第5章 流量检测

第五章流量检测体积流量检测及常见的流量计2质量流量检测方法简介33流量检测的基本概念和检测方法31流量的概念和单位5.1流量检测的基本概念及方法体积流量：流体数量以体积表示称为体积流量。质量流量：流体数量以质量表示称为质量流量。体积流量与质量流量之间的关系：流量：是指单位时间内流过管道某截面流体的体积或质量。5.1流量检测的基本概念及方法累计流量:在时间t内，流体通过的体积或质量总量称为累积流量，它是体积流量或质量流量在该段时间中的积分，表示为：单位：m3单位：Kg5.1流量检测的基本概念及方法二、流量检测方法分类流量检测方法：体积流量检测：测得流体的体积流量值。质量流量检测：直接测得流体的质量流量值。本章介绍差压式、容积式、速度式、振动式和电磁式流量计。注意：用体积表示流量时，因为流体的体积和密度受流体的工作状态影响较大，须同时给出流体的压力和温度。为便于比较，常将在工作状态下测得的体积流量转换成标准状态下（20℃，760mmHg）的体积流量。三、流量计的几个特性5.1流量检测的基本概念及方法流量计通常由一次装置（流量传感器）和二次仪表组成。一次装置：安装于流道的内部或外部，根据流体与之相互作用关系的物理定律产生一个与流量有确定关系的信号。二次仪表：给出相应的流量值大小。5.1流量检测的基本概念及方法特性1：流量范围及范围度流量范围:

可测最大流量和最小流量所限定的范围。在这个范围内，仪表在正常使用条件下示值误差不超过最大允许误差。范围度：最大流量与最小流量的比值称为范围度，一般表达为某数与1之比，流量计范围度的大小受仪表的原理与结构所限制。5.1流量检测的基本概念及方法特性2：测量精确度和误差精确度：用误差表示。流量计在出厂时均要进行标定，仪表所标出的精确度为基本误差。误差：在现场使用中由于偏离标定条件会带来附加误差。流量计的实际测量精确度为基本误差与附加误差的合成，这种合成的估算很复杂，可以参照有关规定计算。5.1流量检测的基本概念及方法特性3：压力损失安装在流通管道中的流量计实际上是一个阻力件，流体在通过流量计时将产生压力损失，这会带来一定的能源消耗。各种流量计的压力损失大小是仪表选型的一个重要指标。四、流量的检测方法节流差压法容积法速度法流体阻力法流体振动法电磁式检测方法质量流量测量5.1流量检测的基本概念及方法1.节流差压法在管道中安装一个直径比管径小的节流件。通常以节流件的型式对差压式流量计分类。

文丘利管孔板

喷嘴节流件前后产生的静压差的大小和流过的流体流量有一定的函数关系，可以通过节流件前后的压差求流量。5.1流量检测的基本概念及方法2.容积法:

利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。3.速度法直接测出管道内流体的流速，以此作为流量测量的依据。4.流体阻力法流体流动对设置在管道中的阻力体以作用力，其作用力的大小与流量大小有关。5.1流量检测的基本概念及方法5.流体振动法在管道中设置特定的流体流动条件，使流体流过后产生振动，而振动频率与流量有确定的函数关系。5.1流量检测的基本概念及方法6.质量流量测量通过直接或间接的方法测量单位时间内流过管道截面的流体质量数。1、直接式2、间接式5.2.1差压式流量计结构、测量原理5.2差压式流量计一、差压式流量计的结构由节流装置和差压计组成。测量对象：气体、液体和蒸汽流量。产生差压的节流装置有多种型式，包括：如孔板、喷嘴、文丘利管等。5.2.2节流装置的工作原理5.2差压式流量计节流装置的作用：造成流束的局部收缩，从而产生压差。管道内安装一个直径比管径小的节流件，当充满圆管的流体流经节流件时，流体将在节流件处形成局部收缩，使流速增大，静压力降低，于是在节流件前后产生压力差。该压力差通过差压计检出。工作原理:流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。5.2差压式流量计5.2差压式流量计5.2.3节流装置的取压方式由于压力差

p的值与取压孔位置和取压方式紧密相关。根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压五种.以孔板为例，各种取压方式的取压孔位置如图所示。5.2差压式流量计1.理论取压：上游侧取压孔的轴线位于孔板前端面一倍管道直径D处，下游侧取压孔的轴线位于流速最大的最小截面处。如图中1-1位置。★2.角接取压:上下游取压管位于孔板(或喷嘴)的前后端面处。包括环室取压和单独钻孔(加紧环)取压。如图中2-2位置。3.法兰取压：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

