第8章流量测量

1、第八章第八章 流量的测量流量的测量 动能学院动能学院第一节第一节: :流量及其测量仪表的概述流量及其测量仪表的概述一、流体与流量一、流体与流量 流体：流体：单相气体、液体；气液、气固混合流体（燃油与空气、水与蒸汽、空气与煤粉） 瞬时流量：瞬时流量：单位时间内通过某有效流通截面的流体数量；质量流量qm（kg/s)和体积流量qv(m3/s)累计流量：累计流量：某一段时间间隔内通过某有效流通截面的流体总量；累计流量除以相应的时间间隔，则为该段时间内的平均流量。平均流量。二、流量计的类型二、流量计的类型根据测量方法的不同，分三大类型：. .容积型流量计容积型流量计:单位时间内被测流体充满(或排出)某一

2、定容容积的次数。 qv= nV特点：特点：对测量结果影响小、精确度较高。适用于高黏度、低雷诺数的流体；但不能用于高温、高压、脏污流体 椭圆齿轮流量计、罗茨流量计、刮板式流量计等 . .速度型流量计速度型流量计:以流体一元流动的连续方程为理论依据，即当流通截面确定时，流体的体积流量与截面上的平均流速成正比。特点：特点：可用于高温、高压流体；精度较高。但受流动条件（如雷诺数、涡流及截面上的流速的分布）的影响很大。差压式流量计、转子流量计、涡流流量计、电磁流量计和超声波流量计等。. .质量型流量计质量型流量计:以测量与流体质量有关的物理效应为基础，分直接式、推导式和温度压力补偿三种。直接式质量流量计

3、：直接式质量流量计：利用与质量流量直接有关的原理（牛顿第二定律）进行测量。量热式、角动量式、振动陀螺式、马格努斯效应式和科里奥利力式。推导式质量流量计：推导式质量流量计：同时测取流体的密度密度和体积流量体积流量，通过运算而推倒出质量流量的。由速度型流量计速度型流量计和密度计密度计组合而成。温度压力补偿式质量流量计：也是一种推导式式质量流量计，利用温度、压力与密度之间的关系，将温度、压力的测量值转换为密度，再与体积流量运算。因连续测量温度、压力比联系测量密度容易，因此都为该型。三、流量计的选用原则三、流量计的选用原则 根据被测介质的性质选择 根据用途选择 根据共况条件选择第二节流速法测量流量第二

4、节流速法测量流量 实验室常用的方法，不需要专门的流量计，利用皮托管或其它测速仪表测量出面积为的流通截面上的平均流速vm 。 qv= vmA第三节差压式流量计第三节差压式流量计一、测量原理与流量方程一、测量原理与流量方程 原理：原理：当流体流经管道中急剧收缩的局部截面时，将产生增速降压的节流现象，流体的流速越大，节流压降也越大，流量也越大。以这种节流现象作为流量测量依据的仪表以这种节流现象作为流量测量依据的仪表，称为差压式流量计差压式流量计或或节流式流量计节流式流量计 差压式流量计由节流装置、差压信号管道、差压计三部分组成。 流体在细管中的流动形式可分为层流和紊流两种。 所谓层流(laminar

5、 flow)就是流体在细管中流动的流线平行于管轴时的流动。 所谓紊流(turbulent flow)就是流体在细管中流动的流线相对混乱的流动。 利用雷诺数可以判断流动的形式。如果雷诺数小于某一值时，可判断为层流，而大于此值时则判断为紊流。在层流流动状态下，流速分布是以管轴为中心线的轴对称抛物线分布。在紊流流动状态下，管内流速同样是以管中心线轴对称的分布，但是其分布呈指数曲线形式。 流量方程式流量方程式流动的连续性方程、伯努利方程 流动方程中有关系数的确定流动方程中有关系数的确定 流量系数流量系数 流量系数与节流元件的形式、取压方法、直径比（ =d/D）以及流动状态（雷诺数ReD）等有关。标准流

6、量装置的流量系数 是试验求得的。标准节流装置标准节流装置：直径比为定值，流量系数 只与ReD与有关。 ReD较小时， 随ReD变化；当增大到某一数值后， 趋向一定值，不变化，该值称为原始流量系数 0 0 。所对应的最小雷诺数称为临界雷诺数Rec测量时：测量时：如 ReD Rec ，流量系数 = 0 ，可根据的大小，在有关表格或公式中求取。如 ReD Rec 、管道粗燥或节流元件磨损等，应对流量系数 修正 流体膨胀校正系数流体膨胀校正系数 可压缩流体流经节流元件时，压力的变化将引起流体体积的变化 流体膨胀校正系数与节流元件前后的压比、被测流体的等墒指数 及直径比直径比等有关 。 角接取压标准孔板

