4-4-速度式流量计解析

1、第四章第四章 流量测量及变送流量测量及变送冶金仪表培训教材四冶金仪表培训教材四第四节第四节 速度式流量计速度式流量计阮为斌阮为斌2014.12 流体体流过管道中的阻力件时产生的压力差与流量之间有确定关系，通过测量差压值求得液体流量。 产生差压的装置有多种型式，相应的有各种不同的产生差压的装置有多种型式，相应的有各种不同的差压式流量计，其中使用最广泛的是差压式流量计，其中使用最广泛的是节流式流量计，其，其他型式的差压式流量计还有他型式的差压式流量计还有均速管、弯管、靶式流量计、转子流量计等等。等等。 第四节第四节 速度式流量计速度式流量计第四节第四节 速度式流量计速度式流量计一一 速度式流量计的

2、一般概念速度式流量计的一般概念1.1.速度式流量计测量原理速度式流量计测量原理(1)(1)基本原理基本原理 若测得管道截面上流体的平均流速，则体积流量为平均流速与管道横截面积的乘积。 速度式流量计速度式流量计的测量原理均基于与流体流速有关的各种物理现象，仪表的输出与流速有确定的关系，即可知流体的体积流量。(2)(2)测量原理测量原理第四节第四节 速度式流量计速度式流量计2.2.速度式流量计类型速度式流量计类型(1) 叶轮流量计(2) 涡街流量计(3) 电磁流量计(4) 超声波流量计第四节第四节 速度式流量计速度式流量计二二 叶轮流量计叶轮流量计 叶轮式流量计叶轮式流量计利用置于流体中的叶轮受流

3、体流动的冲击而旋转，旋转角速度与流体平均流速成比例的关系，通过测量叶轮的转速来达到测量流过管道的流体流量的目的。 叶轮式流量计是目前流量仪表中比较成熟的高精叶轮式流量计是目前流量仪表中比较成熟的高精度仪表，主要品种是度仪表，主要品种是涡轮流量计和和水表等等第四节第四节 速度式流量计速度式流量计1.1.涡轮流量计涡轮流量计(1)(1)结构结构 涡轮流量计的结构主要由涡轮流量计的结构主要由壳体、导流器、支承轴承、涡轮和和磁电转换器组成。组成。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计(2)(2)工作原理工作原理 涡轮流量计是基于流体动量矩守恒原理工作的。当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力

4、矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。 在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的转速与流体的平均流速成正比第四节第四节 速度式流量计速度式流量计fftgUAuAqsv2(3)(3)流量方程流量方程q qv v体积流量；体积流量；u u 平均速度；平均速度；涡轮叶片与流体流向成角度；涡轮叶片与流体流向成角度；U Us s-叶片的相对速度；叶片的相对速度；f -频率；-流量转换系数； 对于一定的涡轮结构，流量转换系数为常数,因此流过涡轮的体积流量qv与脉冲频率成正比。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计(4)(4)涡轮流量计的特点涡轮流量计的特点v优点优点测量精度高；测量精度高；

5、复现性好；复现性好；测量范围度宽；测量范围度宽；压力损失较小；压力损失较小；耐高压，适用的温度范围宽；耐高压，适用的温度范围宽；对流量变化反应迅速，动态响应好；对流量变化反应迅速，动态响应好；输出为脉冲信号，抗干扰能力强，信号便于远传及输出为脉冲信号，抗干扰能力强，信号便于远传及与计算机相连；与计算机相连；结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大。结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计v缺点缺点制造困难，成本高；不能长期保持校准特性，需要定期校验；不能长期保持校准特性，需要定期校验；流体物性流体物性( (粘度和密度粘度和密度) )对测量准确性有较大影响；对

6、测量准确性有较大影响；对被测介质的清洁度要求较高。对被测介质的清洁度要求较高。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计(5)(5)涡轮流量计的安装使用涡轮流量计的安装使用 涡轮流量计一般应水平安装，并保证其前后有一定的直管段，一般表前是10倍管道直径，表后是5倍管道直径。为保证被测介质洁净，表前应装过滤装置。如果被测液体易汽化或含有气体时，要在仪表前装消气器。 涡轮流量计可以测量气体、液体流量，但要求被测介质洁净，并且不适用于黏度大的液体测量。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计(6)(6)涡轮流量计的实物图形涡轮流量计的实物图形第四节第四节 速度式流量计速度式流量计2.2.水表水表水表是记录

7、流经封闭满管道中水流量的一种仪表，主要水表是记录流经封闭满管道中水流量的一种仪表，主要用于计量用户累计用水量。用于计量用户累计用水量。水表按工作原理可分为水表按工作原理可分为流速式水表、容积式水表和和活塞式水表，目前建筑给水系统中广泛采用的是流速式水表，目前建筑给水系统中广泛采用的是流速式水表。水表具有水表具有结构简单、量程宽、使用方便、成本低廉等特等特点。点。流速式水表按其内部叶轮构造不同可分为流速式水表按其内部叶轮构造不同可分为旋翼式水表和和螺翼式水表两种。两种。(1)(1)概述概述第四节第四节 速度式流量计速度式流量计(2)(2)旋翼式水表旋翼式水表 水流从表壳进水口切向冲击叶轮使之旋转

