第7章流量检测仪表

一、概述流量测量的特点：流量与平均流速成正比，而平均流速与流速分布有关，流速分布与管内径、管内壁形状与粗糙度、流速大小、流体粘度、上游来流的流速分布有关。由于被测介质处于流动状态，而且介质的物理化学性质繁杂多样，任何接触介质的检测元件都会遇到腐蚀、磨损、污染、堵塞等问题。而非接触测量在灵敏度和精确度方面尚存在一定问题。1

由于流体本身物质的复杂、流动状态的多样性，现场条件、管路条件的复杂性，使得性能优越的流量计不一定在现场发挥作用，所以正确选择流量计非常重要。

存在疑难问题：如非牛顿流体(如泥浆、塑料浆)、脉动流、非定常流、多相流、极微小流、高温流体的流量测量。2流量：是指单位时间内流动介质流经管道（或通道，统称流道）中某截面的数量，也称瞬时流量。累积流量：在某一段时间内流过的流体总和，即瞬时流量在某一段时间内的累积值，称为累积流量。3体积流量单位为质量流量

单位为4流量检测方法的分类体积流量直接法（容积法）直接测出在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量，以排出流体固定容积数来计算流量。

椭圆齿轮腰轮刮板旋转活塞精度较高5间接法(速度法)测量平均流速节流式力学转子力学涡轮力学电磁电学超声波声学涡街力学热线风速热学激光多普勒光学6质量流量直接式：涡轮转矩式质量流量计科里奥利质量流量计间接式：差压流量计与密度计组合差压流量计与速度流量计组合靶式流量计与速度流量计组合补偿：用压力、温度补偿71.速度式流量计

以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。

2.容积式流量计

以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。3.质量流量计

以测量流体流过的质量M为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。分类8二、差压式流量计

差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。

通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以及显示仪表所组成。91.节流现象与流量基本方程式（1）节流现象

流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。

节流装置包括节流件和取压装置。10孔板装置及压力、流速分布图

要准确测量出截面Ⅰ、Ⅱ处的压力有困难，因为产生最低静压力p2′的截面Ⅱ的位置随着流速的不同会改变。因此是在孔板前后的管壁上选择两个固定的取压点，来测量流体在节流装置前后的压力变化。因而所测得的压差与流量之间的关系，与测压点及测压方式的选择是紧密相关的。注意11（2）节流基本方程式

流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的。可以看出要知道流量与压差的确切关系，关键在于α的取值。

流量与压力差ΔP的平方根成正比。

12节流孔板后取压管

前取压管流体通过节流孔板时，流速加快，后取压管处的压力减小。标准取压装置13

角接取压的两个取压口分别位于孔板的上下端面与管壁的夹角处，取压口可以是环隙取压口和单独钻孔取压口。环隙取压利用左右对称的4个环室把孔板夹在中间，通常要求环隙在整个圆周上穿通管道，或者每个夹持环应至少有4个开孔与管道内部连通，每个开孔的中心线彼此互成等角度，再利用导压管把孔板上下游的压力分别引出。当采用单独钻孔取压时，取压口的轴线应尽可能以90°与管道轴线相交，环隙宽度和单独钻孔取压口的直径a通常在4mm～10mm之间。显然，环隙取压由于环室的均压作用，便于测出孔板两端的平稳差压，能得到较好的测量精度，但是夹持环的加工制造和安装要求严格。当管径D＞500mm时，一般采用单独钻孔取压。

法兰取压装置的上下游侧取压孔的轴线至孔板上、下游侧端面之间的距离均为25.4mm±0.8mm(1inch)。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上。法兰取压法结构简单，容易装配，计算也方便，但精度较角接取压法低些，仅适用于标准孔板。14举例标准孔板采用角接取压法和法兰取压法，标准喷嘴为角接取压法。

角接取压结构1—管道法兰；2—环室；3—孔板；4—夹紧环15

环室取压法能得到较好的测量精度，但是加工制造和安装要求严格，如果由于加工和现场安装条件的限制，达不到预定的要求时，其测量精度仍难保证。

所以，在现场使用时，为了加工和安装方便，有时不用环室而用单独钻孔取压，特别是对大口径管道。16国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。

