检测技术及仪表 教学课件 ppt 作者 樊春玲 第4章 流量测量

第四章 流量检测及仪表 教学目的及要求： 1、掌握流量测量的基本概念和基本原理； 2、熟知流量测量的几类基本手段，并了解这些基本流量检测 仪表的结构、工作原理及应用中应注意的主要问题； 3、掌握流量测量中的一些基本计算方法； 4、分析流量测量中一些主要技术参数的计算和查表方法。 流量测量主要外语词汇 Flowmeter, Volume flow, Mass flow, Throttle type flowmeter, orifice plate, differential pressure flowmeter, Positive Displacement (PD) Flowmeters nozzle, venturi tube, elbow, pitot tube flow coefficient, compressible coefficient, target flowmeter, rotameter, rotometer,rotary flowmeter electromagnetic flowmeter, turbine flowmeter ultrasonic flowmeter,vortex flowmeter Coriolis Mass Flowmeter,Thermal Mass Flowmeter 4.1 流量基本概念 4.2 容积式流量计 4.3 节流式流量计 4.4 靶式流量计 4.5 浮子式 4.6 电磁流量计 4.7 其他流量计 4.8 流量计的选用 4.9 流量测量实例 主要研究内容主要研究内容 流量测量是研究物质量变的科学，质和量的互变规 律是事物联系与发展的基本规律，因此，其测量对象已 不限于传统意义上的管道流体，凡是需要掌握流体流动 的地方都有流量测量的问题。 工业生产过程是流量测量与仪表应用的一大领域， 流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大 参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。 对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经 济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益 、实现科学管理的基础。在整个过程检测仪表中，流量 仪表的产值约占1/51/4。 流量（瞬时流量）：单位时间内流过管道某一截 面的流体的数量。 累积流量（总流量）：某一时段内流过的流体的 总合。瞬时流量在某一时段的累积量。 质量流量(M)：单位时间内流过某截面的流体的质 量。单位：(kg/s) 体积流量(Q)：单位时间内流过某截面的流体的体 积。（工作状态下）单位：（m3/s ） 4.1 4.1 流量的基本概念流量的基本概念 体积流量(Qn)：折算到标准的压力和温度下的体积 流量。（标准状态下） 流量的国际单位是千克/秒（kg/s）、立方米 /秒（m3/s）。此外，常用的还有吨/小时（t/h） 、千克/小时（kg/h）、立方米/小时（m3/h）等； 总量的国际单位是千克（kg）、立方米（m3）。此 外，常用的总量单位还有吨（t）。 对于气体，密度受温度、压力变化影响较大 ，如在常温常压附近，温度每变化10，密度变 化约为3%；压力每变化10kPa，密度约变化3%。 因此在测量气体流量时，必须同时测量流体的温 度和压力。为了便于比较，常将在工作状态下测 得的体积流量换算成标准状态下（温度为20， 压力为101325Pa）的体积流量，用符号Qn表示， 单位符号为Nm3/s。 流量检测方法简介 体积流量：直接测量法；间接测量法 直接测量：按流量的定义测量，即容积法。 间接测量：用与流体的流动速度有关的物理现 象测量。 质量流量：直接法；推导法 直接法：检测元件能直接反映出质量流量。 推导法：同时检测出流体的体积流量和密度， 通过相关计算推导出质量流量。 流量检测技术着重研究的几个问题 1.流量系数 2.量程比 3.阻力损失 4.直管段 与流量测量有关的几个物理参数 1.流体的密度 液体的密度 气体的密度 2.流体的粘度 动力粘度 运动粘度 3.雷诺数Re(Renolds number) 4.马赫数（流速比） M=V/C V：流速 C：音速 4.2 4.2 容积法测量流量容积法测量流量 一.容积法测量的基本原理 容积法测量流量是最早用于测量流量的方法之一 。它的原理很简单，简要的说就是用一种固定容积的 容器，在一定时间间隔里，连续而不间断的对流动的 流体进行度量。所以这种测量方法，实际上就是用容 积积分的方法，直接测量流体的体积容量。 用公式表达为： V=nV0 +e 式中：V-流体的体积总量；e-泄露量； V0计量室的容积； n-计量的次数。 那么如何应用容积法在密闭的管道中连续地测量流体 的流量呢？一般都是采用容积分界的方法，即由仪表壳体 和活动壁组成流体的计量室。