第07章流量测量2

第7章流量测量7.1流量测量概述7.2节流式流量计7.3速度式流量计7.4容积式流量计7.5质量流量计7.6两相流的流量测量7.3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7.3.1涡轮流量计1、工作原理与结构将涡轮置于被测流体中，流体冲动涡轮叶片转动，涡轮转速n与流体体积流量Q满足一定关系。从而测得n便可知体积流量。水平螺翼式水表机芯流量方程

设涡轮叶片与涡轮轴线夹角为，叶轮平均半径为r0，叶栅流通面积为S0，r0处流体的切向速度为vQ，则：流体切向流速流体平均流速

叶片角度涡轮流量(7-43)转速n的测量方法有磁电法、光电法、霍尔效应法等。目前我国生产的涡轮流量计通常采用磁电法。磁电法原理：当用铁磁材料制成的叶片旋转通过固定在壳体上的永久磁钢时，磁钢磁路中磁阻发生周期性的变化，从而使在永久磁钢外部的线圈感生出交流电脉冲信号，设涡轮叶片数为Z，则脉冲信号的频率f为：ξ—涡轮流量计的流量系数体积流量：(7-46)2、流量系数体积流量的表达式忽略了涡轮转动过程中的机械摩擦和各种阻力。流体冲击叶片产生旋转力矩时，需要克服流体沿叶轮表面流动时产生的粘滞摩擦力矩M1、涡轮轴与轴承间的摩擦力矩M2以及电磁反作用力矩M3等阻力。因此，Q和n并不是完全的线性关系，流量系数也不是常数。n、与Q的关系分别如上图所示。曲线出现峰值主要是由于反作用力矩相对增大。为使流量计有较宽的线性范围，除在设计流量计时保证结构参数合理以及减小轴与轴承的摩擦阻力外，流体的粘度是一个主要考虑因素。对于液体，粘度越大，线性范围越小；对于测量液体的流量计，制造厂给出的值是在常温下用水进行标定，因此只适用于具有与水相似粘度的流体，如实际流体粘度大于5×10-6m2/s，须重新标定。涡轮用导磁的不锈钢材料制成，其叶片数量根据口径不同而不同，有3片、4片、6片等。图7-9所示的导流器的作用是使流体到达涡轮前先进行整流，消除旋涡，以保证仪表精度；图7-9中1~5部分做成一个整体，称为变送器。3、涡轮流量计的特点和使用优点:测量精度高，刻度线性，复现性和稳定性均好，基本误差为±(0.1~0.2)%；量程范围宽，量程比可达(10~20):1；耐高压，压力损失小；对流量变化反应迅速，可测脉动流量；抗干扰能力强（频率信号），信号便于远传。缺点:制造成本高，对被测流体的清洁度要求高。使用场合：涡轮流量计主要用于量精度要求高、流量变化快的场合，还用作标定其他流量的标准仪表。如何使用？安装位置应避免振动，避免强磁场及热辐射，上下游应保证有足够的直管段(上游为20D，下游为5D)，否则需用整流器整流。流体应严格清洁，必要时加装过滤器。变送器水平安装。使用中应保证变送器前一定的流体压力，防止变送器内的气蚀。温度变化会引起流量计金属材料的热胀冷缩，使转速变化，夏季和冬季可相差0.2％，须考虑其对测量精度的影响。7.3.2电磁流量计1、工作原理和结构基于法拉第电磁感应原理，如右图。当被测导电流体在磁场中沿垂直于磁力线方向流动而切割磁力线时，在对称安装在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，此电势与流速成正比。流体流量方程B：为磁感应强度D：管道内径u：流体平均流速E：感应电势电磁流量计的结构1)．直流励磁直流励磁方式用直流电产生磁场或用永久磁铁产生恒定的均匀磁场；直流励磁变送器的最大优点是受交流电磁场干扰影响很小，可以忽略液体中的自感现象对测量结果的影响。直流磁场易使通过测量管道的电解质液体被极化（电解质在电场中被电解成正负离子，在电场力的作用下，负离子向正极运动，正离子向负极运动）。将导致正负电极分别被相反极性的离子所包围，严重影响仪表的正常工作．直流励磁一般只用于测量非电解质液体，如液态金属等．

2、电磁流量计的励磁方式

2)、交流励磁工业上使用的电磁流量计，多采用工频电源(50Hz)交流励磁方式，由正弦交变电流产生交变磁场。交变磁场变送器的优点是消除电极表面的极化干扰；由于磁场是交变，所以输出信号也是交变信号。