标准化的具体内容包括节流装置的结构、尺寸、加工要求、取压方法、使用条件等。17孔板断面示意图如左图，标准孔板对尺寸和公差、粗糙度等都有详细规定。举例

其中d／D应在0.2～0.8之间；最小孔径应不小于12.5mm；直孔部分的厚度h＝（0.005～0.02）D；总厚度H＜0.05D；锥面的斜角α＝30°～45°等等，需要时可参阅设计手册。18优点缺点标准孔板应用广泛，结构简单，安装方便，适用于大流量的测量流体经过孔板后压力损失大，当工艺管道上不允许有较大的压力损失时，便不宜采用。标准喷嘴和标准文丘里管压力损失较孔板小结构比较复杂，不易加工19

标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm，雷诺数在104～105以上的流体，而且流体应当清洁，充满全部管道，不发生相变。

节流装置将管道中流体流量的大小转换为相应的差压大小，但这个差压信号还必须由导压管引出，并传递到相应的差压计，以便显示出流量的数值。20差压式流量计特点

方法简单、工作可靠、便于制造、适应性强，在管道内径为50~1000mm范围内均能应用，又有一定精度。几乎能测量各种工况下的单相流体的流量。有很长的使用历史，设计加工已经标准化安装比较严格，压力损失大，刻度为非线性，测量精度不很高，有时维修工作量大。21选用须注意：

必须清楚被测流体在测量条件下的物性，如密度、粘度、绝热指数、压缩系数、工作温度和压力。须知道被测流体的流量范围(最大流量、常用流量、需要以一定精度显示出的最小流量)；若是使用体积流量单位，必须明确实际工作状态或标准状态。明确取压方式：角接取压、法兰取压、D-D/2取压。22流经节流件以前，流束是平行管道的无旋流，标准节流装置不适用于脉动流和临界的流量测量。“标准”应满足：牛顿流体、水平管道、不发生相变、流量不随时间变化或变化非常缓慢、对外不作功。不适于精度高的场合，一般0.6%~1.2%。233.差压式流量计的测量误差在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差，有的甚至高达10％～20％。

不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造，更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等，才能保证差压式流量计有足够的实际测量精度。注意24误差产生的原因被测流体工作状态的变动。节流装置安装不正确。孔板入口边缘的磨损。导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象差压计安装或使用不正确25

导压管要正确地安装，防止堵塞与渗漏，否则会引起较大的测量误差。对于不同的被测介质，导压管的安装亦有不同的要求，下面分类讨论。

测量液体流量时的取压点位置

测量液体流量时的连接图1—节流装置；2—引压导管；3—放空阀；4—平衡阀；5—差压变送器；6—贮气罐；7—切断阀26（a）取压点应该位于节流装置的下半部，与水平线夹角α为0°～45°。

（b）引压导管最好垂直向下，如条件不许可，导压管亦应下倾一定坡度（至少1∶20～1∶10），使气泡易于排出。（c）在引压导管的管路中，应有排气的装置。

①测量液体的流量时，应该使两根导压管内都充满同样的液体而无气泡，以使两根导压管内的液体密度相等。测量液体流量时的连接图1—节流装置；2—引压导管；3—放空阀；4—平衡阀；5—差压变送器；6—贮气罐；7—切断阀27②测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。

（a）取压点应在节流装置的上半部。

（b）引压导管最好垂直向上，至少亦应向上倾斜一定的坡度，以使引压导管中不滞留液体。

（c）如果差压计必须装在节流装置之下，则需加装贮液罐和排放阀，如图所示。

测量气体流量时的连接图1—节流装置；2—引压导管；3—差压变送器；4—贮液罐；5—排放阀28③测量蒸汽的流量时，要实现上述的基本原则，必须解决蒸汽冷凝液的等液位问题，以消除冷凝液液位的高低对测量精度的影响。常见的接法如图所示。测量蒸汽流量的连接图1—节流装置；2—凝液罐；3—引压导管；4—排放阀；5—差压变送器；6—平衡阀29差压计或差压变送器安装或使用不正确也会引起测量误差。

