应法等。涡轮叶片数为Z，则有：流量系数ξ：机械摩擦和各种阻力作用下，ξ不是常数。流体黏度>5×10-6m2/s，重新标定。反作用力矩相对增大测量精度高，重复性好．基本误差0.25-1.5％之间.测量范围较宽，可测的小流量为40kg/h，最大流量可达16×106kg/h

。惯性小，可用于瞬时流量的测量。温度使用范围广，有的可测－200℃

的低温介质的流量，有的可测400℃介质的流量。输出是数字信号，容易实现流量积算和定量控制，可与调节器、执行器和计算机配套使用。优点：缺点：制造成本高，对被测流体的清洁度要求高。涡轮流量计的安装1、流量计应安装在便于维修且对管道无振动或配管无应力的地点，同时避免受强磁场和强热辐射的影响。信号传输线要采用屏蔽电缆，并应远离动力线。2、流量计要配置前后直管段，上游直管段长15D(D为涡轮流量计直径)以上，下游直管段为4D以上。上游段若加整流器，效果更佳。3、流量计上游段要加装过滤器，以除去流体中的杂质。4、测定容易产生蒸汽的流体时，必须安装气体分离器。5、预计有过大流量情况下，在流量计下游段要安装控制阀门，以限制流体的流量，以免影响流量计轴承的使用寿命。4.3.2电磁流量计1．工作原理流体流量方程

2．电磁流量计的励磁方式（1）直流励磁（2）交流励磁（3）低频方波励磁3．电磁流量计的特点优点：由于变送器内径与管道内径相向，故其测量为无干扰测量，压力损失小；适用于含有颗粒、悬浮物等流体以及腐蚀性介质；测得的体积流量不受温度、压力、密度、粘度等参数的影响；流量测量范围大，流量计的管径2.5mm~2.4m；反应灵敏，可以测量正反方向的流体流量和脉动流量；测量精度为0.5~1.5级。缺点：被测介质必须是导电液体，不能用于气体、蒸汽及石油制品的流量测量；流速测量下限有一定限度，工作压力受到限制；结构比较复杂，成本较高。4．电磁流量计的安装（补充）变送器最好垂直安装，并使流体自下而上通过变送器，若水平安装，则必须保证两电极处于同一水平面上；安装地点应避免有较强的交直流磁场或有剧烈震动；上游直管段大于5D，下游不作要求；变送器输出的电势E是以变送器内液体电位为基准的，为使液体电位稳定并与变送器等电位，变送器外壳、金属管道两端应有良好的接触并接地，转换器外壳也应接地。

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。结构：流量变送器＋显示

可用于低雷诺数、高粘度、含固体颗粒的浆液及腐蚀介质流量测量。4.3.3靶式流量计图4-16靶式流量计工作原理示意图1-靶2-密封膜片3-导流管流体对靶的作用力：流体的动压力；“死水区”和旋涡面造成“抽吸效应”，靶的前后存在静压差，此静压差对靶产生一个作用力；流体流通截面缩小，流速增加，流体与靶的周边产生粘滞摩擦力。，

当流体的雷诺数达到一定数值，阻力系数不随雷诺数变化，而保持常数，因此可得环隙中的流量：流量与靶输出力F的平方根成正比①流量计前后应有必要的直管段，一般表前大于5D，表后大于3D；②流量计一般水平安装，如果必须安装在垂直管道上时，由于重力影响，产生零点漂移，故安装后要重新调整零点；③靶式流量计测量的下限低，其流量系数对脏污介质不敏感，精度约为1级，适用管径0.015~0.2m；④在选用靶式流量计时，应确切了解产品的规范。

靶式流量计的压力损失一般低于节流式流量计，约为孔板压力损失的一半。靶式流量计的安装和使用4.3.4涡街流量计

在流体中垂直于流向插入一非流线形的柱状物体，例如圆柱体或三角柱体，当流速大于一定值时，流体从柱状体分离出来，并在物体之后两侧会交替出现旋涡。两侧的旋涡旋转方向相反，形成旋涡列，这种旋涡列被称作卡门涡街。体积流量圆柱漩涡发生器等边三角形漩涡发生器

卡门从理论上证明：当时，涡街最稳定！漩涡频率的测量方法涡街流量计变送器转换器旋涡发生体旋涡检测器

将旋涡检测器发出的旋涡频率信号放大整形后变换成统一的标准信号(4—20mA)输出，并输出方波脉冲信号供流量积算之用。结构说明：圆柱体表面开有导压孔，与圆柱体内部空腔相通，空腔由隔板分成二部分。现象：当漩涡在圆柱体下侧产生时，出于升力的作用圆柱体下方的压力比上方高，反之当漩涡在圆柱体上侧产生时，上方压力比下方高。漩涡频率的可能检测方案:1.铂电阻丝温度计法2.膜片法3.压电晶体法4.超声波法漩涡频率的检测旋涡发生体的检测电路三角柱涡街流量计涡街流量计的安装1、涡街流量计送器安装地点应特别注意避免机械振动，尤其这意避免管道振动；2、变送器可安装在水下或垂直的管道上使用，被测流体流向要与变送器上的标志一致，垂直安装变送器应选液体自下而上流动的管道安装，以保证满管流动和不受气泡影响。3、为保证流体流过旋涡发生体时能达到产生稳定涡街所必要的流动条件，要求旋涡发生体下游直管段长度不小于5D，上游直管段要求如下表所示。4、变送器安装管段最好加装旁路管及必要的阀门。优点：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；涡街流量计测量精度较高，可达1级；量程比宽，可达30~100:1；使用寿命长，压力损失小，安装与维护比较方便；易与数字仪表或计算机接口；对气体、液体和蒸汽等介质均适用。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。涡街流量计的特点LUGB型涡街流量传感器采用国际先进技术而特别设计LUGB型涡街流量传感器，性能更稳定，抗振性能更好，是替代差压式(如孔板等)和其他流量传感器量理想的流量传感器。主要特点：无可动部件，长期运行可靠性较高，输出信号是与流量成正比的脉冲信号，无零点漂移，方便同计算机联网；量程比大，可达1：10，而差压式流量计只有1：3；在一定的雷诺数内，输出的频率不受流体物性和组分的变化影响，测量精度高；压力损失较小，结构简单而牢固，安装、维护较方便。主要用途：1、

