流速及流量測(cè)量化工基礎(chǔ)知識(shí)

第四章流速及流量測(cè)量本章主要內(nèi)容：4.1概述4.2測(cè)速管4.3節(jié)流式流量計(jì)4.4轉(zhuǎn)子流量計(jì)4.5渦輪流量計(jì)4.6電磁流量計(jì)4.7靶式流量計(jì)4.8超聲波式流量計(jì)4.9渦街流量計(jì)4.10哥利奧里式流量計(jì)本章重點(diǎn)：1.節(jié)流式流量計(jì)的工作原理、特點(diǎn)、流量方程的推導(dǎo)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置、參數(shù)分析。2.轉(zhuǎn)子流量的工作原理及特點(diǎn)、刻度換算。3.其他流量計(jì)的基本原理和特點(diǎn)。本章難點(diǎn)：節(jié)流式流量計(jì)的流量方程的推導(dǎo)。4.1概述4.1.1流體與流量流體:

是指具有流動(dòng)性能的物質(zhì)，一般可以認(rèn)為是氣體和液體的總稱。流量:

是指單位時(shí)間內(nèi)通過某截面的流體數(shù)量，稱瞬時(shí)流量。它可用質(zhì)量單位表示，也可用體積單位表示，分別稱為質(zhì)量流量(kg/s)和體積流量（m3/s)

。

體積流量表達(dá)式為：如果在截面上速度分布是均勻的，則：質(zhì)量流量表達(dá)式為：

測(cè)量某一段時(shí)間內(nèi)流過的流體量，即瞬時(shí)流量對(duì)時(shí)間的積分，稱之流體總量。

流體性質(zhì)和流體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性

流體性質(zhì)多樣性

:流體性質(zhì)的多樣性表現(xiàn)在密度、粘度不同，單相流、多相流之分，可壓縮性的強(qiáng)弱，牛頓流體與非牛頓體管路系統(tǒng)的多樣性,管道形狀，壁面光滑程度。

流動(dòng)狀態(tài)的多樣性:流體流動(dòng)狀態(tài)的多樣性表現(xiàn)在層流與紊流，明渠流與管流，充滿流與非充滿流，旋轉(zhuǎn)流與脈動(dòng)流。4.1.2流量測(cè)量方法

1.容積法

原理：容積型流量計(jì)測(cè)量流量的基本依據(jù)是，單位時(shí)間內(nèi)被測(cè)流體充滿(或排出)某一定容容器的次數(shù)。即有

Q=n·V

式中，V為定容容器的容積

n為單位時(shí)間內(nèi)被測(cè)流體充滿(或排出)定容容器的次數(shù)

。

形式：橢圓齒輪式、腰輪式、刮板式、活塞式等。

特點(diǎn)：流動(dòng)狀態(tài)對(duì)測(cè)量的影響小，精度高；有一定的壓力損失；不宜用于高溫、高壓、臟污介質(zhì)的測(cè)量。2.流速法

原理：速度型流量計(jì)以流體一元流動(dòng)的連續(xù)方程為理論依據(jù)，即當(dāng)流通截面確定時(shí)，流體的體積流量與截面上的平均流速成正比。

形式：差壓式、轉(zhuǎn)子式、渦輪式、層流式，電磁式、聲波式

特點(diǎn)：使用性能好，精度高；可用于高溫、高壓介質(zhì)的測(cè)量，流動(dòng)狀態(tài)、Re對(duì)測(cè)量的影響大。

3.質(zhì)量法

這類流量計(jì)以測(cè)量與流體質(zhì)量有關(guān)的物理效應(yīng)為基礎(chǔ)，分為直接式、推導(dǎo)式和溫度壓力補(bǔ)償式三種。

直接式質(zhì)量流量計(jì)利用與質(zhì)量流量直接有關(guān)的原理(如慣性系中的牛頓第二定律)進(jìn)行測(cè)量。推導(dǎo)式質(zhì)量流量計(jì)是同時(shí)測(cè)取流體的密度和體積流量，通過運(yùn)算而推導(dǎo)出質(zhì)量流量的。一般，它由速度型流量計(jì)和密度計(jì)組合而成。。

溫度壓力補(bǔ)償式質(zhì)量流量計(jì)也可看成是一種推導(dǎo)式質(zhì)量流量計(jì)，只是它不配用密度計(jì)，而是利用溫度、壓力與密度之間的關(guān)系，將溫度、壓力的測(cè)量值轉(zhuǎn)換為密度，再與體積流量進(jìn)行運(yùn)算而得到質(zhì)量流量。

