流体机械测试技术3

3.1概述3.2涡轮流量计3.3电磁流量计

3.4超声波流量计

3.5其它流量计第3章流量测量3.1概述1.流量的定义

流量是单位时间内流过过流通道某一截面的流体数量（体积或者质量），亦称为瞬时流量，简称为流量。质量流量：单位时间内流过过流通道某一截面的流体质量，用QM表示，单位kg/s。

体积流量：单位时间内流过过流通道某一截面的流体体积,用Qv表示，常用无角标Q表示，单位m3/s。

质量流量与体积流量的关系为2.流量的测量方法及流量计分类

测量方法：依据流体运动参数（如流速、动量）所造成的物理效应。

流量计分类：容积法、速度法、质量法。

（1）容积法：通过测量单位时间内经过流量仪表排出流体固定容积的数目来实现。若单位时间内排出流体的固定容积V的数目为N，则液体的体积流量Q=NV。

常见的有：椭圆齿轮流量计湿式气体流量计、腰轮流量计刮板式流量计。

（a）椭圆齿轮流量计1-外壳;2-椭圆形转子;3-计量室（b）湿式气体流量（c）腰轮流量计1-腰轮;2-定位齿轮；3-计量室;4-腰轮（d）刮板式流量计

1-凸轮;2-壳体;3-刮板；4-滚子;5-转子;6-挡板（2）质量法

通过直接或间接的方法测量单位时间内流过流道截面的流体质量数。这类流量计以测量与流体质量流量有关参数的物理效应为基础，分为：

直接式推导式温度压力补偿式（a）双涡轮质量流量计

1-前涡轮;2-弹簧;3-后涡轮;4-磁电检测装置（b）推导式质量流量计

速度式流量计与密度计组合的质量流量计

可看成是一种推导式质量流量计，只是它不用密度计，而是利用温度、压力和密度之间的关系，将温度、压力的测量值转化为密度，再与体积流量进行运算而得到质量流量。由于连续测量温度、压力比连续测量密度容易，因此，目前工业上所用的推导式质量流量计大多属于温度压力补偿式。（c）温度压力补偿式质量流量计3.速度法

当被测流体通过装在管道内的涡轮叶片时，涡轮受流体的作用而旋转，将流量转换成涡轮的转速，在量程范围内涡轮的转速与流量成正比。所得的涡轮转速先由磁电转换装置转换成电脉冲信号，然后再经前置放大器放大由显示仪表显示和计数。根据单位时间内脉冲数或累计的脉冲数来反映出瞬时流量或累计流量，其系统框图如图所示。1.工作原理3.2涡轮流量计涡轮流量计是由涡轮流量变送器和显示仪表组成.

1-整流板;2-轴承;3-涡轮;4-壳体;5-磁电转换装置

6-前置放大器;7-累积流量计算器;8-瞬时流量指示仪表2涡轮流量计结构涡轮流量计系统框图磁电转换装置与前置放大器制成一体，在这里除了显示仪表外，系统的其余部分称为涡轮流量变送器。3.流量方程

当通过涡轮的流量不变时，即涡轮做匀角速度旋转。通过涡轮的流量方程为令得

尽管通径相同的涡轮流量计的设计尺寸相同，但实际加工出来的涡轮几何参数却不会完全一样，因而每台涡轮流量计的仪表常数也不完全一样，它通常是制造厂在常温下用清洁的水标定出来的。仪表常数3.流量方程4.安装要求

(1)涡轮流量变送器要水平安装，变送器上的流向标志应与流体的流动方向一致。

(2)为了减少流体自旋的影响，变送器的前后要装有与它口径相同直管段或整流器，上游直管段长L1≥12，下游直管段长L2≥5，这里是流量计的公称通径。

(3)变送器与前后直管段要同轴安装，密封垫不允许突入管内。

(4)如果被测介质中含有杂质，则在直管段前还应装过滤器，以避免变送器的轴承和叶片损坏。如介质中混有游离气体，则还应装消声器。

(5)变送器的输出信号要用屏蔽电缆，并保证良好接地。

3.3电磁流量计

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种导电液体体积流量仪表可以测量各种腐蚀性介质：酸、碱、盐以及带有悬浮颗粒的浆液。被测介质在测量管内流动，由于没有阻滞部件，所以没有压力损失。由于只能测量导电液体，因此对于气体、蒸汽以及含大量气泡的液体，或者导电率低的液体不能测量。由于测量管内衬材料一般不宜高温下工作，所以目前的电磁流量计还不能测量高温介质。1.工作原理

