各種流量計(jì)工作原理、結(jié)構(gòu)圖

1、第一節(jié)第一節(jié) 節(jié)流式流量檢測(cè)節(jié)流式流量檢測(cè)如果在管道中安置一個(gè)固定的阻力件，它的中間是一個(gè)比管道截面小的孔，當(dāng)流體流過該阻力件的小孔時(shí)，由于流體流束的收縮而使流速加快、靜壓力降低，其結(jié)果是在阻力件前后產(chǎn)生一個(gè)較大的壓力差。它與流量(流速)的大小有關(guān)，流量愈大，差壓也愈大，因此只要測(cè)出差壓就可以推算出流量。把流體流過阻力件流束的收縮造成壓力變化的過程稱節(jié)流過程，其中的阻力件稱為節(jié)流件。 作為流量檢測(cè)用的節(jié)流件有標(biāo)準(zhǔn)的和特殊的兩種。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件包括標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)文丘里管，如圖 9.1所示。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化的節(jié)流件，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)都有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求和計(jì)算所需的有關(guān)數(shù)據(jù)、圖及程序；可直接按照標(biāo)準(zhǔn)制

2、造、安裝和使用，不必進(jìn)行標(biāo)定。 圖 9.1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置特殊節(jié)流件也稱非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件， 如雙重孔 板、偏心孔板、圓缺孔板、 1/4圓缺噴嘴等，他們可以利用已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，但必須用實(shí)驗(yàn)方法單獨(dú)標(biāo)定。特殊節(jié)流件主要用于特殊；介質(zhì)或特殊工況條件的流量檢測(cè)。 目前最常見的節(jié)流件是標(biāo)準(zhǔn)孔板，所以在以下的討論中將主要以標(biāo)準(zhǔn)孔板為例介紹節(jié)測(cè)式流量檢測(cè)的原理、設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)方法等。 一一、檢檢測(cè)測(cè)原原理理 設(shè)穩(wěn)定流動(dòng)的流體沿水平管流經(jīng)節(jié)流件，在節(jié)流件前后將產(chǎn)生壓力和速度的變化，如剛9.2所示。在截面 1處流體未受節(jié)流件 影響，流束充滿管道，管道截面為 A1，流體靜壓力為p1，平均流速為 v1，流體密度為1。

3、截面2是經(jīng)節(jié)流件后流束收縮的最小截面，其截面積為A2，壓力為P2，平均流速為 v2，流體密度為2。圖9.2中的壓力曲線用點(diǎn)劃線代 表管道中心處?kù)o壓力，實(shí)線代表管壁處?kù)o壓力。流體的靜壓力和流速在節(jié)流件前后的變化情況，充分地反映了能量形式的轉(zhuǎn)換。在節(jié)流件前，流體向中心 圖9.2 流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)壓力和流速變化情況加速，至截面 2處，流束截面收縮到最小，流速達(dá)到最大，靜壓力最低。然后流束擴(kuò)張，流速逐漸降低，靜壓力升高，直到截面3處。由于渦流區(qū)的存在，導(dǎo)致流體能量損失，因此在截面 3處的靜壓力 P3不等于原先靜壓力 p1，而產(chǎn)生永久的壓力損失。p 設(shè)流體為不可壓縮的理想流體，在流經(jīng)節(jié)流件時(shí)，流體不對(duì)外

4、作功，和外界沒有熱能交換，流體本身也沒有溫度變化，則根據(jù)伯努利方程，對(duì)于截面1、2處沿管中心的流線有以下能量關(guān)系： （9-1）22220220210110vpvp 因?yàn)槭遣豢蓧嚎s流體， 則。由于流速分布的不均勻， 截面1、 2處平均流速與21管中心的流速有以下關(guān)系： （9-2）22201110,vCvvCv式中 C1，C2為截面 1、2 處流速分布不均勻的修正系數(shù)?？紤]到實(shí)際流體有粘性， 在流動(dòng)時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生摩擦力， 其損失的能量為， 為能2221v量損失系數(shù)。在考慮上述因素后，截面 1、2 處的能量關(guān)系可寫成： （9-3）22222220212110222vvCpvCp根據(jù)流體的連續(xù)性方程，有

5、 （9-4）2211vAvA又設(shè)節(jié)流件的開孔面積為A0 ， 定義開口截面比m=A。 A1 ， 收縮系數(shù)=A2A0 。 聯(lián)解式(9-2)-式（9-4）可得 （9-5） 2010222122221ppmCCv 因?yàn)榱魇钚〗孛?的位置隨流速而變，而實(shí)際取壓點(diǎn)的位置是固定的；另外實(shí)際取壓是在管壁取的，所測(cè)得的壓力是管壁處的靜壓力?？紤]到上述因素，設(shè)實(shí)際 取壓點(diǎn)處取得的壓力為， 用它代替式(9-5)中管軸中心的靜壓力時(shí)， 需引入一個(gè)取壓21pp則2010pp 則系數(shù)，并且取 （9-6）212010pppp將上式代入（9-5） ，并根據(jù)質(zhì)量流量的定義，可寫出質(zhì)量流量與差壓的21ppp關(guān)系： （9-7）p

6、mCCAAvqm2222122022 令流量系數(shù)為 （9-8）222122mCC于是流體的質(zhì)量流量可簡(jiǎn)寫為 （9-9）pAqm20體積流量為 （9-10）pAq20 對(duì)于可壓縮性流體，考慮到氣體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)，由于時(shí)間很短，流體介質(zhì)與外界來(lái)不及進(jìn)行熱交換，可認(rèn)為其狀態(tài)變化是等熵過程，這樣，可壓縮性流體的流量公式與不可壓縮性流體的流量公式就有所不同。但是，為了方便起見，可以采用和不可壓縮性流體相同的公式形式和流量系數(shù)，只是引入一個(gè)考慮到流體膨脹的校正系數(shù)，稱可膨脹性系數(shù)，并規(guī)定節(jié)流件前的密度為1，則可壓縮性流體的流量與差壓的關(guān)系為 （9-11）pAqpAqvm101022式中可膨脹性系數(shù)的取值為小

7、于等于1，如果是不可壓縮性流體，則=1。 式（9-11）成為流量方程，也稱流量公式。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，流量系數(shù) 常用流出系數(shù) C 來(lái)表示，它們之間的關(guān)系為： （9-12）41C式中，稱為直徑比。這樣，流量方程也可寫成：Dd （9-13）pACqpACqvm1401402121二、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置二、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置 節(jié)流裝置包括節(jié)流件、取壓裝 置和符合要求的前、后直管段。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置是指節(jié) 流件和取壓裝置都標(biāo)準(zhǔn) 化，節(jié)流件前后的測(cè)量管道也符合有關(guān)規(guī)定。 它是通過大量試驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的，裝置一經(jīng)設(shè)計(jì)和加工完畢便 可直接投入使用，無(wú)需進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)定。這意味著，在標(biāo)準(zhǔn)節(jié) 流裝置的設(shè)計(jì)、加工、安裝和使用中必須嚴(yán)格按照規(guī)

8、定的技術(shù)要求、 規(guī)程和數(shù)據(jù)進(jìn)行 ，以保證流量測(cè)量的精度。 下面以標(biāo)準(zhǔn)孔板為例介紹標(biāo)準(zhǔn) 節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)、特性和安裝等的技術(shù)要求及規(guī)程： 圖9.3 標(biāo)準(zhǔn)孔板(1)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件 孔板 標(biāo)準(zhǔn)孔板是一塊具 有與管道軸線同心的圓形開孔的、兩面平整且平行的金屬薄板，其剖面圖如圖9.3所示。它的結(jié)構(gòu)形式和要求如下(詳見標(biāo)準(zhǔn)GBT262493)：1)標(biāo)準(zhǔn)孔板的節(jié)流孔 直徑d是一個(gè)很重要的尺寸，在任何情況必須滿足 75. 020. 05 .12Ddmmd同時(shí)，節(jié)流孔 直徑d值應(yīng)取相互之間大致有相等角度的四個(gè)直徑測(cè)量結(jié)果的平均值，并要求任一單測(cè)值與平均值之差不得超過直徑平均值的士0.05。節(jié)流孔應(yīng)為圓筒形并垂直于上游

