第05章 流體流量及壓力檢測技術(shù)

熱加工測控技術(shù)電子教案—第5章材料科學與工程學院2023/2/2第5章流體流量及壓力檢測技術(shù)2本章知識構(gòu)架2023/2/25.1流體流量及流量計的分類5.1流體流量及流量計的分類5.1.1流量的概念5.1.2流量計分類2023/2/25.1.1流量的概念累積流量瞬時流量體積流量質(zhì)量流量重量流量流量：指一段時間內(nèi)的總流量指單位時間內(nèi)通過管道橫截面的流體的量體積流量(qV)是以體積計算的單位時間內(nèi)通過的流體量，在工程中可用L/h或m3/h等單位表示。假設(shè)被測管道內(nèi)某個橫截面的截面積S為A(m3)，取其上的面積微元dS，對應(yīng)流速為v(m/s)，則：

在工程中為了解決流體中各點速度往往不相等的問題，設(shè)定截面S上各點有一個平均流速，則有：質(zhì)量流量(qm)是以質(zhì)量表示單位時間內(nèi)通過的流體量，工程中常用kg/h表示。顯然，質(zhì)量流量qm等于體積流量qv與流體密度ρ的乘積。2023/2/25.1.2流量計分類用于流量測量的儀器儀表統(tǒng)稱為流量計按測量原理分類，流量計主要可分為差壓式、速度式和容積式等三種。輸出信號與流體差壓有關(guān)的稱為差壓式流量計；與流體速度成正比的稱為速度式流量計。

差壓式流量計是利用流體力學理論來測量流體流量的儀表，通過在管道中放置的節(jié)流元件將流量信號變?yōu)楣?jié)流元件前后的差壓信號，即以差壓信號輸出來反映被測流量的大小，如節(jié)流式流量計、均速管流量計、楔形流量計、畢托管流量計等都屬于差壓式流量計。

速度式流量計一般通過測量管道中流體截面平均流速來測得流體流量，典型的速度式流量計有渦輪流量計、渦街流量計、電磁流量計、超聲流量計、激光流量計等。

容積式流量計是利用機械測量元件把流體連續(xù)不斷地分隔成固定體積并進行累加而計量出流體總量的儀表。如腰輪流量計、橢圓齒輪流量計、刮板流量計、活塞流量計等。2023/2/2流量計分類幾種常用的流量計如圖5.1所示圖5.1常用流量計實物圖(a)勻速管流量計(b)渦街流量計(c)渦輪流量計(d)電磁流量計(e)浮子流量計2023/2/25.2常用流量計5.2.1畢托管流量計5.2.2渦街流量計5.2.3渦輪式流量計5.2.4電磁流量計5.2.5浮子式流量計5.2常用流量計2023/2/25.2.1畢托管流量計畢托管流量計屬于差壓式流量計的范疇。它的使用量大概占整個流量儀表的60%～70%。畢托管流量計是法國工程師畢托發(fā)明的，又稱為動壓測定管，其工作原理見圖5.2。與管1相通的型管右方液體將受到全壓力的作用，全壓力為靜壓力與動壓力（速度壓力）的總和，而與管2相通的型管左方液體只受到靜壓力作用。型管液面差h表示了管1和管2之間的壓力差，即：由流體力學可知，流體流速與動壓間遵循如下關(guān)系：因此，流過截面為的管道的流體流量量為：圖5.2畢托管工作原理2023/2/25.2.2渦街流量計圖5-3渦街流量計測量原理原理：渦街流量計是建立在卡門渦街原理基礎(chǔ)上，其主要部分是檢測棒。根據(jù)卡門的研究，當流體流過檢測棒時，在其后方產(chǎn)生交叉的旋渦列。由于旋渦列在檢測棒兩側(cè)交替出現(xiàn)，有旋渦側(cè)與無旋渦側(cè)之間就有了壓差。因此，當流體由于旋渦出現(xiàn)而通過導(dǎo)壓孔來回移動時，電熱絲將受到斷續(xù)的冷卻，冷卻的次數(shù)與旋渦的頻率相當。如果把電熱絲作為不平衡電橋的一臂，則電橋可輸出與旋渦列頻率相當?shù)碾娒}沖，將這一脈沖信號放大、濾波、整形即可由頻率計測出旋渦頻率。2023/2/2渦街流量計一般情況下，交叉旋渦列是穩(wěn)定的。每一列旋渦的頻率?與流體的流速v和旋渦發(fā)生體的直徑d存在如下關(guān)系：式中，St為斯特勞哈爾數(shù)，當雷諾數(shù)Re在500~150000內(nèi)時，它基本上是常數(shù)St=0.2。顯然，當d一定時，旋渦產(chǎn)生的頻率?與流體流速v成正比，由?即可計算出流量。