應(yīng)當(dāng)指出，無(wú)論哪一種流量計(jì)，都有一定的適用范圍，對(duì)流利的特性以及管道條件都有特定的要求。目前生產(chǎn)的容積法和速度法流量計(jì)，都要求滿足下列條件：①流體必須充滿管道內(nèi)部，并連續(xù)流動(dòng)；②流體在物理上和熱力學(xué)上是單相的，流經(jīng)測(cè)量元件時(shí)不發(fā)生相變；③流體的速度一般在音速以下。4.2測(cè)速管測(cè)速度的結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理測(cè)速管又稱皮托（Pitot）管，如圖所示，是由兩根彎成直角的同心套管組成，內(nèi)管管口正對(duì)著管道中流體流動(dòng)方向，外管的管口是封閉的，在外管前端壁面四周開有若干測(cè)壓小孔。為了減小誤差，測(cè)速管的前端經(jīng)常做成半球形以減少渦流。測(cè)速管的內(nèi)管與外管分別與U形壓差計(jì)相連。

內(nèi)管所測(cè)的是流體在A處的局部動(dòng)能和靜壓能之和，稱為總壓能。測(cè)速管內(nèi)管A處：由于外管壁上的測(cè)壓小孔與流體流動(dòng)方向平行，所以外管僅測(cè)得流體的靜壓能，即外管B處：U形壓差計(jì)實(shí)際反映的是內(nèi)管沖壓能和外管靜壓能之差，即則該處的局部速度為

由此可知，測(cè)速管實(shí)際測(cè)得的是流體在管截面某處的點(diǎn)速度，因此利用測(cè)速管可以測(cè)得流體在管內(nèi)的速度分布。若要獲得流量，可對(duì)速度分布曲線進(jìn)行積分。也可以利用皮托管測(cè)量管中心的最大流速，利用圖所示的關(guān)系查取最大速度與平均速度的關(guān)系，求出管道與Re的關(guān)系、截面的平均速度，進(jìn)而計(jì)算出流量，此法較常用。測(cè)速管的安裝1.必須保證測(cè)量點(diǎn)位于均勻流段，一般要求測(cè)量點(diǎn)上、下游的直管長(zhǎng)度最好大于50倍管內(nèi)徑，至少也應(yīng)大于8～12倍。2.測(cè)速管管口截面必須垂直于流體流動(dòng)方向，任何偏離都將導(dǎo)致負(fù)偏差。3.測(cè)速管的外徑d0不應(yīng)超過管內(nèi)徑d的1/50，即d0<d/50。測(cè)速管對(duì)流體的阻力較小，適用于測(cè)量大直徑管道中清潔氣體的流速，若流體中含有固體雜質(zhì)時(shí)，易將測(cè)壓孔堵塞，故不易采用。此外，測(cè)速管的壓差讀數(shù)教小，常常需要放大或配微壓計(jì)。

4.3節(jié)流式流量計(jì)4.3.1測(cè)量原理與流量方程

節(jié)流式流量計(jì)是利用流體流經(jīng)節(jié)流元件產(chǎn)生的壓力差來實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的。將節(jié)流件垂直安裝在管道中，以一定取壓方式測(cè)取孔板前后兩端的壓差，并與壓差計(jì)相連，即構(gòu)成節(jié)流式流量計(jì)。

節(jié)流過程分析：當(dāng)流體流過管道中的節(jié)流元件時(shí)，由于流通截面的變化，節(jié)流件前后的靜壓力不同，靜壓差與流體的流量有關(guān)，這種現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。如圖所示，流束未受到節(jié)流件影響時(shí)，流動(dòng)方向與管道中心線平行。在節(jié)流件前，流體向中心加速，至截面2處流束收縮到最小，此處流速方向又與管道中心線平行，且流速最大，壓力最低，然后流束擴(kuò)張，流速下降，靜壓升高，直到截面3處流束又充滿管道。由于渦流區(qū)的存在，導(dǎo)致流體能量損失，故在截面3處?kù)o壓力p3不等于原先的數(shù)值，而產(chǎn)生了壓力損失δp流量方程的推導(dǎo)：（4分）根據(jù)截面1，2處的壓力能、動(dòng)能和勢(shì)能的關(guān)系，可寫出伯努利方程如下：另外，根據(jù)流體流動(dòng)的連續(xù)性方程，有式中，C1、C2——截面1，2處的動(dòng)能修正系數(shù)；

Z1、Z2，——截面1，2處流體對(duì)參考水平面的距離；

g——重力加速度；

ξ——能量損失系數(shù)；

A1、A2——截面1，2處的流束截面。1）

不可壓縮流體的流量方程令

β=d/D由（2）式

代入（1）式得

（1）（2）又根據(jù)取壓位置不同設(shè)最后得出其中α=稱為流量系數(shù)