9、端面 A。 2)孔板上游端面 A的平面度 (即連接孔板表面上任意兩點(diǎn)的直線與垂直于軸線的平面之間的斜度 )應(yīng)小于 0.5，在直徑小于 D且與節(jié)流孔同心的圓內(nèi)，上游端面A的粗糙度必須小于或等于 10-4d；孔板的下游端面 B無(wú)需達(dá)到與上游端面 A同樣的要求，但應(yīng)通過目視進(jìn)行檢查。 3)節(jié)流孔厚度 e應(yīng)在O.005D與O.02D之間，在節(jié)流孔的任意點(diǎn)上測(cè)得的各個(gè)e值之間的差不得大于 O.001D；孔板厚度 E應(yīng)在e與0.05D之間(當(dāng)50mmD64mm時(shí)，E可以等于 3.2mm)，在孔板的任意點(diǎn)上測(cè)得的各個(gè) E值之差不超過 0.001D；如果Ee，孔板的下游側(cè)應(yīng)有一個(gè)擴(kuò)散的圓錐表面，該表面的粗糙度

10、應(yīng)達(dá)到上游端面A的要求，圓錐面的斜角 F為45土15。 4)上游邊緣 G應(yīng)是尖銳的 (即邊緣半徑不大于 0.0004d)，無(wú)卷口、無(wú)毛邊，無(wú)目測(cè)可見的任何異常；下游邊緣 H和I的要求可低于上游邊緣 G，允許有些小缺陷。(2)標(biāo)準(zhǔn)取壓裝置 不同的節(jié)流件應(yīng)采用不同形式的取壓裝置。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)孔板，我國(guó)國(guó)家規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)的取壓方式有角接取壓法、 法蘭取壓法和D 一取壓法。2D1)角接取壓角接取壓的取壓口位于上、下游孔板前后端面處，取壓口軸線與孔板各相應(yīng)端面之間的間距等于取壓口直徑之半或取壓口環(huán)隙寬度之半。取壓口可以是環(huán)隙取壓口和單獨(dú)鉆孔取壓口，分別如圖 9.4 中的 a.和 b.。當(dāng)采用環(huán)隙取壓時(shí)，通常要求

11、環(huán)隙在整個(gè)圓周上穿通管道，或者每個(gè)夾持環(huán)應(yīng)至少由四個(gè)開孔與管道內(nèi)部連通，每個(gè)開孔的中心線彼此互成等角 度，而每個(gè)開孔面積不小于 12mm2；當(dāng)采用單獨(dú)鉆 孔取壓時(shí)，取壓口的軸線應(yīng)盡可能以90與管道 軸線相交。顯然，環(huán)隙取壓由于環(huán)室的均壓作用，便于測(cè)出孔板兩端的平穩(wěn)差壓，有利于提高測(cè)量精度，但是夾持環(huán)的加工制造和安裝要求嚴(yán)格。當(dāng)管徑D500mm 時(shí)，一般采用單獨(dú)鉆孔取壓。 環(huán)隙寬度或單獨(dú)鉆孔取壓口的直徑口通常取410mm 之間。 圖 9.4 角接取壓口 2)法蘭取壓和 D 一取壓2D法蘭取壓裝置是沒有取壓口的法蘭，D 一取壓裝置是沒有取壓口的管段，以及為2D保證取壓口的軸線與節(jié)流件斷面的距離而用

12、來(lái)夾緊節(jié)流件的法蘭，如圖9.5 所示。圖中的法蘭取壓口的間距、是分別從節(jié)流件上、下游端面量起，而D 一取1l2l2D壓口的間距、都是從節(jié)流件上游端量起。、的取值見下表。取壓口的最小1l2l1l2l直徑可根據(jù)偶然阻塞得可能及良好的動(dòng)態(tài)特性來(lái)決定，沒有任何限制，但上游和下游取壓口應(yīng)具有相同的直徑，并且取壓口的軸線與管道軸線相交成直角。 表 9-1 取壓口間距、的取值1l2l (3)直管段 節(jié)流裝置應(yīng)安裝在符合要求的兩段直管段之間。 節(jié)流裝置上游及下游側(cè)的直管段(如圖9.5所示)分為如下三段： 節(jié)流件至上游第一個(gè)局部阻力件， 其距離為； 上游第1l一與第二個(gè)局部阻力件， 距離為節(jié)流件至下游第一個(gè)局部

13、阻力件， 距離為。 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流0l2l裝置對(duì)直段管、的要求如下：0l1l2l1)直管段應(yīng)是有恒定橫截面積的圓筒形管道，用 目測(cè)檢查管道應(yīng)該是直的。2)管道內(nèi)表面應(yīng)該清潔，無(wú)積垢和其他雜質(zhì)。節(jié)流件上游 10D的內(nèi)表面相對(duì)平均粗度應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。3)節(jié)流裝置上、下游側(cè)最短直管段長(zhǎng)度隨上游側(cè)阻力件的形式和節(jié)流件的直徑比而異最短直管段長(zhǎng)度見表9-2。 表中所列長(zhǎng)度是最小值， 實(shí)際應(yīng)用時(shí)建議采用比所規(guī)定的長(zhǎng)度更的直管段。表中的閥門應(yīng)全開，調(diào)節(jié)流量的閥門應(yīng)位于節(jié)流裝置的下游。如果直管段長(zhǎng)度用表中括號(hào)內(nèi)的數(shù)值時(shí)， 流出系數(shù)的不確定度要算術(shù)相加O. 5的附加不確定度。 如果在流裝置上游串聯(lián)了幾個(gè)阻力件(除全為9

14、0彎頭外)，則在第一個(gè)和第二個(gè)阻力件之間的長(zhǎng)可按第二個(gè)阻力件的形式， 并取=0.7(不論實(shí)際值是多少)取表中數(shù)值的一半， 串聯(lián)0l幾個(gè)90彎頭時(shí)=O。0l /mm1l/ mm2l取壓方式0.60.60.60.6法蘭取壓25.4125.40.5（D150）25.41(150D1000)25.4125.40.5（D150）25.41(150D1000)D 一取壓2DD0.1D0.5D0.02D0.5D0.01D 圖 9.5 節(jié)流件上、下游阻力件及直管段長(zhǎng)度0.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.750.8010(6)10(6)10(6)12(6)

15、14(7)14(7)14(7)16(8)18(9)22(11)28(14)36(18)46(23)14(7)14(7)16(8)16(8)18(9)18(9)20(10)22(11)26(13)32(16)36(18)42(21)50(25)34(17)34(17)34(17)36(18)36(18)38(19)40(20)44(22)48(24)54(27)62(31)70(35)80(40)55555556(5)8(5)9(5)11(6)14(7)22(11)30(15)16(8)16(8)16(8)16(8)16(8)17(9)18(9)20(10)22(11)25(13)30(15)3

16、8(19)54(27)18(9)18(9)18(9)18(9)20(10)20(10)22(11)24(12)26(13)28(14)32(16)36(18)44(22)12(6)12(6)12(6)12(6)12(6)12(6)12(6)14(7)14(7)16(8)20(10)24(12)30(15)4(2)4(2)5(2.5)5(2.5)6(3)6(3)6(3)6(3)7(3.5)7(3.5)7(3.5)8(4)8(4)例例 9.1如圖 9.5 所示，設(shè)閥門為全開閘閥，管道直徑 D=300mm，孔板開孔直徑d=120mm，試確定直管段、的長(zhǎng)度。0l1l2l解解 直徑比4 . 0300/1

