1、第11章 流量的测量 Measurement of Flow,11.0 序(Introduction) 11.1 容积式流量计 (Positive Displacement Flowmeter) 11.2 压差式流量计(Differential Pressure Flowmeter) 11.3 流体阻力式流量计(Flow Resistance Flowmeter) 11.4 速度式流量计 (Speed Flowmeter),返回,流体（包括液体和气体，以及液体、气体、粒状固体两者或三者之间的任意组合）的流量通常指单位时间内流过管道某一截面或明渠横断面的流体量。流体流量一般可分为体积流量qV和质
2、量流量qm，它们之间的关系为,式中：为流体的密度。,在某一段时间内流体流量的总和，称为总流量。,工业上常用的流量计量仪表按其工作原理大致可分为容积式、压差式、流体阻力式和速度式流量计等几大类。,11.0 序 (Introduction),11.1 容积式流量计 (Positive Displacement Flowmeter),12.1.1 椭圆齿轮流量计 (oval geared flowmeter),容积式流量计是利用机械测量元件把流体连续不断地分隔成单位体积，并进行累加而计量出流体总量的仪表。如椭圆齿轮流量计、腰轮转子流量计和比较新型的齿轮流量计等。,结构和工作原理,椭圆齿轮流量计主要部
3、分是壳体和装在壳体内的一对相互啮合的椭圆齿轮，它们与盖板构成了密闭的流体计量室，流体的进出口分别位于两个椭圆齿轮轴线构成平面的两侧壳体上。,流体进入流量计时，由于进出口压力差pp1p2 的存在，使得椭圆齿轮受到力矩的作用而转动。流量计 A、 B 两轮交替带动，以椭圆齿轮与壳体间固定的月牙型计量室为计量单位，不断地把入口处的流体送到出口。,椭圆齿轮每转一周所排流体的容积为固定的月牙型计量室容积V0的4倍。若椭圆齿轮的转数为n，则通过椭圆齿轮流量计的流量为,易见，已知排量q值的椭圆齿轮流量计，只要测量出转数n，便可确定通过流量计的流量大小。,容积式流量计 (2/6),工作特性,椭圆齿轮流量计借助于
4、固定的容积来计量流量，与流体的流动状态及粘度无关。粘度变化会引起泄漏量的变化，影响测量精度。,若保证加工精度，且各运动部件的配合紧密，使用中不腐蚀和磨损，测量精度可很高，一般为0.5% 1%，较好时可达0.2%。,流量恒定时，椭圆齿轮在一周的转速是变化的，但每周的平均角速度不变。椭圆齿轮的短轴与长轴之比为 0.5 时， 转动角速度的脉动率接近 0.65。由于角速度的脉动，测量瞬时转速并不能表示瞬时流量，而只能测量整数圈的平均转速来确定平均流量。,大多数椭圆齿轮流量计的外伸轴都带有测速发电机或光电测速盘。同二次仪表相连，可准确地显示出平均流量和累积流量。,椭圆齿轮流量计的缺点是对流体的清洁度要求
5、较高。另外，齿轮容易磨损，特别是在流量计超负荷运行时，磨损加剧，导致精度下降。,容积式流量计 (3/6),11.1.2 腰轮齿轮流量计 (roots flowmeter),结构和工作原理,腰轮转子流量计同椭圆齿轮流量计类似，通过腰轮（转子）与壳体之间所形成的固定计量室来实现，腰轮转过一圈，排出四个固定计量体积的流体，只要记下腰轮的转动转数，就可得到被测流体的体积流量。其流量的计算公式与椭圆齿轮流量计相同。,1 壳体；2 轴；3 驱动齿轮；4 腰轮；5 计量室,容积式流量计 (4/6),工作特性,腰轮转子流量计中，两个腰轮转子的加工精度和表面粗糙度要求较高，安装时必须要保证两腰轮轴线的平行度要求
