第四章流量检测仪表

1、第四章 流 量 测 量 4.1 概述 4.2 差压式流量计 4.3 电磁流量计 4.4 转子流量计 4.5 涡街流量计 4.6 超声波流量计4.1 流量概述流量概述总总(流流)量量或累积流量：在某一段时间内流过管道横截面的流或累积流量：在某一段时间内流过管道横截面的流体的总和。它是瞬时流量对时间的积分或积累。体的总和。它是瞬时流量对时间的积分或积累。 流量流量：是指单位时间内流过管道或特定通道横截面的流体数：是指单位时间内流过管道或特定通道横截面的流体数量，称为瞬时量，称为瞬时(平均平均)流量。有流量。有体积流量体积流量和和质量流量质量流量之分。之分。 （1） 体积流量体积流量qv 单位时间内

2、通过某截面的流体的体积，单位时间内通过某截面的流体的体积， 单位为单位为m3/s。根据定义，体积流量可用下式表示：。根据定义，体积流量可用下式表示： AvdAvq式中，式中，v为截面为截面A中某一面积元中某一面积元dA上的流速。上的流速。hm /3sm /3hL/常用单位有 ： （2） 质量流量质量流量qm 单位时间内通过某截面的流体的质量，单位时间内通过某截面的流体的质量， 单位为单位为kg/s。根据定义，质量流量可用下式表示：。根据定义，质量流量可用下式表示： AmdAvq则有 qm=qv=vA hKg /ht/sKg /单位有： (3) 流体总量流体总量 即瞬时流量对时间的积分，称之流体

3、总量。即瞬时流量对时间的积分，称之流体总量。vtmtQq dtMq dt 用来测量流量的仪表统称为用来测量流量的仪表统称为流量计流量计。测量总量的仪表称为流体计量表或测量总量的仪表称为流体计量表或总总量表量表。 流量仪表的分类流量仪表的分类 速度式速度式: 速度式流量传感器大多是通过测量流体在管路速度式流量传感器大多是通过测量流体在管路内已知截面流过的流速大小来实现流量测量的。内已知截面流过的流速大小来实现流量测量的。 容积式容积式: 容积式流量传感器是根据已知容积的容室在单位容积式流量传感器是根据已知容积的容室在单位时间内所排出流体的次数来测量流体的瞬时流量和总量的。时间内所排出流体的次数来

4、测量流体的瞬时流量和总量的。括 板 式 流量 计椭 圆 齿 轮流 量 计腰 轮 流 量计活 塞 式流 量 计容 积 式 计 量 表如：如：差压式、电磁式、涡轮式、涡街式、超声波式差压式、电磁式、涡轮式、涡街式、超声波式 质量式：质量式：直接法：科里奥利质量流量计、热式直接法：科里奥利质量流量计、热式间接法：温度、压力自动补偿式质量流量测量系统、间接法：温度、压力自动补偿式质量流量测量系统、 体积流量和密度计组合式质量流量测量系统体积流量和密度计组合式质量流量测量系统 利用管路内的节流元件，改变流束流动状态利用管路内的节流元件，改变流束流动状态, 通过测量节通过测量节流件前、后压力差来实现确定流

5、量。流件前、后压力差来实现确定流量。4.24.2差差 压压 式式 流流 量量 计计节流装置：是把被测流体的流量转换成压差信号主要由节流装置和差压计（或差压变送器）。主要由节流装置和差压计（或差压变送器）。差压计：则对压差信号进行测量并显示测量值常用的节流元件: 孔板、 喷嘴、 文丘里管。( a ) ( b )( c )高 压低 压入 口 部分渐 缩 部分喉 部渐 扩 部 分( a )( b )( c )高 压低 压入 口 部分渐 缩 部分喉 部渐 扩 部 分(b) 喷嘴(a)(b)(c)高 压低 压入 口 部分渐 缩 部分喉 部渐 扩 部 分(c) 文丘里管(a) 孔板差压式流量传感器流量测量

6、系统差压式流量传感器流量测量系统 节流装置或差压流量传感器差压计或差压变送器被测流量qapp差压信号管路cb差压(流量)p(q)pq节流件前后流速和压力分布情况节流件前后流速和压力分布情况p能量形式的转换能量形式的转换截面截面A和节流件开孔和节流件开孔截面截面A0的流体量相同的流体量相同截面截面A的速度的速度v1截面截面A的速度的速度v2v2 v1动压能和静压能发生变化动压能和静压能发生变化能量守恒定律能量守恒定律孔板前后出现了静压差孔板前后出现了静压差静压差静压差流速和流量流速和流量在国家标准规定的使用极限范围内在国家标准规定的使用极限范围内, 根据该标准所提供的数据和根据该标准所提供的数据