由引压导管接至差压计或变送器前，必须安装切断阀1、2和平衡阀3，构成三阀组，如图所示。差压计阀组安装示意图1，2—切断阀；3—平衡阀30

测量腐蚀性（或因易凝固不适宜直接进入差压计）的介质流量时，必须采取隔离措施。常用的两种隔离罐形式如图所示。

隔离罐的两种形式31三、转子流量计1.工作原理

以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。转子流量计的工作原理图32转子流量计的特点

主要适用于中小管径、较低雷诺数的中小流量的检测；结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；基本误差约为仪表量程的±1～2%，量程比可达10︰1；易受工作介质密度，粘度，纯净度等影响。33

A0—环状流通面积

Af

—浮子最大截面积

ζ—阻力系数α—转子流量计的流量系数（2）（1）对浮子受力分析：342.电远传式转子流量计它可以将反映流量大小的转子高度h转换为电信号，适合于远传，进行显示或记录。

LZD系列电远传式转子流量计主要由流量变送及电动显示两部分组成。

（1）流量变送部分

差动变压器结构35转换原理若将转子流量计的转子与差动变压器的铁芯连接起来，使转子随流量变化的运动带动铁芯一起运动，那么，就可以将流量的大小转换成输出感应电势的大小。36（2）电动显示部分LTD系列电远传转子流量计373.转子流量计的指示值修正

转子流量计的流量标尺上的刻度值，对用于测量液体来讲是代表20℃时水的流量值，对用于测量气体来讲则是代表20℃，0.10133MPa压力下空气的流量值。所以，在实际使用时，要根据具体体情况进行修正。

（1）液体流量测量时的修正（3）38对流量方程各参数的讨论

流量系数流量系数与锥形管的锥度，浮子的几何形状以及被测流体的雷诺数等因素有关。流体密度流量刻度与流体密度有关，出厂时流体是用在标准状态（20℃，760mmHg）下用水和空气进行标定的，若使用的流体密度不一样，需要进行刻度修正。39如果被测介质的黏度与水的黏度相差不大，可近似认为α是常数，则有

（4）整理后得（6）（5）40同理可导得质量流量的修正公式为当采用耐酸不锈钢作为转子材料时，ρt＝7.9g/cm3，水的密度ρw＝1g/cm3，代入（6）与式（8）得（7）（8）（9）（10）41当介质密度ρ’变化时，密度修正系数KQ、KM的数值见下表。

0.7641.5292.000.8591.2451.451.0460.9440.900.7711.5041.950.8721.2201.401.0730.9120.850.7781.4771.900.8841.1931.351.1020.8820.800.7851.4531.850.8971.1651.301.1340.8510.750.7921.4271.800.9111.1391.251.1700.8190.700.8001.4011.750.9271.1111.201.2110.7870.650.8091.3761.700.9431.0841.151.2560.7540.600.8181.3511.650.9601.0561.101.3070.7190.550.8270.3231.600.9791.0281.051.3650.6830.500.8371.2971.551.0001.0001.001.4350.6460.450.8471.2721.501.0220.9710.951.5160.6700.40KMKQ

ρ’KMKQρ’KMKQρ’密度修正系数表42举例例4现用一只以水标定的转子流量计来测量苯的流量，已知转子材料为不锈钢，ρf＝7.9g/cm3，苯的密度为ρ’＝0.83g/cm3。试问流量计读数为3.6L/s时，苯的实际流量是多少？解由式（6）计算或由密度修正系数表可查得将此值代入式（5），得

即苯的实际流量为4L/s。43（2）气体流量测定时的修正对被测介质的密度、工作压力和温度均需进行修正。

当已知仪表显示刻度Q0，要计算实际的工作介质流量时，可按下式修正。注意：上式计算得到的Q１是被测介质在单位时间（小时）内流过转子流量计的标准状态下的容积数（标准立方米），而不是被测介质在实际工作状态下的容积流量。44举例例5某厂用转子流量计来测量温度为27℃，表压为0.16MPa的空气流量，问转子流量计读数为38Nm3/h时，空气的实际流量是多少？解已知Q0＝38Nm3/h，p1＝0.16＋0.10133＝0.26133MPa，