25.4±0.8mm（1inch)。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上．如图中3-3位置。5.2差压式流量计4.径距取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为1Dm±0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔极下游端面的距离为0.5Dm。如图中4-4位置（Dm管道直径）.目前我国节流装置的取压方式采用角接取压法。角接取压法比较简便，测量精度较高。5.管接取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为2.5Dm，下游侧取压孔的轴线至孔板下游端面的距离为8Dm．该方法可测压力损失值.也称为损失压降法.位置如图中5—5所示．1.流体连续性方程：任取一管段，设截面Ⅰ、截面Ⅱ处,面积分别为:A1、A2;流体密度分别为:ρ

1、ρ

2;

流体的平均流速分别为:V1、V2。

5.2差压式流量计二、测量理论基础：流体连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）。

5.2差压式流量计2.伯努利方程：当理想流体在重力作用下在管内定常流动时，对于管道中任意两个截面Ⅰ和Ⅱ有如下图所示：势能mgh1mgh2动能1/2mv121/2mv22压力能mp1/ρ1mp2/ρ2h1h25.2差压式流量计5.2.4流量方程体积流量基本方程式为其中：F0----节流件的工作开孔面积；

ρ----流体的密度；

Δp=p1-p2----节流件前后的压力差；

α----流量系数，用实验方法求出，与节流装置的结构形式、取压方式、孔口截面积与管道截面积之比m、孔口边缘尖锐度、管壁粗糙度等因素有关。质量流量基本方程式为

5.2差压式流量计5.2差压式流量计注意:

由流量基本方程式可以看出，被测流量与差压Δp成平方根关系，对于直接配用差压计显示流量时，流量标尺是非线性的，为了得到线性刻度，可加开方运算电路或加开方器。如差压流量变送器带有开方运算，变送器的输出电流就与流量成线性关系，显示仪表则显示流量的大小。5.2差压式流量计5.2.5标准节流装置按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流校准即可确定其流量值并估算流量测量误差。

一、标准节流装置：

ISO5167或GB／T2624中所包括的节流装置称为标准节流装置。标准孔板标准喷嘴经典文丘里管文丘里喷嘴。

标准孔板及标准喷嘴的结构如图所示。

5.2差压式流量计二、标准节流装置的使用条件

5.2差压式流量计

1.孔板的锐边或喷嘴的曲面侧应迎着被测介质的流向；

2.环室上有“＋”号的一侧应在被测介质流向的上游侧，当用箭头标明流向时，箭头指向应与被测介质的流向一致.

1.被测介质应充满全部管道截面并连续流动；

2.管道内的流束是稳定的；

3.前后要有足够长的直管段，前后长度为二倍管道直径，管道内表面不能有突出物和明显的粗糙不平；

4.使用管径D和孔截面比都有取值限制。三、标准节流装置(孔板或喷嘴)的安装要求5.2差压式流量计5.2.6差压计差压计与节流装置配套组成节流式流量计。差压计经导压管与节流装置连接，接受被测流体流过节流装置时所产生的差压信号，并根据生产的要求，以不同信号形式把差压信号传递给显示仪表，从而实现对流量参数的显示、记录和自动控制。差压计的种类很多，凡可测量差压的仪表均可作为节流式流量计中的差压计使用。目前工业生产中大多数采用差压变送器。它们可将测得的差压信号转换为0.02-0.1MPa的气压信号和4-20mA的直流电流信号。二、差压式流量计的特点

5.2差压式流量计优点：结构简单，无可动部件；可靠性较高；复现性能好；适应性较广，它适用于各种工况下的单相流体，适用的管道直径范围宽，可以配用通用差压计；装置已标准化。缺点：安装要求严格；流量计前后要求较长直管段；测量范围窄，一般范围度为3:1；压力损失较大；对于较小直径的管道测量比较困难；精确度不够高(±1%～±2%)。5.2差压式流量计5.2.7差压流量计的使用

1.测量液体流量

2.测量气体流量

3.测量蒸汽组成：

固定容积的测量室、运动部件、传动和显示部件组成。

5.3容积式流量计应用：小型的家用煤气表、大容积的石油和天然气计量仪表。工作原理：在一定容积的空间里充满的液体，随流量计内部的运动元件的移动而被送出出口，测量这种送出流体的次数就可以求出通过流量计的流体体积。检测对象：各种液体和气体的累积流量。