在流体经过仪表时，由于仪 表的入出口之间存在压力差，因此在流体的压力推动下， 使这种定容的形体能够将流体连续的一份一份地排出，其 排出的总量即为V=nV0，如果需要瞬时流量，则可以根据 单位时间，固定容积V0计量次数推算得出。 注：以上应用容积法基理构成的流量仪表，一般称为 容积式流量计，常用的容积式流量计有：椭圆齿轮流量计 、腰轮（罗茨）流量计、刮板流量计、旋转活塞式流量 计、湿式流量计等。 二.几种典型容积式流量计的讨论 椭圆齿轮流量计 椭圆齿轮流量计的结构如图： 该流量计的结构是由一固定的壳体和一对互相啮合的 椭圆齿轮组成，而每一只椭圆齿轮，其截面是椭圆，但其 厚度较厚。两个齿轮紧密啮合，并可依各自的轴心旋转， 当然齿轮与固定壳体之间也配合的较好，间隙很小。 图4-1 椭圆齿轮流量测量示意图 （动画：流量检测及仪表动画/椭圆齿轮流量计.swf） 工作原理 在该流量计入口和出口之间，由于椭圆齿轮流量 计的阻碍作用，致使 P1与P2的压力不等，且有P1 P2 ，于是在流量计入、出口之间的差压作用下，会使椭 圆齿轮旋转，且通过椭圆齿轮的旋转，会不断地将充 满在齿轮与壳体之间的定体积流体排出，并由齿轮的 转数推算出流量的数值。 具体的动作过程可由前图a、b、c分析得出，设 开始工作时齿轮的位置如a图。由于 P1 P2，于是在 P1、P2压力作用下所产生的合力矩，会使A轮产生顺时 针方向的转动，而B轮此时的合转矩为零。（以各自 轴心为准，A轮的合力矩为顺时针方向，而B轮的合力 矩为零），于是A为主动轮，B为从动轮，这样就把 轮A和壳体间的半月形容积内的流体排至出口。当然要完成 这一完整过程，齿轮的位置显然要由图a图b图c。在图b时 ，齿轮A、B就均为主动轮了，当到图c位置时，半月形容积 内的流体全都排出，且A轮又成为从动轮（合力矩为零）而 B轮则变为主动轮，（注A轮始终顺时针转，而B轮始终逆时 针转），这样由于A、B两轮不变交替成为主动轮，而保持 椭圆齿轮不断地旋转，以致把流体连续地排至出口处。 总量计算 由上述分析可知，该流量计椭圆齿轮每转动一周，可 由出口排出 四个半月形体积的流体，因而从齿轮的转数便 可以计算出排出流体的数量，其流体总量的计算方法为： V0-半月形容积 a、b-椭圆齿轮的长半轴和短半轴 -椭圆齿轮的厚度 n-椭圆齿轮的转数 R-计量室半径 这里：R2 -ab是两个半月形的面积，再乘为两个 半月形容积，于是有： 注：椭圆面积公式：面积=ab 用途：气体、液体均可使用，多用于低压、且介质杂 质较少的场合。 腰轮流量计 结构：如图，它的运动部件是由两只表面无牙齿的 腰轮组成，且腰轮又与固定容积的壳体紧密配合组成 ，由于腰轮无齿，所以它们的转动配合是靠伸出壳体 外的两根轴上的外齿轮啮合的。 原理：与椭圆齿轮流量计相同，靠两只腰轮间的主 动、从动相互交替来完成连续的定容测量的。 计算公式： 式中：K-仪表常数；n-转数/小时； L-腰轮度； D-腰轮高度。 特点：由于腰轮表面光滑、没有齿牙（靠壳体外部的齿轮啮合）所以 该仪表对被测流体中的小颗粒不敏感，且仪表不易被尘埃卡死，故 对流体介质的要求较椭圆齿轮要松。另外腰轮流量计还常用来测量 大流量的气体流量。 刮板流量计 刮板式流量计分凸轮式和凹线式两类。 a.凸轮式 凸轮式的壳体内腔是圆形空筒，转子（强调转 子）是一个空心圆筒。筒边开有四个槽，互成角，可 让刮板在槽内伸出或缩进，四个刮板由两根连杆（刚 体）联接，也互成，在空间交叉互不干扰。在每个刮 板的一端裂有一小滚柱，四个滚柱分别在一个不动的 凸轮上滚动，从而使刮板时而伸出，时而缩进（当一 只刮板伸出时，由连杆带动与之对应的另一只刮板缩 进）。 当两只刮板都伸出到转动的滚筒外边时，形成一个空间 （即计量室） 。注意在这个阶段，即刮板在计量室内运行期间，只是旋转，而无伸、 缩直线运动。当离开计量室后，刮板就慢慢缩进转动的圆筒内，与此同 时，相对应的刮板则慢慢从转筒内伸出。因此，转筒每转动一周，便排 出四个计量室容积的液体。指出：这里转子的转动是由入、出口间的压 差作用推动的。 b.凹线式 凹线式的结构与凸轮式不同，该仪表壳体内 腔是曲线的，各处的曲率不同，其转子是实心 的，中间有槽，刮板在槽中随着空腔的曲率不 同而伸出或缩进，以排出内腔中的流体，其结 构示意图如图 。 工作过程是：由于仪表壳体内腔各处的曲率不同，所以在 实心转子在压差作用下顺时针转动时，刮板在转子的槽中随 着空腔内的曲率不同而伸出或缩进，其缩进是壳体壁压迫而 缩进，其伸出是转子空槽内的弹片（或弹簧）顶力所致，这 样转子每旋转一周，也是排出四个计量室容积的液体。 旋转活塞式流量测量 结构如图： 旋转活塞式流量测量装置主要由：内 、外圆筒，旋转活塞、隔板、活塞轴和 导辊等部件组成，该装置中的内、外圆 筒是固定不动的，导辊的轴心也是固定 的。隔板将计量室分成两部分，以保证 进口的流体不可能直接从出口流出，而只 能靠旋转活塞挤出 去，旋转活塞与外圆筒紧密接触，理想情 况应无泄露。注意： 旋转活塞与其轴是一体，即其轴总是旋转 活塞的圆心，旋转活 塞上部有缺口，且恰与隔板相咬合，并能 上下滑动。 