17、20/Dd由表 9-2 查得 =14D，=6D， =1/220D1l2l0l把 D=300mm，代入，即可求得各直管段 長(zhǎng)度： =3000mm =4200mm =1800mm0l1l2l三、節(jié)流式流量計(jì)三、節(jié)流式流量計(jì) 節(jié)流式流量計(jì)是基于節(jié)流裝置的一種流量檢測(cè)儀表，也稱差壓型流量計(jì)。它由節(jié)流裝置(節(jié)件和取壓裝置)、引壓導(dǎo)管、差壓計(jì)和顯示儀表組成，框圖如圖9.6所示。 圖9.6 節(jié)流式流量計(jì)框圖節(jié)流裝置把流體流量轉(zhuǎn)換成差壓，通過引壓導(dǎo)管送到差壓計(jì)。 vmqq21mqKp 差壓計(jì)進(jìn)一步將差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流，顯示儀表 把接收到的電流信號(hào)通過pKI2標(biāo)尺指示流量，標(biāo) 尺長(zhǎng)度忙。由于節(jié)流裝置是一個(gè)非線性

18、環(huán)節(jié)，因此顯示儀IKl3表的流量指示標(biāo)尺也必須是非 線性刻度，這給尺寸設(shè)計(jì)和讀數(shù)帶來(lái)不便，誤差也相對(duì)會(huì)增大一些。為解 決流量指示的非線性問題，需要在檢測(cè)系統(tǒng)中增加一個(gè)非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)(即表9-2 孔板、噴嘴和文丘里噴嘴所要求的最短直管段長(zhǎng)度mm 節(jié)流件上游側(cè)阻流件形式和最短直管段長(zhǎng)度 比 單個(gè)90。 彎頭或三通(流體僅從一個(gè)支管流出) 在同一平面上的兩個(gè)或多個(gè)90。 彎頭 在不同平面上的兩個(gè)或多個(gè)90。 彎頭 漸縮管(在1.5D：3D的長(zhǎng)度內(nèi)由2D 為D) 慚擴(kuò)管(在1D至2D的長(zhǎng)度內(nèi)由O.5D變?yōu)镈)球型閥全開 全孔球閥或閘閥全開 節(jié)流件下游最短直管段長(zhǎng)度(包括在本表中的所有阻流件)開方 器)

19、。開方器可以依附在差壓計(jì)(這種差壓計(jì)稱帶開方器的差壓計(jì))內(nèi)， 即差壓計(jì)輸出與差壓 之間的關(guān)系為；也可以在差壓計(jì)后插入一個(gè)開方器，pKK22開方器輸出為，由開方器輸出到顯示儀表。增加一個(gè)開方器后，標(biāo)尺長(zhǎng)IKI2度與流量即成為線性關(guān)系 （9-14）mmKqqKKKKl1223例例9 9. .2 2 有一臺(tái)節(jié)流式流量計(jì)，滿量程為10kgs，當(dāng)流量為滿刻度的 65和30時(shí)，試求流量值在標(biāo)尺上的相應(yīng)位置(距標(biāo)尺起始點(diǎn))，設(shè)標(biāo)尺總長(zhǎng)度為100mm。解解 如果流量計(jì)不帶開方器，則標(biāo)尺長(zhǎng)度與流量的關(guān)系為 2mKql 由題意，則則則則則則skgskgqskgmmKmmlskgqmm/0 . 3/5 . 6%65

20、10;./1,100,/101可求得 mmlmml0 . 9,25.42%30%65 如果流量計(jì)帶開方器，則標(biāo)尺長(zhǎng)度與流量為線性關(guān)系，由(9-14)式可得，當(dāng)=6.5kgs 和 3.0kgs，標(biāo)尺離起始點(diǎn)的距離分別為mq mmlmml0 .30,0 .75%30%65 節(jié)流式流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，工作可靠，使用壽命較長(zhǎng)，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。幾乎能測(cè)量各種工況下的介質(zhì)流量，是一種應(yīng)用很普遍的流量計(jì)。使用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，只要嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)定和規(guī)程設(shè)計(jì)、加工和安裝節(jié)流裝置，流量計(jì)不需進(jìn)行標(biāo)定可直接使用。但是流量產(chǎn)生的壓力損失大，流量計(jì)的刻度一般是非線性的，流量測(cè)量范圍也較窄，正常情況下量程比只有3

21、：1，不能測(cè)量直徑在 50mm以下的小口徑與大于 1000mm的大口徑的流量，也不能測(cè)量臟污介質(zhì)和粘度較大的介質(zhì)的流量，同時(shí)還要求流體的雷諾數(shù)要大于某個(gè)臨界值。第二節(jié)第二節(jié) 電磁式流量檢測(cè)電磁式流量檢測(cè)電磁式流量檢測(cè)方法目前應(yīng)用最廣 泛的是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行流量測(cè)量的電磁流量計(jì)，它能檢測(cè)具有一定電導(dǎo)率的酸、堿、鹽溶液，腐蝕性液體以及含有固體顆粒(泥漿、礦漿等)的液體流量。但不能檢測(cè)氣體、蒸汽和非導(dǎo)電液體的流量。一、一、檢測(cè)原理檢測(cè)原理 導(dǎo)體在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體中便會(huì)有感應(yīng)電勢(shì)，其大小與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度、導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)的有效長(zhǎng)度及導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度成正比。 同理， 如圖9.7所示

22、， 導(dǎo)電的流體介質(zhì)在磁場(chǎng)中作垂直方向流動(dòng)而切割磁力線時(shí)， 也會(huì)在管道兩邊的電極上生感應(yīng)電勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)的方向由右手定則確定， 其大小由下式?jīng)Q定： （9-15）BDvEx式中Ex為感應(yīng)電勢(shì)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；D為管道直徑，即導(dǎo)電流體垂直切割磁力線的長(zhǎng)度； v為垂直于磁力線方向的流體速度。因?yàn)轶w積流量等于流體流速 v 與管道截面積 A 的乘積，故vq （9-16）vDqv241將上式代入（9-15） ，可得 （9-17）xvEBDq4 由上式可知， 在管道直徑 D 已確定并維持磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 不變時(shí)， 這時(shí)體積流量與感應(yīng)電勢(shì)具有線性關(guān)系，而感應(yīng)電勢(shì)與流體的溫度、壓力、密度和粘度等無(wú)關(guān)。根據(jù)上述原理制成

23、的流量檢測(cè)儀表稱電磁流量計(jì)。 圖 9.7 電磁式流量檢測(cè)原理 圖 9.8 電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu) 二、電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)二、電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu) 電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖9.8所示， 它主要由磁路系統(tǒng)、 測(cè)量導(dǎo)管、 電極、襯里、外 殼以及轉(zhuǎn)換器等部分 組成。 (1)磁路系統(tǒng) 用于產(chǎn)生均 勻的直流或交流磁場(chǎng)。直流磁場(chǎng)可以用永久磁鐵來(lái) 實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn) 單。但是，在電極上產(chǎn)生的直流電勢(shì)會(huì)引起被測(cè)液體的電解，因而在電極上發(fā)生極化現(xiàn)象，破壞了原有的測(cè)量條件；當(dāng)管道直徑較大時(shí)，永久磁鐵也要求很大，這樣既笨重又不經(jīng)濟(jì)。所以，工業(yè)生產(chǎn)用的電磁流量計(jì)，大多采用交變磁場(chǎng)，且是用50Hz工頻電源激勵(lì)產(chǎn)生的。產(chǎn)生交變磁場(chǎng)勵(lì)磁線圈的

24、結(jié)構(gòu)型式因?qū)Ч艿目趶讲煌?所不同，圖9.8是一種集中繞組式結(jié)構(gòu)。它由兩只串聯(lián)或并聯(lián)的馬鞍形勵(lì)磁組組成，上下各一只夾持在測(cè)量導(dǎo)管上。為形成磁路，減少干擾及保證磁場(chǎng)均勻，在線圈外圍有若干層硅鋼片疊成的磁軛。 (2)測(cè)量導(dǎo)管 其作用是讓被測(cè)液體通過。它的兩端設(shè)有法蘭，以便與管道連接。為使磁力線通過測(cè)量導(dǎo)管時(shí)磁通不被分路并減少渦流，測(cè)量導(dǎo)管必須采用不導(dǎo)磁、低導(dǎo)電率、低導(dǎo)熱率和具有一定機(jī)械強(qiáng)度的材料制成，一般可選用不銹鋼、玻璃鋼、鋁及其他高強(qiáng)度塑料等。(3)電極 電極的結(jié)構(gòu)如圖9.9所示，它的作用是把被測(cè)介質(zhì)切割磁力線時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)引出。 為了不影響磁通分布， 避免因電極引入的干擾， 電極一般由

