第05章 流体流量及压力检测技术

热加工测控技术电子教案—第5章材料科学与工程学院2023/2/2第5章流体流量及压力检测技术2本章知识构架2023/2/25.1流体流量及流量计的分类5.1流体流量及流量计的分类5.1.1流量的概念5.1.2流量计分类2023/2/25.1.1流量的概念累积流量瞬时流量体积流量质量流量重量流量流量：指一段时间内的总流量指单位时间内通过管道横截面的流体的量体积流量(qV)是以体积计算的单位时间内通过的流体量，在工程中可用L/h或m3/h等单位表示。假设被测管道内某个横截面的截面积S为A(m3)，取其上的面积微元dS，对应流速为v(m/s)，则：

在工程中为了解决流体中各点速度往往不相等的问题，设定截面S上各点有一个平均流速，则有：质量流量(qm)是以质量表示单位时间内通过的流体量，工程中常用kg/h表示。显然，质量流量qm等于体积流量qv与流体密度ρ的乘积。2023/2/25.1.2流量计分类用于流量测量的仪器仪表统称为流量计按测量原理分类，流量计主要可分为差压式、速度式和容积式等三种。输出信号与流体差压有关的称为差压式流量计；与流体速度成正比的称为速度式流量计。

差压式流量计是利用流体力学理论来测量流体流量的仪表，通过在管道中放置的节流元件将流量信号变为节流元件前后的差压信号，即以差压信号输出来反映被测流量的大小，如节流式流量计、均速管流量计、楔形流量计、毕托管流量计等都属于差压式流量计。

速度式流量计一般通过测量管道中流体截面平均流速来测得流体流量，典型的速度式流量计有涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声流量计、激光流量计等。

容积式流量计是利用机械测量元件把流体连续不断地分隔成固定体积并进行累加而计量出流体总量的仪表。如腰轮流量计、椭圆齿轮流量计、刮板流量计、活塞流量计等。2023/2/2流量计分类几种常用的流量计如图5.1所示图5.1常用流量计实物图(a)匀速管流量计(b)涡街流量计(c)涡轮流量计(d)电磁流量计(e)浮子流量计2023/2/25.2常用流量计5.2.1毕托管流量计5.2.2涡街流量计5.2.3涡轮式流量计5.2.4电磁流量计5.2.5浮子式流量计5.2常用流量计2023/2/25.2.1毕托管流量计毕托管流量计属于差压式流量计的范畴。它的使用量大概占整个流量仪表的60%～70%。毕托管流量计是法国工程师毕托发明的，又称为动压测定管，其工作原理见图5.2。与管1相通的型管右方液体将受到全压力的作用，全压力为静压力与动压力（速度压力）的总和，而与管2相通的型管左方液体只受到静压力作用。型管液面差h表示了管1和管2之间的压力差，即：由流体力学可知，流体流速与动压间遵循如下关系：因此，流过截面为的管道的流体流量量为：图5.2毕托管工作原理2023/2/25.2.2涡街流量计图5-3涡街流量计测量原理原理：涡街流量计是建立在卡门涡街原理基础上，其主要部分是检测棒。根据卡门的研究，当流体流过检测棒时，在其后方产生交叉的旋涡列。由于旋涡列在检测棒两侧交替出现，有旋涡侧与无旋涡侧之间就有了压差。因此，当流体由于旋涡出现而通过导压孔来回移动时，电热丝将受到断续的冷却，冷却的次数与旋涡的频率相当。如果把电热丝作为不平衡电桥的一臂，则电桥可输出与旋涡列频率相当的电脉冲，将这一脉冲信号放大、滤波、整形即可由频率计测出旋涡频率。2023/2/2涡街流量计一般情况下，交叉旋涡列是稳定的。每一列旋涡的频率ƒ与流体的流速v和旋涡发生体的直径d存在如下关系：式中，St为斯特劳哈尔数，当雷诺数Re在500~150000内时，它基本上是常数St=0.2。显然，当d一定时，旋涡产生的频率ƒ与流体流速v成正比，由ƒ即可计算出流量。