它由电磁流量变送器和电磁流量转换器组成。

电磁流量变送器安装在流体传输管道上，用来将导电液体的流速（流量）线性地变换成感应电势信号。

电磁流量转换器向变送器提供工作磁场的励磁电流，并接受感应电势信号，将感应电势信号进行放大、处理并转换为统一的、标准的电流信号、电压信号、频率信号以及数字通讯信号。2.结构简介电磁流量计测量系统组成图

1-测量管;2-外壳;3-电极;4-磁轭;5-马鞍形磁激线圈;6-内衬电磁流量计结构

测量管处于磁场中，是一两端有法兰的直管，导电液体从测量管内流过。测量管必须承受流体介质的工作压力，同时还担负着对测量电极的静电屏蔽的任务。因此，一般测量管材质都采用耐酸钢管，耐热耐酸不锈钢（1Cr18Ni9Ti）

绝缘衬里的目的是防止感应信号电压被金属管短路，可见绝缘衬里在电磁流量计应用中的作用十分重要。衬里材料有聚氯乙烯、橡胶、聚氨酯橡胶、工业陶瓷等

电极是电磁流量计拾取流量信号的部件。在测量过程中，只有它和接地环（或称接液环）、接地电极与被测介质接触。电极材料必须使用非导磁材料。电磁流量计结构3.

流量方程

当导电液体以速度流过管道时，便切割磁力线，在电极上产生感应电动势，其方向由右手定则判断，其大小为被测介质的体积流量Q为如果交流磁场的磁感应强度为

则被测体积流量为

由上式可知，当流量计管径和磁场强度一定时，体积流量与感应电动势成正比。3.

流量方程

电磁流量计的工作原理是流动的流体切割磁力线而感应出电动势，通过测电动势的方法来测流体流量，因此产生磁力线的磁场至关重要。磁场强度不但要强，而且还要恒定、均匀，通常用三种励磁方式产生磁场：直流励磁、交流励磁低频方波励磁。

4.励磁方式（1）直流励磁

优点是交流电磁场干扰影响很小，因而可以忽略液体中的自感现象的影响。

缺点使用直流磁场易使通过测量管道的电解质液体被极化，即电解质在电场中被电解，产生正负离子。在电场力的作用下，负离子跑向正极，正离子跑向负极，如图3.11所示。这样，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。所以，直流励磁一般只用于测量非电解质液体，如液态金属等。4.励磁方式（2）交流励磁

目前，工业上使用的电磁流量计，大都采用工频(50Hz)电源交流励磁方式，即它的磁场是由正弦交变电流产生的，所以产生的磁场也是一个交变磁场。交变磁场变送器的主要优点是消除了电极表面的极化干扰。另外，由于磁场是交变的，所以输出信号也是交变信号，放大和转换低电平的交流信号要比直流信号容易得多。但是，交变的磁通会产生干扰电动势，它和信号电势频率相同，相位差900，故叫它正交干扰或900干扰。严重时，干扰电动势信号电势造成仪表无法工作。4.励磁方式（3）低频方波励磁

20世纪70年代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1/2～1/4。从图可见，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滋易产生的极化现象。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。4.励磁方式5.安装要求

(1)变送器可垂直、水平安装，但应保证液体充满测量导管的条件，以防止由于测量导管内没有液体而指针不在零位造成的错觉。最好垂直安装，使液体自下而上流经仪表，如不能垂直安装时，也可水平安装，但要使两电极处于同一水平面上。当被测介质中固体颗粒多时，应垂直安装，使衬里不受磨损（水平安装会造成局部磨损）。

(2)电磁流量计信号较弱，满量程时仅2.5～8mV，流量很小时，仅几个微伏，外界略有干扰就会影响测量精度。因此，变送器外壳、屏蔽线、测量导管以及变送器两端管道都要接地，并要单独设置接地点，绝不能连接在电机、电器等公用地线或上下水管道上。转换器部分已通过电缆线接地，故勿再行接地，以免因地电位不同而引入干扰。

(4)信号电缆要用说明书中规定的屏蔽电缆，不得用其它电缆代用。信号线和励磁线要分开敷设，并避免两者并排，尤其要注意远离动力电缆。信号线越短越好，转换器应尽量接近变送器。