T1＝27＋273＝300K，T0＝293K，p0＝0.10133MPa，

ρ1＝ρ0＝1.293Kg/Nm3。将上列数据代入上式，便可得即这时空气的流量为60.3Nm3/h。45（3）蒸汽流量测量时的换算

转子流量计用来测量水蒸气流量时，若将蒸汽流量换算为水流量，可按式（7）计算。若已知某饱和蒸汽（温度不超过200℃）流量值时，可从上式换算成相应的水流量值，然后按转子流量计规格选择合适口径的仪表。

可以看出46若已知某饱和蒸汽（温度不超过200℃）流量值时，可从上式换算成相应的水流量值，然后按转子流量计规格选择合适口径的仪表。

可以看出47常见的容积式流量计有：椭圆齿轮流量计、腰轮（罗茨）流量计、刮板流量计、活塞式流量计及湿式流量计等。它是使被测流体充满具有一定容积的空间，然后再把这部分流体从出口排出。四、容积式流量计48检测原理流量计内部有1～2个转子，在流入口流体压力作用下使转子转动，随着转子的转动，使流体从流入口流向流出口。设转子与流量计壳体之间的容积已知，则通过测量转子的转速，就可得知流体流经流量计的流量；如果测出转子转过的次数，就可获得流体的总体积。49椭圆齿轮流量计1.工作原理椭圆齿轮流量计结构原理通过椭圆齿轮流量计的体积流量2.使用特点

适用于高黏度介质的流量测量。测量精度较高，压力损失较小，安装使用也较方便。椭圆齿轮流量计的入口端必须加装过滤器。椭圆齿轮流量计的使用温度有一定范围。椭圆齿轮流量计的结构复杂，加工成本较高。50椭圆齿轮流量计可选用机械显示表头和电子显示表头两种计数机构，显示表头具有显示累积流量、瞬时流量及回零功能，可实现现场显示和远传控制。对于不同的测量介质(酸、碱、有机液、油品、食品等），流量计由不同的材质制成来测量。根据测量介质不同，椭圆齿轮流量计分为铸铁铸钢型、铸铁铸钢高温型、铸铁铸钢高粘型、不锈钢型，可广泛应用于石油、化工、轻工、冶金、食品、医药卫生、商业等部门管道液体的准确计量。51腰轮（罗茨）流量计

罗茨流量计又称气体腰轮流量计，主要用于对管道中液体流量进行连续或间歇测量的高精度计量仪表。它具有精度高、可靠性好、重量轻、寿命长、运行噪声低、安装使用方便等特点。52

凸轮式刮板流量计

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4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。53

齿轮式流量计，用于精密的连续或间断的测量管道中液体的流量或瞬时流量．它特别适合于重油、聚乙烯醇、树脂等粘度较高介质的流量测量。

活塞式流量计，是在线式安装，机械式流量开关，用于液体或气体介质.极小的压力损失，良好的重复性，抗污能力，机械部分与电子部分完全隔离，适用于小流量经济型。如果测量的流量不大的话，就用活塞式的比较好。如果你要测量的流量较大的话，就用齿轮式的就行。测量的是气体流量的话只能用活塞式的。54在封闭的圆筒形外壳内装有一由叶片围成的圆筒形转筒，并能绕中心轴自由旋转。转筒内被叶片分成三到四个气室(如上图所示为四个气室)，每个气室的内侧壁与外侧壁都有直缝开口(内侧壁开口为计量室进气口，外侧壁开口为计量室出气口)。流量计壳体内盛有约一半容积的水或低粘度油作为密封液体，转筒的一半浸于密封液中。湿式气体流量计

随着气体进人流量计(如图中液面中心的进口处)，进人转筒内的一个气室A，此时，A气室的进气口露出液面，进气口与流量计进口相通而开始充气;B气室已充满气体，其进出口都被液面密封，形成封闭的“斗”空间，即计量室;C气室的出气口已露出液面，开始向流量计出口排气。随着气体的不断充人气室A，在进气压力的推动下，转筒朝如图逆时针方向绕中心轴旋转。气室A中的充气量逐渐增大，气室B的出气口也将离开液面而开始向流量计出口排气，气室C中的气体将全部排出。当气室C全部浸入液体中时，气室D将开始充气，气室A将形成封闭的计量室。然后依次是气室D、气室C形成封闭的计量室。转筒旋转一周，就有相当于4倍计量室空间的气体体积通过流量计。所以，只要将转筒的旋转次数通过齿轮机构传递到计数指示机构，就可显示通过流量计的气体体积流量(总量)。