25、非導(dǎo)磁的不銹鋼材料制成。 電極要求與襯里齊平， 以便流體通過時(shí)不受阻礙。電極的安裝位置宜在管道的水平方向，以防止沉淀物堆積在電極上而影響測(cè)量精度。 圖9.9 電極的結(jié)構(gòu) (4)襯里 在測(cè)量導(dǎo)管的內(nèi)側(cè)及法蘭密封面上， 有一層完整的電絕緣襯里。 它直接接觸被測(cè)介質(zhì)， 主要作用是增加測(cè)量導(dǎo)管的耐磨與耐蝕性，防止感應(yīng)電勢(shì)被金屬測(cè)量導(dǎo)管管壁短路。因此，襯里必須是耐腐、耐磨以及能耐較高溫度的絕緣材料。(5)外殼 一般用鐵磁材料制成， 它是保護(hù)勵(lì)磁線圈的外罩，并可隔離外磁場(chǎng)的干擾。（6)轉(zhuǎn)換器 流體流動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)十分微弱，采用 50Hz交流電源供電，因而各種干挽因素的影響很大。轉(zhuǎn)換器的目的是將感應(yīng)電勢(shì)放

26、大并能抑制主要的干擾信號(hào)。三三、正正交交干干擾擾信信號(hào)號(hào)的的產(chǎn)產(chǎn)生生與與抑抑制制采用交變磁場(chǎng)時(shí)，設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度B=Bmsinmt，則感應(yīng)電勢(shì)為 （9-18）wtDvBEmxsin 應(yīng)用交變磁場(chǎng)可以有效地消除極化現(xiàn)象，但隨之而來(lái)的電磁干擾信號(hào)明顯增大，主要的干擾信號(hào)是所謂的正交干擾信號(hào)， 它是指其相位和被測(cè)感應(yīng)電勢(shì)Ex， 相差90造成這種干擾的主要原因是：在電磁流量計(jì)工作時(shí)，管道內(nèi)充滿導(dǎo)電液體，這樣，電極引線、被測(cè)液體和轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗構(gòu)成閉合回路。 而交變磁通不可避免地會(huì)穿過該閉合回路， 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，交變磁場(chǎng)在閉合回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為： （9-19）dtdBKet式中K為系數(shù)，把交變磁場(chǎng)

27、代入上式，得wtBBmsin （9-20）2sintKBemt 比較式（9-18）和式（9-20）可以看出，信號(hào)電勢(shì)Ex與干擾電勢(shì)et的頻率相同，而相位上相差90，所以習(xí)慣上稱此項(xiàng)干擾為正交干擾(也稱90干擾)。嚴(yán)重時(shí)，正交干擾et可能與信號(hào)電勢(shì)Ex相當(dāng)，甚至超過Ex。所以，必須設(shè)法消除此項(xiàng)影響，否則會(huì)引起測(cè)量誤差，甚至造成流量計(jì)無(wú)法工作。消除正交干擾的方法很多，目前主要采用的方法有：(1)利用信號(hào)引出線路自動(dòng)補(bǔ)償，如圖9.10所示，從一根電極上引出兩根導(dǎo)線，并分別繞過磁極形成兩個(gè)從一根電極上引出兩根導(dǎo)線，并分別繞過磁極形成兩個(gè)回路內(nèi)產(chǎn)生方向相反的感應(yīng)電勢(shì)，通過調(diào)零電位器，使進(jìn)入儀表的干擾電勢(shì)

28、相互抵消，以減小正交干擾電勢(shì)進(jìn)入轉(zhuǎn)換器的輸入電路。 圖9.10 利用引出線自動(dòng)補(bǔ)償正交干擾(2)在轉(zhuǎn)換器的放大電路中進(jìn)一步采取補(bǔ)償措施，例如，在主放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)上設(shè)置正交干擾抑制器。四、轉(zhuǎn)換器及其構(gòu)成原理四、轉(zhuǎn)換器及其構(gòu)成原理 電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是把電極檢測(cè)到的交變感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。根據(jù)電磁流量計(jì)的檢測(cè)特點(diǎn)，轉(zhuǎn)換器應(yīng)滿足以下要求。 (1)要求轉(zhuǎn)換器有很高的輸入阻抗。由于感應(yīng)電勢(shì)的通道是兩個(gè)電極間的液體，被測(cè)液體的導(dǎo)電性能往往很低，例如100mm管徑，被測(cè)介質(zhì)是蒸餾水時(shí)，內(nèi)阻約為20k左右。另外，考慮到分布電容的影響，故一般希望轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗要大于lOM，最好要超過

29、lOOM。 (2)感應(yīng)電勢(shì)Ex比較微弱，并且伴有各種干擾信號(hào)。為此，要求轉(zhuǎn)換器除對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行放大外，還必須設(shè)法消除各種干擾。圖9.11 正交干擾自動(dòng)補(bǔ)償原理對(duì)于正交干擾電勢(shì)，雖然在信號(hào)引線時(shí)采取了一定的補(bǔ)償措施，但是，由于正交干擾電勢(shì)在工作中是變化的，因而在轉(zhuǎn)換部分還必須進(jìn)一步降低它的影響。最常用的方法是利用正交干擾電壓自動(dòng)補(bǔ)償，其原理見圖 9.11 所示。在轉(zhuǎn)換器的放大通道中，附加有消除正交干擾影響的負(fù)反饋線路，取出放大器輸出信號(hào)中的正交干擾電壓，深度負(fù)反饋到放大器的輸入端，與輸入信號(hào)中的正交干擾電壓相減，從而使正交干擾電壓的輸出值降低到倍，1即。而信號(hào)電壓 Ex不進(jìn)人負(fù)反饋線路，通過放大

30、器后的信號(hào)電壓輸出為 KEx，Kttee1為放大器的放大倍數(shù)。 為了減小與感應(yīng)電勢(shì)同相位的共模干擾信號(hào)的影響，轉(zhuǎn)換器的前置放大器一般要采用差動(dòng)放大形式，利用差動(dòng)放大的抑制作用，消除共模干擾的影響。(3)由(9-18)式可知，感應(yīng)電勢(shì)與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。如果勵(lì)磁電源電壓和頻率有波動(dòng)，必然要引起磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，從而影響測(cè)量的正確性。因此，必須在轉(zhuǎn)換器部分采取措施，以消除電源波動(dòng)的影響。圖9.12是根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器原理框圖。被測(cè)信號(hào)Ex與反饋信號(hào)Vz比較后得差值信號(hào)，經(jīng)前置放大器、主放大器、相敏整流和功率放大器得到xx直流電流I0。I0通過線圈產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度By，By=K1I0作用于霍爾乘法器與

31、控制電流Iy相乘，得到霍爾電勢(shì) yyHHBIKV其中KH為霍爾乘法器的霍爾系數(shù)。VH經(jīng)分壓后得到反饋電壓Vz，Kz為分壓HzzVKV 系數(shù)。由于控制電流Iy與流量計(jì)的勵(lì)磁電流取自同一電源，則。因此有BKIy2BIKKKKVzHz21 圖 9.12 轉(zhuǎn)換部分方框圖 令正向通道的總放大倍數(shù)，反饋回路的反饋系數(shù)4321AAAAA 。這樣，當(dāng)時(shí)，有BKKKKIVzHz2101A （9-21）BKKKKAAEIzHx210111將式（9-17）代入（9-21） ，得 （9-22）DKKKKqIzHv2104由此可見， 轉(zhuǎn)換器輸出的電流信號(hào)， I0 與體積流量成正比。 在采用霍爾乘法器時(shí)， Iy的引人消除