3)、低频方波励磁直流励磁方式和交流励磁方式各有优缺点，为了充分发挥它们的优点，尽量避免它们的缺点，人们开始采用低频方波励磁方式，它的励磁电流波形如图所示，其频率通常为工频的1/4~1/10．在半个周期内，磁场是恒稳的直流磁场，它具有直流励磁的特点，受电磁干扰影响很小;从整个时间过程看，方波信号又是一个交变的信号，所以它能克服直流励磁易产生的极化现象;因此，低频方波励磁是一种比较好的励磁方式，目前已在电磁流量计上广泛的应用．3、电磁流量计的特点优点：变送器与管道内径相同，测量为无干扰测量，压力损失小；适用于含有颗粒、悬浮物的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要求，工作压力受到限制；结构比较复杂，成本较高。4、电磁流量计的安装为保证导管内充满液体面不产生气泡，变送器最好垂直安装，并使流体自下而上通过变送器；若由于条件限制，只允许水平安装时，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，下游无要求；变送器输出的电势E是以变送器内液体电位为基准，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。7.3.3靶式流量计1、工作原理和流量方程靶式流量计主要应用于高粘度、低雷诺数、含固体颗粒的浆液及腐蚀介质流量测量。结构简单，安装维修方便，成本低。其敏感部分是一个圆盘形靶。流体流动时，质点冲击在靶上，使靶产生微小的位移，此微小位移(或流体对靶的作用力)反映了流量的大小，其工作原理如图7-15所示。流体对靶的作用力流体对靶的3种作用力：流体对靶的直接冲击力，在靶板正面中心处，其值等于流体的动压力；靶的背面由于存在“死水区”和旋涡面造成“抽吸效应”，使该处的压力减小，因此靶的前后存在静压差，此静压差对靶产生一个作用力；流体流经靶时，由于流体流通截面缩小，流速增加，流体与靶的周边产生粘滞摩擦力。在流量较大时，前两种力起主要作用，而且它们是在同一流动现象中产生的，二者方向一致，可看做一个力，其值为F为靶受到流体的阻力；K为阻力系数；A0为靶迎流面积，d为靶直径；v为靶和管壁间环面积中的平均流速；为介质密度。（7-50）定义K=K-1/2，=d/D，则：(7-53)流量与靶输出力F的平方根成正比．(7-52)流量2、流量系数和压力损失由流量方程可知，当被测介质密度及靶的几何尺寸确定后，流量计的精度主要取决于流量系数K的精度。流量系数K与靶的形状、管道直径D、直径比及雷诺数ReD等因素有关。临界雷诺数Reg实验证明，对于圆盘形靶，当流量超过某一界限时，K趋于恒定，此时的管道雷诺数称为临界雷诺数Reg

，它决定了流量计的测量下限。当雷诺数低于Reg时，由于粘滞摩擦力的影响相对增大，K将随雷诺数的变化而改变。靶式流量计的压力损失靶式流量计的Reg值可低至2000，比节流元件要求的最小雷诺数低得多，这是靶式流量计适于测量高粘度、小流量的原因。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。3、靶式流量计的安装和使用①流量计前后应有必要的直管段，一般流量计前大于5D，流量计后大于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，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K对脏污介质不敏感，精度约为1级，适用管径0.015~0.2m；④表7-2给出了国产部分电动靶式流量计的规范，注意对其能测量流量的最大值Gmax或Qmax需进行相应的换算。7.3.4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，称为漩涡发生体。在该漩涡发生体两侧会产生旋转方向相反、交替出现的漩涡，并随着流体流动，在下游形成两列不对称的漩涡列，称之为“卡门涡街”，如图体积流量方程

ƒ —每一列漩涡产生的频率

D —管道内径

d —直径漩涡发生体的特征尺寸

m －截面积比，m=A1/ASt —斯特罗哈尔数（7-57）对于圆柱体漩涡发生体，可得圆柱漩涡发生器ReD=104～105St=0.21等边三角形漩涡发生器ReD=104～5×105St=0.162、漩涡频率的测量方法在三角柱体的迎流面对称地嵌入两个热敏电阻组成电桥的两臂，以恒定电流加热使其温度稍高于流体，在交替产生的漩涡的作用下，两个电阻被周期地冷却，使其阻值改变，阻值的变化由桥路测出，即可测得漩涡产生频率，从而测出流量。三角柱涡街检测器3、涡街流量计的安装装漩涡发生体时，应使其轴线与管道轴线垂直。对于三角柱、梯形或柱形发生体，应使其底面向着流束，底面法线应与管道轴线重合，其夹角最大不应超过5°。4、涡街流量计的特点优点: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，安装维护方便；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；7.3.5超声波流量计超声波测流量的作用原理有传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速—液面法等多种方法。超声测速原理1、传播速度法测量原理传播速度差法的基本原理为：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。根据测量的物理量的不同，可以分为：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)。频差法是目前常用的测量方法．1)时差法时差法就是测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差。流体流速

t1-按顺流方向，超声波到达接收器时间t2-按逆流方向，超声波到达接收器时间2)相差法相位差法是把时间差转换为超声波传播的相位差来测量。超声波换能器向流体连续发射超声波脉冲。按顺流方向发射时收到的信号相位按逆流方向发射时收到的信号相位式中为超声波的角频率。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测量流速（流量）。顺流时脉冲循环频率：