涡街流量计结构简单，管道中无可动部件，运行可靠，安装、维护方便。但是，它也有局限性：两相流、脉动流对测量有影响，在某些情况下可能难以形成旋涡，不宜用于高粘度、低流速、小管径的流体测量。2023/2/25.2.3涡轮式流量计图5-4涡轮流量计原理图式中，K为涡轮流量计的仪表系数，其数值可由实验标定得到。因此，只要用频率计测出脉冲信号的频率，即可算出流体流量。

涡轮的轴装在管道的中心线上，流体轴向流过涡轮时推动叶片使涡轮转动，而实践表明流量与涡轮转动角速度成正比，涡轮转速可以采用机械的、磁感应的、光学的方式检测，目前多用磁感应方法，如可采用永久磁铁，涡轮的转动使得每片叶片都会周期性地扫过磁铁，磁路磁阻发生变化，通过线圈的磁通量发生变化，在线圈中感应并输出与流量成正比的交流脉冲信号，信号频率与流量之间有如下关系：原理2023/2/2涡轮式流量计涡轮流量计具有反应迅速、重复性好、精度高的优点，是所有流量计中最精确的流量计；无零点漂移，抗干强；可耐高压，适用温度范围宽；结构紧凑。但是涡轮流量计的使用也会受到一定的限制，如：由于流量计内部有转动部件，易被流体中的颗粒及污物堵住，因此只能用于清洁流体测量，且流量计前面要加过滤装置；流量计读数易受流体粘度和密度的影响，只能在一定的雷诺数范围内保证测量精度，不能用于测量高粘度的流体流量。特点2023/2/25.2.4电磁流量计电磁流量计中，在一段不导磁测量管两侧安装上一对电磁铁，产生一个均匀分布的磁场，磁感应强度为B，见图5.5，则管内以速度流动的导电性液体就相当于切割磁力线的导体，如果沿管道截面与磁场垂直方向上在外管壁两侧安装一对电极，那么流体切割磁力线的长度就是两个电极间的距离，也就是管道内经，则电极中的感应电动势为：由于积流量与有如下关系，即：图5.5电磁流量计测量原理