渦街流量計結(jié)構(gòu)簡單，管道中無可動部件，運行可靠，安裝、維護方便。但是，它也有局限性：兩相流、脈動流對測量有影響，在某些情況下可能難以形成旋渦，不宜用于高粘度、低流速、小管徑的流體測量。2023/2/25.2.3渦輪式流量計圖5-4渦輪流量計原理圖式中，K為渦輪流量計的儀表系數(shù)，其數(shù)值可由實驗標定得到。因此，只要用頻率計測出脈沖信號的頻率，即可算出流體流量。

渦輪的軸裝在管道的中心線上，流體軸向流過渦輪時推動葉片使渦輪轉(zhuǎn)動，而實踐表明流量與渦輪轉(zhuǎn)動角速度成正比，渦輪轉(zhuǎn)速可以采用機械的、磁感應(yīng)的、光學的方式檢測，目前多用磁感應(yīng)方法，如可采用永久磁鐵，渦輪的轉(zhuǎn)動使得每片葉片都會周期性地掃過磁鐵，磁路磁阻發(fā)生變化，通過線圈的磁通量發(fā)生變化，在線圈中感應(yīng)并輸出與流量成正比的交流脈沖信號，信號頻率與流量之間有如下關(guān)系：原理2023/2/2渦輪式流量計渦輪流量計具有反應(yīng)迅速、重復(fù)性好、精度高的優(yōu)點，是所有流量計中最精確的流量計；無零點漂移，抗干強；可耐高壓，適用溫度范圍寬；結(jié)構(gòu)緊湊。但是渦輪流量計的使用也會受到一定的限制，如：由于流量計內(nèi)部有轉(zhuǎn)動部件，易被流體中的顆粒及污物堵住，因此只能用于清潔流體測量，且流量計前面要加過濾裝置；流量計讀數(shù)易受流體粘度和密度的影響，只能在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)保證測量精度，不能用于測量高粘度的流體流量。特點2023/2/25.2.4電磁流量計電磁流量計中，在一段不導(dǎo)磁測量管兩側(cè)安裝上一對電磁鐵，產(chǎn)生一個均勻分布的磁場，磁感應(yīng)強度為B，見圖5.5，則管內(nèi)以速度流動的導(dǎo)電性液體就相當于切割磁力線的導(dǎo)體，如果沿管道截面與磁場垂直方向上在外管壁兩側(cè)安裝一對電極，那么流體切割磁力線的長度就是兩個電極間的距離，也就是管道內(nèi)經(jīng)，則電極中的感應(yīng)電動勢為：由于積流量與有如下關(guān)系，即：圖5.5電磁流量計測量原理