1）

可壓縮流體的流量方程令ε≤1，則可壓縮流體的流量方程為

如果對(duì)于不可壓縮流體取ε=1，那么上兩式便是流體流量方程的統(tǒng)一形式。

4.3.2標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)化建立的基礎(chǔ)：對(duì)于一定粗糙度的管道，幾何相似（β值相）等的節(jié)流裝置在流體動(dòng)力學(xué)相似（管內(nèi)流動(dòng)雷諾數(shù)Red相等）的條件下，流量系數(shù)α相等。標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容：⑴αε的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（以表格或公式的形式給出）；⑵滿足相似條件的四個(gè)規(guī)定：規(guī)定的節(jié)流件形式；規(guī)定的取壓方式；規(guī)定的管道條件；規(guī)定的流體條件。因此滿足規(guī)定條件的節(jié)流裝置稱為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2624—81規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置是：⑴標(biāo)準(zhǔn)孔板角接取壓；⑵標(biāo)準(zhǔn)孔板，法蘭取壓；⑶ISA1932噴嘴，角接取壓。1.標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件①標(biāo)準(zhǔn)孔板標(biāo)準(zhǔn)孔板的形狀如圖所示。它是一帶有圓孔的板，圓孔與管道同心，直角入口邊緣非常銳利?？装辶髁坑?jì)實(shí)物圖標(biāo)準(zhǔn)孔板的重要的尺寸參數(shù)是開孔直徑，對(duì)制成的孔板，應(yīng)至少取四個(gè)大致相等的角度測(cè)得直徑的平均值。任一孔徑的單測(cè)值與平均值之差不得大于0.05%?？讖綉?yīng)大于或等于12.5mm，孔徑比(Ｄ為管道直徑)為0.2－0.8。孔板開孔上游側(cè)的直角入口邊緣，應(yīng)銳利無(wú)毛刺和劃痕。若直角入口邊緣形成圓弧，其圓弧半徑應(yīng)小于或等于0.0004。孔板進(jìn)口圓筒的厚度e和孔板厚度E不能過大，以免影響精度。

②標(biāo)準(zhǔn)噴嘴標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖所示。其輪廓外形由進(jìn)口端面A、收縮部分第一圓弧曲面與第二圓弧曲面、圓筒形喉部和出口邊緣保護(hù)糟H所組成。圓筒形喉部e的直徑即為節(jié)流件的開孔直徑，其長(zhǎng)度為0.3。標(biāo)準(zhǔn)噴嘴加工比較困難，一般均由專業(yè)廠制造，實(shí)驗(yàn)室所用的在市場(chǎng)上購(gòu)買。標(biāo)準(zhǔn)噴嘴適用的管道直徑為50~1000mm，孔徑比b為0.32-0.8，雷諾數(shù)為2×E4~2×E6。③文丘里管文丘里管是由入口圓筒段A、圓錐形收縮段B、圓筒形喉部C和圓錐形擴(kuò)散段E所組成。文丘里管的幾何形狀如圖3-14所示。文丘里管第一收縮段錐度為21°±1°，擴(kuò)散段為7°~15°，文丘里的比值為0.4-0.7。2.取壓裝置（1）角接取壓裝置角接取壓裝置有環(huán)室取壓和單獨(dú)鉆孔取壓兩種。如圖所示。環(huán)室取壓有均壓作用，壓差比較穩(wěn)定，被廣泛在用。但當(dāng)管經(jīng)超過，500mm時(shí)采用單獨(dú)鉆孔取壓。β≤0.65時(shí).0.005D＜a＜0.03Dβ＞0.65時(shí),0.01D＜a＜0.02D而且a應(yīng)在1~10mm范圍內(nèi)。環(huán)室縫隙的厚度f(wàn)≥2a。環(huán)室截面hC≥1/2πDa。取壓孔φ取4~10mm。（2）法蘭取壓裝置

