流量測(cè)量技術(shù)

1、第第8章章 流量測(cè)量技術(shù)流量測(cè)量技術(shù)8.1 流量測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)流量測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)8.2 流量測(cè)量?jī)x表流量測(cè)量?jī)x表8.3 流量標(biāo)準(zhǔn)裝置流量標(biāo)準(zhǔn)裝置第第8章章 流量測(cè)量技術(shù)流量測(cè)量技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究試驗(yàn)中，流量都是一個(gè)很重要的參數(shù)。例如，在石油化工生產(chǎn)過程自動(dòng)檢測(cè)和控制中，為了有效地操作、控制和監(jiān)測(cè)，需要檢測(cè)各種流體的流量。此外，對(duì)物料總量的計(jì)量還是能源管理和經(jīng)濟(jì)核算的重要依據(jù)。流量檢測(cè)儀表是發(fā)展生產(chǎn)、節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益和管理水平的重要工具。本章介紹流量測(cè)量的基本知識(shí)和常用的流量檢測(cè)儀表。8.1 流量測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)流量測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)8.1.1流量和流量計(jì)流量和流量計(jì)8.1.2 流體的物

2、理性質(zhì)與管流基礎(chǔ)知識(shí)流體的物理性質(zhì)與管流基礎(chǔ)知識(shí)8.1.3 流量測(cè)量方法與流量?jī)x表的分類流量測(cè)量方法與流量?jī)x表的分類8.1 流量測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)流量測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí) 8.1.1流量和流量計(jì)流量和流量計(jì)流量定義：指單位時(shí)間內(nèi)流體(氣體、液體或固體顆粒等)流 經(jīng)管道或設(shè)備某處橫截面的數(shù)量，又稱瞬時(shí)流量。體積流量：當(dāng)流體以體積表示時(shí)稱為體積流量; 質(zhì)量流量：當(dāng)流體以質(zhì)量表示時(shí)稱為質(zhì)量流量。AudtdVtVqtv0limAudtdMtMqtm0lim V 體積；M質(zhì)量；t時(shí)間； A截面面積；流體的密度；累積流量：vmqAuqAdAuAquAvu dtqQtvvdtqQtmm 平均流速 ： 流體在流過截面上

3、各點(diǎn)的流速。 體積流量和質(zhì)量流量關(guān)系：計(jì)量單位 ：體積流量的計(jì)量單位為米3秒(m3s)，質(zhì)量流量的計(jì)量單位為千克秒(kgs)；累積體積流量的計(jì)量單位為米3 (m3)；累積質(zhì)量流量的計(jì)量單位為千克(kg)。 工程上還使用的流量計(jì)量單位有： 米3時(shí) (m3h)升分(Lmin)噸小時(shí)(t/h)升(L)噸(t)等 8.1.2 流體的物理性質(zhì)與管流基礎(chǔ)知識(shí)流體的物理性質(zhì)與管流基礎(chǔ)知識(shí) 1. 流體的密度單位體積的流體所具有的質(zhì)量稱為流體密度，用數(shù) 學(xué)表達(dá)式表示為：M 流體質(zhì)量；V流體體積； 流體的密度。流體密度是溫度和壓力的函數(shù)。單位是千克米3 (kg/m3)。 VM 2. 流體粘度流體運(yùn)動(dòng)過程中阻滯剪切

4、變形的粘滯力與流體的速度梯度和接觸面積成正比，并與流體粘性有關(guān)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 上式稱為牛頓粘性定律。 F 粘滯力； A 接觸面積； 流體垂直于速度方向的速度梯度； 表征流體粘性的比例系數(shù)。dyduAFdydu/流體的動(dòng)力粘度與流體密度的比值稱為運(yùn)動(dòng)粘度，即 動(dòng)力粘度的單位為牛頓秒/米2（NS/m2），即帕斯卡秒（PaS）；運(yùn)動(dòng)粘度的單位為米2/秒（m2/S）。3. 流體的壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)在一定的溫度下，流體體積隨壓力增大而縮小的特性，稱為流體的壓縮性；在一定壓力下，流體的體積隨溫度升高而增大的特性，稱為流體的膨脹性。壓縮系數(shù)：當(dāng)流體溫度不變而所受壓力變化時(shí)，其體積的相對(duì)變化率：PVVk1

5、k流體的體積壓縮系數(shù)，（1Pa）；V流體的原體積，(m3)；P流體壓力增量，(Pa)；V 流體體積變化量，(m3)；TVV1流體的體積膨脹系數(shù)(1)；V流體的原體積，(m3)； V流體體積變化量，(m3)；T流體溫度變化量()。膨脹系數(shù)：在一定的壓力下，流體溫度變化時(shí)其體積的相對(duì)變化率，即 4. 雷諾數(shù)雷諾數(shù)是流體流動(dòng)的慣性力與粘滯力之比，表示為：LuLuReRe雷諾數(shù)（無量綱數(shù)）；u流動(dòng)橫截面的平均流速，（m/s）；動(dòng)力粘度，（NS/m2）； 運(yùn)動(dòng)粘度，（m2/S）；流體的密度，(kg/m3)；L 特征長(zhǎng)度，（m）。5. 管流類型(1) 單相流和多相流 管道中只有一種均勻狀態(tài)的流體流動(dòng)稱為單