原理可見，體積流量與成e正比，而當磁感應(yīng)強度B為恒定值時，在測量電極上就可以得到與流量成正比的電動勢。

2023/2/2電磁流量計圖5.6電磁流量計傳感器結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)特點：電磁流量計不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的影響，測量管內(nèi)無阻礙流動部件，不易阻塞，無壓力損失，測量范圍大，可選流量范圍寬，滿度值流速可在0.5～10m/s內(nèi)選定，零點穩(wěn)定，精確度較高。缺點是不能測量氣體、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0～200℃。由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。傳感器典型結(jié)構(gòu)見圖5.6，測量管上下裝有勵磁線圈，通勵磁電流后產(chǎn)生磁場穿過測量管，一對電極裝在測量管內(nèi)壁與液體相接觸，引出感應(yīng)電動勢送到轉(zhuǎn)換器，勵磁電流則由轉(zhuǎn)換器提供。轉(zhuǎn)換器將傳感器送來的流量信號進行放大，并轉(zhuǎn)換成與流量信號成正比的標準信號輸出，最終完成顯示、記錄和調(diào)節(jié)控制等功能。2023/2/2浮子式流量計是由一根自下向上擴大的垂直錐管和一個可以上下自由浮動的浮子所組成，見圖5.7。被測流體從下向上運動，流過由錐形管和浮子形成的環(huán)隙。由于浮子的存在產(chǎn)生節(jié)流作用，故浮子上下端形成靜壓力差，使浮子受到一個向上的力。作用在浮子上的力還有重力、流體對浮子的浮力及流體流動時對浮子的粘性摩擦力。當作用在浮子上的這些力平衡時，浮子就停留在某一個位置，如果流體增加，流過環(huán)隙的流體平均流速會加大，浮子上下兩端的靜壓差增大，浮子所受的向上的力會增加，使浮子上升，導(dǎo)致環(huán)隙增大，即流通截面積增大，從而使流過此環(huán)隙的流速變慢，靜壓差減小。當作用在浮子上的外力又重新平衡時，浮子就穩(wěn)定在新的位置上，浮子的高度或位移量與被測介質(zhì)的流量有著一定的對應(yīng)關(guān)系：5.2.5浮子式流量計圖5.7浮子式流量計由此可見，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，浮子所處的平衡位置越高。原理2023/2/2浮子式流量計浮子流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、壓力損失小的特點，可連續(xù)測量封閉管道中的氣體、液體的體積流量，尤其適合用于小流量的測量場合。一般測量精度為1.5%~2.5%，輸出近似線性。浮子式流量計必須垂直安裝，使流體自下而上流動，不應(yīng)有明顯的傾斜。流量計前后應(yīng)有截斷閥，并安裝旁通管道。浮子式流量計一般在出廠時，其刻度是按標準狀態(tài)下的水或空氣標定的。如果在實際使用中的測量介質(zhì)或條件不符合出廠時的標準條件，就要考慮測量介質(zhì)的重度、溫度的變化產(chǎn)生的影響。使用特點2023/2/25.3流量計的選用目前使用的流量計有上百種，除了前面介紹的幾種流量計外，還有基于力平衡原理的靶式流量計、基于熱學原理的熱線風速計、基于動壓原理的均速管流量計及質(zhì)量流量計等。流量計及流量檢測方法之所以有很多，主要原因是因為流量檢測對象的復(fù)雜性和多樣性，如被測介質(zhì)的物性、工作條件、測量范圍等。面對這樣復(fù)雜的情況，不可能用幾種方法就能覆蓋如此寬的范圍。不同的檢測儀表適用于一定的被測介質(zhì)和范圍，所以流量檢測儀表的選擇除了要滿足流量測量范圍外，還要明確儀表的其他使用條件。要充分地研究測量條件，根據(jù)儀表的性能、管道尺寸、被測流體的特性、被測流體的狀態(tài)（氣體、液體或蒸汽）、流量計的測量范圍，以及所要求的精確度來選擇流量計。2023/2/25.4流體壓力及壓力測量方法分類絕對壓力：相對于絕對真空而測得的壓力表壓力：絕對壓力與當?shù)卮髿鈮毫χ钫婵斩龋毫晳T上把負表壓稱為真空度壓力壓力測量方法液體壓力平衡原理測壓法機械力平衡原理測壓法彈性力變形原理測壓法其他物理特性測壓法壓電效應(yīng)測壓法壓電阻原理測壓法熱導(dǎo)原理測壓法電離真空測量原理測壓法液柱壓力計法活塞壓力計法2023/2/2壓力測量方法分類1.液體壓力平衡原理測壓法液體壓力平衡原理測壓法是通過液體產(chǎn)生的壓力，或傳遞壓力來平衡被測壓力的原理進行壓力測量的方法，它又可分為液柱壓力計法和活塞壓力計法。液柱壓力計法利用液柱產(chǎn)生的壓力與被測介質(zhì)壓力相平衡的原理。它的原理簡單、工作可靠、種類各異，為了滿足不同的測量要求，工作液體常用水銀、水、酒精、甲苯等。活塞式壓力計法利用液體傳遞壓力的原理，通常把它作為標準壓力發(fā)生器，用來校準其他壓力儀表。2.機械力平衡原理測壓法機械力平衡原理測壓法是將被測壓力通過某種轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成一個集中力，然后用一個大小可調(diào)的外界力來平衡這個未知的集中力，從而實現(xiàn)對壓力的測量。3.彈性力變形原理測壓法彈性力變形原理測壓法是利用多種形式的彈性元件在受到壓力作用后會產(chǎn)生彈性變形，根據(jù)彈性變形的大小來測量壓力。2023/2/2壓力測量方法分類4.其他物理特性測壓法①壓電效應(yīng)測壓法。利用壓電晶體在壓力作用下晶格變形來做壓力傳感器。②壓電阻原理測壓法。這是利用一些金屬或合金在壓力直接作用下電阻本身發(fā)生變化的原理來測量壓力的方法。③熱導(dǎo)原理測壓法。利用氣體在壓力降低時，導(dǎo)熱系數(shù)變小的原理宋測量真空度。④電離真空測量原理測壓法。這是根據(jù)帶有一定能量的質(zhì)點通過稀薄氣體時，可使氣體電離的原理，利用對離子數(shù)計數(shù)來測量真空。2023/2/25.5常用壓力計5.5.1液柱式壓力計5.5.2活塞式壓力計5.5.3