6、。,普通腰轮流量计，随着流量的增大，转子角速度的波动现象较严重，脉冲率约为0.22。对大流量的计量，往往都采用45角组合腰轮，可大大减小转子角速度的波动，脉冲率可减小到 0.027左右。,由于腰轮流量计的驱动是由专门的驱动齿轮担任，其磨损不影响测量精度，而与测量密切相关的只是腰轮，因此这种流量计具有结构简单、使用寿命长、适用性强等特点, 对于不同粘度的流体，均能够保证精确的计量，一般精度可达0.2。,容积式流量计 (5/6),齿轮流量计输出波形,11.1.3 齿轮流量计 (gear flowmeter),齿轮流量计在流量计壳体内装有齿轮状转子，转子齿上沿圆周分布有磁体。当流体进入时推动转子转动
7、，安装在仪表壳体外的霍耳传感器感应到对应的流量的磁脉冲信号，并转化为电脉冲后送出。其输出电脉冲信号通常为相位差为 90的 A、B 两路方波信号，通过四细分辨向电路处理后送计数器，即可获得流量的大小和方向。,齿轮流量计体积小、重量轻。测量时振动噪声小，可测量粘度高达10 000 Pas 的流体。齿轮流量计测量精度高，一般可达 0.5，经非线性补偿后甚至可达0.10.05。,容积式流量计 (6/6),11.2 压差式流量计 (Differential Pressure Flowmeter),11.2.1 压差式流量计的计算公式,压差式流量计是利用伯努利方程原理来测量流量的仪表。,压差式流量计通过测
8、定流体经过节流装置时所产生的静压力差来实现流量测量。,管内连续流动的流体流经节流装置时，将产生流体势能和动能的相互转换，致使其压力和流速发生相应的变化。实验证明，流体流经各种节流装置时，其流速和压力沿流动方向的分布情况是类似的。,差压流量计原理与压力分布情况,水平管道内装有节流孔板时，沿流动方向的压力分布情况如下图。,压差式流量计 (2/4),体积流量方程为,式中： 流量系数； 流体压缩系数。对不可压缩流体，1；对可压缩流体，1 ；A0 节流孔的最小截面积。,流量系数与节流装置开孔截面比、流体流动的雷诺数Re值、取压点位置、管壁粗糙度等有关，对于不同形式的节流装置，由于其压力和流速分布不同，流
9、量系数也不同。,实验表明，对于一定形式的节流装置，当雷诺数值Re大于某一界限值ReK时，流量系数趋于某一定值。因此，当ReReK时，只要测量压力差便可确定流量的大小。,压差式流量计 (3/4),11.2.2 节流装置 (throttle device),常用的节流装置有标准孔板，喷嘴和文杜里管等。,流体通过节流装置时，由于克服摩擦阻力和在节流装置后形成漩涡均要消耗一定的能量，所以通过节流装置后有一部分静压力不能恢复，从而造成净压力损失p。孔板的p 最大，文杜里管由于内表面呈流线型与流束趋向一致，p最小，而喷嘴的值则介于两者之间。,压差式流量计 (4/4),各种形状转子,11.3 流体阻力式流量
10、计 (Flow Resistance Flowmeter),11.3.1 转子流量计 (rotameter),转子流量计是工业上和实验室最常用的一种流量计。它具有结构简单、直观、压力损失小，且恒定、维修方便等特点。适用于测量通过管道直径D150 mm的小流量，也可以测量腐蚀性介质的流量。使用时流量计必须安装在垂直走向的管段上，流体介质自下而上地通过转子流量计。,当测量流体的流量时，被测流体从锥形管下端流入，流体的流动冲击着转子，并对它产生一个作用力（这个力的大小随流量大小而变化）；当流量足够大时，所产生的作用力将转子托起，并使之升高。同时，被测流体流经转子与锥形管壁间的环形断面，从上端流出。,