6、相流；兩種以上不同相流體同時(shí)在管道中流動(dòng)稱為多相流。 (2) 可壓縮和不可壓縮流體的流動(dòng) 流體可分為可壓縮流體和不可壓縮流體， 所以流體的流動(dòng)也可分為可壓縮流體流動(dòng)和不 可壓縮流體流動(dòng)兩種。(3) 穩(wěn)定流和不穩(wěn)定流 當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，若其各處的速度和壓力僅和流體質(zhì)點(diǎn)所處的位置有關(guān)，而與時(shí)間無關(guān)，則流體的這種流動(dòng)稱為穩(wěn)定流；若其各處的速度和壓力不僅和流體質(zhì)點(diǎn)所處的位置有關(guān)，而且與時(shí)間出有關(guān)，則流體的這種流動(dòng)稱為不穩(wěn)定流 。(4) 層流與紊流 管內(nèi)流體有兩種流動(dòng)狀態(tài)：層流和紊流。層流中流體沿軸向作分層平行流動(dòng)，各流層質(zhì)點(diǎn)沒有垂直于主流方向的橫向運(yùn)動(dòng)，互不混雜，有規(guī)則的流線。紊流狀態(tài)管內(nèi)流體不僅有軸向運(yùn)

7、動(dòng)，而且還有劇烈的無規(guī)則的橫向運(yùn)動(dòng) 。6. 流速分布與平均流速 流體有粘性，當(dāng)它在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，即使是在同一管路截面上，流速也因其流經(jīng)的位置不同而不同。越接近管壁，由于管壁與流體的粘滯作用，流速越低；管中心部分的流速最快。流體流動(dòng)狀態(tài)不同將呈現(xiàn)不同的流速分布。 研究具有圓形截面的管內(nèi)流動(dòng)情況，當(dāng)管內(nèi)流體為層流狀態(tài)時(shí)，沿半徑方向上的流速分布可用下式表示： 2max1Rruuxxxu距管中心距離xr處的流速；maxu管中心處最大流速；xr距管中心徑向距離；R 管內(nèi)半徑。 當(dāng)管內(nèi)流體為紊流狀態(tài)時(shí)，沿半徑方向上的流速分布為：nxxRruu/1max1n隨流體雷諾數(shù)不同而變化的系數(shù) 圓管內(nèi)的流速分布 通過

8、測(cè)流速求流量的流量計(jì)一般是檢測(cè)出平均流速然后求得流量。對(duì)于層流，平均流速是管中心最大流速的0.5倍( )；紊流時(shí)的平均流速與值有關(guān)： max5 . 0 uu max2) 1212unnnu表8-1 雷諾數(shù)與 n的關(guān)系DRenDRenDRen 104 104 1042.5610.5420.5632.007.07.38.08.338.453.670.084.48.58.89.09.2110.0152.0198.0278.09.49.79.89.97 . 流 體 流 動(dòng) 的 連 續(xù) 性 方 程 和 伯 努 利 方 程(1)連續(xù)性方程 任取一管段，設(shè)截面、截面處的面積、流體密度和截面上流體的平均流速分

9、別為A1、 、 和A2、 、 。 1A11u2A22u=11u22u連續(xù)性方程示意圖(2) 伯努利方程 當(dāng)理想流體在重力作用下在管內(nèi)定常流動(dòng)時(shí)，對(duì)于管道中任意兩個(gè)截面和有如下關(guān)系式（伯努利方程）：2222222111upgZupgZ伯努利方程示意圖重力加速度 截面和相對(duì)基準(zhǔn)線的高度；截面和上流體的靜壓力；截面和上流體的平均流速。g21,ZZ21, pp21,uu 不實(shí)際流體具有粘性，在流動(dòng)過程中要克服流體與管壁以及流體內(nèi)部的相互摩擦阻力而作功，這將使流體的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散。因此，實(shí)際流體的伯努利方程可寫為： wghupgZupgZ2222222111wgh截面和之間單位質(zhì)量實(shí)際流體

