第三节流量检测及仪表

第三节流量检测及仪表流量检测的主要方法和分类节流式流量计转子流量计电磁流量计涡轮流量计漩涡流量计容积式流量计

☆★★★☆☆★——几个概念

流量通常是指单位时间内流经管道某截面的流体的数量，也就是所谓的瞬时流量；在某一段时间内流过流体的总和，称为总量或累积流量。

体积流量以体积表示的瞬时流量用qv表示，单位为m3/s以体积表示的累积流量用Qv表示，单位为m3质量流量以质量表示的瞬时流量用qm表示，单位为kg/s以质量表示的累积流量用Qm表示，单位为kg标态下的体积流量由于气体是可压缩的，流体的体积会受工况的影响，为了便于比较，工程上通常把工作状态下测得的体积流量换算成标准状态（温度为20℃，压力为一个标准大气压）下的体积流量。标准状态下的体积流量用qvn表示，单位为Nm3/s。

3.1流量检测的主要方法和分类测量流量的方法很多，其测量原理和所应用的仪表结构形式各不相同。目前有许多流量测量的分类方法，我们仅举一种大致的分类法，简介如下。

1．速度式流量仪表这是一种以测量流体在管道内的流速ω作为测量依据来计算流量的仪表。Q=ωFF管道的流通面积当F=常数Q=f（ω）例如差压式流量计、转子流量计、电磁流量计、涡轮流量计、堰式流量计等。2．容积式流量计这是一种以单位时间内所排出的流体的固定容积V的数目N作为测量依据来计算流量的仪表。Q=VN当V=常数Q=

f（N）例如椭圆齿轮流量计、盘式流量计、活塞式流量计等。3．质量式流量计这是一种以测量流过的质量M为依据的流量计，例如惯性力式质量流量计、补偿式质量流量计等。它具有被测流量的数值不受流体的温度、压力、粘度等变化的影响，是一种在发展中的流量测量仪表。另外在60年代末期，相继出现了应用流体振荡原理测量流量的新型流量仪表，即所谓旋涡式流量计。这种测量方法的特点是管道内无可动部件、压力损失小、精度高，仪表的输出是与体积流量成比例的脉冲信号，即数字显示。这种仪表对气体、液体均适用，所以颇受欢迎。流量检测仪表分类速度式流量计容积式流量计质量流量计差压式流量计转子流量计

电磁流量计

涡轮流量计旋涡流量计超声波流量计靶式流量计均速管流量计椭圆齿轮流量计腰轮流量计刮板式流量计活塞式流量计热量式流量计科里奥里流量计角动量式流量计振动陀螺式流量计本章主要介绍差压式流量计、转子流量计、电磁流量计和椭圆齿轮流量计，并简述几种其他类型的流量计。3.2节流式流量计

节流式流量计也称为差压式流量计，它是目前工业生产过程中流量测量最成熟、最常用的方法之一。如果在管道中安置一个固定的阻力件，它的中间开一个比管道截面小的孔，当流体流过该阻力件时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差。压差的大小与流体流速的大小有关，流速愈大，差压也愈大，因此只要测出差压就可以推算出流速，进而可以计算出流体的流量。

(a)标准孔板(b)喷嘴(c)文丘里管把流体流过阻力元件使流束收缩造成压力变化的过程称节流过程，其中的阻力元件称为节流元件。作为流量检测用的节流元件有标准的和特殊的两种。标准节流元件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。对于标准化的节流元件，在设计计算时都有统一标准的规定、要求和计算所需的有关数据及程序，可直接按照标准制造；安装和使用时不必进行标定。节流过程特殊节流元件主要用于特殊介质或特殊工况条件的流量检测，它必须用实验方法单独标定。相比而言，标准孔板制作最简单，使用也最广泛，以下只介绍标准孔板，

差压式流量计的组成1、现场型现场型差压式流量计是由节流装置、导压管和差压计组成。节流元件导压管差压计QQΔPΔPQ孔板导压管差压计2、远传型远传型差压式流量计是由节流装置，变送器和电流表组成。节流元件