图4-4 旋转活塞工作原理 原理： 旋转活塞的轴沿导辊旋转，因此可认为旋转活塞相对外圆筒 而言实际是偏心旋转，同时旋转活塞在旋转的同时还必须与隔板成 上下直线运动，这两种运动的结合，就导致旋转活塞外侧沿外圆筒 内侧滚动，而内侧沿内圆筒外侧滚动，以实际形成旋转活塞在由内 、外圆筒形成的计量室中打滚。同时又由于上部固定隔板的作用， 最终导致流体从入口吸入，而从出口由旋转活塞排出。 注：由上述原理构成的旋转活塞式流量计，其活塞每转动一次排 出的流体数量较大，而相对的仪表的体积较小，这是该流量计的优 点，但由于旋转活塞与外圆筒之间是滚动啮合，故一般存在一定的 泄露，该流量计量装置常用作容积式水表使用，一般精度不高。 特点：排出流量较大，精度不高。 湿式流量计 湿式流量计是一种常用于测量气体的流量计，该流量计多 用于测量小流量气体，测量精度较高，是实验室中的常见仪 表。 结构：由仪表壳体和叶片组成。 特点：壳体内装水密封被测气体。 原理：被测气体由轴心处进入，由于下部有水密封，则被测 气体靠压力顺时针推动叶轮转动，并由仪表出口排出，根据 叶轮的转数，可精确测量出被测气体的流量。 三、容积式流量计的特点及使用 1.流量特性的讨论 流量大小对测量误差的影响 对椭圆齿轮、腰轮、旋转活塞、刮板式流量计等容积式流量计来讲 ，在小流量情况下，由于其仪表转动部分所受到的转动力矩较小， 故相应间隙的泄露量严重，误差较大，当流量达到一定数值时，泄 露量相对较小，此时流量与转数成比例关系。但这类仪表测量的流 量不宜过大，否则会使转子磨损增大，甚至造成破损。流量小时， 泄露量大。流量达到一定数值后，泄露量相对减小，流量与转数成 比例关系，但被测流量不宜过大，否则易使转子破损，并且误差也 大。 注：湿式流量计由于其转子与壳体间的间隙被水密封，故流量的大小对 测量误差的影响较小。 粘度对仪表误差的影响 粘度高，泄露量小，测量精度高。粘度低，泄露量大，测量 误差较大。粘度非常低时，影响测量误差的主要因素已不是粘度， 而是流体的密度和润滑性。 精密测量时应考虑温度对测量精度的影响。 2. 容积式流量计的压力损失 容积式流量计由于其转动部件的质量一般较大，且转动部件 存在机械摩擦，加之流体粘度的影响 (当动力粘度30cp后，其压 力损失明显加快)，故该类流量计的压力损失一般较大。为解决这 一问题，已出现伺服式流量计，流量越大，压力损失越大，气体介 质，压力越大，密度越大，压力损失越大。该流量计用P控制电 机D的转速，由D带动转子转动，从而使转子的转动不需流体压力本 身的作用，从而减小压力损失， 进而泄露量亦相应减小，并且即 使在P很小的情况下，亦可测量流量。 3. 容积式流量计的使用特点 仪表精度较高，在0.10.5之间，可作标准仪表。 测量范围较大，量程比可达101 直管段要求较低，如:=10mm的管径，只需0.7m 1m的直管段。 压力损失偏大 结构复杂、较重、价高。 4. 安装、使用中应注意的问题 常用的流量应在最大流量（即仪表上限的1/2 2/3）处。 流体介质要洁净，一般应加过滤器。 应加装旁路。 原则上无直管段要求。 结构较复杂、太重、价格偏高。 节流式（也称差压式）流量计（图3-2）是基于流体 流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差 而实现流量测量的。它是目前生产中测量流量最成熟，最 常用的方法之一。通常是由节流装置产生的压差信号，通 过差压流量变送器转换成相应的标准电信号，以供显示、 记录或控制用。 4.3 4.3 节流式流量计节流式流量计 节流式（也称差压式）流量变送器 外形图 图4-5 节流式流量计的组成 1节流件；2信号管路；3截断阀；4差压计 节流装置是差压式流量传感器的流量敏感检 测元件，是安装在流体流动的管道中的阻力元 件。常用的节流元件有孔板、喷嘴、文丘里管 。 它们的结构形式、相对尺寸、技术要求、管 道条件和安装要求等均已标准化，故又称标准 节流元件。 4.3.1 4.3.1 节流装置节流装置 节流装置（取 压管及内部的 节流孔板） 节流孔板 后取压管 前取压管 流体通过节 流孔板时， 流速加快， 后取压管处 的压力减小 。 节流装置外形 节流孔板 后取压管 标准节流元件 (a) 孔板 (b)文丘里管 (c) 喷嘴 （动画：流量检测及仪表 动画喷嘴流量计.avi） 节流装置的另一种形式文丘里管或文 丘里喷嘴 文丘里喷嘴的压力损失较小。 流体入口 狭窄部位 文丘里喷嘴原理示意图 文丘里喷嘴结构图 文丘里喷嘴在 管道中的位置 前取压口 后取压口 在管道中流动的流体具有动压能和静压能，在一定条 件下这两种形式的能量可以相互转换，但参加转换的能量 总和不变。用节流元件测量流量时，流体流过节流装置前 后产生压力差p(p=p1-p2)，且流过的流量越大，节流 装置前后的压差也越大，流量与压差之间存在一定关系， 这就是差压式流量传感器测量原理。 3.2.23.2.2 测量原理测量原理 图图4-74-7流体流过节流件时的流动状态流体流过节流件时的流动状态 图4-7为节流件前后流速和压力分布情况， 图中充分地反映了能量形式的转换。