如圖所示。

取壓孔直徑不大于0.08D，（6~12mm)。取壓孔截面距節(jié)流件前后端面距離為25.4±1mm。

3.標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的管道條件節(jié)流件前后直管段l1、l2的要求如表所示。說明：（1）若上游側(cè)有兩個(gè)阻力件，其間的直管段長(zhǎng)度l0取按上游側(cè)第二局部阻力件形式和β=0.7（不論實(shí)際β值為多少）查表所得l1的一半。（2）如節(jié)流件上游側(cè)有溫度計(jì)套管，他與節(jié)流件的距離應(yīng)為5D（3D）（當(dāng)溫度計(jì)套管直徑＜0.03D時(shí)）或20D（當(dāng)溫度計(jì)套管在0.03D~0.13D之間時(shí)）。一般應(yīng)盡可能把溫度計(jì)裝于節(jié)流件之后，此時(shí)要求它與節(jié)流件的距離大于5D。（3）如果使用的節(jié)流件上游側(cè)的阻力件形式?jīng)]有包括在表內(nèi)，或要求的三個(gè)直管段長(zhǎng)度有一個(gè)小于括號(hào)內(nèi)的值，則整套節(jié)流裝置需單獨(dú)標(biāo)定。4.標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流體條件①流體必須充滿管道內(nèi)部，并連續(xù)流動(dòng)；②流體在物理上和熱力學(xué)上是單相的，流經(jīng)測(cè)量元件時(shí)不發(fā)生相變；③流體的速度一般在音速以下。④流體流經(jīng)節(jié)流件前后流束平行于管道軸線。4.3.3標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的有關(guān)參數(shù)1.流量系數(shù)αα與節(jié)流裝置，Red及管道粗糙度有關(guān)。絕對(duì)粗糙度kc和相對(duì)粗糙度kc/D光滑管道：kc/D<0.0004光管流量系數(shù)α0：在光滑管道上測(cè)定的流量系數(shù)。對(duì)同一節(jié)流裝置，在一定的β值下，α0只與Red有關(guān)。如圖所示。界限雷諾數(shù)：保持α0穩(wěn)定的雷諾數(shù)的最小值。保持α0穩(wěn)定的方法：①在界限雷諾數(shù)以上測(cè)量；②限制流量的變化范圍，使最大流量和最小流量時(shí)α0的變化不超過0.5%。標(biāo)準(zhǔn)孔板標(biāo)準(zhǔn)噴嘴結(jié)論:(1)節(jié)流式流量計(jì)一般在界限雷諾數(shù)以上進(jìn)行測(cè)量;(2)節(jié)流式流量計(jì)的量程比只有3:1。α0的修正：α=α0rc式中rc為管道粗糙度修正系數(shù)。式中n——對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)孔板n=6，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)噴嘴=5.5。

r0——由β和D/kc決定的對(duì)管道粗糙度的原始修正系數(shù)，如表所示。當(dāng)lgRed/n≥1時(shí)，取rc=r0。2.膨脹系數(shù)εε決定于Δp/p1，β和介質(zhì)的等熵指數(shù)k。對(duì)于角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板：對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)噴嘴：3.壓力損失δp4.3.4標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的使用范圍下表為幾種標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的應(yīng)用范圍。表中的界限雷諾數(shù)隨β而變。同時(shí)考慮以下因素：①流體條件：測(cè)量易沉淀或有腐蝕性的流體易采用噴嘴。②管道條件：在管道內(nèi)壁比較粗糙的條件下，易采用噴嘴。③壓力損失：在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件中，孔板壓力損失最大。④運(yùn)行精度：在高參數(shù)、大流量的生產(chǎn)線上，通常采用噴嘴。⑤在同一β值下，噴嘴較孔板的d大，故測(cè)量范圍大。⑥與噴嘴相比，孔板的最大優(yōu)點(diǎn)是加工方便、安裝容易、省料、造價(jià)低。4.4轉(zhuǎn)子流量計(jì)4.4.1轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理

轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖所示，是由一段上粗下細(xì)的錐形玻璃管（錐角約在4°左右）和管內(nèi)一個(gè)密度大于被測(cè)流體的固體轉(zhuǎn)子（或稱浮子）所構(gòu)成。流體自玻璃管底部流入，經(jīng)過轉(zhuǎn)子和管壁之間的環(huán)隙，再?gòu)捻敳苛鞒?。管中無(wú)流體通過時(shí)，轉(zhuǎn)子沉在管底部。當(dāng)被測(cè)流體以一定的流量流經(jīng)轉(zhuǎn)子與管壁之間的環(huán)隙時(shí)，由于流道截面減小，流速增大，壓力隨之降低，于是在轉(zhuǎn)子上、下端面形成一個(gè)壓差，將轉(zhuǎn)子托起，使轉(zhuǎn)子上浮。隨轉(zhuǎn)子的上浮，環(huán)隙面積逐漸增大，流速減小，壓力增加，從而使轉(zhuǎn)子兩端的壓差降低。當(dāng)轉(zhuǎn)子上浮至某一定高度時(shí)，轉(zhuǎn)子兩端面壓差造成的升力恰好等于轉(zhuǎn)子的重力時(shí)，轉(zhuǎn)子不再上升，而懸浮在該高度。轉(zhuǎn)子流量計(jì)玻璃管外表面上刻有流量值，根據(jù)轉(zhuǎn)子平衡時(shí)其上端平面所處的位置，即可讀取相應(yīng)的流量。

轉(zhuǎn)子流量計(jì)

1——錐形硬玻璃管；2——刻度；

3——突緣填函蓋板；4——轉(zhuǎn)子4.4.2轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量方程

轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量方程可根據(jù)轉(zhuǎn)子受力平衡導(dǎo)出。假設(shè)轉(zhuǎn)子位于某一高度A時(shí)，處在受力平衡態(tài)。此時(shí)向上的作用力：向下的作用力：由于平衡，故可得：

或：又因?yàn)榄h(huán)形截面積：一般，D0=dZ，代入則得流量方程：因

θ值很小則：

式中AZ:轉(zhuǎn)子截面積VZ：轉(zhuǎn)子體積ρZ：轉(zhuǎn)子密度ε：阻力系數(shù)ρ：流體密度

θ：錐角Α：流量系數(shù)4.4.3轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)修正

1.轉(zhuǎn)子流量計(jì)的標(biāo)定

介質(zhì)：常溫常壓下的水、空氣，

刻度：按換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（293K,0.1013MPa)下的體積流量進(jìn)行刻度。

當(dāng)流體種類和工作狀態(tài)與標(biāo)定時(shí)不同時(shí)，需要進(jìn)行量程估計(jì)和讀數(shù)修正。

2.轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)修正

①液體的修正公式

式中：Q0—流量計(jì)讀數(shù)

Q—被測(cè)流體實(shí)際流量,

α0，ρ

—標(biāo)定用流體在標(biāo)定狀態(tài)下的流量系數(shù)，密度；

α，ρ—被測(cè)流體在工作狀態(tài)下的流量系數(shù)，密度；

②氣體的修正公式

忽略粘度對(duì)流量系數(shù)的影響，

式中：Q0—流量計(jì)讀數(shù)

Q—被測(cè)流體實(shí)際流量

P0，T0—標(biāo)定狀態(tài)的熱力學(xué)溫度、壓力

P，T—工作狀態(tài)的熱力學(xué)溫度、壓力

ρ0，ρ—標(biāo)定流體和被測(cè)流體在標(biāo)定狀態(tài)（P0，T0）下的密度。轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)方便，流動(dòng)阻力很小，測(cè)量范圍寬，量程比可達(dá)10：1，測(cè)量精度較高，對(duì)不同的流體適用性廣。缺點(diǎn)是玻璃管不能經(jīng)受高溫和高壓，在安裝使用過程中玻璃容易破碎。

4.4.4轉(zhuǎn)子流量計(jì)量程的安裝與使用轉(zhuǎn)子流量計(jì)在安裝和使用時(shí)應(yīng)注意以下問題：1轉(zhuǎn)子流量計(jì)必須垂直安裝，不允許有明顯的傾斜（傾角要小于2°），否則會(huì)帶來測(cè)量誤差。2為了檢修方便，在轉(zhuǎn)子流量計(jì)上游應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)閥。3轉(zhuǎn)子對(duì)粘污比較敏感。如果粘副有污垢則轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、環(huán)形通道的截面積會(huì)發(fā)生變化，甚至還可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不能上下垂直浮動(dòng)的情況，從而引起測(cè)量誤差。4調(diào)節(jié)或控制流量不宜采用電磁閥等速開閥門，否則，迅速開啟閥門，轉(zhuǎn)子就會(huì)沖到頂部，因驟然受阻失去平衡而將玻璃管撞破或?qū)⒉ＡмD(zhuǎn)子撞碎。

5被測(cè)流體溫度若高于70℃時(shí)，應(yīng)在流量計(jì)外側(cè)安裝保護(hù)套，以防玻璃管因?yàn)R有冷水而驟冷破裂。國(guó)產(chǎn)LZB系列轉(zhuǎn)子流量計(jì)的最高工作溫度有120℃和160℃兩種。

例某氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)的量程范圍為4～60m3/h?，F(xiàn)用來測(cè)量壓力為60kPa（表壓）、溫度為50℃的氨氣，轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)應(yīng)如何校正？此時(shí)流量量程的范圍又為多少？（設(shè)流量系數(shù)CR為常數(shù)，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01.3kPa）4.5渦輪流量計(jì)4.5.1渦輪流量計(jì)的構(gòu)造與原理

渦輪流量計(jì)是以動(dòng)量矩守恒原理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的流量測(cè)量?jī)x表。渦輪流量計(jì)由渦輪流量變送器和顯示儀表組成。渦輪流量變送器包括渦輪、導(dǎo)流器、磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器、外殼及前置放大器等部分，如圖所示。

渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖1.渦輪2.導(dǎo)流器3.磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器4.外殼5.前置放大器