11、当被测流体流动时对转子的作用力，正好等于转子在流体中的重量时（称为显示重量），转子受力处于平衡状态而停留在某一高度。分析表明：转子在锥形管中的位置高度，与所通过的流量有着相互对应的关系。因此，观测转子在锥形管中的位置高度就可以求得相应的流量值。,流体阻力式流量计 (2/6),11.3.2 靶式流量计 (target flowmeter),靶式流量计是以管内流动的流体给予插入管中的靶的推力F 来测量流量的一种测量装置。,当被测流体通过装有圆靶的管道时，流体冲击圆靶使其受推力 F 作用，经杠杆将力传递给粘有应变片的悬臂梁（也可采用其他形式的力传感器）。这样应变电桥就输出与力 F 成正比的电压。由测
12、得的 F 值就可确定流量的大小。,1靶； 2传力杠杆； 3推杆； 4悬臂块,流体阻力式流量计 (3/6),流体流动给予靶的作用力大体可分成三个方面：靶对流体流动的节流作用所产生的净压差pp1p2；流体流动的动压力v2/2；流体的粘性摩擦力，对目前大多采用圆靶而言，可略去不计。,所以，推力主要由静压力差和动压力所组成：,式中： A 靶的受力面积，m2； 流体的密度，kg/m3；v 流体的流速；k1，k2 比例系数；K= k1k2 ，靶上推力的比例系数。,由此得流速,流体阻力式流量计 (4/6),则通过管道流体的流量为,则有,流体阻力式流量计 (5/6),流量系数K与、D及流体流动的雷诺数Re有关
13、，其数值由实验确定。下图为D53 mm的圆靶，结构系数分别为0.7和0.8的KRe实验曲线。,由图可知，当Re较大时K趋于某一常数，而当Re较小时， K随着Re减小而显著减小。与差压式流量计相比，其流量系数趋于常数的临界雷诺数较小，因此适于测量粘度较大的流体。靶式流量计的测量精度约为2%3%。,流体阻力式流量计 (6/6),11.4 速度式流量计 (Speed Flowmeter),涡轮流量计主要由涡轮、导流器、壳体和磁电传感器等组成，涡轮的转轴的轴承由固定在壳体上的导流器所支撑。壳体由不导磁的不锈钢制成，涡轮为导磁的不锈钢，它通常有48片螺旋形叶片。,当流体通过流量计时，推动涡轮 使其以一定
14、的转速旋转，此转速是流体流量的函数。而装在壳体外的非接触式磁电转速传感器输出脉冲信号的频率与涡轮的转速成正比。因此，测定传感器的输出频率即可确定流体的流量。,11.4.1 涡轮流量计 (turbine flowmeter),如果忽略轴承的摩擦及涡轮的功率损耗，通过流量计的流体流量qV与传感器输出的脉冲信号频率的关系为,式中： f输出电脉冲信号的频率，Hz；仪表常数（频率流量转换系数）。,仪表常数反映涡轮流量计的工作特性，它与流量计本身的结构、流体的性质和流体在涡轮周围的流动状态等因素有密切的关系。实验表明，只有当涡轮周围流体的流态为充分湍流状态时， 值才能接近一个常数值，此时流量与涡轮的转速近
15、似成线性关系。反之，当通过流体的流态为层流状态时， 值将随流体的流量和粘度的变化而改变。,虽然 值是在非线性范围内，但其复现性仍然很好。因此，只要根据涡轮流量计的输出频率和流体的粘度对 值作适当修正，同样可以在非线性范围内使用。,速度式流量计 (2/10),11.4.2 超声波流量计 (ultrasonic flowmeter),超声波在流动的流体中传播时，可以载上流体流速的信息。因此，通过接收穿过流体的超声波就可以检测出流体的流速，从而计算出流量。超声波流量计按测量原理可以分为多种不同形式，主要有传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、旋涡法、相关法、流速-液面法等。下面主要介绍传播速度