8、，然后通过齿轮减速机构连续记录叶轮的转数，从而记录流经水表的累积流量。v单流束水表工作原理单流束水表工作原理第四节第四节 速度式流量计速度式流量计v多流束水表工作原理及特性多流束水表工作原理及特性 工作原理与单流束水表基本相同，它通过叶轮盒的工作原理与单流束水表基本相同，它通过叶轮盒的分配作用，将多束水流从叶轮盒的进水口切向冲击叶轮分配作用，将多束水流从叶轮盒的进水口切向冲击叶轮，使水流对叶轮的轴向冲击力得到平衡，减少了叶轮支，使水流对叶轮的轴向冲击力得到平衡，减少了叶轮支承部分的磨损，并从结构上减少了水表安装、结垢对水承部分的磨损，并从结构上减少了水表安装、结垢对水表误差的影响，总体性能高于

9、单流束水表。表误差的影响，总体性能高于单流束水表。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计第四节第四节 速度式流量计速度式流量计(3)(3)螺翼式水表螺翼式水表 螺翼式水表的叶轮轮轴与水流方向平行，水流阻力螺翼式水表的叶轮轮轴与水流方向平行，水流阻力较小，计量范围较大，适用于计量大流量较小，计量范围较大，适用于计量大流量( (大口径大口径) )管道管道的水流总量，特别适合于供水主管道和大型厂矿用水量的水流总量，特别适合于供水主管道和大型厂矿用水量的需要。的需要。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计螺翼式水表 第四节第四节 速度式流量计速度式流量计三三 涡街流量计涡街流量计1.1.工作原理工作原

10、理(1)(1)基本原理基本原理 流体流经阻挡体或者是特制的元件时，产生了流动振荡，通过测定其振荡频率来反映通过的流量。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计(2)(2)卡门涡街卡门涡街 在均匀流动的流体中,垂直地插入一个具有非流线型截面的柱体,称为漩涡发生体，则在其两侧会产生旋转方向相反、交替出现的漩涡，并随着流体流动，在下游形成两列不对称 “卡门涡街卡门涡街”。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计（a）圆柱体（b）等边三角形柱体第四节第四节 速度式流量计速度式流量计(3)(3)测量原理测量原理 实验表明，当DL=0.281时，产生的涡街是稳定的。且单侧的漩涡脱落的频率f与柱体附近的流体流速

11、成正比，与柱体的特征尺寸d成反比，即dvStfd式中 St斯特罗哈尔数，无因次数； d 柱体的特征尺寸。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计 St是以柱体特征尺寸l计算流体雷诺数Rel 的函数。经实验验证，Rel在500150000的范围内，St基本不变。 对于圆柱体，St=0.2；对于等边三角柱体，St=0.16。结论：结论：当柱体的形状、尺寸决定后，就可以通过测定单侧当柱体的形状、尺寸决定后，就可以通过测定单侧旋涡释放频率旋涡释放频率f f来测量流速和流量。来测量流速和流量。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计Dv2.2.流量方程流量方程fStdmDvDqDv2244m-阻流体处的流通

12、面积Ad与管道的截面面积AD之比； -管道截面的平均流速第四节第四节 速度式流量计速度式流量计无可动部件，寿命长；漩涡的频率只与流速有关，在一定雷诺数范围内，几乎不受流体性质（压力、温度、粘度和密度等）变化的影响，故可不需单独标定；测量精度高，误差约为1级，重复性约0.5级，不存在零点漂移的问题；压力损式小，流量测量范围宽。3.3.涡街流量计特点涡街流量计特点(1)(1)优点优点第四节第四节 速度式流量计速度式流量计(2)(2)缺点缺点干扰引起的流量振荡时影响较大。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计4.4.涡街流量计实物图形涡街流量计实物图形第四节第四节 速度式流量计速度式流量计5.5.涡

13、街流量计安装使用涡街流量计安装使用 涡街流量计可以水平水平安装，也可以垂直垂直安装。在垂直安装时，流体必须自下而上自下而上通过，使流体充满管道充满管道。在仪表上、下游要求一定的直管段直管段，下游长度为5D，上游长度根据阻力件形式而定，约15D40D，且上游不应设流量调节阀。 气、液均可以使用，可用于大口径管道的气液测量第四节第四节 速度式流量计速度式流量计四四 电磁流量计电磁流量计1.1.工作原理工作原理(1)(1)法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 当一导电体经过一个磁场时，就会产生感应电动势 ，其电动势的方向与导体运动和磁场的方向有关BLvE E-导体两端感应电动势；B-磁感应强度；L-