1.渦輪流量計(jì)的工作原理：設(shè)渦輪葉片與渦輪軸線的夾角為α，如圖所示。葉輪平均半徑為r0，葉柵流通面積為S0，r0處流體的切向速度為vQ，則

Vq=2πr0n被測(cè)流體流過葉片時(shí)的軸向平均流速為

vz=Q/S0則有于是

當(dāng)渦輪結(jié)構(gòu)一定時(shí)，渦輪的轉(zhuǎn)速n與被測(cè)流體的流量成正比，當(dāng)被測(cè)流體流經(jīng)渦輪并推動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，高導(dǎo)磁性的渦輪葉片就周期性地掃過磁電轉(zhuǎn)換器的永久磁鐵，使磁路的磁阻產(chǎn)生相應(yīng)的變化，致使通過感應(yīng)線圈的磁通量也隨之發(fā)生周期性變化，從而在線圈內(nèi)產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即輸出交流電脈沖信號(hào)。設(shè)渦輪葉片數(shù)為Z，則脈沖信號(hào)的頻率f為f=Zn

則

ξ為流量系數(shù)。它與渦輪流量變送器的結(jié)構(gòu)以及被測(cè)流體的性質(zhì)等因素有關(guān)，一般通過試驗(yàn)標(biāo)定的方法確定。

2.關(guān)于流量系數(shù)ξ的討論流量系數(shù)ξ并非常數(shù)，流量系數(shù)與流量的關(guān)系如圖所示。ξ與流量（或管道雷諾數(shù)）的關(guān)系曲線如圖所示?？梢姡瑑x表常數(shù)可分為二段，即線性段和非線性段。線性段的特性與傳感器結(jié)構(gòu)尺寸及流體粘性有關(guān)。在非線性段，特性受軸承摩擦力，流體粘性阻力影響較大。渦輪流量計(jì)的特點(diǎn)：①測(cè)量精度高，其精度可以達(dá)到0.5級(jí)以上，在狹小范圍內(nèi)甚至可達(dá)0.1%，故可作為校驗(yàn)1.5~2.5級(jí)普通流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x表。②二是對(duì)被測(cè)信號(hào)變化的反應(yīng)快，若被測(cè)介質(zhì)為水，渦輪流量計(jì)的時(shí)間常數(shù)一般只有幾毫秒到幾十毫秒，因此特別適用于對(duì)脈動(dòng)流量的測(cè)量。③測(cè)量范圍較寬，量程比可達(dá)10：1。④對(duì)被測(cè)流體清潔度要求較高；適用與溫度范圍（-20℃~120℃）；特別是軸承的磨損市儀表的壽命受到影響。

渦輪流量在安裝和使用時(shí)應(yīng)注意以下問題：（1）渦輪流量計(jì)出廠時(shí)是在水平安裝情況下標(biāo)定的，因此為了保證渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度，渦輪變送器必須水平安裝，否則會(huì)引起變送器的儀表常數(shù)發(fā)生變化。（2）因?yàn)榱鲌?chǎng)變化時(shí)會(huì)使流體旋轉(zhuǎn)，改變流體和渦輪葉片的作用角度，此時(shí)，即使流量穩(wěn)定，渦輪的轉(zhuǎn)速也會(huì)改變，所以，為了保證變送器性能穩(wěn)定，除了在其內(nèi)部設(shè)置導(dǎo)流器外，還必須在變送器前后留出一定的直管段，一般入口直管段的長(zhǎng)度為20D以上，出口直管段的長(zhǎng)度為15D以上。（3）為了確保變送器葉輪正常工作，流體必須潔凈，切勿使污物、鐵屑等進(jìn)入變送器。因此在使用渦輪流量計(jì)時(shí)，一般應(yīng)加裝過濾器，網(wǎng)目大小一般為100孔/cm2，以保持被測(cè)介質(zhì)的凈潔，減少磨損，并防止渦輪被卡住。（4）渦輪流量計(jì)的一般工作點(diǎn)最好在儀表測(cè)量范圍上限數(shù)值的50%以上，保證流量稍有波動(dòng)時(shí)，工作點(diǎn)不至移至特性曲線下限以外的區(qū)域。（5）被測(cè)流體的流動(dòng)方向須與變送器所標(biāo)箭頭方向一致。

4.6電磁流量計(jì)4.5.1工作原理當(dāng)液體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)法拉第定律產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果磁場(chǎng)垂直于流動(dòng)液體的電絕緣管道，而液體的電導(dǎo)率又不太低，則裝在管壁上的兩個(gè)電極之間可測(cè)量到一個(gè)電壓，這電壓同磁通量密度、液體的平均流速以及兩個(gè)電極之間的距離成正比。這樣，就可以測(cè)得液體的流速，進(jìn)而測(cè)得液體的流量。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電壓強(qiáng)度可用下面的簡(jiǎn)式表達(dá)：