32、了由于勵(lì)磁電源電壓波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響； 正交干擾抑制單元保證了對(duì)正交干擾的負(fù)反饋?zhàn)饔茫蟠鬁p小了正交干擾的影響。 五、電磁流量計(jì)的特點(diǎn)五、電磁流量計(jì)的特點(diǎn)測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)無(wú)可動(dòng)部件或突出于管道內(nèi)部的部件，因而壓力損失極??； 只要是導(dǎo)電的，被測(cè)流體可以是含有顆粒、懸浮物等，也可以是酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)；流量計(jì)的輸出電流與體積流量成線性關(guān)系，并且不受液體 的溫度、壓力、密度、粘度等參數(shù)的影響；電磁流量計(jì)的量程比一般為10：1，精度較高的量程比可達(dá)100：1；測(cè)量口徑范圍大，可以從lmm到2m以上，特別適用于Im以上口徑的水流量測(cè)量；測(cè)量精度一般優(yōu)于O.5。電磁流量計(jì)反應(yīng)迅速，可以測(cè)量脈動(dòng)流量；電磁流量計(jì)

33、的主要缺點(diǎn)有：被測(cè)流體必須是導(dǎo)電的，不能 測(cè)量氣體、蒸汽和石油制品等的流量； 由于襯里材料的限制， 一般使用溫度為 0200； 因電極是嵌裝在測(cè)量導(dǎo)管上的， 這也使最高工作壓力受到一定限制。第三節(jié)第三節(jié) 容積式流量檢測(cè)容積式流量檢測(cè)容積式流量檢測(cè)是讓被測(cè)流體充滿具有一定容積的空間，然后再把這部分流體從出口排出，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)排出的流體體積可直接確定體積流量，根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)排出的總體積數(shù)可確定流體的體積總量。基于容積式檢測(cè)方法的流量檢測(cè)儀表一般稱為容積式流量計(jì)。常見的容積式流量計(jì)有：橢圈齒輪流量計(jì)、腰輪(羅茨)流量計(jì)、刮板流量計(jì)、活塞式流量計(jì)、濕式流量計(jì)及皮囊式流計(jì)等，其中腰輪式、濕式、皮囊式可

34、以測(cè)量氣體流量。一、檢測(cè)原理一、檢測(cè)原理為了連續(xù)地在密閉管道中測(cè)量流體的流量，一般是采用容積分界方法，即由儀表殼體和活動(dòng)壁組成流體的計(jì)量室，流體經(jīng)過儀表時(shí)，在儀表的入、出口之間產(chǎn)生壓力差，推動(dòng)活動(dòng)壁旋轉(zhuǎn)，將流體一份一份地排出。設(shè)計(jì)量室的容積為 V0，當(dāng)活動(dòng)壁旋轉(zhuǎn) n 次時(shí)，流體流過的體積總量為 Qv=nV。根據(jù)計(jì)量室的容積和旋轉(zhuǎn)頻率可獲得瞬時(shí)流量。下面主要介紹應(yīng)用橢圓齒輪和刮板的檢測(cè)原理。 圖 9.13 應(yīng)用橢圓齒輪測(cè)量流量示意圖(1)應(yīng)用橢圓齒輪的檢測(cè)原理 如圖 9.13 所示，活動(dòng)壁是一對(duì)互相嚙合的橢圓齒輪。被測(cè)流體由左向右流動(dòng)，橢圓齒輪 A 在差壓=p1-p2 作用下，產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針轉(zhuǎn)矩

35、如圖 9.13p中(a)，使齒輪 A 順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，并把齒輪與外殼之間的初月形容積內(nèi)的介質(zhì)排出，同時(shí)帶動(dòng)齒輪 B 作逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。在(b)位置時(shí)，齒輪 A、B 均受到轉(zhuǎn)矩，并使它們繼續(xù)沿原來(lái)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。在(c)位置時(shí)，齒輪 B 在差壓作用下產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩，使齒輪 B 旋p轉(zhuǎn)并帶動(dòng) A 輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又把齒輪 B 與外殼之間空腔內(nèi)的介質(zhì)排出。這樣齒輪交替地(或同時(shí))受力矩作用，保持橢圓齒輪不斷地旋轉(zhuǎn)，介質(zhì)以初月形空腔為單位一次又一次地經(jīng)過齒輪排至出口?？梢钥闯觯瑱E圓齒輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，排出四個(gè)初月形空腔的容積，所以流體總量為 （9-23）04nVQv式中V0為初月形空腔的容積，可以算得 （9

36、-24）abRabRV22022121 式中 a、b 為橢圓齒輪長(zhǎng)、短半軸；為齒輪的厚度。應(yīng)用腰輪檢測(cè)流量的基本原理和橢圓齒輪相同， 只是活動(dòng)壁形狀為一對(duì)腰輪， 并且腰輪上沒有牙齒。 圖 9.14 凸輪式刮板流量計(jì)(2)應(yīng)用刮板的檢測(cè)原理 其活動(dòng)壁為兩對(duì)刮板。它有兩種主要形式，凸輪式和凹線式，其中圖9.14為凸輪式刮板流量計(jì)示意圖。它的殼體內(nèi)腔是圓形空筒，轉(zhuǎn)子是一個(gè)空心圓筒，筒邊開有四個(gè)槽，相互成90角，可讓刮板在槽內(nèi)伸出或縮進(jìn)。四個(gè)刮板由兩根連桿聯(lián)接，也互成90角，在空間交叉，互不干擾。在每個(gè)刮板的一端裝有一小滾柱，四個(gè)滾柱分別在一個(gè)不動(dòng)的凸輪上滾動(dòng)，從而使刮板時(shí)而伸出 ，時(shí)而縮進(jìn)。轉(zhuǎn)子在人

37、口和出口壓差作用下，連刮板一起產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，四個(gè)刮板輪流伸出、縮進(jìn)，把計(jì)量室 (兩塊刮板和殼體內(nèi)壁、圓筒外壁所形成的空間)逐一排至出口。和橢圓齒輪一樣，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一周便排出四個(gè)計(jì)量室容積的流體。二、容積式流量計(jì)的工作特性二、容積式流量計(jì)的工作特性容積式流量計(jì)的工作特性與流體的粘度、密度以及工作溫度、壓力等因素有關(guān)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，粘度的影響要大一些。圖9.15是容積式流量計(jì)代表性的特性曲線，其中包括誤差和壓力損失兩組曲線。 由誤差曲線可以看到，多數(shù)曲線是負(fù)誤差，主要原因是儀表中有活動(dòng)壁，活動(dòng)壁與殼體內(nèi)壁問的間隙產(chǎn)生流體的泄漏。在小流量時(shí)，由于轉(zhuǎn)子所受力矩小，而它本身又有一定的摩擦阻力，因而泄漏量相對(duì)較大

38、，特別是在流量很小時(shí)，負(fù)誤差會(huì)很大；當(dāng)流量達(dá)到一定數(shù)值后，泄漏量相對(duì)較小，特性曲線比較平坦；當(dāng)流量較大時(shí)，由于流量計(jì)的入、出口間壓力降增大，導(dǎo)致泄漏量相應(yīng)增大。在相同的流量下，流體的粘度越低、越容易泄漏，誤差也就越大；對(duì)于高粘度流體，則泄漏相對(duì)較小，因此誤差變化不大。 流體流過流量計(jì)的壓力損失隨流量的增加幾乎線性上升，流體粘度愈高，壓損也愈大。三三、信信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換容積式流量計(jì)的信號(hào)轉(zhuǎn)換的任務(wù)是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)按一定的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成流體的實(shí)際流量信號(hào)(瞬時(shí)值或累積值)，并進(jìn)行顯示。顯示方式有就地顯示和遠(yuǎn)傳顯示兩種。下面以橢圓齒輪流量計(jì)為例作一介紹。(1)就地顯示 橢圓齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)數(shù)通過橢圓齒輪軸輸出