原理可见，体积流量与成e正比，而当磁感应强度B为恒定值时，在测量电极上就可以得到与流量成正比的电动势。

2023/2/2电磁流量计图5.6电磁流量计传感器结构

结构特点：电磁流量计不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响，测量管内无阻碍流动部件，不易阻塞，无压力损失，测量范围大，可选流量范围宽，满度值流速可在0.5～10m/s内选定，零点稳定，精确度较高。缺点是不能测量气体、蒸汽和石油制品等的流量；由于衬里材料的限制，一般使用温度为0～200℃。由传感器和转换器两部分组成。传感器典型结构见图5.6，测量管上下装有励磁线圈，通励磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电动势送到转换器，励磁电流则由转换器提供。转换器将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成与流量信号成正比的标准信号输出，最终完成显示、记录和调节控制等功能。2023/2/2浮子式流量计是由一根自下向上扩大的垂直锥管和一个可以上下自由浮动的浮子所组成，见图5.7。被测流体从下向上运动，流过由锥形管和浮子形成的环隙。由于浮子的存在产生节流作用，故浮子上下端形成静压力差，使浮子受到一个向上的力。作用在浮子上的力还有重力、流体对浮子的浮力及流体流动时对浮子的粘性摩擦力。当作用在浮子上的这些力平衡时，浮子就停留在某一个位置，如果流体增加，流过环隙的流体平均流速会加大，浮子上下两端的静压差增大，浮子所受的向上的力会增加，使浮子上升，导致环隙增大，即流通截面积增大，从而使流过此环隙的流速变慢，静压差减小。当作用在浮子上的外力又重新平衡时，浮子就稳定在新的位置上，浮子的高度或位移量与被测介质的流量有着一定的对应关系：5.2.5浮子式流量计图5.7浮子式流量计由此可见，体积流量与浮子在锥形管中的高度近似成线性关系，流量越大，浮子所处的平衡位置越高。原理2023/2/2浮子式流量计浮子流量计具有结构简单、工作可靠、压力损失小的特点，可连续测量封闭管道中的气体、液体的体积流量，尤其适合用于小流量的测量场合。一般测量精度为1.5%~2.5%，输出近似线性。浮子式流量计必须垂直安装，使流体自下而上流动，不应有明显的倾斜。流量计前后应有截断阀，并安装旁通管道。浮子式流量计一般在出厂时，其刻度是按标准状态下的水或空气标定的。如果在实际使用中的测量介质或条件不符合出厂时的标准条件，就要考虑测量介质的重度、温度的变化产生的影响。使用特点2023/2/25.3流量计的选用目前使用的流量计有上百种，除了前面介绍的几种流量计外，还有基于力平衡原理的靶式流量计、基于热学原理的热线风速计、基于动压原理的均速管流量计及质量流量计等。流量计及流量检测方法之所以有很多，主要原因是因为流量检测对象的复杂性和多样性，如被测介质的物性、工作条件、测量范围等。面对这样复杂的情况，不可能用几种方法就能覆盖如此宽的范围。不同的检测仪表适用于一定的被测介质和范围，所以流量检测仪表的选择除了要满足流量测量范围外，还要明确仪表的其他使用条件。要充分地研究测量条件，根据仪表的性能、管道尺寸、被测流体的特性、被测流体的状态（气体、液体或蒸汽）、流量计的测量范围，以及所要求的精确度来选择流量计。2023/2/25.4流体压力及压力测量方法分类绝对压力：相对于绝对真空而测得的压力表压力：绝对压力与当地大气压力之差真空度：习惯上把负表压称为真空度压力压力测量方法液体压力平衡原理测压法机械力平衡原理测压法弹性力变形原理测压法其他物理特性测压法压电效应测压法压电阻原理测压法热导原理测压法电离真空测量原理测压法液柱压力计法活塞压力计法2023/2/2压力测量方法分类1.液体压力平衡原理测压法液体压力平衡原理测压法是通过液体产生的压力，或传递压力来平衡被测压力的原理进行压力测量的方法，它又可分为液柱压力计法和活塞压力计法。液柱压力计法利用液柱产生的压力与被测介质压力相平衡的原理。它的原理简单、工作可靠、种类各异，为了满足不同的测量要求，工作液体常用水银、水、酒精、甲苯等。活塞式压力计法利用液体传递压力的原理，通常把它作为标准压力发生器，用来校准其他压力仪表。2.机械力平衡原理测压法机械力平衡原理测压法是将被测压力通过某种转换元件转换成一个集中力，然后用一个大小可调的外界力来平衡这个未知的集中力，从而实现对压力的测量。3.弹性力变形原理测压法弹性力变形原理测压法是利用多种形式的弹性元件在受到压力作用后会产生弹性变形，根据弹性变形的大小来测量压力。2023/2/2压力测量方法分类4.其他物理特性测压法①压电效应测压法。利用压电晶体在压力作用下晶格变形来做压力传感器。②压电阻原理测压法。这是利用一些金属或合金在压力直接作用下电阻本身发生变化的原理来测量压力的方法。③热导原理测压法。利用气体在压力降低时，导热系数变小的原理宋测量真空度。④电离真空测量原理测压法。这是根据带有一定能量的质点通过稀薄气体时，可使气体电离的原理，利用对离子数计数来测量真空。2023/2/25.5常用压力计5.5.1液柱式压力计5.5.2活塞式压力计5.5.3