由于流动是 稳定不变的，即流体在同一时间内通过管道截面A 和节流件开孔截面A0的流体量应相同，这样通过 截面A0的流速必然比通过截面A时快。在流速变化 的同时，流体的动压能和静压能也发生变化，根 据能量守恒定律，因而在孔板前后出现了静压差 。通过测量此静压差便可以求出流量。 流量公式推导： 流体在水平管道中沿轴线方向稳定流动，流体 不对外做功和外界也没有热量交换，流体本身也没 有温度变化。根据这些条件，我们可以写出以下能 量方程。 1.对于不可压缩性流体的能量方程： 此即为不可压缩理想流体的伯努利方程，式中 的1与2是指处于同一水平线上的两个不同的截面， 式中V是指流体的平均流速。式中 是指介质密度 。 2.不可压缩性流体的连续性方程： 根据质量守恒原理，流过截面的流体质量与流 过截面的流体质量对不可压缩性流体来讲应该不变 的。于是有： A-截面处的流通面积； a-截面处的流通面积； 推导出流量计算公式： 此即为不可压缩流体的质量流量与差压P间的理 论公式。所谓理论公式就是以理想流体为模型，并且不 考虑它在节流过程中有任何压力损失为前提的，但对现 实流体在实际工况中总是存在一些具体情况，如实际流 体一般总是具有粘性的，因此实际流体在流经节流件时 必然要产生压力损失。因此实测的压差总是比理论上的 压力差要大。所以按理论公式计算出的流量值总要比实 际上的流量值要大。因此实际应用中我们总是要引入一 个修正系数来对理论公式进行修正。 即有实际公式： 对于可压缩性流体，由于压力变化时，流体的 温度也可能随之变化，因此直接用上述的等温过程 的伯努利方程所推出的结论则不妥。在计算可压缩 性流体的流量时，仍可借助上述不可压缩性流体的 计算公式，仅是引入一个流体膨胀校正系数即可 。 质量流量： 体积流量： 流量公式中的流量系数与节流装置的结构 形式、取压方式、节流装置开孔直径、流体流动 状态（雷诺数）及管道条件等因素有关。对于标 准节流装置，值可直接从有关手册中查出。 节流装置是将被测流体的流量值变换成差压 信号p，节流装置输出的差压信号由压力信号管 路输送到差压变送器（或差压计）。 由流量基本方程式可以看出，被测流量与差压p成 平方根关系，对于直接配用差压计显示流量时，流量标尺 是非线性的，为了得到线性刻度，可加开方运算电路或加 开方器。如差压流量变送器带有开方运算，变送器的输出 电流就与流量成线性关系。显示仪表则显示流量的大小。 要使仪表的指示值与通过管道的实际流量相符，必须 做到以下几点： （1）差压变送器的压差和显示仪表的流量标尺有若 干种规格，选择时应与节流装置孔径匹配。 （2）在测量蒸汽和气体流量时，常遇到工作条件的 密度与设计时的密度c不相同，这时必须对示 数进行修正。 （3）显示仪表刻度通常是线性的，测量值（差压信 号）要经过开方运算进行线性化处理后再送显示 仪表。 （4）节流装置应正确安装。 （5）接至差压变送器的压差应该与节流装置前后压 差相一致，这就需要正确安装差压信号管路，信 号管路安装举例(如下)： 被测流体为清洁液体时，导压管路安装方式如被测流体为清洁液体时，导压管路安装方式如 图所示。图所示。 a)垂直管道差压仪表在管道下方 b) 差压仪表在管道上方 清洁液体时安装示意图 被测流体为清洁的干燥气体时，导压管路安装方被测流体为清洁的干燥气体时，导压管路安装方 式如图所示式如图所示 ： a)垂直管道差压仪表在管道下方 b) 差压仪表在管道上方 清洁干气体时的安装图示意图 被测流体为蒸汽时，导压管路安装如图所示。被测流体为蒸汽时，导压管路安装如图所示。 测量蒸汽时的安装图示意图 被测流体为洁净湿气体时，导压管路安装如图被测流体为洁净湿气体时，导压管路安装如图 所示。所示。 测量洁净湿气体时的安装图示意图 节流式流量计的特点 流速的适用范围应小于声速。 测量范围为3：1，精度可达1%，适用直径 501000mm。 仪表刻度为非线性，可加开方器可转为线性。 节流式流量计外形 在流体通过的管道中，垂直于流动方向插上 一块圆盘形的靶。流体通过时对靶片产生推力， 经杠杆系统产生力矩。力矩与流量的平方近似成 正比。 靶式流量计适用于测量粘稠性及含少量悬浮 固体的液体。 4.4 4.4 靶式流量计靶式流量计 图4-11 靶式流量计原理图 1力平衡转换器；2密封膜片3杠杆；4靶 1、结构 在流体流经的管道中，垂直于流动方向安装一圆盘形 的靶，结构如图： 2、原理 流体在流经靶盘时，由于受阻必然要冲击靶盘，这样靶 上所受的作用力与流速之间就存在着一定的数量关系。而因 靶的连杆又将靶盘上所受的力以力矩的方式向外输出，通过 相关的电路处理，就可以求出管道中流体的流速和流量。 流体作用在靶上的力可以分为三部分。 a.流体对靶盘的直接冲击力，即流体的动压力。 b.由于靶盘对流体的节流作用，而在靶盘前后产生的 静压差。 c.流体对靶盘的粘滞摩擦力。 实际靶上所受的力主要取决于前2项，而由于流体的粘 滞性所产生的摩擦力，在流量很大，由于前2项的力远大于 第三项，故可忽略。 实际主要作用在靶盘上的力为： 实用流量式： 若令： ，代入则有 由上式可以看出：只要被测流体的重度，管道 直径D，靶盘直径d和流量系数K。