(5)变送器和转换器必须使用同一电源，否则由于检测信号和反馈信号相差负1200相位，致使仪表不能正常工作。

(6)为了保证变送器内液流稳定，变送器前后都装有与它口径相同的一段直管段。一般进口直管段长L1≥5，出口直管段长L2≥

(2～3)，这里是流量计的公称通径。

(3)变送器安装地要远离一切磁源（如大功率电机、变压器等），不能有振动.5.安装要求3.4超声波流量计3.4超声波流量计超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的仪表，如果在现场配以温度、压力仪表，经过密度补偿，还可以求得质量流量。

超声波流量计主要由安装在测量管道上的换能器（或由换能器和测量管道组成的超声波传感器）和转换器组成，换能器和转换器之间由专门信号电缆连接，如图所示。1.工作原理2.超声波流量计系统组成

超声波流量计根据其测量原理分为传播速度差法和多普勒频移法，其中传播速度差法又可分为时差法、相位差法和频差法。但是，目前最常用的测量方法主要有时差法和多普勒频移法两种。

传播速度差法又按照换能器的布置方式的不同，分为：Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)，见图。3.分类4.时差法超声波流量计

超声波在流体中的传播速度，顺流方向和逆流方向是不一样的，其传播的时间差和流体的流速成正比。所以，只要测出了超声波在两个方向上传播的时间差，可知道流体的流速，再乘上管道面积，便可得流体的流量。

4.时差法超声波流量计

上式表明，只要测出了时间差Δt，便可算出流速v（1）流速方程

传播速度法所测量和计算的流速是声道上的线平均流速，而计算流量所需是流道横截面的面平均流速，二者的数值是不同的，其差异取决于流速分布状况。因此，必须用一定的方法对流速分布进行补偿。此外，对于换能器夹装在测量管外壁的夹装式，还必须对折射角受温度变化进行补偿，才能精确地测得流量。体积流量为4.时差法超声波流量计（2）流量方程5.

多普勒频移法超声波流量计

多普勒频移法超声波流量计测量流量的一个必要条件是被测流体介质应是有一定数量能反射声波的固体颗粒或气泡等两相介质，这个工作条件实际上也是它的一大优点，即这种流量测量方法适宜对两相流的测量，这是其它流量计难以解决的问题。发射换能器发射出的超声波信号，则会被随流体运动的固体颗粒或气泡等散射体散射，散射出来的声波信号的频率和发射声波信号的频率是不一样的，即会产生多普勒频移，频移量与流体流速成正比。（1）流速方程

发射换能器A向流体发出频率为f1的连续超声波，经照射域内液体中悬浮颗粒或气泡等散射体的散射，散射的超声波产生多普勒频移，接收换能器B收到频率为f2的超声波，其频率差为Δf，管道流速为

实际上，多普勒照射域内的散射物速度是参差不一的，它们和流体的平均速度也是有别的。此外，散射体的稀密程度、分布状况以及颗粒或气泡的大小都会随机变化，所以多普勒频移法流量计测得的流体流量误差较大。由于所测得的流速是各散射体的速度，散射体的速度与管道液体的流速数值并不一致，所以流量为2.流量方程6.

安装要求(2)对于干湿安装（指换能器不直接与介质接触）的超声波流量计，要知道确切的管道外径、壁厚、材质及衬里情况，管道内壁不应锈蚀、结垢、凹凸不平。(1)传播速度差法超声波流量计的被测流体应清洁、满管、单相，所含悬浮颗粒、气泡不能超过仪表的允许值。而多普勒频移法超声波流量计则相反，流体应有一定数量的颗粒或气泡的散散体，否则声波无法散射，仪表会没有信号。但若赃污太重，也会使声波无法透过。6.

安装要求(3)换能器安装时，管道外表面应去保温层，去漆，磨平锈迹，涂匀耦合剂，不能有空隙，以免声波在固、气界面上发生折射，无法传到被测流体。(4)换能器前后应有足够长的直管段，以确保流体所需的流速分布，具体要求按使用说明书的有关规定执行。(5)换能器安装在倾斜或水平管道时，不要装在上部和底部，以免管道内的气体或杂质进入测量声道。应尽可能使换能器处于和水平呈45°角的范围内。(6)换能器的安装要使超声波传播途径通过管道中心

3.5其他流量计1.孔板流量计孔板流量计的节流元件为中央开有圆孔的金属板，圆孔中心位于管路中心线上，孔口内径的倒角为45°角，称为锐孔，金属板称为孔板。将孔板垂直安装在管道中，孔板前后两端的测压孔与压差计相连，构成了孔板流量计.（1）节流元件（2）流量方程当流体以一定流量流过小孔时，就产生一定的压力