CH11流量的測(cè)量64644課件

第11章流量的測(cè)量0011

MeasurementofFlow11.0序(Introduction)11.1容積式流量計(jì)

(PositiveDisplacementFlowmeter)11.2壓差式流量計(jì)(DifferentialPressureFlowmeter)11.3流體阻力式流量計(jì)(FlowResistanceFlowmeter)11.4速度式流量計(jì)(SpeedFlowmeter)返回流體（包括液體和氣體，以及液體、氣體、粒狀固體兩者或三者之間的任意組合）的流量通常指單位時(shí)間內(nèi)流過管道某一截面或明渠橫斷面的流體量。流體流量一般可分為體積流量qV和質(zhì)量流量qm，它們之間的關(guān)系為式中：為流體的密度。在某一段時(shí)間內(nèi)流體流量的總和，稱為總流量。工業(yè)上常用的流量計(jì)量?jī)x表按其工作原理大致可分為容積式、壓差式、流體阻力式和速度式流量計(jì)等幾大類。11.0序

(Introduction)（a）（b）（c）11.1容積式流量計(jì)

(PositiveDisplacementFlowmeter)12.1.1橢圓齒輪流量計(jì)(ovalgearedflowmeter)容積式流量計(jì)是利用機(jī)械測(cè)量元件把流體連續(xù)不斷地分隔成單位體積，并進(jìn)行累加而計(jì)量出流體總量的儀表。如橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪轉(zhuǎn)子流量計(jì)和比較新型的齒輪流量計(jì)等。結(jié)構(gòu)和工作原理橢圓齒輪流量計(jì)主要部分是殼體和裝在殼體內(nèi)的一對(duì)相互嚙合的橢圓齒輪，它們與蓋板構(gòu)成了密閉的流體計(jì)量室，流體的進(jìn)出口分別位于兩個(gè)橢圓齒輪軸線構(gòu)成平面的兩側(cè)殼體上。工作特性橢圓齒輪流量計(jì)借助于固定的容積來計(jì)量流量，與流體的流動(dòng)狀態(tài)及粘度無關(guān)。粘度變化會(huì)引起泄漏量的變化，影響測(cè)量精度。若保證加工精度，且各運(yùn)動(dòng)部件的配合緊密，使用中不腐蝕和磨損，測(cè)量精度可很高，一般為0.5%～1%，較好時(shí)可達(dá)0.2%。流量恒定時(shí)，橢圓齒輪在一周的轉(zhuǎn)速是變化的，但每周的平均角速度不變。橢圓齒輪的短軸與長(zhǎng)軸之比為0.5時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的脈動(dòng)率接近0.65。由于角速度的脈動(dòng)，測(cè)量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速并不能表示瞬時(shí)流量，而只能測(cè)量整數(shù)圈的平均轉(zhuǎn)速來確定平均流量。大多數(shù)橢圓齒輪流量計(jì)的外伸軸都帶有測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電測(cè)速盤。同二次儀表相連，可準(zhǔn)確地顯示出平均流量和累積流量。橢圓齒輪流量計(jì)的缺點(diǎn)是對(duì)流體的清潔度要求較高。另外，齒輪容易磨損，特別是在流量計(jì)超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，磨損加劇，導(dǎo)致精度下降。容積式流量計(jì)(3/6)11.1.2腰輪齒輪流量計(jì)(rootsflowmeter)結(jié)構(gòu)和工作原理腰輪轉(zhuǎn)子流量計(jì)同橢圓齒輪流量計(jì)類似，通過腰輪（轉(zhuǎn)子）與殼體之間所形成的固定計(jì)量室來實(shí)現(xiàn)，腰輪轉(zhuǎn)過一圈，排出四個(gè)固定計(jì)量體積的流體，只要記下腰輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)數(shù)，就可得到被測(cè)流體的體積流量。其流量的計(jì)算公式與橢圓齒輪流量計(jì)相同。1—?dú)んw；2—軸；3—驅(qū)動(dòng)齒輪；4—腰輪；5—計(jì)量室容積式流量計(jì)(4/6)工作特性腰輪轉(zhuǎn)子流量計(jì)中，兩個(gè)腰輪轉(zhuǎn)子的加工精度和表面粗糙度要求較高，安裝時(shí)必須要保證兩腰輪軸線的平行度要求。普通腰輪流量計(jì)，隨著流量的增大，轉(zhuǎn)子角速度的波動(dòng)現(xiàn)象較嚴(yán)重，脈沖率約為0.22。對(duì)大流量的計(jì)量，往往都采用45o角組合腰輪，可大大減小轉(zhuǎn)子角速度的波動(dòng)，脈沖率可減小到0.027左右。由于腰輪流量計(jì)的驅(qū)動(dòng)是由專門的驅(qū)動(dòng)齒輪擔(dān)任，其磨損不影響測(cè)量精度，而與測(cè)量密切相關(guān)的只是腰輪，因此這種流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、適用性強(qiáng)等特點(diǎn),對(duì)于不同粘度的流體，均能夠保證精確的計(jì)量，一般精度可達(dá)±0.2％。容積式流量計(jì)(5/6)11.2壓差式流量計(jì)