5.3.1椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计的测量本体由一对相互啮合的椭圆齿轮和仪表壳体构成。

5.3容积式流量计两个椭圆齿轮A、B在进出口流体压力差的作用下，交替地相互驱动。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。通过椭圆齿轮流量计的流体总量可表示为：Q=4nV0

5.3容积式流量计注意：适用于中小流量流体的测量，其最大口径为250mm。可测高粘度液体。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，被测介质的粘度愈大，对测量愈有利。范围度为10:1；工作温度要低于120℃，以防止齿轮卡死。在使用时要注意防止齿轮的磨损与腐蚀，以延长仪表寿命。

5.3容积式流量计

5.3.2腰轮流量计又称罗茨流量计，工作原理与椭圆齿轮流量计相同，只是转子的形状不同。腰轮流量计的转子是一对不带齿的腰形轮，在转动过程依靠套在壳体外的与腰轮同轴上的啮合齿轮来完成驱动。可测量液体和气体，测液体的口径为10～600mm；测气体的口径为15～250mm.

5.3容积式流量计

5.3容积式流量计

5.3.3刮板式流量计转子中开有4个两两互相垂直的槽，槽中装有可以伸出缩进的刮板，伸出的刮板在被测流体进、出口差压作用推动下带动转子旋转。伸出的两个刮板与壳体内腔之间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。特点：测量精度高、量程比大、受流体粘度影响小，运转平稳，振动和噪音均小，适合测量中等到较大的流量。

5.3容积式流量计

5.3容积式流量计优点：测量精度高，被测流体粘度影响小，不要求前后直管段。缺点：对介质的清洁度要求较高，不允许有固体颗粒杂质流过流量计。

5.3.4容积式流量计的特点

5.4速度式流量计速度法测量：测出流体的流速，再乘以管道截面积即可得出流量。基于与流体流速有关的各种物理现象，仪表的输出与流速有确定的关系。典型的速度式流量计：叶轮式流量计涡轮式流量计

5.4速度式流量计5.4.1叶轮式流量计分类：切线流叶轮式、竖式叶轮式、轴流式叶轮式。检测对象：液体、气体。应用：水表、高压力燃气表工作原理：

在管道内，安装有可以自由转动的叶轮，流体的动能使叶轮旋转。流速高→动能大→叶轮转速高。在规定的流量范围和一定的流体粘度下，叶轮的转速与流体的平均流速成正比，通过磁电转换装置将叶轮转速变成电脉冲信号，以推导出被测流体的瞬时流量和累积流量。

5.4速度式流量计

5.4速度式流量计5.4.2涡轮流量计工作原理：在—定范围内，涡轮的转速与流体的平均流速成正比，通过磁电转换装置将涡轮转速变成产生电动势的频率的变化，此频率与被测流体的体积流量成正比。可以测量气体、液体流量，但要求被测介质洁净，并且不适用于粘度大的液体测量。

5.4速度式流量计

5.4速度式流量计优点：精度高,复现性和稳定性均好；量程范围宽，量程比可达(10～20):1,刻度线性；对流量变化反应迅速，可测脉动流量；抗干扰能力强，信号便于远传及与计算机相连。缺点:

制造困难，成本高。场合:

通常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。

流体振动流量计是60年代末期发展起来的一种较新的流量测量技术。

5.5振动式流量计特点：

①可得到与流量成正比的频率输出信号；

②被测流体本身就是振动体，无机械可动部件，不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响。分类：主要分为旋涡式和旋进式两种。5.5.2旋涡流量计

5.5振动式流量计一、工作原理又称涡街流量计，其测量方法基于流体力学中的卡门涡街原理。卡门涡街:把一个旋涡发生体（如圆柱体、三角柱体等非流线型对称物体）垂直插在管道中，当流体绕过旋涡发生体

时会在其左右两侧后方交替产生旋涡，形成涡列，且

左右两侧旋涡的旋转方向相反。这种涡列称为卡门涡街。

5.5振动式流量计

由于漩涡间相互影响，其形成通常是不稳定的。冯.卡门对涡列的稳定条件进行了研究，于1911年得到结论：只有当两漩涡列之间的距离h和同列的两漩涡之间的距离L之比满足下面关系时，所产生的涡街才是稳定的。其体积流量为:

ƒ—漩涡产生的频率；v—流体流速；

d—直径漩涡发生体的特征尺寸；

St—斯特罗哈尔数；D—管道内径；

5.5振动式流量计流体流过圆柱体后漩涡发生的频率为：其中St是与雷诺数有关的无量纲数，称为斯特劳哈尔数。二、旋涡频率的检测通过旋涡检测器来实现的。旋涡检测器的任务：

5.5振动式流量计①流体绕过检测器时，在其后能形成稳定的涡列；②能准确地测出旋涡产生的频率。涡列检测器主要有两种形式：圆柱形、三角柱形。1.圆柱形漩涡检测器当旋涡在圆柱体下游侧产生时，出于升力的作用，使得圆柱体下方的压力比上方高一些，圆柱体下方的流体在上下压力差的作用下，从圆柱体下方导压孔进入空腔，通过隔板中央部分的小孔，流过铂电阻丝，从上方导压孔流出。

5.5振动式流量计若将铂电阻丝加热到高于流体温度的某温度值，则当流体流过铂电阻丝时会带走热量，改变其温度的同时改变其电阻值。

5.5振动式流量计由此可知：电阻值变化与流动变化相对应，即与旋涡发生的频率相对应。所以，可由检测铂电阻丝电阻变化频率得到涡频率，进而得到体积流量。2.三棱柱形检测器

5.5振动式流量计在三角柱体的迎流面对称地嵌入两个热敏电阻组成桥路的两臂，以恒定电流加热使其温度稍高于流体，在产生漩涡的一侧，因流速变低，使热敏电阻的温度升高，阻值变小。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，阻值变化频率由桥路测出，即可测得漩涡产生频率，从而测出流量。优点:

①测量精度较高,量程比宽,可达30:1；

②使用寿命长，压力损失小，安装与维护比较方便；

③易与数字仪表或计算机接口；

④对气体、液体和蒸汽介质均适用。

5.5振动式流量计缺点:

①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，

②要求流量计前后有足够长的直管段。

5.6电磁流量计

电磁流量计根据法拉第电磁感应定律制成的测量导电液体体积流量的仪表。检测对象：只能测量导电液体，尤其适合各种腐蚀性介质：酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液。对于气体、蒸气以及含大量气泡的液体，或者电导率很低的液体不能测量。由于测量管内衬材料一般不宜在高温下工作，所以目前一般的电磁流量计还不能用于测量高温介质。5.6.1电磁流量计的工作原理由电磁感应定律可知，导体在磁场中切割磁力线时，便会产生感应电势。同理，当导电的液体在磁场中作垂直于磁力线方向的流动而切割磁力线时，也会产生感应电势。均匀磁场中垂直于磁场方向有一个直径为D的管道，管道由不导磁材料制成。当导电的液体在导管中流动时，导电液体切割磁力线，因而在磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势，如安装一对电极，则电极间产生的电位差和流速成比例。电磁流量计原理图

5.6电磁流量计产生的电位差的表达式为：

E—感应电动势：B—磁感应强度，D—管道内径；v—平均流速。当磁感应强度B及管道内径D固定不变时，K为常数，两电极间的感应电动势E与流量qv呈线性关系，便可通过测量感应电动势来间接测量被测流体的流量qv值。

5.6电磁流量计则体积流量的表达式为：

5.6电磁流量计优点：

①几乎无压力损失，适用含有颗粒、悬浮物等流体的测量；

可以用来测量腐蚀性介质的流量；

②流量测量范围大；流量计的管径小到1mm，大到2m以上；

④电磁流量计的输出与流量呈线性关系；

⑤反应迅速，可以测量脉动流量。

5.6电磁流量计

缺点：

①被测介质必须是导电的液体，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；

②结构也比较复杂，成本较高。

5.7质量流量的检测问题引出：为什么需要质量流量计?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。质量流量计主要类型：推导式、直接式和补偿式。

5.7质量流量的检测5.7.1推导式质量流量测量一般是采用体积流量计和密度计的组合，实现质量流量的测量。常见的组合方式主要有3种。5.7质量流量的测量

一、检测器与密度计组合的形式流量计检测出与管道中的流体的成正比的信号x，由密度计检测出与ρ成正比的信号y.质量流量表达式为

5.7质量流量的测量二、体积流量计与密度计的组合形式容积、漩涡、电磁式等流量计可测量管道中的体积流量qv，将它与密度计组合可构成质量流量计。

5.7质量流量的测量三、检测