E=kBDV

B－磁通密度；D－測(cè)量管內(nèi)徑；E－流量信號(hào)（電動(dòng)勢(shì)）；V－液體平均軸向流速；k-常數(shù)。在圓形管道中，體積流量是：于是4.5.2組成結(jié)構(gòu)如圖所示。1．直流勵(lì)磁直流勵(lì)碰方式用直流電產(chǎn)生磁場(chǎng)或采用永久磁鐵，但是，使用直流磁場(chǎng)易使通過測(cè)量管道的電解質(zhì)液體被極化，即電解質(zhì)在電場(chǎng)中被電解，產(chǎn)生正負(fù)離子，在電場(chǎng)力的作用下，負(fù)離子跑向正極，正離子跑向負(fù)極。這樣，將導(dǎo)致正負(fù)電極分別被相反極性的離子所包圍，嚴(yán)重影響儀表的正常工作．所以，直流勵(lì)磁一般只用于測(cè)量非電解質(zhì)液體，如液態(tài)金屬等。2．交流勵(lì)磁

目前，工業(yè)上使用的電磁流量計(jì)，大都采用工頻(50Hz)電源交流勵(lì)磁方式，即它的磁場(chǎng)是由正弦交變電流產(chǎn)生的，所以產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是一個(gè)交變磁場(chǎng)。交變磁場(chǎng)變送器的主要優(yōu)點(diǎn)是消除了電極表面的極化干擾．另外，由于磁場(chǎng)是交變的，所以輸出信號(hào)也是交變信號(hào)。交流激磁的缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生正交干擾。但可通過特殊電路加以消除。如下圖所示。3．低頻方波勵(lì)磁直流勵(lì)磁方式和交流勵(lì)磁方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)點(diǎn)，盡量避免它們的缺點(diǎn)，70年代以來，人們開始采用低頻方波勵(lì)磁方式．它的勵(lì)磁電流波形如圖所示，其頻率通常為工頻的1／4一l／10．

從圖可見，在半個(gè)周期內(nèi)，磁場(chǎng)是恒穩(wěn)的直流磁場(chǎng)，它具有直流勵(lì)磁的特點(diǎn)，受電磁干擾影響很小。從整個(gè)時(shí)間過程看，方波信號(hào)又是一個(gè)交變的信號(hào)，所以它能克服直流勵(lì)磁易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象．因此，低頻方波勵(lì)磁是一種比較好的勵(lì)磁方式，目前已在電磁流量計(jì)上廣泛的應(yīng)用．4.5.3變送器的安裝要求1.一般垂直安裝。2.安裝地點(diǎn)避免有較強(qiáng)的交直流磁場(chǎng)或有劇烈的振動(dòng)3.上游側(cè)直管段大于5D，下游不做要求；4.變送器外殼、金屬管道兩端應(yīng)良好接地。4.5.4電磁流量計(jì)的特點(diǎn)1.無(wú)壓力損失；2.直管段較短；3.反應(yīng)靈敏，能測(cè)正反方向的流量及脈動(dòng)流量；4.不受溫度、壓力、密度、黏度的影響；5.測(cè)量范圍大，管徑可從2.5mm~2.4m，量程比可達(dá)100：1；6.工作溫度不超過200，壓力不超過4MPa；7.被測(cè)介質(zhì)是導(dǎo)電的，不能測(cè)量氣體、蒸汽及石油產(chǎn)品等。被測(cè)介質(zhì)的導(dǎo)磁率應(yīng)接近于1，不能測(cè)量鐵磁性介質(zhì)，如含鐵的礦漿流量等。4.7靶式流量計(jì)靶式流量計(jì)由靶式流量變送器和顯示儀表兩部分組成，其測(cè)量元件是一個(gè)在測(cè)量管中心并垂直于流向的被稱為“靶”的圓板。通過測(cè)量流體作用在靶上的力而實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量．靶式流量計(jì)是60年代隨著工業(yè)生產(chǎn)迫切需要解決高粘度、低雷諾數(shù)流體，的流量測(cè)量而發(fā)展起來的一種新型流量測(cè)量?jī)x表．可用于低雷諾數(shù)、含固體顆粒的漿液及腐蝕介質(zhì)流量測(cè)量。靶式流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖所示，在被測(cè)管道中心迎著流速方向安裝一個(gè)靶，當(dāng)介質(zhì)流過時(shí)，靶受到流體的作用力。這個(gè)力由兩部分組成，一部分是流體和靶表面的摩擦力，另一部分是由于流束在靶后分離，產(chǎn)生壓差阻力，阻力為式中，F(xiàn)為靶受到流體的阻力；為阻力系數(shù)；A1為靶迎流面積，式中d：靶直徑；