55容积式流量计的工作特性

容积式流量计的工作特性与流体的粘度、密度以及工作温度、压力等因素有关，相对来说，粘度的影响要大一些信号转换就地显示远传显示56容积式流量计的工作特点精度高，可达0.2～0.5%，用于企业管理和商品销售。主要测高粘度流体，测总流量。量程比10：1。对直管段无要求。小流量时泄漏大，使读数偏低。被测流体要求清洁，否则易堵或磨损。57五、涡轮流量计涡轮流量计1—涡轮；2—导流器；3—磁电感应转换器；4—外壳；5—前置放大器优点安装方便。测量精度高，可耐高压。反应快，可测脉动流量。输出信号为电频率信号，便于远传，不受干扰。缺点一般应加过滤器。安装时，前后要有一定的直管段。

先将流速转换为涡轮的转速，再将转速转换成与流量成正比的电信号。这种流量计用于检测瞬时流量和总的积算流量，其输出信号为频率，易于数字化。58

涡轮流量计是从叶轮流量计（水表）基础上发展起来的。当流体流经涡轮时，由于流体的冲击作用，将使涡轮发生旋转，转动的频率与流量等相关。59涡轮流量计主要由涡轮、导流器、磁电感应转换器、放大与信号变换。磁电感应转换器是将涡轮转换成电脉冲数，这是涡轮流量计的关键部分。叶轮用磁性的不锈钢做，管道外装上传感器，它由磁钢和线圈组成。当叶片转动时周期也改变检测器中磁路的磁阻，使通过感应线圈的磁通量随之变化。这样，在感应线圈的两端即感应出脉冲信号。60精度较高0.5级，常作标准表。量程比较大10：1。适用于清洁介质（一般要装过滤器）。周围不能有强磁场。介质密度、粘度变化对测量结果有影响。反应迅速，可测脉动流量。61六、电磁流量计检测原理：基于电磁感应定律

62当导电流体（相当于导体）在磁场中作垂直于磁场方向流动而切割磁力线时，在两电极上也会产生感应电势，其方向由右手定则判断，其大小为：

k是仪表常数63电磁流量计的结构磁路系统：直流磁场简单，但使管道中的导电液体电解、电极极化常采用交流B＝Bmsinωt交变磁场按励磁绕组不同主要有两种结构：集中绕组；分组绕组式。测量管：用不导磁，低导电率，低导热率具有一定强度，让被测流体通过，不锈钢、玻璃钢、高强度塑料64电极：测量感应电势衬里：直接接触被测介质，主要作用是增加测量管的耐磨与耐蚀性，防止感应电势被金属测量管管壁短路。外壳：一般用铁磁材料制成，它是保护励磁线圈的外罩，并可隔离外磁场的干扰。转换电路：流体流动产生的感应电势十分微弱，而且各种干扰因素的影响也很大，转换电路的目的是将感应电势放大并能抑制主要的干扰信号。65电磁流量计的转换电路

主要由前置放大、差动交流放大、高通滤波、采样电路和差动直流放大等部分组成。

电磁流量计信号转换电路框图采样电路差动直流放大高通滤波差动交流放大前置放大66电磁流量计的特点：测量导管中无可动部件，压力损失小，并可测含有杂物、悬浮物等流体的流量。只要流体导电，结果与流体的温度、压力、密度、粘度无关。量程比较宽10：1。反应速度快，可测脉动流量。67注意只能用来测量导电液体的流量，且导电率要求不小于水的导电率，不能测量气体、蒸汽及石油制品等的流量。要引入高放大倍数的放大器，会造成测量系统很复杂、成本高，并且易受外界电磁场的干扰。使用中要注意维护，防止电极与管道间绝缘的破坏。安装时要远离一切磁源。不能有振动。68七、漩涡流量计精度高、测量范围宽、没有运动部件、无机械磨损、维护方便、压力损失小、节能效果明显。卡曼涡街漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。69若在流体中垂直于流向放置一个