10、流動(dòng) 產(chǎn)生的能量損失。 8.1.3 流量測(cè)量方法與流量?jī)x表的分類流量測(cè)量方法與流量?jī)x表的分類1. 流量測(cè)量方法流量測(cè)量方法大致可以歸納為以下幾類：(1)利用伯努利方程原理，通過測(cè)量流體差壓信號(hào)來反映流量的差壓式流量測(cè)量法； (2)通過直接測(cè)量流體流速來得出流量的速度式流量測(cè)量法；(3)利用標(biāo)準(zhǔn)小容積來連續(xù)測(cè)量流量的容積式測(cè)量；(4)以測(cè)量流體質(zhì)量流量為目的的質(zhì)量流量測(cè)量法。 2. 流量?jī)x表的分類類 別工作原理儀表名稱可測(cè)流體種類適用管徑mm測(cè)量精度安裝要求、特點(diǎn)體積流量計(jì)差流壓量式計(jì)流體流過通管道中的阻力件時(shí)產(chǎn)生的壓力差與流量之間有確定關(guān)系，通過測(cè)量差壓值求得流量節(jié)流式孔板液、氣、蒸汽5010

11、0012需直管段，壓損大噴嘴50500需直管段，壓損中等文丘里管1001200需直管段，壓損小均速管液、氣、蒸汽2590001需直管段，壓損小轉(zhuǎn)子流量計(jì)液、氣41502垂直安裝靶式流量計(jì)液、氣、蒸汽1520014需直管段，彎管流量計(jì)液、氣0.55需直管段，無壓損容流積量式計(jì)直接對(duì)儀表排出的定量流體計(jì)數(shù)確定流量橢園齒輪流量計(jì)液104000.20.5無直管段要求，需裝過濾器，壓損中等腰輪流量計(jì)液、氣刮板流量計(jì)液0.2無直管段要求，壓損小速流度量式計(jì)通過測(cè)量管道截面上流體平均流速來測(cè)量流量渦輪流量計(jì)液、氣46000.10.5需直管段，裝過濾器渦街流量計(jì)液、氣15010000.51需直管段電磁流量計(jì)導(dǎo)

12、電液體620000.51.5直管段要求不高，無壓損超聲波流量計(jì)液101需直管段，無壓損直接式直接檢測(cè)與質(zhì)量流量成比例的量來質(zhì)量流量熱式質(zhì)量流量計(jì)氣1沖量式質(zhì)量流量計(jì)固體粉料0.22科氏質(zhì)量流量計(jì)液、氣0.15間接式同時(shí)測(cè)體積流量和流體密度來計(jì)算質(zhì)量流量體積流量經(jīng)密度補(bǔ)償液、氣0.5溫度、壓力補(bǔ)償體積流量計(jì)質(zhì)量流量計(jì)3. 流量?jī)x表的主要技術(shù)參數(shù) (1)流量范圍 流量范圍指流量計(jì)可測(cè)的最大流量與最小流量的范圍。 (2)量程和量程比 流量范圍內(nèi)最大流量與最小流量值之差稱為流量計(jì)的量程。最大流量與最小流量的比值稱為量程比，亦稱流量計(jì)的范圍度。 (3)允許誤差和精度等級(jí) 流量?jī)x表在規(guī)定的正常工作條件下允

13、許的最大誤差，稱為該流量?jī)x表的允許誤差，一般用最大相對(duì)誤差和引用誤差來表示。 流量?jī)x表的精度等級(jí)是根據(jù)允許誤差的大小來劃分的，其精度等級(jí)有：0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5等。(4)壓力損失 壓力損失的大小是流量?jī)x表選型的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。壓力損失小，流體能消耗小，輸運(yùn)流體的動(dòng)力要求小，測(cè)量成本低。反之則能耗大，經(jīng)濟(jì)效益相應(yīng)降低。故希望流量計(jì)的壓力損失愈小愈好。 8.2 流量測(cè)量?jī)x表流量測(cè)量?jī)x表8.2.1 差壓式流量計(jì)差壓式流量計(jì)8.2.2 容積式流量計(jì)容積式流量計(jì)8.2.4 質(zhì)量流量計(jì)質(zhì)量流量計(jì)8.2.3 速度式流量計(jì)速度式流量計(jì)8.2 流量測(cè)量?jī)x表流量測(cè)量

14、儀表 8.2.1 差壓式流量計(jì)差壓式流量計(jì) 差壓式流量計(jì)基于流體在通過設(shè)置于流通管道上的流動(dòng)阻力件時(shí)產(chǎn)生的壓力差與流體流量之間的確定關(guān)系，通過測(cè)量差壓值求得流體流量。 1. 節(jié)流式流量計(jì)1-節(jié)流元件 2-引壓管路3-三閥組 4-差壓計(jì) 節(jié)流式流量計(jì)組成 流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)壓力和流速變化情況2222222111upup 11u24D=22u24d (1)測(cè)量原理及流量方程 21pp、截面1和2上流體的靜壓力； 截面1和2上流束直徑；21uu、截面1和2上流體的平均流速； 1、2截面1和2上流體的密度 D、d 求出：21422/11ppDdu體積流量 21242224/11ppdDdAuqv質(zhì)量流量