(DifferentialPressureFlowmeter)11.2.1壓差式流量計(jì)的計(jì)算公式壓差式流量計(jì)是利用伯努利方程原理來測(cè)量流量的儀表。壓差式流量計(jì)通過測(cè)定流體經(jīng)過節(jié)流裝置時(shí)所產(chǎn)生的靜壓力差來實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。管內(nèi)連續(xù)流動(dòng)的流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)，將產(chǎn)生流體勢(shì)能和動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)換，致使其壓力和流速發(fā)生相應(yīng)的變化。實(shí)驗(yàn)證明，流體流經(jīng)各種節(jié)流裝置時(shí)，其流速和壓力沿流動(dòng)方向的分布情況是類似的。差壓流量計(jì)原理與壓力分布情況水平管道內(nèi)裝有節(jié)流孔板時(shí)，沿流動(dòng)方向的壓力分布情況如下圖。壓差式流量計(jì)(2/4)體積流量方程為式中：—流量系數(shù)；

—流體壓縮系數(shù)。對(duì)不可壓縮流體，＝1；對(duì)可壓縮流體，<1；A0—節(jié)流孔的最小截面積。流量系數(shù)與節(jié)流裝置開孔截面比、流體流動(dòng)的雷諾數(shù)Re值、取壓點(diǎn)位置、管壁粗糙度等有關(guān)，對(duì)于不同形式的節(jié)流裝置，由于其壓力和流速分布不同，流量系數(shù)也不同。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于一定形式的節(jié)流裝置，當(dāng)雷諾數(shù)值Re大于某一界限值ReK時(shí)，流量系數(shù)趨于某一定值。因此，當(dāng)Re>ReK時(shí)，只要測(cè)量壓力差便可確定流量的大小。壓差式流量計(jì)(3/4)各種形狀轉(zhuǎn)子11.3流體阻力式流量計(jì)

(FlowResistanceFlowmeter)11.3.1轉(zhuǎn)子流量計(jì)(rotameter)轉(zhuǎn)子流量計(jì)是工業(yè)上和實(shí)驗(yàn)室最常用的一種流量計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直觀、壓力損失小，且恒定、維修方便等特點(diǎn)。適用于測(cè)量通過管道直徑D<150mm的小流量，也可以測(cè)量腐蝕性介質(zhì)的流量。使用時(shí)流量計(jì)必須安裝在垂直走向的管段上，流體介質(zhì)自下而上地通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)。轉(zhuǎn)子可沿管的中心線上下自由移動(dòng)當(dāng)測(cè)量流體的流量時(shí)，被測(cè)流體從錐形管下端流入，流體的流動(dòng)沖擊著轉(zhuǎn)子，并對(duì)它產(chǎn)生一個(gè)作用力（這個(gè)力的大小隨流量大小而變化）；當(dāng)流量足夠大時(shí)，所產(chǎn)生的作用力將轉(zhuǎn)子托起，并使之升高。同時(shí)，被測(cè)流體流經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐形管壁間的環(huán)形斷面，從上端流出。當(dāng)被測(cè)流體流動(dòng)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子的作用力，正好等于轉(zhuǎn)子在流體中的重量時(shí)（稱為顯示重量），轉(zhuǎn)子受力處于平衡狀態(tài)而停留在某一高度。分析表明：轉(zhuǎn)子在錐形管中的位置高度，與所通過的流量有著相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此，觀測(cè)轉(zhuǎn)子在錐形管中的位置高度就可以求得相應(yīng)的流量值。流體阻力式流量計(jì)(2/6)11.3.2靶式流量計(jì)(targetflowmeter)靶式流量計(jì)是以管內(nèi)流動(dòng)的流體給予插入管中的靶的推力F來測(cè)量流量的一種測(cè)量裝置。當(dāng)被測(cè)流體通過裝有圓靶的管道時(shí)，流體沖擊圓靶使其受推力F作用，經(jīng)杠桿將力傳遞給粘有應(yīng)變片的懸臂梁（也可采用其他形式的力傳感器）。這樣應(yīng)變電橋就輸出與力F成正比的電壓。由測(cè)得的F值就可確定流量的大小。1－靶；2－傳力杠桿；3－推桿；4－懸臂塊流體阻力式流量計(jì)(3/6)則通過管道流體的流量為式中：A0——靶和管壁間的環(huán)形間隙面積，m2，；D——管道內(nèi)徑，m；d——圓板靶外徑，m。則有—靶式流量計(jì)的流量系數(shù)；—靶的結(jié)構(gòu)參數(shù)。式中：流體阻力式流量計(jì)(5/6)流量系數(shù)K與、D及流體流動(dòng)的雷諾數(shù)Re有關(guān)，其數(shù)值由實(shí)驗(yàn)確定。下圖為D＝53mm的圓靶，結(jié)構(gòu)系數(shù)分別為＝0.7和0.8的K－－Re實(shí)驗(yàn)曲線。由圖可知，當(dāng)Re較大時(shí)K趨于某一常數(shù)，而當(dāng)Re較小時(shí)，K隨著Re減小而顯著減小。與差壓式流量計(jì)相比，其流量系數(shù)趨于常數(shù)的臨界雷諾數(shù)較小，因此適于測(cè)量粘度較大的流體。靶式流量計(jì)的測(cè)量精度約為2%~3%。流體阻力式流量計(jì)(6/6)11.4速度式流量計(jì)