差压变送器电流表QQΔPI差压变送器电流表I4～20mA123——节流原理

流动流体的能量有两种形式：静压能和动能。流体由于有压力而具有静压能，又由于有流动速度而具有动能，这两种形式的能量在一定条件下是可以相互转化的。

流速静压1、节流现象连续流动的流体，当遇到装设在管道中的节流装置时，形成节流装置前后流体的静压差，这种现象叫做节流现象。2、节流原理（1）、流体的收缩具有一定能量的流体，才能在管道中形成流动状态。流体的能量有两种形式；动压能和静压能。动压能=

静压能=P/ρ

这两种能量在一定条件下，可以相互转化，但是根据能量守恒定律，流体所具有的动压能和静压能总和是不变的。（不考虑阻力损失）＝常数沿管道纵向连续流动的流体，遇到节流装置的阻碍，由于流通面积突然减小，流体平均速度增大，部分静压能转化为动压能，所以节流装置后的静压要比节流装置前的要小。在孔板端面入口处，在靠近管壁的地方，流体受到的阻挡作用最强，流速迅速减小，所以使动压能转化成静压能，在管壁附近静压能增大。这个静压头比管道中心处压力要大，因而产生一个径向压差，这个径向压差迫使流体产生径向附加速度，从而改变了流体原来的纵向流向，使靠近管壁处的流体质点流向与管道中心轴成相倾斜，形成了流束的收缩。(2)、差压的产生由于节流装置造成流束的局部收缩，且在缩脉处流速达到最大，根据柏努利方程可知流束截面最小处流体的静压最低，孔板端面出口处由于流速比入口处增大所以其静压力比入口处要小，即在节流装置入口端面处开一个取压口静压力为P1在节流装置出口端面处开一个取压口静压力为P2

当流体的流量越大，流束的局部收缩越厉害，动压能和静压能的转化也就越显著。因此节流装置前后的压差ΔP=P1-P2

也就越大。P1P2（3）、流量的基本方程式流量的差压之间的关系，可根据柏努利方程式及流体流动连续性方程推导而出。流量的基本方程式流量与压差之间的关系

α流量系数

ε膨胀校正系数对不可压缩的液体来说

F0

节流装置开孔截面积

ρ1

被测介质节流装置前的密度

Q＝f(ΔP)三、标准节流装置1、标准节流装置的结构、尺寸要求、取压方式、标准节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管取压方式、环室取压、单孔取压所谓角接取压就是上下游取压管口位于孔板前后两端面处取压。加工要求，孔板一般为不锈钢材料制成，要求耐腐蚀、耐磨损，加工精度很高，不应有毛刺和划痕，用肉眼观察不到光的反射，加尺寸如图所示标准节流装置是指节流件、取压装置都标准化，前后直管段符合规定要求，可以直接投入使用

标准孔板，要求：

d/D应在0.2～0.75之间

d不小于12.5mm

直孔厚度h应在0.005D到0.02D之间孔板的总厚度H应在h和0.05D之间圆锥面的斜角α应在30～45°之间

…………

标准喷嘴和标准文丘里管的结构参数的规定也可以查阅相关的设计手册。

有手册可查，不要求记——标准取压方式

国家规定标准的取压方式有角接取压、法兰取压和D－D/2取压。

角接取压环隙取压单独钻孔取压夹持环流体角接取压的两个取压口分别位于孔板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两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四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4～10mm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。法兰取压和D－D/2取压法兰取压装置是由一对带有取压口的法兰组成取压口轴线距离孔板上、下端面均为25.4mm（1英寸）l1l2法兰取压D－D/2取压装置是设有取压口的管段，上、下游取压口轴线与孔板上游端面的距离分为D和D/2（D为管道的直径）l1(D)l2(D/2)D－D/2取压——节流式流量计的安装