15、 21242224/11ppdDdAuqm以實(shí)際采用的某種取壓方式所得到的壓差p來代替21pp 的值；同時(shí)引入流出系數(shù)C（或流量系數(shù)）對(duì)上式進(jìn)行修正： pdpdCqv24241224pdpdCqm24241224CEC41411E 對(duì)于可壓縮流體，考慮到節(jié)流過程中流體密度的變化而引入流束膨脹系數(shù) 進(jìn)行修正采用節(jié)流件前的流體密度 ，由此流量公式可更一般的表示為：pdqv242pdqm242a.流體必須是牛頓流體，在物理學(xué)和熱力學(xué)上是均勻的、單相的，或者可認(rèn)為是單相的流體 。b. 流體必須充滿管道和節(jié)流裝置且連續(xù)流動(dòng)，流經(jīng)節(jié)流件前流動(dòng)應(yīng)達(dá)到充分紊流，流束平行于管道軸線且無旋轉(zhuǎn)，流經(jīng)節(jié)流件時(shí)不發(fā)生相

16、變。c. 流動(dòng)是穩(wěn)定的或隨時(shí)間緩變的 （2）節(jié)流裝置 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的適用條件標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件的結(jié)構(gòu)形式a. 標(biāo)準(zhǔn)孔板 標(biāo)準(zhǔn)孔板是一塊具有與管道同心圓形開孔的圓板，迎流一側(cè)是有銳利直角入口邊緣的圓筒形孔，順流的出口呈擴(kuò)散的錐形。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，價(jià)格便宜 壓力損失較大，測(cè)量精度較低，只適用于潔凈流體介質(zhì)，測(cè)量大管徑高溫高壓介質(zhì)時(shí)，孔板易變形。 標(biāo)準(zhǔn)孔板 b. 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴是一種以管道軸線為中心線的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱體，主要由入口圓弧收縮部分與出口圓筒形喉部組成，有ISAl932噴嘴和長(zhǎng)徑噴嘴兩種型式。 ISA1932噴嘴長(zhǎng)徑噴嘴c. 文丘里管文丘里管有兩種標(biāo)準(zhǔn)型式：經(jīng)典文丘里管與文丘里噴嘴。文丘里管

17、壓力損失最低，有較高的測(cè)量精度，對(duì)流體中的懸浮物不敏感，可用于污臟流體介質(zhì)的流量測(cè)量，在大管徑流量測(cè)量方面應(yīng)用的較多。但尺寸大、笨重，加工困難，成本高，一般用在有特殊要求的場(chǎng)合。 節(jié)流裝置的取壓方式根據(jù)節(jié)流裝置取壓口位置可將取壓方式分為理論取壓、角接取壓、法蘭取壓、徑距取壓與損失取壓等五種: 節(jié)流裝置的取壓方式角接取壓裝置 法蘭取壓裝置 目前廣泛采用的是角接取壓法，其次是法蘭取壓法。角接取壓法比較簡(jiǎn)便，容易實(shí)現(xiàn)環(huán)室取壓，測(cè)量精度較高。法蘭取壓法結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，容易裝配，計(jì)算也方便，但精度較角接取壓法低些。 測(cè)量管道條件 測(cè)量管道截面應(yīng)為圓形，節(jié)流件及取壓裝置安裝在兩圓形直管之間。節(jié)流件附近管道的圓

18、度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)中的具體規(guī)定。 當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)難以滿足直管段的最小長(zhǎng)度要求或有擾動(dòng)源存在時(shí)，可考慮在節(jié)流件前安裝流動(dòng)整流器，以消除流動(dòng)的不對(duì)稱分布和旋轉(zhuǎn)流等情況。安裝位置和使用的整流器型式在標(biāo)準(zhǔn)中有具體規(guī)定。 非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置a.1/4圓噴嘴b. 錐形入口孔板c. 圓缺孔板標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的計(jì)算流量計(jì)算 這類計(jì)算命題是在管道、節(jié)流裝置、取壓方式、被測(cè)流體參數(shù)已知的情況下，根據(jù)測(cè)得的差壓值計(jì)算被測(cè)介質(zhì)流量。屬校核計(jì)算，常用在使用現(xiàn)場(chǎng)，所依據(jù)的基本公式是流量公式。設(shè)計(jì)節(jié)流裝置 這類計(jì)算命題是要根據(jù)用戶提出的已知條件以及限制要求來設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，屬設(shè)計(jì)計(jì)算。差壓計(jì) 差壓計(jì)與節(jié)流裝置配套組成節(jié)流式流量計(jì)。差壓計(jì)經(jīng)導(dǎo)壓