弹性压力计5.5.4

真空计5.5常用压力计2023/2/25.5.1液柱式压力计显然，在相同压力下，L值随α角减小而扩大，故便于测量微小压力的变化

2023/2/25.5.2活塞式压力计活塞式压力计应该范围广、结构简单、稳定可靠、准确度

高、重复性好，可测量正负压力计绝对压力。既是检验、

标定压力表和压力传感器的标准仪器之一，又是一种标准

压力发生器，在压力基准的传递系统中占有重要的地位。活塞式压力计是根据静力学平衡原理和帕斯卡定律设计而

成的，由于采用标准砝码产生重力来平衡被测压力负荷，

因此又被称为静重活塞式压力计2023/2/2活塞式压力计结构示意图及实物图如图5.9所示，主要由压力发生部分和压力测量部分组成。压力发生部分：手摇泵3，通过加压手轮1旋进丝杠2，推动工作活塞4挤压工作液，经工作液传给测量活塞7。工作液一般采用洁净的变压器油或蓖麻油等。测量部分：测量活塞7上端的砝码托盘8上放有荷重砝码9，活塞7插入活塞筒6内，下端承受手摇泵3挤压工作液所产生的压力P。当作用在活塞7下端的油压与活塞7、托盘8及砝码9的质量所产生的压力相平衡时，活塞7就被托起并稳定在一定位置上，这时压力表的示值为：2023/2/2活塞式压力计重力

加速度

空气浮力

温度变化

影响

因素当环境温度不是20℃时，应引进如下温度修正因子重力加速度与所在地的海拔、纬度有关，可用下式计算考虑空气对砝码产生浮力的影响误差分析2023/2/25.5.3弹性压力计弹性压力计是以弹性元件受压产生弹性变形作为测量基础的，不同材料、不同形状的弹性元件适配于不同场合、不同范围的压力测量。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等，图5.10为一些弹性元件的示意图。图5.10弹性元件示意图弹性元件2023/2/2弹性压力计弹簧管压力计的敏感元件是弹簧管，弹簧管弯成圆弧形的空心管子，其中一端封闭为自由端、另一端开口为输入被测压力的固定端，见图5.11。当开口端通入被测压力后，非圆横截面在压力作用下将趋向圆形，并使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变中心角。

图5.11单圈弹簧管结构弹簧管2023/2/2弹性压力计弹簧管压力计的结构见图5.12。被测压力由接头通入，迫使弹簧管的自由端产生位移，通过拉杆使扇形齿轮作逆时针偏转，于是指针通过同轴的中心齿轮的带动而作顺时针偏转，在面板的刻度标尺上显示出被测压力的数值。图5.12弹簧管压力计结构弹簧管压力计结构2023/2/25.5.4真空计真空度测量是指在低于大气压的条件下，对气体全压的测量。真空计是测量低于大气压的气体全压的仪器。按其工作原理它可分为绝对真空计和相对真空计两种。绝对真空计直接测量压力的高低，如压缩式真空计；相对真空计只能测量与系统压力有关的物理量，再通过比较间接获得，如热导式真空计和电离式真空计等。2023/2/2在进行测量以前主导管4上端两支路全与被测空间相通，均处于被测压力p下。开始测量时，通过进气阀2逐渐提高容器3中的压力，使水银液面沿着管4上升，超过分支点高度M-M后继续升高，由于毛细管6上端封闭，因此容器5与管6中的气体被压缩，使得两毛细管6、7中产生压差，这个压差见图5.13中h。如果管内气体为理想气体，可以认为压缩是在等温条件下进行的，符合波义耳定律，压缩前容器5与压缩后管6中被测气体的绝对压力和与其占有体积和的乘积值保持不变，即：真空计由此可知，被测压力p与压差h成正比。但是，工作液体水银对人体有害，操作也较复杂。图5.13压缩式真空计1-进气管2-真空阀3-汞储存器4-主导管