7、时角接取压标准孔板时，在p2/p1 0.75,50mm D 1000mm和0.22 0.8范围内： 法兰取压标准孔板时法兰取压标准孔板时，在p2/p1 0.75,50mm D 1000mm和0.1 0.75范围内： 对标准喷嘴，对标准喷嘴，在p2/p1 0.75,50mm D 1000mm和0.1 0.75范围内： 上述三式是根据空气、水蒸气和天然气的试验得出的，也适应其他气体。二、节流装置除节流元件和取压装置外，还包括节流元件上下游阻力件及它们之间的直管段；分标准、非标准节流元件标准节流元件：标准节流元件：孔板、喷嘴、文丘里管、文丘里喷嘴非标准节流元件：非标准节流元件：双重孔板、1/4圆喷嘴

8、和圆缺孔板 取压方式：取压方式：角接取压、法兰取压、径距取压、理论取压和管接取压；角接取压角接取压、法兰取压法兰取压为标准取压装置 国家标准规定：国家标准规定： 标准节流孔板节流孔板采用角接取压、法兰取压方式； 角接取压：角接取压：D= 50mm1000mm、 =0.2 0.75、 ReD=500 107 法兰取压：法兰取压：D= 50mm760mm、 =0.1 0.75、 ReD=800 107 标准喷嘴喷嘴采用采用角接取压方式：角接取压方式： D= 50mm760mm、 =0.32 0.8、ReD=2 104 107 常用的节流装置常用的节流装置文丘利管压力损失最小，而孔板压力损失最大。

9、文丘利管孔板 喷嘴三、差压计三、差压计 是差压式流量计的信号检测部分；按原理分：浮子式、环枰浮子式、环枰式、钟罩式、双管式、波纹管式、膜片式、电容式式、钟罩式、双管式、波纹管式、膜片式、电容式 波纹管式、膜片式、电容式结构紧凑、测量精度高、自动化程度好，应用广泛。四、差压式流量计测量结果的修正四、差压式流量计测量结果的修正 流量系数流量系数 、流体膨胀校正系数的影响因素前面已经叙述；下面只介绍开口尺寸开口尺寸d d、测流体密度测流体密度的影响的影响 1 1、节流元件开口尺寸、节流元件开口尺寸d d因温度变因温度变 化的修正化的修正2 2、被测流体密度、被测流体密度变化的修正变化的修正 引起流体

10、密度变化的主要因素：成分、温度和压力 对被测气体，其工作状态下的实际密度为：3 3、综合修正系数、综合修正系数第四节第四节: :转子流量计转子流量计一、原理：一、原理： 也叫浮子流量计浮子流量计。节流产生的压差p=p1-p2对转子施加一个向上的力，该力大于转子的重量时，转子向上移动，转子与锥管内壁之间的环形流通截面面积随之逐渐增大，相应截面上的流体流速下降，节流压降逐渐减小，即转子所受向上的力减小，至与转子重量相等，流量的大小可以通过转子在锥管中德高度位置变化来反映。二、流量方程二、流量方程 位于某高度h，处于受力平衡状态，向上的力： 向下的力： 由受力平衡条件：Fu=Fd Fu=Fd 可得：

11、 通过管锥与转子之间环形截面的流量： 或： 截面面积与转子位置高度h关系： q qv v与高度与高度h h关系：关系： 转子流量计的结构设计满足：转子流量计的结构设计满足：D0=dzD0=dz的条件，的条件，所以：所以：三、转子流量计的量程选择和读数修正三、转子流量计的量程选择和读数修正转子流量计的刻度一般是指流体在标定准状态下的流量 液体流量值的修正方法：液体流量值的修正方法： 气体流量值的修正：气体流量值的修正：第五节第五节: :涡轮流量计涡轮流量计一、构造与原理一、构造与原理 是一种典型的速度型流量计，它利用安装于流动通道中的涡轮因叶片受流体流动的冲击而产生的旋转速度来反映流体的流量。涡

12、轮流量变送器的结构如图 f=zn根据涡轮的旋转运动方程推出，涡轮的转速n与被测流体的平均流速v成正比，即与被测流量的大小成正比： q qv v=f/k=f/k二、涡轮流量计的特性及其主要影响因素二、涡轮流量计的特性及其主要影响因素 涡轮流量计的特涡轮流量计的特性性 线性特性、压力损失特性 线性特性线性特性 理想的K-qv曲线是一条平行于qv轴的直线，但由于流体水力特性的影响，再加上涡轮承受阻力矩的作用，使得实际的曲线具有高峰特性。其高峰值一般出现在流量计上限流量的20% 30%范围。2 2、压力损失特性、压力损失特性流量越大，涡轮的转速越高，相应的惯性力矩和摩擦阻力矩也越大，引起的压力损失增加