14、导体在磁场范围内的长度；v-导体的运动速度。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计 导电流体导电流体在磁场中垂直于磁力线垂直于磁力线方向流过，在流通管道两侧的电极上将产生感应电势感应电势，感应电势的大小与流体速度有关，通过测量此电势可求得流体流量。(2)(2)电磁流量计测量原理电磁流量计测量原理第四节第四节 速度式流量计速度式流量计BDvE (1)(1)感应电动势：感应电动势：(2)(2)流量方程：流量方程：EBDuDqv4412kEEBDuDqv44122.2.流量方程流量方程第四节第四节 速度式流量计速度式流量计3.3.电磁流量计组成电磁流量计组成(1)(1)流量计的组成流量计的组成第四节

15、第四节 速度式流量计速度式流量计(2)(2)传感器的组成传感器的组成第四节第四节 速度式流量计速度式流量计4.4.电磁流量计特点电磁流量计特点测量导管内无部件压力损失极小；流量计的输出电流与体积流量成线性关系，且不受液体温度、压力、密度、黏度等参数的影响。反映迅速，测量精度高于0.5 级。量程比大，（一般为101，精度较高的量程比可达1001）。测量口径范围很大，可以从1mm2m 以上，可以测量各种腐蚀性介质：酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液。流量计无机械惯性，反应灵敏，而且线性较好，可以直接进行等分刻度。(1)(1)优点优点第四节第四节 速度式流量计速度式流量计(2)(2)缺点缺点只能测

16、量导电液体，因此对于气体、蒸汽以及含大量气泡的液体，或者电导率很低的液体不能测量。由于测量管内衬材料一般不宜在高温下工作，所以目前一般的电磁流量计还不能用于测量高温介质。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计5.5.电磁流量计实物图形电磁流量计实物图形 分体型电磁流量计（F）转换器传感器连接电缆传感器转换器连接电缆 一体型电磁流量计（C） (1)(1)外形外形第四节第四节 速度式流量计速度式流量计(2)(2)内部结构内部结构第四节第四节 速度式流量计速度式流量计6.6.电磁流量计安装与使用电磁流量计安装与使用(1)(1)选用原则选用原则被测流体必须是导电液体。不能测气体、蒸汽、石油制品、甘油、

17、酒精及纯净水等；量程的选择：常用流量最好超过满量程的50。常用流速为24m/s最合适；压力的选择：使用压力必须低于电磁流量计额定工作压力，一般不超过 16105Pa；温度的选择。被测介质温度不能超过村里材料的容许使用温度，一般200。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计(2)(2)安装原则安装原则传感器上箭头方向必须与实际流量方向一致第四节第四节 速度式流量计速度式流量计它可以水平安装，也可以垂直安装，但要求液体充满管道，（推荐垂直安装）；第四节第四节 速度式流量计速度式流量计对直管段要求不高，前直管段长度5D，后直管段长度2D以上；第四节第四节 速度式流量计速度式流量计流量计的外壳、屏蔽线

18、、测量导管都要接。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计五五 超声波流量计超声波流量计1.1.概述概述 超声波流量计是近代发展起来的一种新型测量流量的仪表，是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用，以测量流量的仪表。只要能传播声音的流体均可以用超声波流量计测量；超声波流量计可以测量高粘度液体、非导电性液体或气体的流量，第四节第四节 速度式流量计速度式流量计(1)(1)基本原理基本原理 当超声波在流体中传播时，会载带流体流速的信息。超声波在流体中的传播速度会随被测流体流速而变化。因此，根据对接收到的超声波信号进行分析计算，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。第四节第四节 速度式流量计

19、速度式流量计(2)(2)超声波流量计的组成功能超声波流量计的组成功能 超声波流量计由超声波流量计由超声波换能器、测量电路及及流量显示和积算三部分组成。三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波振动，并将将电能转换为超声波振动，并将其发射到被测流体中，其发射到被测流体中，超声波接收换能器接收到的超接收到的超声波信号；声波信号；测量电路测量电路放大并转换为代表流量的电信号；放大并转换为代表流量的电信号；显示积算仪显示积算仪进行显示和积算。进行显示和积算。 组成：组成：功能功能第四节第四节 速度式流量计速度式流量计按按测量原理可分为：传播速度差法、多普勒效应法、波可分为：传播速度差法、多普勒效应

20、法、波束偏移法、相关法、噪声法；束偏移法、相关法、噪声法；按按探头(换能器)安装方式分：外夹式、插入式分：外夹式、插入式( (湿式湿式) )；按按声道数目划分：单声道、多声道划分：单声道、多声道(28(28声道声道) )；按按使用场合分：固定式、便携式。分：固定式、便携式。(3)(3)超声波流量计的分类超声波流量计的分类第四节第四节 速度式流量计速度式流量计2.2.传播速度差法传播速度差法 是通过测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到被测流体的流速。按具体测量参数的不同，又可分为按具体测量参数的不同，又可分为时差法、相差法和和频差法。第四节第四节 速度式流量计速度式流量计时差法就是测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差。 tLcv22t1-按顺流方向，超声波到达接收器时间；t2-按逆流方向，超声波到达接收器