5-玻璃泡6-毛细管7-毛细连通导管8-直通导管1.压缩式真空计2023/2/2真空计为了测量气体的热导率随气压的变化，将一个通有电流I的电阻元件R（热丝）放入被测空间中，当热平衡时，输入的能量为辐射传导热量Qr、热丝传导的热量QL和气体传导的热量Qc之和。由此可见，通过热辐射散发出的热量QR和热丝传导的热量QL均与气体压力大小无关，因此，当气体压力下降造成其导热系数变低时，在相同功率加热下的热丝自身温度将会因此而上升，这样热丝温度与被测气体压力之间将存在定量关系。根据测定热丝温度的方法不同，热传导真空计可分为热电偶真空计和电阻真空计等。2.热传导真空计的原理2023/2/2真空计热电偶真空计的结构见图5.14，图中F是加热丝（铂丝），J是热电偶（康铜-镍铬丝）。多数热电偶真空计是按定流型的方式工作的，即加热电流为常数。因加热丝F的温度是随压力而变化的，所以可以用热电偶J来测量热丝温度，此时输出的信号为热电势E。图5.14热电偶真空计结构热传导真空计的优点是可以测出绝对压力，仪器的构造简单，可实现连续自动测量记录；当真空系统发生突然漏气事故时也不至于损坏仪器。缺点是对于不同的气体，仪表的分度不同。此外，该类仪表具有较大的热惯性。热传导真空计的结构2023/2/2真空计图5.15是圆筒型电离真空计的原理图。真空计中心热阴极F的电位为零，栅极G的电位VG为正，收集极C的电位VC为负。从F上发射的电子在VG的作用下飞向G，越过G趋向C，在G、C之间的排斥电场的作用下电子逐渐减速。在速度变为零后，电子再次反向飞向G，再越过G而趋向F，又在G、F之间排斥电场的作用下逐渐减速。在速度降至零后，电子再一次反向飞向G。在这样的往返运动中，电子不断地与气体分子碰撞，把能量传递给气体分子，使气体分子电离，最后被栅极捕获。在G、C空间产生的正离子被收集极C接收，形成离子流。离子流与气体压力p有如下关系：图5.15圆筒型电离真空计原理图圆筒型电离的原理由于各种气体的电离电位是不相同的，所以电离真空计的常数K与气体种类有关。同时还与真空计的结构和电参数有关。2023/2/2真空计圆筒型电离真空计具有同轴的电极结构，电极尺寸和位置容易保证，又由于外圆筒的屏蔽作用使真空计性能稳定，不受玻壳电位影响。许多国家已把它作为真空测量的副标准。圆筒型电离真空计的量程一般为10-1~10-5Pa，在此量程内，离子流I+与压力p之间具有线性关系。圆筒型电离真空计的测量下限为10-5Pa，如果低于此压力，由于X射线的作用，会使离子流I+与压力p之间的关系严重偏离线性。电离真空计的栅极在接受具有一定能量的电子流以后，要发射软X射线。此软X射线照射到离子收集极上，将引起收集极发射电子流。由于这部分电子流的方向与离子流的方向相反，所以在离子流测量回路中叠加了一个与压力无关的剩余电流，这就是所谓电离真空计的X射线效应。因为与圆筒型电离真空计中的剩余电流相对应的等效压约为10-6Pa，所以用圆筒型电离真空计测量10-5Pa的压力时将引起10%的误差。2023/2/2真空计B-A真空计图5.16B-A真空计B-A真空计（见图5.16）采用直径为0.1mm的钨丝作离子收集极，使接受X射线的面积降低了1000倍，因而使光电流也降低了1000倍。此外，B-A真空计把离子收集极装在栅极中心，把灯丝装在栅极外侧，在栅极和收集极之间形成对数曲线分布的电场，进入栅极空间的电子能在栅极和收集极之间99%的空间内产生电离作用，从而提高了电子电离气体的效率，也就提高了真空计的常数。故B-A真空计的测量下限能延伸到10-8Pa。2023/2/2真空计B-A真空计具有量程宽、测量下限低以及电极结构容易除气等优点，因而是一种优良的超高真空计。

B-A真空计与圆筒型电离B-A真空计相比，有如下缺点：①

B-A真空计的灯丝装在栅网外侧，两者之间距离很小，因此灯丝安装尺寸的精度对K的影响较大。经验指出，在同一B-A真空计中，对于两根不同的灯丝，K值可有10%的偏差；同批B-A真空计之间的灵敏度偏差可达20%。②

B-A真空计的玻璃壳电位对真空计常数影响较大，而圆筒型电离真空计由于筒状收集极的屏蔽作用，其玻璃壳电位对真空计常数没有影响。B-A真空计特点2023/2/25