彈性壓力計5.5.4

真空計5.5常用壓力計2023/2/25.5.1液柱式壓力計顯然，在相同壓力下，L值隨α角減小而擴大，故便于測量微小壓力的變化

2023/2/25.5.2活塞式壓力計活塞式壓力計應(yīng)該范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、準確度

高、重復(fù)性好，可測量正負壓力計絕對壓力。既是檢驗、

標定壓力表和壓力傳感器的標準儀器之一，又是一種標準

壓力發(fā)生器，在壓力基準的傳遞系統(tǒng)中占有重要的地位?；钊綁毫τ嬍歉鶕?jù)靜力學平衡原理和帕斯卡定律設(shè)計而

成的，由于采用標準砝碼產(chǎn)生重力來平衡被測壓力負荷，

因此又被稱為靜重活塞式壓力計2023/2/2活塞式壓力計結(jié)構(gòu)示意圖及實物圖如圖5.9所示，主要由壓力發(fā)生部分和壓力測量部分組成。壓力發(fā)生部分：手搖泵3，通過加壓手輪1旋進絲杠2，推動工作活塞4擠壓工作液，經(jīng)工作液傳給測量活塞7。工作液一般采用潔凈的變壓器油或蓖麻油等。測量部分：測量活塞7上端的砝碼托盤8上放有荷重砝碼9，活塞7插入活塞筒6內(nèi)，下端承受手搖泵3擠壓工作液所產(chǎn)生的壓力P。當作用在活塞7下端的油壓與活塞7、托盤8及砝碼9的質(zhì)量所產(chǎn)生的壓力相平衡時，活塞7就被托起并穩(wěn)定在一定位置上，這時壓力表的示值為：2023/2/2活塞式壓力計重力

加速度

空氣浮力

溫度變化

影響

因素當環(huán)境溫度不是20℃時，應(yīng)引進如下溫度修正因子重力加速度與所在地的海拔、緯度有關(guān)，可用下式計算考慮空氣對砝碼產(chǎn)生浮力的影響誤差分析2023/2/25.5.3彈性壓力計彈性壓力計是以彈性元件受壓產(chǎn)生彈性變形作為測量基礎(chǔ)的，不同材料、不同形狀的彈性元件適配于不同場合、不同范圍的壓力測量。常用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等，圖5.10為一些彈性元件的示意圖。圖5.10彈性元件示意圖彈性元件2023/2/2彈性壓力計彈簧管壓力計的敏感元件是彈簧管，彈簧管彎成圓弧形的空心管子，其中一端封閉為自由端、另一端開口為輸入被測壓力的固定端，見圖5.11。當開口端通入被測壓力后，非圓橫截面在壓力作用下將趨向圓形，并使彈簧管有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，同時改變中心角。