7、和要求进行设计、制造和安装使用的节流件要求进行设计、制造和安装使用的节流件, 称为标准节流装置称为标准节流装置 文丘利管压力损文丘利管压力损失最小，而孔板失最小，而孔板压力损失最大。压力损失最大。 文丘利管文丘利管孔板孔板 喷嘴喷嘴差压式流量计是通过测量节流件前后压力差p来实现流量测量的，而压力差 p的值与取压孔位置和取压方式紧密相关。节流装置的取压方式有以下5种。取取 压压 方式方式标准取压装置是国家标形中规定的两种取压装置，即角接取压标准取压装置是国家标形中规定的两种取压装置，即角接取压装置和法兰取压装置。其中装置和法兰取压装置。其中角接取压适用于孔板和喷嘴，而法角接取压适用于孔板和喷嘴，

8、而法兰取压仅用于孔板。兰取压仅用于孔板。节流装置的取压方式节流装置的取压方式1-1角接取压；角接取压；2-2法兰取压；法兰取压；3-3径距取压；径距取压；4-4缩流取压；缩流取压；5-5管接取压。管接取压。(1)角接取压角接取压: 上下游取压管上下游取压管位于孔板位于孔板(或喷嘴或喷嘴)的的前后端面处前后端面处。角接取压包括单独钻孔和环室取压。如图角接取压包括单独钻孔和环室取压。如图6-5中中ll位置。位置。(2) 法兰取压：法兰取压：上下游侧取压孔上下游侧取压孔的轴线至孔板上、下游侧端面之的轴线至孔板上、下游侧端面之间的距离均为间的距离均为25.40.8mm（1inch)。取压孔开在孔板上下

9、游侧。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上如图的法兰上如图6-5中中22位置位置法兰取压法兰取压(5) 管接取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为2.5Dm，下游侧取压孔的轴线至孔板下游端面的距离为8Dm如图中的55位置该方法使用很少(4) 理论取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为l Dm0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离因 值不同而异。该距离理论上就是流束收缩到最小截面的距离。如图中的44位置。(3) 径距取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为1Dm0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔极下游端面的距离为0.5Dm。如图37中的3.3位置（Dm管道直径）流束最

10、小截面在流束最小截面在-截面处。截面处。 对于不可压缩的理想流体，节对于不可压缩的理想流体，节流件前后的流体密度相等流件前后的流体密度相等(1=2=)。当忽略压头损失。当忽略压头损失 时，根据伯努利方程，在两截面时，根据伯努利方程，在两截面、处管中心流体的能量方处管中心流体的能量方程为：程为： 4.2.2 差压式流量计工作原理差压式流量计工作原理222211)2/()2/(VPVP设设-截面时管中心的流速为截面时管中心的流速为v1，静压为，静压为 ，密度为，密度为1，-截面时管中心的流速为截面时管中心的流速为v2、静压为、静压为 ，密度为，密度为2，1p2p假定流体的流速是均匀一致的，则由上式

11、可得假定流体的流速是均匀一致的，则由上式可得 ：) )(/2(212122PPVV(1)(2)由于流体流动的连续性，由于流体流动的连续性， 则则 A1V1=A2V2 A1为-截面的流通面积；A2为-截面流束的流通面积。(3)被测流体的体积流量被测流体的体积流量 为： QPAVAQdd21422令421/PAQd2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。41CCE356421qp2p3p1节流装置；2压力信号管路；3差压变送器；4电流信号传输线；5开方器；6显示仪表PQ 配用差压计显示流量时，流量标尺是非线性的。 配用差压流量变送器时

12、，变送器的输出电流就与流量成线性关系。差压流量计上限的系列有：差压流量计上限的系列有：1.0、1.25、1.6、2.0、2.5、3.2、4.0、5.0、6.3、8.010 n4.2.3标准节流装置的使用条件 流体必须充满流体必须充满圆管圆管，连续地流过管道。只适于测量圆形，连续地流过管道。只适于测量圆形截面管道内的流体截面管道内的流体, 流束应与管轴流束应与管轴平行平行，不得有旋转流或旋涡。在进行流量测，不得有旋转流或旋涡。在进行流量测量时量时, 管道内流体的流动应是管道内流体的流动应是稳定稳定的。的。 流体流量基本上不随时间而变化流体流量基本上不随时间而变化, 或者变化是非常或者变化是非常缓

13、慢缓慢的。的。 流体可以是可压缩的气体或不可压缩的流体；但流体可以是可压缩的气体或不可压缩的流体；但不适于脉不适于脉动流与临界流。动流与临界流。 流体必须是牛顿流体流体必须是牛顿流体,在物理学和热力学上是在物理学和热力学上是单相的单相的,均匀的均匀的或者可认为是单相的或者可认为是单相的,且流经节流装置时不发生相变。且流经节流装置时不发生相变。节流装置的制造和使用条件超出国家标准的极限时节流装置的制造和使用条件超出国家标准的极限时, 必须必须标定后才能安装使用。标定后才能安装使用。4.2.4 标准节流装置的安装 阻力件的存在，将会严重扰乱流束的分布状态，引起阻力件的存在，将会严重扰乱流束的分布状