(SpeedFlowmeter)渦輪流量計(jì)主要由渦輪、導(dǎo)流器、殼體和磁電傳感器等組成，渦輪的轉(zhuǎn)軸的軸承由固定在殼體上的導(dǎo)流器所支撐。殼體由不導(dǎo)磁的不銹鋼制成，渦輪為導(dǎo)磁的不銹鋼，它通常有4～8片螺旋形葉片。當(dāng)流體通過流量計(jì)時(shí)，推動(dòng)渦輪使其以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，此轉(zhuǎn)速是流體流量的函數(shù)。而裝在殼體外的非接觸式磁電轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖信號(hào)的頻率與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比。因此，測(cè)定傳感器的輸出頻率即可確定流體的流量。11.4.1渦輪流量計(jì)(turbineflowmeter)11.4.2超聲波流量計(jì)(ultrasonicflowmeter)超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)，可以載上流體流速的信息。因此，通過接收穿過流體的超聲波就可以檢測(cè)出流體的流速，從而計(jì)算出流量。超聲波流量計(jì)按測(cè)量原理可以分為多種不同形式，主要有傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、旋渦法、相關(guān)法、流速-液面法等。下面主要介紹傳播速度差法。聲波在流體中傳播時(shí)，處在順流和逆流的不同條件下，其波速并不相同。順流時(shí)，超聲波的傳播速度為在靜止介質(zhì)中的傳播速度c加上流體的速度v，即傳播速度為(c＋v)；逆流時(shí)，它的傳播速度為(c－v)。測(cè)出超聲波在順流和逆流時(shí)的傳播速度，求出兩者之差2v，就可求得流體的速度。測(cè)定超聲波順、逆流傳播速度之差的方法主要有測(cè)量在超聲波發(fā)生器上、下游等距離處接到超聲信號(hào)的時(shí)間差、相位差或頻率差等方法。速度式流量計(jì)(3/10)時(shí)差法設(shè)超聲波發(fā)生器與接收器之間的距離為L(zhǎng)，則超聲波到達(dá)上、下游接收器的傳播時(shí)間差為當(dāng)c>>v時(shí)，相差法若超聲波發(fā)生器發(fā)射的是連續(xù)正弦波，則上、下游等距離處接收到超聲波的相位差為式中：為超聲波的角頻率。速度式流量計(jì)(4/10)頻差法通過測(cè)量順流和逆流時(shí)超聲脈沖的重復(fù)頻率差來測(cè)量流速。在上、下游等距離處收到超聲波的頻率差為頻率差測(cè)流速與超聲波傳播速度c無關(guān)。在流量計(jì)管壁的斜對(duì)面固定兩個(gè)超聲波振子TR1、TR2，兼作超聲波的發(fā)送和接收元件。由一側(cè)的振子產(chǎn)生的超聲波脈沖穿過管壁→流體→管壁為另一側(cè)的振子所接收，并轉(zhuǎn)換為電脈沖，經(jīng)放大后再用此電脈沖激發(fā)對(duì)面的發(fā)送振子，形成所謂單環(huán)自激振蕩。振蕩周期由超聲波在流體中的順流傳播速度決定，周期的倒數(shù)即為單環(huán)頻率f1。速度式流量計(jì)(5/10)經(jīng)過一定時(shí)間間隔以后，由切換電路使發(fā)送振子變成接收振子，而接收振子變成發(fā)送振子，此時(shí)，測(cè)出單環(huán)頻率f2（取決于超聲波在逆流中的傳播速度）。當(dāng)，且很小時(shí)，可得則體積流量為超聲波流量?jī)x前后必須有足夠長(zhǎng)的直管段以使流體流經(jīng)儀表前就達(dá)到典型層流分布，且使用中要避免流體中出現(xiàn)氣泡并防止其他聲源干擾。超聲流量計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是儀表裝在管道外，不破壞管道，價(jià)格也與管道大小無關(guān)。速度式流量計(jì)(7/10)11.4.3電磁流量計(jì)(electromagneticflowmeter)電磁流量計(jì)由電磁流量傳感器、轉(zhuǎn)換器以及顯示儀表等組成，也可由電磁流量傳感器和顯示儀表直接組成。傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)定律。采用不導(dǎo)磁材料制成的流量測(cè)量導(dǎo)管，置于均勻磁場(chǎng)中，其內(nèi)徑為D，內(nèi)壁襯有絕緣材料。導(dǎo)電液體在管道中流動(dòng)時(shí)，作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，若所有流體質(zhì)點(diǎn)都以平均流速v運(yùn)動(dòng)，則液體流速在整個(gè)管道截面上是均勻一致的。這樣，就可把液體看成許多直徑為D的連續(xù)運(yùn)動(dòng)著的薄圓盤。這種由液體組成的薄圓盤等