已知，则流量Q 即可通过测量靶所受的力下求出，也就是说，只要 D、d、K一定，则Q即仅是F的单值函数 。 靶式流量计的特点： （1）可测一般流体、气体和高粘度流体； （2）对低雷诺数流体的测量有优势； （3）精度可达1，量程比3：1； （4）适用管径范围15200mm，并有直管段要求； （5）与节流法测量相比，无引压管，维护方便。 转子流量计是以转子在垂直锥形管中随着流量变化而 升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪 表，又称浮子流量计，恒压降流量计。 (动画) 在美国、日本常称作变面积流量计（Variable Area Flowmeter）。 转子流量计利用流体节流作用测量流体的体积流量。 转子流量计的特点：结构简单，直观；使用维护方便；压 力损失小，多适用于中、小流量的测量，一般精度不是很 高。 4.54.5 浮子式流量计浮子式流量计 1.结构 转子流量计结构比较简单，它主要由两部分组成： （a）上阔下窄的锥形管，常用材料：玻璃锥管 金属锥管 （b）转子，常用材料：金属转子、也有非金属转子 转子常见形式： (a)锥状，又称旋转式转子 (b)圆盘式转子 (c)板式转子 2.2.工作原理：工作原理： 如图所示，被测流体从下向如图所示，被测流体从下向 上经过锥管上经过锥管1 1和浮子和浮子2 2形成的形成的 环隙环隙3 3时，浮子上下端产生差时，浮子上下端产生差 压形成浮子上升的力，当浮压形成浮子上升的力，当浮 子所受上升力大于浸在流体子所受上升力大于浸在流体 中浮子重量时，中浮子重量时， 浮子便上升浮子便上升 ，环隙面积随之增大，环隙，环隙面积随之增大，环隙 处流体流速立即下降，浮子处流体流速立即下降，浮子 上下端差压降低，上下端差压降低，作用于浮作用于浮 子的上升力亦随着减少，直子的上升力亦随着减少，直 到上升力等于浸在流体中到上升力等于浸在流体中 图4-15 浮子流 量计的工作原理 浮子重浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。浮子在锥量时，浮子便稳定在某一高度。浮子在锥 管中高度和通过的流量有对应关系。管中高度和通过的流量有对应关系。 金属转子流量计 金属浮子流量计的流量 检测元件是由一根自下 向上扩大的垂直锥形管 和一个沿着锥管轴上下 移动的浮子组所组成。 金属转子流量计 玻璃转子流 量计 流体入口 流体出口 转子 3.流量公式推导： 由靶式流量计的讨论中知道，流体对靶的作用力是： 同理，由于流体在转子流量计中是从下向上的垂直冲击 浮子，所以流体对浮子的垂直冲击力即作用在浮子的阻力 为： 如若设浮子的体积为 Vf，浮子材料的重度为rf ，则浮子 在锥形管中处于某一垂直位置时其所受到的冲击力应与浮 子的重力平衡，而浮子由于总是浸泡于液体之中的，所以 在任何位置它都要受的浮力作用，考虑到在任何情况下， 只要浮子处于平衡状态，其作用在浮子上的力的总和等于 零，于是有： 由此我们可求出流体通过环形流通面积的流速为： 如果没设转子处于该平衡状态下，其环形流通面积为 ，则可求得该情况下的体积流量为： 当锥形管浮子形状和材质一定时，且被测介质的重度 r设为不变，而且流体雷诺数又符合一定要求的情况下， 上式中 和 均可认为是常数，于是流量Q 就仅随环形流通面积的变化而变化，所以我们常把这种转 子流量计称为面积式流量计。 4.关于的讨论 与锥形管的锥度、浮子的形状及流体的雷诺数有关 即=f（锥形管的锥度，转子形状，ReD) 不同转子形状的流量系数与雷诺数的关系曲线如 P165图3-4-4 所示。 流量系数与Re的关系 转子流量计对Remin限制较弱，在一般较低的 雷诺数条件下流量系数即可保持常数。 一般说来： 旋转式浮子的Remin为6000； 圆盘式浮子的Remin为300； 板式浮子的Remin为40. Remin为最低雷诺数界限 5.流量与转子高度的关系 先看流通面积与浮子高度 之间的关系： （1 ） （2 ） （1）+（2）有： （4） （3） 从式（4）可看出：Q与h成非线性关系，但由于很小， 非常小，可近似忽略，所以可以近似认为： Q和h成近似线性关系。 6.转子流量计应用中需注意的问题 （1）读数修正 当仪表直接的流量刻度时，必须注意被测介质的 名称，重度，粘度，温度和压力应与仪表刻度时的工 况一致，否则应予修正。 注意：转子流量计出厂时是在标准状态（20， 760mmHg）用水或空气介质标定的。 一般测量液体时采用水标定，测量空气时，采用空气 标定。 注意：当实际应用中的工况与刻度标定时的工况不一致 时，必须进行刻度换标，否则测量结果严重不准，以 下介绍刻度换标的方法，前提是被测介质的粘度应与 标定的相差不大，否则也会影响结果。 （2）安装要求 要求垂直安装，并需加旁路。 有直管段要求，一般仪表前后 有5D的直管段，并加装过滤器。 D指管道直径。 转子流量计的使用特点： （1）结构简单，仪表类型广 口径 精度 压力损失 量程 金属管转子流量计 15150mm 1.52.0% 550mmH2O 61/h水 玻璃管转子流量计 1.5100mm 12.5% 550 mmH2O 14/h水 1 01/h空气 有直读式的 有电远传的 （2）无机械磨损，压力损失小 （3）受介质性质影响大，存在刻度换算问题。 （4）影响仪表精度的原因： 锥管与转子的加工精度 流量系数易受粘度变化的影响，（注：当然也受锥管 的锥度，转子的形状和 的影响，在此指这些条件一定 时） 在进行流量测量时 ，如果被测介质具 有导电性，则可以 使用电磁流量计来 测量。 4.64.6 电磁流量计电磁流量计 图4-12 电磁流量计原理图 （1）工作原理及组成 电磁流量计是依据法拉第电磁感应定律来测量 流量的。 根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场 中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生 电势E，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的 磁感应强度B，导体在磁场内的长度L及导体的运 动速度V成正比，如果B， L，V三者互相垂直，则 E=BLV 同理，当导电的液体在磁场中作垂直于 磁力线方向的流动而切割磁力线时，也 会产生感应电势。见电磁流量计原理图 ，将一个直径为D的管道放在一个均匀磁 场中，并使之垂直于磁力线方向。管道 由非导磁材料制成，如果是金属管道， 内壁上要装有绝缘衬里。 当导电液体在管道中流动时，便会切割磁磁力线。 如果在管道两侧各插入一根电极，则可以引出感应 电势。只要管道内流速分布为轴对称分布，两电极 之间也特产生感生电动势，其大小与磁场、管道和 液体流速有关， ：管道截面上的平均流速 由此得出流体的体积流量与感应电势的关系为 ： 式中： E感应电势； B磁感应强度； D管道内径。 只要测出感应电势只要测出感应电势E E，就可知道被测流量，就可知道被测流量Q Q 的大小的大小 。 需要说明的是，要使上面的流量公式严 格成立，必须使测量条件满足下列假定 ： 磁场是均匀分布的恒定磁场； 被测流体的流速轴对称分布； 被测液体是非磁性的； 被测液体的电导率均匀且各向同性 。 (2)励磁方式 励磁方式即产生磁场的方式由前述可知，为 使上述流量公式严格成立，第一个必须满足的 条件就是要有一个均匀恒定的磁场为此，就 需要选择一种合适的励磁方式。 目前，一般有三种励磁方式，即直流励磁 、交流励磁和低频方波励磁。 （a）直流励磁 直流励磁方式用直流电产生磁场或采 用永久磁铁，它能产生一个恒定的均 匀磁场这种直流励磁变送器的最大 优点是受交流电磁场干扰影响很小， 因而可以忽略液体中的自感现象的影 响 但是，使用直流磁场易使通过测量管 道的电解质液体被极化，即电解质在 电场中被电解，产生正负离子在电 场力的作用下，负离子跑向正极，正 离子跑向负极这样，将导致正负电 极分别被相反极性的离子所包围，严 重影响仪表的正常工作所以，直流 励磁一般只用于测量非电解质液体， 如液态金属等。 直流励磁方式 （b）交流励磁 目前，工业上使用的电磁流量计，大都采用工 频(50Hz)电源交流励磁方式，即它的磁场是由 正弦交变电流产生的，所以产生的磁场也是一 个交变磁场 交变磁场变送器的主要优点是消除了电极表面 的极化于扰另外，由于磁场是交变的，所以 输出信号也是交变信号，放大和转换低电平的 交流信号要比直流信号容易得多。 值得注意的是，用交流磁场会带来一系 列的电磁干扰问题例如正交干扰同 相干扰等，这些干扰信号与有用的流量 信号混杂在一起 因此，如何正确区分流量信号与干扰信 号，并如何有效地抑制和排除各种干扰 信号，就成为交流励磁电磁流量计研制 的重要课题。 （c）低频方波励磁 直流励磁方式和交流励滋方 式各有优缺点，为了充分发 挥它们的优点，尽量避免它 们的缺点，20世纪70年代以 来，人们开始采用低频方波 励磁方式它的励磁电流波 形右所示，其频率通常为工 频的14l10 方波励磁电流波形 在半个周期内，磁场是恒稳的直流磁场，它具有直流 励磁的特点，受电磁干扰影响很小从整个时间过程 看，方波信号又是一个交变的信号，所以它能克服直 流励滋易产生的极化现象因此，低频方波励磁是一 种比较好的励磁方式，目前已在电磁流量计上广泛的 应用。 低频方波励磁具有如下几个优点： 能避免交流磁场的正交电磁干扰； 消除由分布电容引起的工频干扰； 抑制交流磁场在管壁和流体内部引起的电涡 流； 排除直流励磁的极化现象 （2 2）电磁流量计的使用特点）电磁流量计的使用特点 a.a.测量管道内没有可动部件或突出于管内测量管道内没有可动部件或突出于管内 的部件，所以几乎没有压力损失，可以测量各的部件，所以几乎没有压力损失，可以测量各 种腐蚀性液体以及带有悬浮颗粒的浆液。种腐蚀性液体以及带有悬浮颗粒的浆液。 b.b.输出电流与介质流量呈线性关系，且不输出电流与介质流量呈线性关系，且不 受液体物受液体物理性质（温度、压力、粘度、密度） 或流动状态的影响。流速的测量范围大。 c.一般精度为1 级到2.5级。 d.被测介质必须是导电液体，导电率一般要求 不小于水的导电率。