v：靶和管壁間環(huán)面積中的平均流速；：介質(zhì)密度。流量與靶輸出力F的平方根成正比．測(cè)量靶所受的力F，就可以測(cè)定被測(cè)介質(zhì)的流量．4.8超聲波流量計(jì)當(dāng)超聲波在流體中傳播時(shí)，會(huì)載帶流體流速的信息。因此，根據(jù)對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，可以檢測(cè)到流體的流速，進(jìn)而可以得到流量值。超聲波流量測(cè)量方法有很多，本節(jié)主要介紹傳播速度差方法和多普勒方法的基本原理與流量方程．傳播速度差法的基本原理為：測(cè)量超聲波脈沖在順流和逆流傳播過程中的速度之差來得到到被測(cè)流體的流速。根據(jù)測(cè)量的物理量的不同，可以分為時(shí)差法(測(cè)量順、逆流傳播時(shí)由于超聲波傳播速度不同而引起的時(shí)間差)、相差法(測(cè)量超聲波在順、逆流中傳播的相位差)、頻差法(測(cè)量順、逆流情況下超聲脈沖的循環(huán)頻率差)。頻差法是目前常用的測(cè)量方法，它是在前兩種測(cè)量方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的．4.7.1時(shí)差法超聲波流量計(jì)原理超聲在流體中的傳波速度受流體流速的影響。在管道的上下游安裝兩個(gè)傳感器A和B，距離為L(zhǎng)，設(shè)靜止流體中的聲速為c，流體流動(dòng)的速度為υ。當(dāng)超聲波傳播方向與流體方向一致時(shí)，超聲波的傳播速度為（c+υ）；而當(dāng)超聲波傳播方向與流體流動(dòng)方向相反時(shí)，超聲波的傳播速度為（c-υ）。順流方向傳播的超聲波從A到B所需時(shí)間為t1

t1=L/(c+υ)(1)逆流方向傳播從B到A所需時(shí)間為t2t2=L/(c-υ)(2)由（1）式和（2）式得

Δt=t2-t1=2υL/(c2-υ2)(3)由于c》υ所以

Δt=2υL/c2(4)t1+t2=2Lc/(c2-υ2)(5)由于c》υ所以

c=2L/(t1+t2)(6)將（6）式代入（4）式得

t1t2=L2/(c2-υ2)(7)由于c》υ所以

c=L2/t1t2(8)將（8）式代入（4）式得

υ=

(t2-t1)/2t1t2(9)如果超聲波與流速方向成一定的角度設(shè)其為α，（9）式可以表示為

υ=

(t2-t1)/2t1t2cosα(10)只要測(cè)出順流和逆流傳播時(shí)間t和t就能求出υ，進(jìn)而求出流量。超聲流量計(jì)的特點(diǎn)1）超聲流量計(jì)可以作成非接觸式的，從管道外部進(jìn)行測(cè)量。在管道內(nèi)無(wú)任何測(cè)量部件，沒有壓力損失，不改變?cè)黧w的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)原有管道不需任何加工就可以進(jìn)行測(cè)量。2）測(cè)量結(jié)果不受被測(cè)流體的黏度、電導(dǎo)率的影響，可測(cè)非導(dǎo)電性的液體或氣體的流量，可測(cè)很大口徑的管道內(nèi)流體的流量，甚至可以測(cè)量河流的流速。3）超聲流量計(jì)的輸出信號(hào)與被測(cè)流體的流量成線性關(guān)系。4.7.2、多普勒法

多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理確定流體流量的．多普勒效應(yīng)是當(dāng)聲源和目標(biāo)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)引起聲波在頻率上的變化，這種頻率變化正比于運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)和靜止的換能器之間的相對(duì)速度。圖是超聲多普勒流量計(jì)示意圖。超聲換能器安裝在管外。從發(fā)射晶體T發(fā)射的超聲波束遇到流體中運(yùn)動(dòng)著顆粒或氣泡，再反射回來由接收晶體R1接收。發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的多普勒頻率偏移與流體流速成正比。如忽略管壁影響，并假設(shè)流體沒有速度梯度，以及粒子是均勻分布的，可得方程4.9渦街流量計(jì)（Vortexflowmeter)

渦街流量計(jì)是利用流體流過阻礙物時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定的漩渦，通過測(cè)量其漩渦產(chǎn)生頻率而實(shí)現(xiàn)流量計(jì)量的。渦街流量計(jì)由渦街流量傳感器和流量顯示儀表兩部分構(gòu)成。渦街流量計(jì)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中著名的“卡門渦街”原理。在流動(dòng)的流體中放置一根其軸線與流向垂直的非流線性柱形體(加三角柱、圓柱等)，稱之為漩渦發(fā)生體，見圖。當(dāng)流體沿漩渦