39、，又經(jīng)一系列齒輪減速及轉(zhuǎn)速比調(diào)整機(jī)構(gòu)之后，直接帶動(dòng)儀表的指針和機(jī)械計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)流量和總量的顯示。其原理如圖9.16所示。 圖 9.15 容積式流量計(jì)特性曲線 圖 9.16 橢圓齒輪流量計(jì)的顯示原理(2)遠(yuǎn)傳顯示 遠(yuǎn)傳顯示是通過減速與速比調(diào)整后的齒輪帶動(dòng)永久磁鐵旋轉(zhuǎn)，使得干簧繼電器的觸點(diǎn)以永久磁鐵相同的旋轉(zhuǎn)頻率同步地閉合或斷開， 從而發(fā)出一個(gè)個(gè)電脈沖遠(yuǎn)傳給控制室的二次儀表。 通過電子計(jì)數(shù)器可進(jìn)行流量的積算， 通過頻率一電壓(電流)轉(zhuǎn)換器可變成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。四、容積式流量計(jì)的特點(diǎn)四、容積式流量計(jì)的特點(diǎn) 測(cè)量精度較高，積算精度可達(dá)O.2O.5，有的甚至能達(dá)到O.1；量程比一般為10：1；測(cè)量口徑在1

40、0150mm左右；容積式流量計(jì)適宜測(cè)量較高粘度的液體流量，在正常的工作范圍內(nèi)，溫度和壓力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響很??；安裝方便，對(duì)儀表前、后直管段長(zhǎng)度沒有嚴(yán)格的要求；由于儀表的精度主要取決于殼體與活動(dòng)壁之間的間隙，因此對(duì)儀表制造、裝配要求高，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也比較復(fù)雜；要求被測(cè)介質(zhì)干凈，不含固體顆粒，否則會(huì)使儀表卡住，甚至損壞儀表，為此要求在流量計(jì)前安裝過濾器；不適宜測(cè)量較大的流量，當(dāng)測(cè)量口徑較大時(shí)，成本高，重量和體積大，維護(hù)不方便。第四節(jié)第四節(jié) 變面積式流量檢測(cè)變面積式流量檢測(cè)變面積式流量檢測(cè)是利用在下窄上寬的錐形管中的浮子所受的力平衡原理工作的。由于流量不同，浮子的高度不同，亦即環(huán)形的流通面積要隨流量變化

41、。常用的轉(zhuǎn)子流量計(jì)以及沖塞式流量計(jì)、汽缸活塞式流量計(jì)等屬于這種檢測(cè)方法。下面主要結(jié)合轉(zhuǎn)子流量計(jì)討論變面積式流量檢測(cè)方法的原理、特性和特點(diǎn)。 圖9.17 變面積式流量檢測(cè)原理一一、檢檢測(cè)測(cè)原原理理 如圖9.17所示，在一垂直的錐形管中，放置一阻力件浮子(也稱轉(zhuǎn)子)。當(dāng)流體自下而上流經(jīng)錐形管時(shí)，受到浮子阻擋產(chǎn)生一個(gè)差壓，并對(duì)浮子形成一個(gè)向上作用力。同時(shí)浮子在流體中受到向上的浮力。當(dāng)這兩個(gè)垂直向上的合力超過浮子本身所受重力時(shí)，浮子便要向上運(yùn)動(dòng)。隨著浮子的上升，浮子與錐形管間的環(huán)形流通面積增大，流速減低，流體作用在浮子上的阻力減小，直到作用在浮子上的各個(gè)力達(dá)到平衡，浮子停留在某一高度。當(dāng)流量發(fā)生變化時(shí)

42、，浮子將移到新的位置，繼續(xù)保持平衡。將錐形管沿高度方向以流量刻度時(shí)，則從浮子最高邊緣所處的位置便可以知道流量的大小。由于無(wú)論浮子處于哪個(gè)平衡高度，其前后的壓力差(也即流體對(duì)浮子的阻力)總是相同的，故這種方法又稱恒壓降式流量檢測(cè)。浮子在錐形管中流體的作用下所受到的力有：浮子本身垂直向下的重力1f （9-25）gVfff1流體對(duì)浮子所產(chǎn)生的垂直向上的浮力2f （9-26）gVff2和流體作用在浮子上垂直向上的阻力3f （9-27）223vAff式（9-25）-（9-27）中，Vf為浮子體積；f為浮子密度；為流體密度；Af為浮子的最大截面積；為阻力系數(shù)；v 為流體在環(huán)形流通截面上的平均流速。 當(dāng)浮子

43、在某一位置平衡時(shí)，則 （9-28）0321fff將式（9-25）、（9-26）、（9-27）代入（9-28），整理后得流體通過環(huán)形流通面的流速為 （9-29）fffAgVv2 設(shè)環(huán)形流通面積為 A0 ，則流體的體積流量為 （9-fffvAgVAvAq20030）式中，稱流量系數(shù)。式（9-30）是變面積式流量檢測(cè)的基本流量方程?？梢钥闯觯?當(dāng)錐形管、浮子形狀和材料一定時(shí)，流過錐形管的流體的體積流量與環(huán)形流通面積 A0成線性關(guān)系。而 A0又與錐形管的高度 h 有明確的關(guān)系，由圖 9.17 可知 （9-220024fdhtgDA31）式中D0為標(biāo)尺零處錐形管直徑；為錐形管錐半角；df為浮子最大直徑。

44、 在制造時(shí)，一般使D0df。由于錐角很小，一般在121131左右，所以tg很小，如果忽略項(xiàng)，則2htg （9-tghDA0032）將式（9-32）代入（9-30），有 （9-fffvAgVtghDq2033）由此可見，體積流量與浮子在錐形管中的高度近似成線性關(guān)系。流量越大，則浮子所處的平衡位置越高。二、對(duì)流量方程各參數(shù)的討論二、對(duì)流量方程各參數(shù)的討論(1)流量系數(shù) 實(shí)驗(yàn)證明：流量系數(shù)與錐形管的錐度，浮子的幾何形狀以及被測(cè)流體的雷諾數(shù)等因素有關(guān)。 在錐形管和浮子的形狀已經(jīng)確定的情況下，流量系數(shù)隨雷諾數(shù)變化。圖9.18是三種不同形狀的浮子流量系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)雷諾數(shù)比較小時(shí)

45、，隨雷諾數(shù)的增加而逐漸增大，當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定值后，基本上保持平穩(wěn)。不同形狀的浮子的與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線也不同。(2)流體密度 由于流量方程式(9-30)中包括有流體的密度，因此應(yīng)用變面積式流量檢測(cè)儀表時(shí)應(yīng)事先知道流體的密度。按國(guó)家規(guī)定，轉(zhuǎn)子流量計(jì)在流量刻度時(shí)是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(20，760mmHg)下用水(對(duì)液體)或空氣(對(duì)氣體)介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定的。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)或工況改變時(shí)，應(yīng)對(duì)儀表刻度進(jìn)行修正。設(shè)被測(cè)介質(zhì)的實(shí)際密度為，當(dāng)流量計(jì)指示值為時(shí)，vq實(shí)際流體的流量為vq （9-34）ffvvqq上式是在假設(shè)介質(zhì)改變或密度改變時(shí)流體的粘度與標(biāo)定用的水或空氣的粘度相差不大條件下得出的。如果粘度變化比較大，會(huì)導(dǎo)致阻力系

46、數(shù)的變化，從而影響流量系數(shù)。 圖9.18 流量系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系 三三、信信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換 變面積式流量檢測(cè)儀表根據(jù)顯示方式的不同可分為兩類：一類是玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，其錐形管是由玻璃制成，并在管壁上標(biāo)有流量刻度，因此可以直接根據(jù)轉(zhuǎn)子的高度進(jìn)行讀數(shù)；另一類為電遠(yuǎn)傳轉(zhuǎn)子流量計(jì)，如圖9.19所示。它主要由金屬錐形管、轉(zhuǎn)子、連動(dòng)桿、鐵心和差動(dòng)線圈等組成，當(dāng)被測(cè)流體的流量變化時(shí)，轉(zhuǎn)子在錐形管內(nèi)上下移動(dòng)。由于轉(zhuǎn)子、連動(dòng)桿和鐵心為鋼性連接，轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)將帶動(dòng)鐵心一起產(chǎn)生位移，從而改變差動(dòng)變壓器的輸出，通過信號(hào)放大后可使輸出電壓或電流與流量成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，在電遠(yuǎn)傳式轉(zhuǎn)子流量計(jì)中，錐形管和轉(zhuǎn)子的作用是將流量的大