13、；流体的黏度越大，产生的粘滞阻力矩越大，压力损失也就越大。压力损失与体积流量之间的试验关系曲线： 被测流体物性对流量计特性的影响被测流体物性对流量计特性的影响 流体黏度的影响流体黏度的影响 K与流体的粘度密切相关，随流体粘度的增大，流量计的测量范围缩小。 测量运动黏度为1 10-6m2/s左右的轻质油和其他介质时，可获满意结果；测量运动黏度大于大于1 10-6m2/s而小于小于15 10-6m2/s的液体时，K稍微高，但精度可以满足要求；当被测液体的运动黏度大大于于15 10-6m2/s的液体时，误差明显增大，需重新标定。 流体密度的影响流体密度的影响 是将流体的动能转换为机械能的过程是将流体

14、的动能转换为机械能的过程，即推动涡轮转动的力矩不仅与流体的流速成正比，还与流体的密度成正比成正比。流体密度的变化会引起涡轮转速的变化，引起测量误差流体压力和温度的影响流体压力和温度的影响 当被测流体的压力和温度与标定时的状态有较大偏差时，将使涡轮变送器的结构尺寸及其内部的流体体积发生变化，从而影响流量计的特性。 压力引起涡轮变送器结构尺寸变化的修正系数：压力引起涡轮变送器结构尺寸变化的修正系数： 温度变化引起涡轮变送器结构尺寸变化的修正系数：温度变化引起涡轮变送器结构尺寸变化的修正系数： 压力变化引起涡轮变送器内部流体体积变化的修正系数：压力变化引起涡轮变送器内部流体体积变化的修正系数： 温度

15、变化引起涡轮变送器内部流体体积变化的修正系数：温度变化引起涡轮变送器内部流体体积变化的修正系数： 在流体压力和温度变化的情况下，对流量的综合修正公式：在流体压力和温度变化的情况下，对流量的综合修正公式：流动状态的影响流动状态的影响第六节第六节: :冲量式固体粉粒流量计冲量式固体粉粒流量计多种固体粉粒介质的流量测量方法：冲量法冲量法、充电法、摩擦充电法、相关法和热平衡法。一、冲量式流量计的工作原理一、冲量式流量计的工作原理基于动量定理动量定理进行流量测量的方法。典型的是水平分力式流量计。被测固体粉粒自由落下到倾斜角为 的检测板时，冲力：二、冲量式流量计的基本组成和实际应用二、冲量式流量计的基本组

16、成和实际应用组成：组成：由检测器、流量流量显示调节显示调节两部分组成检测器检测器：核心是检测头，由检测板和变送器组成；检测板接受被测固体粉粒的冲力，变送器将力转换为位移信号或电信号。分位移检测型和直接测力型：位移型检测头的结构原理图：第七节第七节: :光纤流量计光纤流量计一、光纤差压式流量计一、光纤差压式流量计 是一种利用流体流动的是一种利用流体流动的节流现象进行流量测量的仪进行流量测量的仪表表。在节流元件前后分别。在节流元件前后分别安装了一组敏感膜片和安装了一组敏感膜片和型光导，型光导，膜片感受流体压膜片感受流体压力而产生位移力而产生位移，型光导型光导是一种光纤位移传感器，是一种光纤位移传感

17、器，它根据输入输出光强的相它根据输入输出光强的相对变化测量膜片位移的大对变化测量膜片位移的大小。而膜片位移与其所受小。而膜片位移与其所受的流体压力成正比，即相的流体压力成正比，即相对位移与节流元件的差压对位移与节流元件的差压 p成正比。二、光纤膜片式流量计二、光纤膜片式流量计 直接把流量信号转变为膜片上的位移信号；流量越大，膜片受力产生的向内弯曲变形越大，测量位移量来确定流量大小。膜片位移的测量采用Y型光纤传感器。三、光纤卡门涡街流量计三、光纤卡门涡街流量计 卡门涡街：卡门涡街：在流体中插入一根杆状物体时，如流体的雷诺数ReD 5 103，则在阻挡物的下游会出现两列相互交替的内旋漩涡。该漩涡几乎与流体同时地向下游方向运动，形成一条街道形状，故称为卡门涡街。只有当h/l=0.281时所产生的涡街才是稳定的，涡街频率f： 测量原理：测量原理： 采用Y型光纤压力传感器测量涡街频率的；当卡门涡街中德漩涡按左右交