原理总结：节流装置引压管差压变送器显示仪表/控制器在各种标准的节流装置中以标准孔板的应用最为广泛，它具有结构简单、安装使用方便的特点，适用于大流量的测量。孔板的最大缺点是流体流经节流件后压力损失较大，当工艺管路不允许有较大的压力损失时，一般不宜选用孔板流量计。标准喷嘴和标准文丘里管的压力损失较小，但结构比较复杂，不易加工。虽然节流式流量计的应用非常广泛，但是如果使用不当往往会出现很大的测量误差，有时甚至高达10～20％。下面列举一些造成测量误差的原因，以便在安装使用过程中得到充分的注意，并予以适当的解决。流体在管道中正常流动（v、p）节流件使流体收束，流速增大，压力降低节流件前后出现“压差”“压差”与流量有关再采用差压变送器，将差压信号转换为统一的标准信号，便于显示及控制——节流式流量计的使用特点和要求（1）流体必须充满管道，流动是连续的，流束是稳定的。（2）流体流经节流装置不发生相变。（3）在节流装置前后2D长的管道内壁表面不应有凸出物或粗糙不平的现象。用于大口径管道的流量测量，一般D≥50mm。（4）节流装置必须垂直安装，端面不得装反，节流装置前后应有足够长的直管段。前>15-20D,后>5D1—上游直管段；2一导压管；3一孔板；4一下游直管段；5、7一连接法兰；6一取压环室通知:请学号尾数为1、2、3的同学交作业，其他同学将作业交课代表。少交一次作业扣3分，作业不合格扣2分，得优加1分,优-加0.5分，良好以下不加分。交作业喽！精品课程——节流式流量计误差产生的原因实际工况与设计要求不符，如：温度、压力、湿度以及相应的流体重度、粘度、雷诺数等参数数值发生变化，则会造成较大的误差。为了消除这种误差，必须按新工艺重新设计计算，或加以必要的修正。节流装置安装不正确，在安装时，特别要注意节流装置的安装方向。在使用中，要保持节流装置的清洁。如在节流装置处防止有沉淀、结焦、堵塞等现象。节流装置的磨损，应注意日常检查、维修，必要时应换用新的孔板。导压管安装不正确，或有诸塞、渗漏现象，精品课程——节流式流量计误差产生的原因孔板本身原因：直角边缘不锐利

测量值偏小

d太大

测量值偏小

h太大

测量值偏大

安装不好，孔板弯曲

可大可小

精品课程标准节流装置的选用（1）要求测量精度高，压力损失小。可选用喷嘴和文丘里管。（2）测量介质有腐蚀，易使节流装置磨损、玷污、变形时，应采用喷嘴。（3）从制造、加工、安装、成本方面考虑，孔板最简单、便宜。喷嘴其次，文丘里管最复杂、成本也最高。实际上在一般条件下，以采用孔板为多。精品课程转子流量计

精品课程在工业生产中经常遇到小流量的测量，因其流体的流速低，这就要求测量仪表有较高的灵敏度，才能保证一定的精度。转子流量计特别适宜于测量管径50mm以下管道的流量，测量的流量可小到每小时几升。

h精品课程上一节我们学习了差压式流量计。即流量只与节流装置前后的差压有关，我们可以用差压计通过测量节流装置前后的差压来间接测量流量。由流体力学我们知道

S流通面积ω流体的平均流速当流体的流速ω不变时，我们可以通过测量流通面积S达到测量流量的目的。转子流量计就是基于这个原理工作的。精品课程一、转子流量计的工作原理1、结构转子流量计是由转子和带有刻度的锥形玻璃管构成。2、工作原理

(1)转子的受力分析

F1转子所受浮力

F2转子在差压作用下所受推力

F3转子所受重力

F1F2

F3精品课程当达到力平衡时

F1＋F2＝F3F1＝VF2=F3=VV

+

=V

F1F2

F3精品课程因为V转子的体积被测介质的密度转子的密度g重力加速度A转子的有效面积均为常数则为常数，因此称转子流量计为恒压降流量计。——流量方程根据流体力学节流装置前后的差压可表现为压力损失为阻力损失系数流速流体密度精品课程则根据经分析流速也为常数流量Q与转子高度H之关系精品课程HR－r因为

KH精品课程式中：K为仪表常数；H为转子浮起的高度。

转子流量计的锥形管一般采用透明材料制成，在锥形管上刻有流量读数，用户只要根据转子高度来读取读数。用高度反映流量，为使转子能在锥形管中心自由灵活浮动，早期的的转子一般要开几条斜槽，流体流过转子斜槽时，转子在中心不断旋转。这就是转子流量计的由来。精品课程另一种方法就是在锥形管中心装一根导向杆，使它穿过转子中心，转子在锥形管中心上下浮动。转子流量计一般只适用于就地指示。对配有电远传装置的转子流量计，也可以把反应流量大小的转子高度h转换为电信号，传送到其它仪表进行显示、记录或控制精品课程3、转子的测量过程Q转子上升HS