47、小轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的位移，而鐵心和差動(dòng)變動(dòng)器的作用是進(jìn)一步將轉(zhuǎn)子的位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 圖9.19 電遠(yuǎn)傳轉(zhuǎn)子流量計(jì)原理圖 四四、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子流流量量計(jì)計(jì)的的特特點(diǎn)點(diǎn) 轉(zhuǎn)子流量計(jì)主要適合于檢測(cè)中小管徑、較低雷諾數(shù)的中小流量；流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，工作可靠，儀表前直管段長(zhǎng)度要求不高；流量計(jì)的基本誤差約為儀表量程的2，量程比可達(dá)10：1；流量計(jì)的測(cè)量精度易受被測(cè)介質(zhì)密度、粘度、溫度、壓力、純凈度、安裝質(zhì)量等的影響。第五節(jié)第五節(jié) 其他流量的檢測(cè)方法其他流量的檢測(cè)方法一一、漩渦式流量檢測(cè)漩渦式流量檢測(cè)漩渦式流量檢測(cè)方法是 70年代發(fā)展起來(lái)按流體振蕩 原理工作的。 目前已經(jīng)應(yīng)用的有兩種： 一種是應(yīng)用自然振蕩的卡

48、門漩渦列原理；另一種是應(yīng)用強(qiáng)迫振蕩的漩渦旋進(jìn)原理?，F(xiàn)在， 卡門漩渦式流量檢測(cè)方法的應(yīng)用相對(duì)較多， 而且發(fā)展較快，故這里只介紹這種流量檢測(cè)方法。在流體中垂直于流動(dòng)方向放置一個(gè)非流線型的物體(如圓柱體、 棱柱體)、， 在它的下游兩側(cè)就會(huì)交替出現(xiàn)漩渦(如圖9.20所示)， 兩側(cè)漩渦的旋轉(zhuǎn)方向相反， 并輪流地從柱體上分離出來(lái)。這兩排平行但不對(duì)稱的漩渦列稱為卡門渦列(有時(shí)也稱渦街)。 由于渦列之間的相互作用， 漩渦的渦列一般是不穩(wěn)定的。實(shí)驗(yàn)證明，只有當(dāng)兩列漩渦的間距h與同列中相鄰漩渦的間距滿足為h/ =O.281條件時(shí)，卡門渦列才是穩(wěn)定的。并且，單列漩渦產(chǎn)生的頻率 f與柱體附ll近的流體流速v成正比，與

49、柱體的特征尺寸d(漩渦發(fā)生體的迎面最大寬度)成反比，即 （9-35）dvStf 式中 St稱為斯特勞哈爾數(shù)，是一個(gè)無(wú)因 次數(shù)。 St主要與漩渦發(fā)生體的形 狀和雷諾數(shù)有關(guān)。在雷諾數(shù)為500 15000的 范圍 內(nèi)，St基本上為一常數(shù)，如圖 9.21所示， 圖9.20 卡門渦列形成原理 圖9.21 斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系對(duì)于圓柱體St=0.20； 對(duì)于三角柱St=0.16， 在此范圍內(nèi)可以認(rèn)為頻率f只受流速v和漩渦發(fā)生體特征尺寸d的支配，而不受流體的溫度、壓力、密度、粘度等的影響。所以，當(dāng)測(cè)得頻率f后，就可得到流體的流速v，進(jìn)而可求得體積流量。vq漩渦發(fā)生體是流量檢測(cè)的核心，它的形狀和尺寸對(duì)于

50、漩渦式流量檢測(cè)儀表的性能具有決定性作用。 圖9.22給出了常見的幾種漩渦發(fā)生體的斷面， 其中圓柱形、 方柱形和三角柱形更為通用， 稱為基形漩渦發(fā)生體。 圓柱體的St較高，壓損低，但漩渦強(qiáng)度較弱；方柱形和三角柱形漩渦強(qiáng)烈并且穩(wěn)定，但是前者壓損大，而后者St較小。 根據(jù)卡門漩渦列原理制成的流量檢測(cè)儀表稱卡門漩渦流量計(jì)。除了漩渦發(fā)生體外，流量計(jì)還包括頻率檢測(cè)， 頻率一電壓(電流)轉(zhuǎn)換等部分。 漩渦頻率的檢測(cè)是漩渦流量計(jì)的關(guān)鍵。考慮到安裝的方便和減小對(duì)流體的阻力， 一般把漩渦頻率檢測(cè)元件附在漩渦發(fā)生體上。 不同形狀的漩渦發(fā)生體， 其漩渦的成長(zhǎng)過程以及流體在漩渦發(fā)生體周圍的流動(dòng)情況有所不同， 因此漩渦頻

51、率的檢測(cè)方法也不一樣。 例如圓柱體漩渦發(fā)生體常用鉑熱電阻絲檢測(cè)法； 三角柱漩渦發(fā)生體采用熱敏電阻或超聲波檢測(cè)法；矩形柱漩渦發(fā)生體采用電容檢測(cè)法等。 圖9.22 常見漩渦發(fā)生體斷面 圖9.23 漩渦頻率檢測(cè)原理 圓柱體漩渦發(fā)生體的鉑熱電絲在圓柱體空腔內(nèi)， 如圖9.23(a)所示。 由流體力學(xué)可知，當(dāng)圓柱體右下側(cè)有漩渦時(shí)， 將產(chǎn)生一從下到上作用在柱體上的升力。結(jié)果有部分流體從下方導(dǎo)壓孔吸入，從上方的導(dǎo)壓孔吹出。如果把鉑電阻絲用電流加熱到比流體溫度高出某一溫度，流體通過鉑電阻絲時(shí)，帶走它的熱量，從而改變它的電阻值，此電阻值的變化與放出漩渦的頻率相對(duì)應(yīng)，由此便可檢測(cè)出與流速變化成比例的頻率。 圖9.2

52、3(b)是三角柱漩渦發(fā)生體的漩渦頻率檢測(cè)原理圖。兩只熱敏電阻對(duì)稱地嵌入在三角柱迎流面中間， 并和其他兩只固定電阻構(gòu)成一個(gè)電橋。 電橋通以恒定電流使熱敏電阻的溫塞升高。 在流體為靜止或三角柱兩側(cè)未發(fā)生漩渦時(shí)， 兩只熱敏電阻溫度一致，阻值相等，電橋無(wú)電壓輸出。 當(dāng)三角柱兩側(cè)交替發(fā)生漩渦時(shí)， 由于散熱條件的改變， 使熱敏電阻的阻值改變， 引起電橋輸出一系列與漩渦發(fā)生頻率相對(duì)應(yīng)的電壓脈沖。 經(jīng)放大和整形后的脈沖信號(hào)即可用于流體總量的顯示，同時(shí)通過頻率一電壓(電流)轉(zhuǎn)換后輸出模擬信號(hào)，作為瞬時(shí)流量顯示。二二、渦渦輪輪式式流流量量檢檢測(cè)測(cè)渦輪式流量檢測(cè)方法是以動(dòng)量矩守恒原理為基礎(chǔ)的，如圖9.24所示，流體

53、沖擊渦輪葉片，使渦輪輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化，通過渦輪外的磁電轉(zhuǎn)換裝置可將渦輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成電脈沖。由動(dòng)量矩守恒定理可知，渦輪運(yùn)動(dòng)方程的一般形式為 （9-36） 321TTTTdtdJ式中，J 為渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為渦輪旋轉(zhuǎn)的角加速dtd 圖 9.24 渦輪式流量檢測(cè)方法原理圖度；T 為流體作用在渦輪上的旋轉(zhuǎn)力矩；T1為由流體粘滯摩擦力引起的阻力矩；T2為由軸承引起的機(jī)械摩擦阻力矩；T3為由于葉片切割磁力線而引起的電磁阻力矩。 從理論上可以推得，推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩為 （9-37）vvqrqrAtgKT221式中 K1為與渦輪結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)和流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)；為與軸線相平行的流束與