生产企业：

①车间能源考核：测量蒸汽、压缩空气、水等；②生产工艺过程：测原材料等；2、能源供给单位：测量蒸汽、热水、自来水等。

当超声波在流体中传播时，会载带流体流速的信息。因此，根据对接收到的超声波信号进行分析计算，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，传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速－液面法。

4.3.5超声波流量计在测量管道中，装两个超声波发射换能器F1和F2以及两个接收换能器J1和J2，F1J1和F2J2与管道轴线夹角为a，管径为D，流体由左向右流动，速度为v，此时由F1到J1超声波传播速度为F2到J2超声波传播速度为：

测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到到被测流体的流速。一、传播速度法时差法（测量顺、逆流传播时由于超声波传播速度不同而引起的时间差）；相差法（测量超声波在顺、逆流中传播的相位差）；频差法（测量顺、逆流情况下超声脉冲的循环频率差）。时差法就是测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差1、时差法——按顺流方向，超声波到达接收器时间——按逆流方向，超声波到达接收器时间缺陷：必须已知声速c，并且声速常随着温度的变化而变化，给测量带来测量误差。因此需要进行声速修正。DCT7088便携式时差流量计

宝丽声DCT7088是目前先进的便携式时差流量计，主要针对干净液体设计，主要参数:

流速范围：±0～15m/s精度：流速大于0.3m/s时±0.5%流速流速小于0.3m/s时±0.01m/s

线性：0.9mm/s灵敏度：0.3mm/s管径范围：25～5000mm

显示：两行40字符LCD背光显示探头温度：-40～150℃存储：65000个重量：4.9kg2、相差法所谓相差法，既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．超声波换能器3、频差法频差法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频率之差来测量流量的。顺流时脉冲循环频率逆流时脉冲循环频率层流紊流结论：流速只与频率差有关，与声速无关，消除了声速的影响

多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动，会引起反射声波与声源在频率上的变化，这种频率变化正比于运动目标和静止的换能器之间的相对速度。二.多普勒法利用声学多普勒原理确定流体流量。物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移blueshift）；当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移redshift）；波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。

从发射晶体T1发射的超声波束遇到流体中运动着颗粒或气泡，再反射回来由接收晶体R1接收。发射信号与接收信号的多普勒频移与流体流速成正比。多普勒法原理超声波流量计的特点优点：流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没有压力损失；能用于任何液体，也能测量气体的流量；非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量；量程比较宽，可达5：1；输出与流量之间呈线性等优点。缺点：只能用于测量200℃以下的流体；结构复杂，成本较高。

4.4

容积式流量计容积式流量计是以单位时间内所排出的流体容积相对于固定容积的数目作为测量依据的仪表。属于这一类的流量计有腰轮流量计、刮板流量计等。由于直接测量流体的体积，在理论上，所测流量与流体的粘性、密度和流态无关。测量流体体积是一种常用来标定一般流量计的方法。容积流量计精度可达到0.1%~0.5%；容积式流量计常用于流体性质变化大而测量精度要求高的石油、食品和化工行业。

每转一周，四个相同月牙形腔（测量室）被形成、被封闭、被传送、被卸出。两个齿轮共送出4个标准容积的流体。1）椭圆齿轮流量计粘度愈大的介质，从齿轮和计量空间隙中泄漏出去的泄漏量愈小，因此被测介质的粘度愈大，对测量愈有利。2）腰轮流量计（罗茨流量计）

工作原理与椭圆流量计相同，只是转子不是椭圆齿轮，而是一对由圆弧和摆线围成的中间凹进的腰形光轮，形成菱角形测量室。可用于液体、气体流量测量。3)

刮板流量计刮板流量计工作原理示意图1—凸轮2—壳体3—刮板4—滚子5—转子6—挡板

转子在流量计进、出口差压作用下转动，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n份固定体积的流体，由转子的转数就可以求得被测流体的流量。特点：计量精度高，基本误差一般为±0.5％，特殊的可达±0.2％或更高。通常在昂贵介质或需要精确计量的场合使用。

可用于高粘度流体的测量。范围度宽，一般为10：1到5：1，特殊的可达30：1或更大。

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。

1.在工业生产中，由于物料平衡，热平衡以及储存、经济核算等所需要的都是质量，并非体积；2.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，设备复杂，测量耗时；3.密度随温度、压力而变化，在温度、压力变化比较频繁的情况下，难以达到测量的目的。

用质量流量计来直接测量质量流量，则无需再进行上述人工换算。

4.5

质量流量计质量流量计大致分为三大类：

1

直接式

2

推导式

3

补偿式

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。1.直接式质量流量计直接式质量流量计有两种：1)科里奥利质量流量计2)热式质量流量计1)

科里奥利质量流量计

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及相应的加速度力。法向加速度：即向心加速度ar，其量值为2r

，方向朝向P轴。切向加速度at：即科里奥利加速度，其量值为2v

，方向与ar垂直。1)科里奥利质量流量计科里奥利力：

当密度为的流体在旋转管道中以恒定速度v流动时，任何一