＋＝此时H指示出流量Q的大小。Q精品课程二、电远传转子流量计LZD1、组成转子差动变压器显示QHUABQ由转子、差动变压器和显示部分组成2、差动变压器（1）结构差动变压器由线圈、铁心、骨架组成。初级线圈绕在内层，次级线圈绕在外层。精品课程初级：两组线圈同名端同相串联次级：两组线圈同名端反相串联

精品课程差分变压器输出电压动画精品课程（2）工作原理当与转子相连接的铁心位于中间位置时，差动变压器次级输出电压为零。此时当流量增加铁心上移

当流量减小铁心下移

改变铁心位置也就改变了差动变压器的次级电压。

精品课程这样就把流量的变化转换为转子高度的变化，转子带动差动变压器的铁心同时也要变化，铁心的变化，通过差动变压器转化成输出电压的变化，如能测出电压，就可达到测量流量之目的。3、电动显示部分（1）偏差电压法转子差动变压器毫伏计QHU46Q精品课程有一个差动变压器，将转子的位移转换成差动变压器的输出电压，然后用交流毫伏计作为电动显示部分。V交流信号源精品课程（2）平衡电压法有两个差动变压器，（一个叫发送差变，一个叫接受差变）电子放大器、可逆电机、凸轮机构等组成。①测量原理图精品课程化工系仪表教研室QHUABUCD⊿U⊿INhQ~电远传转子流量计字母的标注精品课程②方块图转子发送差变放大器电机指示凸轮机构发送差变QHUAB－UCD⊿U⊿INQh精品课程QHUAB

⊿U

N(正转)指针右移凸轮逆转hUCD⊿U=0⊿I=0电机停转（指针指在相应位置）指示Q③动作过程⊿I精品课程——流量修正由于转子流量计在生产的时候，是在工业基准状态（20℃，0.10133Mpa）下用水或空气进行刻度的。如果（1）工作状态不是工业基本状态。（2）所测介质不是水和空气。必须对流量指示值按照实际被测介质的密度、温度、压力等参数的具体情况进行修正。精品课程液体流量测量时的修正

如果某转子流量计的转子高度为h，如果介质为20℃的水，则流量qv0与h的关系满足：式中：qv0为用水标定时的流量刻度

ρw为水的密度如果介质不是20的℃水，则流量qvf与h的关系满足：qvf和ρf分别为被测介质的实际流量和密度如果被测介质的粘度和水的粘度相差不大，可以近似认为φ是常数，则有刻度流量实际流量修正系数例现有一只以水标定的转子流量计用来测量苯的流量，已知转子的材料为不锈钢（密度7.9g/cm3），苯的密度为0.83g/cm3

，请问流量计读数为3.6L/s时，苯的实际流量是多少？解：修正公式因此答：流量计读数为3.6L/s时，苯的实际流量是质量流量的修正公式气体流量测量时的修正假设实际被测气体的密度为ρf，因此被测流体流量Qf与指示值Q0的关系是：通常，气体流量需要把它转化成工业基准状态（T0＝20℃＝293K，P0＝1.0133×105Pa）即被测时的压力和温度分别为：Pf、Tf，所以被测流体对应标准状态的体积流量为：此时的密度ρf还是实际密度，由于测量的困难，也需要把它转化成标态下的密度更为方便：于是有修正公式

温度单位是绝对温标，压力为绝对压力。（P0=1.0133*105Pa，T0=273K）ρ0——空气标准状态密度（1.293kg/m3）ρf0——被测介质标准状态密度