54、葉片的夾角；A 為葉柵的流通截面積；r 為葉輪的平均半徑。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于給定的流體和渦輪，摩擦阻力矩(T1+T2)為 （9-38）2221aqqaTTvv電磁阻力矩 T3為 （9-39）vvqaqaT/1113這種檢測(cè)方法的特點(diǎn)是管道內(nèi)無(wú)可動(dòng)部件，使用壽命長(zhǎng)，壓力損失較?。粶y(cè)量精度較高(約為士O.51)， 量程比可達(dá)100： 1； 在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)， 幾乎不受流體的溫度、壓力、 密度、 粘度等變化的影響， 故用水或空氣標(biāo)定的漩渦流量計(jì)可用于其他液體和氣體的流量測(cè)量而不需標(biāo)定，尤其適用于大口徑管道的流量測(cè)量。但是流量計(jì)安裝時(shí)要求有足夠的直管段長(zhǎng)度，上游和下游的直管段分別要求不少于2

55、0D和5D，漩渦發(fā)生體的軸線應(yīng)與管路軸線垂直。式中 a1和 a2為系數(shù)。從式(9-36)可以看出：當(dāng)流量不變時(shí)=0，渦輪以角速度作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)流量發(fā)生變dtd化時(shí)，o，渦輪作加速度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過短暫時(shí)間后，渦輪運(yùn)動(dòng)又會(huì)適應(yīng)新的流量到dtd割新的穩(wěn)定狀態(tài)，以另一勻速旋轉(zhuǎn)。因此，在穩(wěn)定流動(dòng)情況下，=0，則渦輪的穩(wěn)態(tài)方dtd程為 （9-40）0321TTTT把式（9-37）、（9-38）、（9-39）代入（9-40），簡(jiǎn)化后可得 （9-41）22111aqaqaaqvvv式中稱為儀表的轉(zhuǎn)換系數(shù)。 上式表明； 當(dāng)流量較小時(shí)， 主要受摩擦阻力矩的影響， 渦輪轉(zhuǎn)速隨流量增加較慢；當(dāng)大于某一數(shù)值后；因?yàn)橄禂?shù)

56、vqvqa1和a2很小，則(9-41)式可近似為 （9-42）1aqv這說(shuō)明隨線性增加； 當(dāng)很大時(shí)， 阻力矩將顯著上升，vqvq使隨的增加變慢，見圖9.25所示的特性曲線。 圖9.25 渦輪流量計(jì)的靜特性曲vq線利用上述原理制成的流量檢測(cè)儀表和渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖 9.26 所示，它主要由渦輪、導(dǎo)流器、磁電轉(zhuǎn)換裝置、外殼以及信號(hào)放大電路等部分組成。 圖 9.26 渦輪式流量計(jì)渦輪 一般用高導(dǎo)磁系數(shù)的不銹鋼材料制造，葉輪心上裝有螺旋形葉片，流體作用于葉片上使之旋轉(zhuǎn)；導(dǎo)流器 用以穩(wěn)定流體的流向和支承葉輪；磁電轉(zhuǎn)換裝置 由線圈和磁鋼組成，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使線圈上感應(yīng)出脈動(dòng)電信號(hào)；外殼一般由非導(dǎo)磁材料制定

57、，用以固定和保護(hù)內(nèi)部各部件，并與流體管道相連；信號(hào)放大電路 用以放大由磁電轉(zhuǎn)換裝置輸出的微弱信號(hào)。經(jīng)放大電路后輸出的電脈沖信號(hào)需進(jìn)一步放大整形以獲得方波信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)和單位換算可得到累積流量；通過頻率一電流轉(zhuǎn)換單元后可得到瞬時(shí)流量。渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度較高，可達(dá)到 0.5 級(jí)以上；反應(yīng)迅速，可測(cè)脈動(dòng)流量；流量與渦輪轉(zhuǎn)速之間成線性關(guān)系，量程比一般為 10：1，主要用于中小口徑的流量檢測(cè)。但渦輪流量計(jì)僅適用潔凈的被測(cè)介質(zhì)，通常在渦輪前要安裝過濾裝置；流量計(jì)前后需有一定的直管段長(zhǎng)度，一般上游側(cè)和下游側(cè)的直管段長(zhǎng)度要求在 10D 和 5D 以上；流量計(jì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)一般是在常溫下用水標(biāo)定的，當(dāng)介質(zhì)

58、的密度和粘度發(fā)生變化時(shí)需重新標(biāo)定或進(jìn)行補(bǔ)償。三三、超聲波式流量檢測(cè)超聲波式流量檢測(cè) 超聲波用于參數(shù)檢測(cè)的主要性質(zhì)已在物位檢測(cè)一節(jié)中作過介紹。在物位檢測(cè)中，利用了超聲波在界面的反射和在靜止介質(zhì)中的傳播速度等特性。用超聲波進(jìn)行流量檢測(cè)是根據(jù)聲波在靜止流體中的傳播速度與流動(dòng)流體中的傳播速度不同這一原理工作的。 設(shè)聲波在靜止流體中的傳播速度為c，流體的流速為v。若在管道中安裝兩對(duì)聲波傳播方向相反的超聲波換能器。如圖9.27所示，則聲波從超聲波發(fā)射器T1、T2到接收器R1、R2所需要的時(shí)間分別為 （9-43）vcLtvcLt21兩者的時(shí)差為 （9-44）2221222cLvvcLvttt 當(dāng)聲速c和傳播

59、距離L為已知時(shí)，測(cè)出時(shí)差t，便可以求出流速穢，進(jìn)而求得流量。 利用上述原理制成的流量檢測(cè)儀表稱超聲波流量計(jì)。超聲波流量計(jì)的超聲換能器一般是斜置在管壁外側(cè)， 如圖9.28所示， 圖中采用了兩對(duì)換能器， 實(shí)際應(yīng)用時(shí)也可以用一對(duì)換能器， 每一個(gè)換能器兼作聲波的發(fā)射和接收。 圖9.27 超聲測(cè)速原理 9.28 超聲比流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖超聲波流量計(jì)根據(jù)檢測(cè)原理上的區(qū)別可分為時(shí)差法、相位差法和頻率差法等。(1)時(shí)差法 通過測(cè)量超聲波脈沖順流和逆流時(shí)傳播的時(shí)間差來(lái)得到流體的流速。參照式(9-43)式(9-44)的推導(dǎo)過程，當(dāng)超聲波傳播方向與管道軸線成角時(shí)，可以得到流速與時(shí)差t之間的關(guān)系為： （9-45）tDtgc

60、v22這種方法由于被測(cè)流速中包括聲速c，它受溫度影響較大，另外時(shí)差t的數(shù)量級(jí)很小，一般小于ls，所以對(duì)電子線路要求較高，同時(shí)限制了測(cè)量流速的下限。(2)相位差法 如果換能器發(fā)射連續(xù)超聲脈沖，或者周期較長(zhǎng)的脈沖波列，則在順流和逆流發(fā)射時(shí)所接收到的信號(hào)之間便要產(chǎn)生相位差，代入式(9-45)可得流速v與相t位差之間的關(guān)系 （9-46）Dtgcv22式中為超聲波的角頻率。這種方法避免了測(cè)量微小的時(shí)差而是測(cè)量數(shù)值相對(duì)較大的相位差，有利于提高測(cè)量精度。但是方程中仍包括聲速c、與時(shí)差法相同，聲速變化將帶來(lái)測(cè)量誤差。(3)頻率差法 它是通過測(cè)量順流和逆流時(shí)超聲脈沖的重復(fù)頻率來(lái)測(cè)量流量的。發(fā)射器T發(fā)出一個(gè)超聲脈