圖5.11單圈彈簧管結(jié)構(gòu)彈簧管2023/2/2彈性壓力計彈簧管壓力計的結(jié)構(gòu)見圖5.12。被測壓力由接頭通入，迫使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，通過拉桿使扇形齒輪作逆時針偏轉(zhuǎn)，于是指針通過同軸的中心齒輪的帶動而作順時針偏轉(zhuǎn)，在面板的刻度標尺上顯示出被測壓力的數(shù)值。圖5.12彈簧管壓力計結(jié)構(gòu)彈簧管壓力計結(jié)構(gòu)2023/2/25.5.4真空計真空度測量是指在低于大氣壓的條件下，對氣體全壓的測量。真空計是測量低于大氣壓的氣體全壓的儀器。按其工作原理它可分為絕對真空計和相對真空計兩種。絕對真空計直接測量壓力的高低，如壓縮式真空計；相對真空計只能測量與系統(tǒng)壓力有關(guān)的物理量，再通過比較間接獲得，如熱導(dǎo)式真空計和電離式真空計等。2023/2/2在進行測量以前主導(dǎo)管4上端兩支路全與被測空間相通，均處于被測壓力p下。開始測量時，通過進氣閥2逐漸提高容器3中的壓力，使水銀液面沿著管4上升，超過分支點高度M-M后繼續(xù)升高，由于毛細管6上端封閉，因此容器5與管6中的氣體被壓縮，使得兩毛細管6、7中產(chǎn)生壓差，這個壓差見圖5.13中h。如果管內(nèi)氣體為理想氣體，可以認為壓縮是在等溫條件下進行的，符合波義耳定律，壓縮前容器5與壓縮后管6中被測氣體的絕對壓力和與其占有體積和的乘積值保持不變，即：真空計由此可知，被測壓力p與壓差h成正比。但是，工作液體水銀對人體有害，操作也較復(fù)雜。圖5.13壓縮式真空計1-進氣管2-真空閥3-汞儲存器4-主導(dǎo)管