Q0

——显示流量

Qf0——实际流量（标准状态）——转子流量计的特点

①转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量；②流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；③流量计的基本误差约为仪表量程的土2％，量程比可达10：1④流量计的测量精度易受被测介质密度、粘度、温度、压力、纯净度、安装质量等的影响。⑤工作压力、温度受限（工作温度－20—＋120℃，工作压力<2Mpa）不能远传、记录和调节。精品课程——转子流量计的安装1、转子流量计必须垂直安装。不得倾斜或水平安装。2、进出口应有大于5D的直管段。3、为便于维修，转子流量计应安装截止阀和旁通阀。4、为避免管道重量直接压在转子流量计上，在转子流量计前后要安装支撑架。5、测温度、压力较高、有毒、有腐蚀性流体时应安装防护罩。6、管道直径小于50mm。精品课程3.4电磁流量计基本工作原理导体切割磁力线，会产生电动势适用场合可以检测具有一定电导率的酸、碱、盐溶液，腐蚀性液体以及含有固体颗粒的的液体测量，但不能检测气体、蒸汽和非导电液体的流量。流量公式根据精品课程当导电的流体在磁场中以垂直方向流动而切割磁力线时，就会在管道两边的电极上产生感应电势，感应电势的大小与磁场的强度、流体的速度和流体垂直切割磁力线的有效长度（D）成正比：式中：Ex为感应电势；K为比例系数；B为磁场强度；D为管道直径；v为垂直于磁力线的流体流动速度。在管道直径D已经确定，磁场强度B维持不变时，流体的体积流量与磁感应电势成线性关系。利用上述原理制成的流量检测仪表称为电磁流量计。精品课程——电磁流量计的外形电磁流量传感器电磁流量变送器精品课程图3－15光华－爱而美特电磁流量计传感器

精品课程测量导管内无可动或突出于管道内部的部件，因而压力损失极小；只要是导电的，被测流体可以是含有颗粒、悬浮物等，也可以是酸、碱、盐等腐蚀性物质；流量计的输出电流与体积流量成线性关系，并且不受液体的温度、压力、密度、粘度等参数的影响；电磁流量计的量程比一般为10:1，精度较高的量程比可达100:1；测量口径范围大，可以从lmm到2m以上，特别适用于lm以上口径的水流量测量；测量精度一般优于0.5级；——电磁流量计的特点精品课程主要缺点：被测流体必须是导电的，不能小于水的电导率，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℃；因电极嵌装在测量导管上的，使工作压力限制(一般≤0.25MPa）电磁流量计反应迅速，可以测量脉动流量；精品课程——电磁流量计的安装可以水平安装，也可以垂直安装，但要求液体充满管道；水平安装时，应低于管道。竖直安装时，流体从下向上。直管段要求：前10D，后5D以上；远离磁场；变送器前后管道有时带有较大的杂散电流，一般要把变送器前后1～1.5m处和变送器外壳连接在一起，共同接地。

QQ精品课程变送器引出线和电源线分开敷设，并避免两者平行，更不能穿在同一个铁管中。变送器和转换器使用同一电源，否则由于检测信号和反馈信号相差－120度的相位，使仪表不能正常工作。精品课程3.5涡轮流量计基本工作原理流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化，通过涡轮外的磁电转换装置可将涡轮的旋转转换成电脉冲SN瞬时流量方程流量系数脉冲数／m3

qv

体积流量m3/hn涡轮的转数脉冲数/h精品课程体积总量方程N

一段时间的脉冲数QV

流体体积总量m3例如：涡轮流量计的流量系数＝15×104

脉冲数／m3,显示仪表在10分钟内积算的脉冲数N＝6000次，求流体的瞬时流量和10分钟内的累积流量。解：10分钟内的累积流量为精品课程流体的瞬时流量为答：流体的瞬时流量为0.24（m3／h），10分钟内的累积流量为0.04（m3）。

(1)精度高，其基本误差为士(0·25%一1.0%)，可作为流量的标准仪表。

(2)量程比可达10一30，刻度线性。

(3)动态性好，时间常数达1一50ms，可检测脉动流。

特点和要求精品课程(4)能耐高压达5107Pa，压力损失小，约为5一75kPa。(5)可检测0·01一7000m3/h的流量;公称直径在4一500mm。

(6)可以直接输出数字信号，抗干扰能力强，便于与计算机相连进行数据处理。精品课程使用注意事项

(1)要求被测介质洁净，以减少对轴承的磨损，并防止涡轮被卡住。对于不洁净介质，应在变迭器前加装过滤器。

(2)介质的密度和粘度的变化对指示值有影响。由于变送器的流量系数一般是在常温下用水标定的，所以密度改变时应该重新标定。对同一液体介质，密度受温度、压力的影响很小，可忽略其影响；对于气体介质，由于密度受温度和压力变化的影响较大，必须对密度进行补偿。一般随着粘度的增高，最大流量和线性范围均减小。涡轮流