逆流时脉冲循环频率：

脉冲循环频差：

流体流速:截面平均流速和流速u的关系：

层流：紊流：

流体的体积流量方程为：流量方程2、多普勒法测量原理根据多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。超声多普勒法流量测量原理频率的变化与两者之间的相对速度成正比。超声波流量计的特点与应用超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示系统组成。超声波换能器通常由锆钛酸铅陶瓷等压电材料制成，通过电致伸缩效应和压电效应，发射和接收超声波。超声波换能器在管道上的配置方式7.4容积式流量计腰轮流量计刮板流量计容积流量计的性能分析容积流量计概述测量原理：用一个固定容积的容器周期性地吸入、排出等量体积的流体、测量流体流量。连续计量流体体积。直接测量流体的体积，所测流量与流体的粘性、密度和流态无关。精度高，可达到0.1～0.5％；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。7.4.1腰轮流量计腰轮流量计又称罗茨流量计，其工作原理如图7-18。腰轮流量计的转子是一对不带齿的腰形轮，在转动过程中两腰轮不直接接触而保持微小的间隙，依靠套在壳体外的与腰轮同轴上的啮合齿轮来完成驱动。7.4.2刮板流量计工作原理：在进、出口压差作用下，转子转动，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；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。

凸轮式刮板流量计刮板流量计原理图7.4.3容积流量计的性能分析容积流量计的计量误差主要来源主要来源：漏流所产生的误差漏流量取决于流量计结构，主要有：转子之间和转子与壳体之间间隙的几何形状；流体的力学性质；进出口的压力差。粘度对测量结果的影响相对漏流量取决于p/，而p∝f(,Q)，即压力损失也正比于粘度，因此对其一给定的流量计，粘度对相对漏流量影响比较小。图7-20是一腰轮流量计测量几种液体的误差曲线和对应的压力差，该流量计用水标定;在量程(1.5~8.0m3/h)范围内的精度较高。用于粘度相差较小的轻柴油或洒精等液体时，测量误差不大；如果要用于粘度与水相差比较大的液体，而测量精度要求较高时，则需要重新标定。7.5质量流量计质量流量计简介微小流量流量计——量热式流量计直接式质量流量计——哥式力流量计差压式质量流量计在工业生产中，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；在测量中，常需将测出的体积流量，乘以密度换算成质量流量。由于密度随温度、压力而变化，所以在测量流体体积流量时，要同时测量流体的压力和密度，进而求出质量流量。在温度、压力变化比较频繁的情况下，难以达到测量的目的。最好用质量流量计直接测量质量流量。7.5.1质量流量计简介

1．直接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。2．推导式用体积流量计和密度计组合的仪表测量质量流量，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。3．补偿式同时检测流体的体积流量和流体的温度&压力，根据流体密度与温度、压力的关系，由计算单元计算得到该状态下流体的密度值，最后再计算得到流体的质量流量值。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。节流式流量计与密度计的组合体积流量计和密度计组合节流式流量计和其它体积流量计组合

7.5.2量热式流量计

根据传热定律。设为流体的定压比热两点温度差7.5.3科式力流量计科里奥利质量流量计（简称科氏力流量计）是一种利用流体在振动管中流动而产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理来直接测量质量流量的仪表。科氏力流量计结构有多种形式，一般由振动管与转换器组成。科里奥利力科里奥利力（Coriolisforce）有些地方也称作哥里奥利力，简称为科氏力，是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性。/wiki/%E7%A7%91%E9%87%8C%E5%A5%A5%E5%88%A9%E5%8A%9B科氏力流量计测量原理U形管受到一个力矩的作用，其管端绕R-R轴扭转而产生扭转变形，该变形量的大小与通过流量计的质量流量具有确定的关系。

ω为转动角速度转弹性模量

7.5.4差压式质量流量计差压式质量流量计利用孔板和定量泵组合实现质量流量测量。有双孔板和四孔板与定量泵组合两种结构。

双孔板差压式质量流量计

根据差压式流量测量原理，孔板A和B处压差分别为:式中：

K为常数；

为流体的密度。

孔板A、B前后的压差与流体质量流量成正比，测出压差便可以求出流体质量流量。四孔板差压式质量流量计7.6流量标准装置液体流量标准装置气体流量标准装置7.6.1液体流量标准装置1.标准容积法装置组成：水源流量稳压装置：高位水槽，气液容器稳压法试验管道切换机构标准计量容器：精确标定，容积精度可达万分之几。1.水池；2.水泵；3.高位水槽；4.溢流管；5.稳压容器；6.夹表器；7.切换机构；8.切换挡板；9.标准容积计量槽；10.液位标尺；11.游标；12.被校流量计

标准容积法流量标准装置2.标准质量法原理：用秤代替标准容器作为标准器；用称量一定时间内流入容器内的流体总量的方法来求出被测液体的流量。精度较高，可以达到±0.1％。3.标准流量计法高精度流量计作为标准仪表对其他工作用流量计进行校正。高精度流量