5-玻璃泡6-毛細管7-毛細連通導(dǎo)管8-直通導(dǎo)管1.壓縮式真空計2023/2/2真空計為了測量氣體的熱導(dǎo)率隨氣壓的變化，將一個通有電流I的電阻元件R（熱絲）放入被測空間中，當熱平衡時，輸入的能量為輻射傳導(dǎo)熱量Qr、熱絲傳導(dǎo)的熱量QL和氣體傳導(dǎo)的熱量Qc之和。由此可見，通過熱輻射散發(fā)出的熱量QR和熱絲傳導(dǎo)的熱量QL均與氣體壓力大小無關(guān)，因此，當氣體壓力下降造成其導(dǎo)熱系數(shù)變低時，在相同功率加熱下的熱絲自身溫度將會因此而上升，這樣熱絲溫度與被測氣體壓力之間將存在定量關(guān)系。根據(jù)測定熱絲溫度的方法不同，熱傳導(dǎo)真空計可分為熱電偶真空計和電阻真空計等。2.熱傳導(dǎo)真空計的原理2023/2/2真空計熱電偶真空計的結(jié)構(gòu)見圖5.14，圖中F是加熱絲（鉑絲），J是熱電偶（康銅-鎳鉻絲）。多數(shù)熱電偶真空計是按定流型的方式工作的，即加熱電流為常數(shù)。因加熱絲F的溫度是隨壓力而變化的，所以可以用熱電偶J來測量熱絲溫度，此時輸出的信號為熱電勢E。圖5.14熱電偶真空計結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)真空計的優(yōu)點是可以測出絕對壓力，儀器的構(gòu)造簡單，可實現(xiàn)連續(xù)自動測量記錄；當真空系統(tǒng)發(fā)生突然漏氣事故時也不至于損壞儀器。缺點是對于不同的氣體，儀表的分度不同。此外，該類儀表具有較大的熱慣性。熱傳導(dǎo)真空計的結(jié)構(gòu)2023/2/2真空計圖5.15是圓筒型電離真空計的原理圖。真空計中心熱陰極F的電位為零，柵極G的電位VG為正，收集極C的電位VC為負。從F上發(fā)射的電子在VG的作用下飛向G，越過G趨向C，在G、C之間的排斥電場的作用下電子逐漸減速。在速度變?yōu)榱愫螅娮釉俅畏聪蝻w向G，再越過G而趨向F，又在G、F之間排斥電場的作用下逐漸減速。在速度降至零后，電子再一次反向飛向G。在這樣的往返運動中，電子不斷地與氣體分子碰撞，把能量傳遞給氣體分子，使氣體分子電離，最后被柵極捕獲。在G、C空間產(chǎn)生的正離子被收集極C接收，形成離子流。離子流與氣體壓力p有如下關(guān)系：圖5.15圓筒型電離真空計原理圖圓筒型電離的原理由于各種氣體的電離電位是不相同的，所以電離真空計的常數(shù)K與氣體種類有關(guān)。同時還與真空計的結(jié)構(gòu)和電參數(shù)有關(guān)。2023/2/2真空計圓筒型電離真空計具有同軸的電極結(jié)構(gòu)，電極尺寸和位置容易保證，又由于外圓筒的屏蔽作用使真空計性能穩(wěn)定，不受玻殼電位影響。許多國家已把它作為真空測量的副標準。圓筒型電離真空計的量程一般為10-1~10-5Pa，在此量程內(nèi)，離子流I+與壓力p之間具有線性關(guān)系。圓筒型電離真空計的測量下限為10-5Pa，如果低于此壓力，由于X射線的作用，會使離子流I+與壓力p之間的關(guān)系嚴重偏離線性。電離真空計的柵極在接受具有一定能量的電子流以后，要發(fā)射軟X射線。此軟X射線照射到離子收集極上，將引起收集極發(fā)射電子流。由于這部分電子流的方向與離子流的方向相反，所以在離子流測量回路中疊加了一個與壓力無關(guān)的剩余電流，這就是所謂電離真空計的X射線效應(yīng)。因為與圓筒型電離真空計中的剩余電流相對應(yīng)的等效壓約為10-6Pa，所以用圓筒型電離真空計測量10-5Pa的壓力時將引起10%的誤差。2023/2/2真空計B-A真空計圖5.16B-A真空計B-A真空計（見圖5.16）采用直徑為0.1mm的鎢絲作離子收集極，使接受X射線的面積降低了1000倍，因而使光電流也降低了1000倍。此外，B-A真空計把離子收集極裝在柵極中心，把燈絲裝在柵極外側(cè)，在柵極和收集極之間形成對數(shù)曲線分布的電場，進入柵極空間的電子能在柵極和收集極之間99%的空間內(nèi)產(chǎn)生電離作用，從而提高了電子電離氣體的效率，也就提高了真空計的常數(shù)。故B-A真空計的測量下限能延伸到10-8Pa。2023/2/2真空計B-A真空計具有量程寬、測量下限低以及電極結(jié)構(gòu)容易除氣等優(yōu)點，因而是一種優(yōu)良的超高真空計。

B-A真空計與圓筒型電離B-A真空計相比，有如下缺點：①

B-A真空計的燈絲裝在柵網(wǎng)外側(cè)，兩者之間距離很小，因此燈絲安裝尺寸的精度對K的影響較大。經(jīng)驗指出，在同一B-A真空計中，對于兩根不同的燈絲，K值可有10%的偏差；同批B-A真空計之間的靈敏度偏差可達20%。②

B-A真空計的玻璃殼電位對真空計常數(shù)影響較大，而圓筒型電離真空計由于筒狀收集極的屏蔽作用，其玻璃殼電位對真空計常數(shù)沒有影響。B-A真空計特點2023/2/25