不能测量气体、蒸气及 石油制品等的流量。 e.信号较弱，满量程时只有2.58mV ，抗干 扰能力差。电源电压的波动会引起磁场强度 的变化，从而影响到测量信号的准确性。 LD电磁流量计 4.7 其他流量计 4.7.1 4.7.1 涡轮流量计涡轮流量计 在流体流动的管道内，安装一个可以自由转 动的叶轮，当流体通过叶轮时，流体的动能使叶 轮旋转。流体的流速越高，动能就越大，叶轮转 速也就越高。在规定的流量范围和一定的流体粘 度下，转速与流速成线性关系，因此，测出叶轮 的转速或转数，就可确定流过管道的流体流量和 总量。（动画：流量检测及仪表动画涡轮流量计 .swf） 涡轮流量计安装方便，磁电感应转换器与叶片 之间不需密封和齿轮传动机构，因而测量精度 高，可耐高压，静压可达50MPa。由于基于磁 电感应转换原理，故反应快，可测脉动流量。 输出信号为电频率信号，便于远传，不受干扰 。 应用特点： 涡轮流量计的涡轮容易磨损，被测介质中不应带机械杂质 ，否则会影响测量精度和损坏机件。因此，一般应加过滤 器。安装时，必须保证前后由一定的直管段，以使流向比 较稳定。一般入口直管段的长度取管道内径的10倍以上， 出口取5倍以上。 叶轮式风流速、流 量计 20世纪60年代末期，应用流体振动原理 测量流量的新型流量仪表。漩涡式流量 计。 分为两种：应用自然振动的卡曼涡列原 理，称为卡曼涡街流量计；应用强迫振 动的漩涡旋进原理，称为旋进（或进动 ）式漩涡流量计。 4.7.2 4.7.2 涡街流量计涡街流量计 特点：管道无可动部件，使用寿命长， 线性测量范围宽（约100：1），几乎不 受温度、压力、密度、粘度等变化的影 响，压力损失小，准确度等级为0.5-1级 。仪表的输出是与体积流量成比例的脉 冲信号。是气体、液体均适用。 其测量方法基于流体力学中的卡曼涡街原理。把一个漩 涡发生体（如圆柱体、三角柱体等非流线型对称物体） 垂直插在管道中，当流体绕过旋涡发生体时会在其左右 两侧后方交替产生漩涡，形成涡列，且左右两侧漩涡的 旋转方向相反。这种涡列就称为卡曼涡街。 应用卡曼漩涡测量流量 漩涡流量计测量原理图（三角柱检测器） 实验表明：只有满足一定条件时，此两 列漩涡才是稳定的。即当两列漩涡的间 距为h,同列中相邻漩涡的间距为L，比如 对于圆柱体满足：h/L=0.281条件时，漩 涡才是稳定的。 物体后面放出漩涡的频率与物体的形状 和流速有关。 实验证明： 每一列漩涡产生的频率f与流速V 、圆柱直径d的关系为： 斯特罗哈尔系数，是一个无量纲的系数。 此系数和雷诺数的关系见P184图3-7-3. （三角柱检测器） 在一定的雷诺数Re范围内，体积流量qv与旋 涡的频率f成线性关系。只要测出旋涡的频率f就 能求得流过流量计管道流体的体积流量qv 。 旋涡流量计的输出信号是与流量成正比的脉 冲频率信号或标准电流信号，可以远距离传输， 而且输出信号与流体的温度、压力、密度、成分 、粘度等参数无关。该流量计量程比宽，结构简 单，无运动件，具有测量精度高、应用范围广、 使用寿命长等特点。 上海肯特智能有限公司卡门涡街流量计演示 气体或液体管 道及涡流发生 锥体 4.7.3 超声波流量计 利用超声波测量流速和流量已有很长的历史，在 工业、医疗、河流、海洋观测等方面有着广泛的应用 。 特点：超声波用于气体和流体的流速测量有许多优 点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比 它的计量精度高、对管径的适应性强、使用方便、易 于数字化管理，可以把探头安装在管道外边，无接触 测量，在测量过程中不妨碍管道内的流体流动状态， 并可以测量高粘度、非导电介质以及气体的测量。 超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法 、多普勒法等。 传播速度差法又包括时差法、相差法和频差法 。其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆 水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出 流量； 多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒 效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的 流速从而得出流量。 测量流量原理分类 时间差法测量流量原理：在被测管道上下 游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和 接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1， T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波 是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传 播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播 的时间差t，可得到流体的平均速度及流量。 