19、管與節(jié)流裝置連接，接受被測(cè)流體流過節(jié)流裝置時(shí)所產(chǎn)生的差壓信號(hào)，并根據(jù)生產(chǎn)的要求，以不同信號(hào)形式把差壓信號(hào)傳遞給顯示儀表，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流量參數(shù)的顯示、記錄和自動(dòng)控制。 差壓計(jì)的種類很多，凡可測(cè)量差壓的儀表均可作為節(jié)流式流量計(jì)中的差壓計(jì)使用。目前工業(yè)生產(chǎn)中大多數(shù)采用差壓變送器。它們可將測(cè)得的差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.02-0.1 MPa的氣壓信號(hào)和4-20mA的直流電流信號(hào)。2. 皮托管和均速管流量計(jì)皮托管 皮托管是一根彎成直角的雙層空心復(fù)合管，帶有多個(gè)取壓孔，能同時(shí)測(cè)量流體總壓和靜壓。皮托管結(jié)構(gòu) 皮托管頭部迎流方向開有一個(gè)小孔A，稱為總壓孔，在距頭部一定距離處開有若干垂直于流體流向的靜壓孔B，各孔所測(cè)靜壓

20、在均壓室均壓后輸出。 皮托管的工作原理可分析如下： 皮托管測(cè)量原理 設(shè)流動(dòng)為不可壓縮無粘性流體的穩(wěn)定流動(dòng)，駐點(diǎn)處流體的伯努利方程為 2021upp1p駐點(diǎn)處流體總壓；p，u分別為駐點(diǎn)處流體靜壓和流速；流體密度。 由此可以得該點(diǎn)的流速為：pppu221 考慮到實(shí)際測(cè)量情況與理論上的差別，引入皮托管系數(shù) (數(shù)值由實(shí)驗(yàn)確定)對(duì)上式進(jìn)行修正：pu2 對(duì)于可壓縮流體，考慮到壓縮性的影響，實(shí)際流速計(jì)算公式為：pu21(1-)為流體可壓縮性修正系數(shù)，對(duì)不可壓縮流體=0。 均速管流量計(jì) 均速管測(cè)量流速的原理與皮托管相同，體積流量可由下式確定：pAqv2均速管原理3. 轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量原理根據(jù)流體連續(xù)性方程和伯努

21、利方程，轉(zhuǎn)子流量計(jì)的體積流量可表示為： pAqv2 流量系數(shù)；A轉(zhuǎn)子與錐形管間的環(huán)形流通面積；流體密度；p差壓。測(cè)量原理轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)主要由玻璃錐形管、轉(zhuǎn)子和支撐結(jié)構(gòu)組成。轉(zhuǎn)子根據(jù)不同的測(cè)量范圍及不同介質(zhì)(氣體或液體)可分別采用不同材料制成不同形狀。流量示值刻在錐形管上 金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的錐形管采用金屬材料制成，其流量檢測(cè)原理與玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)相同。金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)有就地指示型和電氣信號(hào)遠(yuǎn)傳型兩種 電遠(yuǎn)傳式轉(zhuǎn)子流量計(jì)工作原理。 轉(zhuǎn)子流量計(jì)的刻度換算 轉(zhuǎn)子流量計(jì)是一種非通用性儀表，出廠時(shí)其刻度需單獨(dú)標(biāo)定。儀表廠在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，以空氣標(biāo)定測(cè)量氣體流量的儀表；以水標(biāo)

22、定測(cè)量液體流量的儀表。若被測(cè)介質(zhì)不是水或空氣，則流量計(jì)的指示值與實(shí)際流量值之間存在差別，必須對(duì)流量指示值按照實(shí)際被測(cè)介質(zhì)的密度、溫度、壓力等參數(shù)的具體情況進(jìn)行刻度修正。 液體介質(zhì) )() (ffvvqq氣體介質(zhì) TTppqqvv4. 靶式流量計(jì) 靶式流量計(jì)是一種適用于測(cè)量高粘度、低雷諾數(shù)流體流量的流量測(cè)量?jī)x表，例如用于測(cè)量重油、瀝青、含固體顆粒的漿液及腐蝕性介質(zhì)的流量。 靶式流量計(jì)工作原理 BAukF22F u流體對(duì)靶的作用力流體流速密度靶的受力面積BAFddDkuAqv2122FDqv21(） 管道直徑為D，靶直徑為d，環(huán)隙通道面積為A，則可求出流體體積流量為： k1Dd設(shè)：5. 彎管流量計(jì)

23、 彎管流量計(jì)是一種可用于任何工藝管道流量測(cè)量的裝置。設(shè)彎管直徑為 D ，彎管中心線半徑為 R ，流體密度 ，根據(jù)彎管流速面積分布定律和流體能量守恒定律可推導(dǎo)出體積流量 與流體差壓 的理論關(guān)系式：vqp)4(422222DRRRDDRpqv 考慮到流體粘性、管道形狀及實(shí)際使用條件的影響，將上式乘上由實(shí)驗(yàn)求得的流量系數(shù) ，并令 ， 則可得彎管流量計(jì)的實(shí)用流量公式：DRX/2XXXXpDqv1)1() 1(24222彎管流量計(jì) 如果將管道彎成同心圓，就可構(gòu)成環(huán)形管流量計(jì) DRpDqv42考慮到在制造時(shí)，環(huán)形管直徑與管道直徑比DR/2很大，因而可得環(huán)形管流量計(jì)的流量近似公式： 環(huán)形管流量計(jì) 8.2.2