16、差法。,声波在流体中传播时，处在顺流和逆流的不同条件下，其波速并不相同。顺流时，超声波的传播速度为在静止介质中的传播速度 c 加上流体的速度 v ，即传播速度为 (cv )；逆流时，它的传播速度为( cv ) 。 测出超声波在顺流和逆流时的传播速度， 求出两者之差2v，就可求得流体的速度。,测定超声波顺、逆流传播速度之差的方法主要有测量在超声波发生器上、下游等距离处接到超声信号的时间差、相位差或频率差等方法。,速度式流量计 (3/10),时差法,设超声波发生器与接收器之间的距离为L，则超声波到达上、下游接收器的传播时间差为,当cv时，,相差法,若超声波发生器发射的是连续正弦波，则上、下游等距离
17、处接收到超声波的相位差为,式中： 为超声波的角频率。,速度式流量计 (4/10),频差法,通过测量顺流和逆流时超声脉冲的重复频率差来测量流速。在上、下游等距离处收到超声波的频率差为,频率差测流速与超声波传播速度c无关。,在流量计管壁的斜对面固定两个 超声波振子TR1、TR2，兼作超声 波的发送和接收元件。由一侧的 振子产生的超声波脉冲穿过管壁 流体管壁为另一侧的振子所 接收，并转换为电脉冲，经放大 后再用此电脉冲激发对面的发送振子，形成所谓单环自激振荡。振荡周期由超声波在流体中的顺流传播速度决定，周期的倒数即为单环频率f1。,速度式流量计 (5/10),经过一定时间间隔以后，由切换电路使发送振
18、子变成接收振子，而接收振子变成发送振子，此时，测出单环频率f2（取决于超声波在逆流中的传播速度）。,速度式流量计 (6/10),经过一定时间间隔以后，由切换电路使发送振子变成接收振子，而接收振子变成发送振子，此时，测出单环频率f2（取决于超声波在逆流中的传播速度）。,则体积流量为,超声波流量仪前后必须有足够长的直管段以使流体流经仪表前就达到典型层流分布，且使用中要避免流体中出现气泡并防止其他声源干扰。,超声流量计的最大优点是仪表装在管道外，不破坏管道，价格也与管道大小无关。,速度式流量计 (7/10),11.4.3 电磁流量计 (electromagnetic flowmeter),电磁流量计
19、由电磁流量传感器、转换器以及显示仪表等组成，也可由电磁流量传感器和显示仪表直接组成。传感器的工作原理是基于电磁感应定律 。,采用不导磁材料制成的流量测量导 管，置于均匀磁场中，其内径为D， 内壁衬有绝缘材料。导电液体在管 道中流动时，作切割磁力线的运动， 若所有流体质点都以平均流速 v 运 动，则液体流速在整个管道截面上 是均匀一致的。这样，就可把液体看成许多直径为D的连续运动着的薄圆盘。这种由液体组成的薄圆盘等效于长度为D的导电体，其切割磁力线的运动速度为v。,速度式流量计 (8/10),若感应强度不变，流体充满管道流动，电磁流量计的感应电动势与流量成线性关系。,根据电磁感应原理可知，在液体
20、圆盘内将产生感应电动势，其大小为,式中： E感应电动势；B磁感应密度；v平均流速；D管道内径。,流经圆形导管的体积流量为被测介质的平均流速与导管流通截面积的乘积，即,速度式流量计 (9/10),电磁流量计特点： 输出电信号与流量之间呈线性关系，便于仪表作等分刻度； 仪表的测量不受被测介质的温度、压力、密度和粘度以及流态的影响； 仪表应用范围广，几乎可适用于所有电导率大于10-3S/m的导电性液体，且介质的电导率在许可范围内变化也不影响测量结果，流速测量范围可从每秒几厘米至每秒十余米，满量程时流速可从0.510 m/s内变化，口径范围可从几毫米至几米； 变送器内无活动部件，几乎无压力损失，并对安装直管段要求不高； 仪表时滞小，能瞬时反应流量变化，可以测脉动流； 输出信号的极性与磁场方向及流速方向有关，所以能用于鉴别流向，可测两向流； 仪表便于清洗和消毒，便于维护，且能输出标准电信号以便于配套，可靠性高，使用寿命长。,速度式流量计 (10/10),