F1发射的超声波先到达 T1 超声测量原理 F1发射的超声波到达 F2的时间较短 图3-16 超声测量原理 测量原理图 利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超 声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播 时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算 流量的一种间接测量方法。 设声波在静止流体中的传播速度为C，流 体流动速度为V，把一组换能器P1、P2与 管道轴线安装成角，换能器的距离为L ，从P1到P2顺流发射时，声传播的时间tu 为： 从P2到P1逆流发射时，声波的传播时间 td为： 式中：X是两个换能器在 管线方向上的间距 为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量 ，即： 流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比 流量Q可以表示为： 时差法超声波流量计的设计 超声波流量计的电原理框图 频率差法测量流量原理： F1、F2 是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电 子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先由 F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被 F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第 二个声脉冲 。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可 以测得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重复频 率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f 2的频率差 f与被测流 速v成正比 。 F2 F1 发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧 同侧式超声波流量计的使用 （参考北京菲波仪表有限公司资料） 超声波多普勒流量计测量原理 超声波多普勒流量计的测量原理是以物 理学中的多普勒效应为基础的。 根据声学多普勒效应，当声源和观察者 之间有相对运动时，观察者所感受到的 声频率将不同于声源所发出的频率，这 个因相对运动而产生的频率变化与两物 体的相对速度成正比。 在超声波多普勒流量测量方法中，超声波发射器为一固定声 源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“ 观察者”的作用，当然它仅仅是把入射到固体颗粒上的超声 波反射回接收器发射声波与接收声波之间的频率差，就是 由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这 个频率差正比于流体流速，所以测量频差可以求得流速。进 而可以得到流体的流量。 超声波多普勒流量测量的一个必要的条件是：被测流体介 质应是含有一定数量能反射声波的固体粒子或气泡等的两 相介质。这个工作条件实际上也是它的一大优点，即这种 流量测量方法适宜于对两相流的测量，这是其它流量计难 以解决的问题。因此，作为一种极有前途的两相流测量方 法和流量计，超声波多普勒流量测量方法目前正日益得到 应用。 多普勒超声波流量计测流原理图 当超声波束在管轴线上遇到一粒固体颗粒，该粒子以速度V 沿管轴线运动，与流体的流动速度相同对超声波发射器而 言，该粒子以Vcos的速度离去，所以粒子收到的超声波频 率f2应低于发射的超声波频率f1，降低的数值为： 固体粒子又将超声波束散射给接收器， 由于它以V cos 的速度离开接收器，所 以接收器收到的超声波频率f3又一次降 低，类似于f2的计算，f3可表示为： 将f2代入f3的式子中，则： 由于声速C远大于流体的流速V，故上式中的平方项可 以略去，由此可得： 因此，换能器接收到的超声波频率与发射超声 波频率之差： f:也称为多普勒频率，多普勒频率与流速V成正比关系。 关于流量方程的几点讨论 (1)流体介质温度对测量的影响 由流量方程可见，流量测量结果受流体中的声 速C的影响一般来说，流体中声速与介质的 温度、组分等有关，很难保持为常数为了避 免测量结果受介质温度、组分变化的影响，超 声波多普勒流量计一般采用管外声楔结构，使 超声波束先通过声楔及管壁再进入流体。 声楔与声波的折射 设声楔材料中的声速为C1；流体中声速为C；声波由声楔进 入流体的入射角为 ；在流体中的折射角为 ；超声波束 与流体流速夹角为；见下图所示，根据折射定理，有： (2)信息窗