24、 容積式流量計(jì)容積式流量計(jì)1.橢圓齒輪流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì)工作原理：橢圓齒輪流量計(jì)工作原理 由于流體在流量計(jì)入、出口處的壓力P1P2，當(dāng)A、B兩輪處于 (a)所示位置時(shí)，A輪與殼體間構(gòu)成容積固定的半月形測(cè)量室(圖中陰影部分)，此時(shí)進(jìn)出口差壓作用于B輪上的合力矩為零，而在A輪上的合力矩不為零，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩，使得A輪作順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)B輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，測(cè)量室內(nèi)的流體排向出口；當(dāng)兩輪旋轉(zhuǎn)處于 (b)位置時(shí)，兩輪均為主動(dòng)輪；當(dāng)兩輪旋轉(zhuǎn)90，處于 (c)位置時(shí)，轉(zhuǎn)子B與殼體之間構(gòu)成測(cè)量室，此時(shí)，流體作用于A輪的合力矩為零，而作用于B輪的合力矩不為零，B輪帶動(dòng)A輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將測(cè)量室內(nèi)的流體排向出口。

25、當(dāng)兩輪旋轉(zhuǎn)至180時(shí)，A、B兩輪重新回到位置(a)。如此周期地主從更換，兩橢圓齒輪作連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)橢圓齒輪每旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，流量計(jì)將排出4個(gè)半月形(測(cè)量室)體積的流體。設(shè)測(cè)量室的容積為V，則橢圓齒輪每旋轉(zhuǎn)一周排出的流體體積為4V。只要測(cè)量橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)N和轉(zhuǎn)速n，就可知道累積流量和單位時(shí)間內(nèi)的流量，即瞬時(shí)流量：nVqNVQv442. 腰輪流量計(jì) 腰輪流量計(jì)又稱羅茨流量計(jì)，其工作原理與橢圓齒輪流量計(jì)相同，結(jié)構(gòu)也很相似，只是轉(zhuǎn)子的形狀略有不同。腰輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)子是一對(duì)不帶齒的腰形輪，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中兩腰輪不直接接觸而保持微小的間隙，依靠套在殼體外的與腰輪同軸上的嚙合齒輪來完成驅(qū)動(dòng)。 腰輪流量計(jì) 3. 刮板式

26、流量計(jì) 轉(zhuǎn)子在流量計(jì)進(jìn)、出口差壓作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，每當(dāng)相鄰兩刮板進(jìn)入計(jì)量區(qū)時(shí)均伸出至殼體內(nèi)壁且只隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而不滑動(dòng)，形成具有固定容積的測(cè)量室，當(dāng)離開計(jì)量區(qū)時(shí)，刮板縮入槽內(nèi)，流體從出口排出，同時(shí)后一刮板又與其另一相鄰刮板形成測(cè)量室。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，排出4份固定體積的流體，由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)就可以求得被測(cè)流體的流量。 凸輪式刮板流量計(jì) 4. 伺服式容積流量計(jì)在流量計(jì)工作時(shí)，腰輪由伺服電機(jī)通過傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢，隨流體入出口壓力差的大小而改變。導(dǎo)壓管將入出口壓力引至差壓變送器以測(cè)量入出口壓差的變化，當(dāng)入出口壓差大于零時(shí)，差壓變送器輸出信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)腰輪加快旋轉(zhuǎn)，使流量計(jì)排出較大流量的流

27、體，從而使壓差趨近于零。這種近于無壓差的流量計(jì)，使泄漏量減小到最低限度，因而可以實(shí)現(xiàn)小流量的高精度測(cè)量，而且測(cè)量誤差幾乎不受流體壓力、粘度和密度的影響。伺服式腰輪流量計(jì)工作原理8.2.3 速度式流量計(jì)速度式流量計(jì) 1. 渦輪流量計(jì)(1)工作原理與結(jié)構(gòu) 在定范圍內(nèi)，渦輪的轉(zhuǎn)速與流體的平均流速成正比，通過磁電轉(zhuǎn)換裝置將渦輪轉(zhuǎn)速變成電脈沖信號(hào)，以推導(dǎo)出被測(cè)流體的瞬時(shí)流量和累積流量。 渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)(2)流量方程 utgus渦輪葉片速度分解 與流量的關(guān)系曲線u 流體平均流速 Rus 葉片的切向速度 Rutgn22sun 渦輪轉(zhuǎn)速 而磁電轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的脈沖頻率: ZRutgnZf2Z渦輪葉片的數(shù)目。 體

28、積流量方程：ffZtgAuAqv2 單位體積流量通過磁電轉(zhuǎn)換器所輸出的脈沖數(shù) (3) 渦輪流量計(jì)的特點(diǎn)和使用優(yōu)點(diǎn):其測(cè)量精度高,復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性均好；量程范圍寬，量程比可達(dá)(1020):1,刻度線性；耐高壓，壓力損失；對(duì)流量變化反應(yīng)迅速，可測(cè)脈動(dòng)流量；抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)便于遠(yuǎn)傳及與計(jì)算機(jī)相連。缺點(diǎn):制造困難，成本高。場(chǎng)合:通常渦輪流量計(jì)主要用于量精度要求高、流量變化快的場(chǎng)合，還用作標(biāo)定其他流量的標(biāo)準(zhǔn)儀表。2. 渦街流量計(jì)(1)渦街流量計(jì)原理在均勻流動(dòng)的流體中,垂直地插入一個(gè)具有非流線型截面的柱體,稱為漩渦發(fā)生體，則在該漩渦發(fā)生體兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反、交替出現(xiàn)的漩渦，并隨著流體流動(dòng)，在下游形成兩

29、列不對(duì)稱的漩渦列，稱之為“卡門渦街” ，如圖圓柱漩渦發(fā)生器 其體積流量方程式為:DdSfdDuAqtv25. 1142 每一列漩渦產(chǎn)生的頻率 u流體流速 d直徑漩渦發(fā)生體的特征尺寸 St斯特羅哈爾數(shù) D 管道內(nèi)徑 A 在漩渦發(fā)生體處的流通截面積 (2) 漩渦頻率的測(cè)量圖圖為三角柱體渦街檢測(cè)器原理示意圖，在三角柱體的迎流面對(duì)稱地嵌入兩個(gè)熱敏電阻組成橋路的兩臂，以恒定電流加熱使其溫度稍高于流體，在交替產(chǎn)生的漩渦的作用下，兩個(gè)電阻被周期地冷卻，使其阻值改變，阻值的變化由橋路測(cè)出，即可測(cè)得漩渦產(chǎn)生頻率，從而測(cè)出流量。三角柱渦街檢測(cè)器 (3) 渦街流量計(jì)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):渦街流量計(jì)測(cè)量精度較高；量程比寬,可達(dá)

30、30:1；使用壽命長(zhǎng)，壓力損失小，安裝與維護(hù)比較方便；測(cè)量幾乎不受流體參數(shù)變化的影響，用水或空氣標(biāo)定后的流量計(jì)無須校正即可用于其它介質(zhì)的測(cè)量；易與數(shù)字儀表或計(jì)算機(jī)接口,對(duì)氣體、液體和蒸汽介質(zhì)均適用。 缺點(diǎn):流體流速分布情況和脈動(dòng)情況將影響測(cè)量準(zhǔn)確度，因此適用于紊流流速分布變化小的情況，并要求流量計(jì)前后有足夠長(zhǎng)的直管段。 3. 電磁流量計(jì) (1)測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)原理制成的一種流量計(jì)，其測(cè)量原理如圖8-30所示。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)中沿垂直于磁力線方向流動(dòng)而切割磁力線時(shí)，在對(duì)稱安裝在流通管道兩側(cè)的電極上將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，此電勢(shì)與流速成正比。 電磁流量計(jì)原理 流體流量方程為

31、： kEEBDuDqv4412B為磁感應(yīng)強(qiáng)度 D 管道內(nèi)徑 u流體平均流速E感應(yīng)電勢(shì) 電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖所示： 電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu) (1) 電磁流量計(jì)的特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：壓力損失小，適用于含有顆粒、懸浮物等流體的流量測(cè)量；可以用來測(cè)量腐蝕性介質(zhì)的流量；流量測(cè)量范圍大；流量計(jì)的管徑小到1mm，大到2m以上；測(cè)量精度為0.5-1.5級(jí)；電磁流量計(jì)的輸出與流量呈線性關(guān)系；反應(yīng)迅速，可以測(cè)量脈動(dòng)流量。缺點(diǎn)：被測(cè)介質(zhì)必須是導(dǎo)電的液體，不能用于氣體、蒸汽及石油制品的流量測(cè)量；流速測(cè)量下限有一定限度；工作壓力受到限制。結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，成本較高。8.3 8.3 流量標(biāo)準(zhǔn)裝置流量標(biāo)準(zhǔn)裝置8.3.1 8.3.1 液體

32、流量標(biāo)準(zhǔn)裝置液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置液體流量的標(biāo)定方法和標(biāo)準(zhǔn)裝置大致有以下幾種。1. 標(biāo)準(zhǔn)容積法 圖8-42所示為標(biāo)準(zhǔn)容積法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置示意圖。在校驗(yàn)時(shí)，高位水槽中的液體通過被校流量計(jì)經(jīng)切換機(jī)構(gòu)流入標(biāo)準(zhǔn)容器。從標(biāo)準(zhǔn)容器的讀數(shù)裝置上讀出在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)容器的液體體積，并將由此決定的體積流量值作為標(biāo)準(zhǔn)值與被校流量計(jì)的顯示值相比較。4. 超聲波流量計(jì) 超聲波測(cè)流量的作用原理有傳播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、相關(guān)法、流速液面法等多種方法。(1) 傳播速度法測(cè)量原理超聲測(cè)速原理時(shí)差法時(shí)差法就是測(cè)量超聲波脈沖順流和逆流時(shí)傳播的時(shí)間差。流體流速 tLcu22t1-按順流方向，超聲波到達(dá)接收器時(shí)間t2-

33、按逆流方向，超聲波到達(dá)接收器時(shí)間 2122cLuttt相差法相位差法是把上述時(shí)間差轉(zhuǎn)換為超聲波傳播的相位差來測(cè)量。超聲波換能器向流體連續(xù)發(fā)射形式為的 超聲波脈沖，式中 為超聲波的角頻率。 tft212 fLcLcu4222)sin()(0tAts 按順流方向發(fā)射時(shí)收到的信號(hào)相位011t022t 按逆流方向發(fā)射時(shí)收到的信號(hào)相位頻差法 頻差法是通過測(cè)量順流和逆流時(shí)超聲脈沖的循環(huán)頻率之差來測(cè)量流量的。 順流時(shí)脈沖循環(huán)頻率： 逆流時(shí)脈沖循環(huán)頻率： 脈沖循環(huán)頻差： 流體流速: Luctf111Luctf221Lufff221fLu2流量方程 :截面平均流速 和流速u的關(guān)系： u uu34 uku 層流

34、：紊流 ：流體的體積流量方程為： uDkuDqv2244(2) 多普勒法測(cè)量原理 根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個(gè)頻率的變化與兩者之間的相對(duì)速度成正比。超聲波多普勒流量計(jì)就是基于多普勒效應(yīng)測(cè)量流量的。超聲多普勒法流量測(cè)量原理 (3) 超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)與應(yīng)用超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路及流量顯示系統(tǒng)組成。超聲波換能器通常由鋯鈦酸鉛陶瓷等壓電材料制成，通過電致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)，發(fā)射和接收超聲波。換能器在管道上的配置方式如圖8-34所示 超聲波換能器在管道上的配置方式 8.2.4 質(zhì)量流量計(jì)質(zhì)量流量計(jì) 流體的體積是流體溫

35、度、壓力和密度的函數(shù)。質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量方法，可分為間接測(cè)量和直接測(cè)量?jī)深悺ｉg接式測(cè)量方法通過測(cè)量體積流量和流體密度經(jīng)計(jì)算得出質(zhì)量流量，這種方式又稱為推導(dǎo)式；直接式測(cè)量方法則由檢測(cè)元件直接檢測(cè)出流體的質(zhì)量流量。1.間接式質(zhì)量流量計(jì)一般是采用體積流量計(jì)和密度計(jì)或兩個(gè)不同類型的體積流量計(jì)組合，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量的測(cè)量。常見的組合方式主要有3種。 節(jié)流式流量計(jì)與密度計(jì)的組合流式流量計(jì)與密度計(jì)組合 體積流量計(jì)與密度計(jì)的組合體積流量計(jì)和密度計(jì)組合 體積流量計(jì)與體積流量計(jì)的組合 節(jié)流式流量計(jì)和其它體積流量計(jì)組合 2. 直接式質(zhì)量流量計(jì) 直接式質(zhì)量流量計(jì)的輸出信號(hào)直接反映質(zhì)量流量，有許多種型式。熱式質(zhì)量流量計(jì)TcP

36、qpm 根據(jù)傳熱規(guī)律 。設(shè)pc為流體的定壓比熱T兩點(diǎn)溫度差 熱式質(zhì)量流量計(jì)示意圖 差壓式質(zhì)量流量計(jì) 差壓式質(zhì)量流量計(jì)是以馬格努斯效應(yīng)為基礎(chǔ)的流量計(jì)，實(shí)際應(yīng)用中利用孔板和定量泵組合實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)量。有雙孔板和四孔板與定量泵組合兩種結(jié)構(gòu)。 雙孔板差壓式質(zhì)量流量計(jì) vvABqKqqKpppp1314232)(qqKpppvB212)(qqKpppvA K式中為常數(shù)；為流體的密度。孔板A、B前后的壓差與流體質(zhì)量流量成正比，測(cè)出壓差便可以求出流體質(zhì)量流量 根據(jù)差壓式流量測(cè)量原理，孔板A和B處壓差分別為四孔板差壓式質(zhì)量流量計(jì)： vqq vqKqpp432vqq vqKqpp441四孔板差壓式質(zhì)量流量計(jì) 科里奧利質(zhì)量流量計(jì) 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)(簡(jiǎn)稱科氏力流量計(jì))是一種利用流體在振動(dòng)管中流動(dòng)而產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理來直接測(cè)量質(zhì)量流量的儀表?？剖狭α髁坑?jì)結(jié)構(gòu)有多種形式，一般由振動(dòng)管與轉(zhuǎn)換器組成。