14、态，引起流出系数流出系数C C的变化。因此在节流件上下游侧都必须有足的变化。因此在节流件上下游侧都必须有足够长度的直管段。够长度的直管段。 L0213局部阻力局部阻力件件 1、2上游侧只有一个局部阻力件上游侧只有一个局部阻力件1，则直管段就只需，则直管段就只需 L1及及L24.2.5 使用节流装置应注意的问题使用节流装置应注意的问题 1)被测流体参数的变化被测流体参数的变化 当流体参数偏离不大时，对流量方程式中系数当流体参数偏离不大时，对流量方程式中系数 、C 、d的影的影响小响小, 可只考虑密度的变化。在相同的压差下，密度变化的修正可只考虑密度的变化。在相同的压差下，密度变化的修正公式为：公

15、式为：2112/QQ 1212/MM或1Q1M2Q2M12式中：式中： 和和- 设计条件下的流体体积流量和质量流量，即流量计的设计条件下的流体体积流量和质量流量，即流量计的显示值显示值；和和- 实际使用条件下的流体体积流量和质量流量实际使用条件下的流体体积流量和质量流量,实际值实际值；和和- 设计条件下和实际使用条件下的流体密度。设计条件下和实际使用条件下的流体密度。对于一般气体，修正公式为对于一般气体，修正公式为122112/TPTPQQ 211212/TPTPMM或 21PP、21TT、式中式中: 设计条件和使用条件下的设计条件和使用条件下的气体绝对压力气体绝对压力； 设计条件下的设计条件

16、下的气体绝对温度气体绝对温度：例例1：有一节流式流量计，用于测量水蒸汽流量，设计时的水蒸：有一节流式流量计，用于测量水蒸汽流量，设计时的水蒸汽密度为汽密度为=8.93kg/m3。但实际使用时被测介质的压力下降，使。但实际使用时被测介质的压力下降，使实际密度减小为实际密度减小为=8.12kg/m3。试求当流量计的读数为。试求当流量计的读数为8.5kg/s时，实际流量是多少？由于密度的变化使流量指示值产生的相时，实际流量是多少？由于密度的变化使流量指示值产生的相对误差为多少？对误差为多少？解：当密度变化时，实际流量可按下式求得：解：当密度变化时，实际流量可按下式求得： 105. 893. 812.

17、 85 . 81212MMkg/s相对误差为：相对误差为：%6 . 4%1005 . 8105. 85 . 8%100121MMM4.3.1 工作原理工作原理当被测流体垂直于磁力线方向流当被测流体垂直于磁力线方向流动而切割磁力线时，如图所示，动而切割磁力线时，如图所示， 根据右手定则，在与流体流向和根据右手定则，在与流体流向和磁力线垂直方向上产生感应电势磁力线垂直方向上产生感应电势Ex（伏）为（伏）为: Ex = BDV10-8, V B - 磁感应强度，磁感应强度，Wbm2 4.3 电磁流量计电磁流量计该感应电势大小与磁感应强度、该感应电势大小与磁感应强度、 管径大小、流体流速大小有关管径大

18、小、流体流速大小有关体积流量体积流量qv与流体流速与流体流速v的关系为的关系为 vDqv241可得可得 vvxKqqDBE4式中，式中， K为仪表常数，为仪表常数， DBK4B、D固定不变，则固定不变，则K为常数，为常数，Ex与流量与流量qv成线性关系，通过测量成线性关系，通过测量感应电动势感应电动势Ex来间接测量被测流体的流量来间接测量被测流体的流量qv值。值。 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磁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

19、低频方波励磁低频方波励磁 (a)交流励磁 (b)矩形波(2值)励磁 (c)矩形波(3值)励磁 (d)双频矩形波励磁4.4超声波流量计超声波流量计 声波在静止流体中的传播速度与流动流体中的传播速度不同。 超声波的接收和发射称换能器，换能器既可兼作声波的收和发，也可以分开进行。 当前封闭管道用当前封闭管道用USF主要是传播时间法和主要是传播时间法和多普勒效应法多普勒效应法直式安装直式安装斜插式安装斜插式安装多普勒流量计 流量测量原理流量测量原理 在被测管道上下游的一定距离上，分别安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（装两对超声波发射和接收探头（F F1 1，T T1 1

20、）、）、（F F2 2，T T2 2），其中），其中F F1 1，T T1 1的超声波是顺流传的超声波是顺流传播的，而播的，而F F2 2，T T2 2的超声波是逆流传播的。由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，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测量两接收探头上超声波传播的时间差时间差 t t，可得到流体的平均速度及流量。可得到流体的平均速度及流量。 f1 f2通过测量顺流和逆流时超声脉冲的重复频率差去测量流速。通过测量顺流和逆流时超声脉冲的重复频率差去测量流速。在在单通道法中脉冲重复频率是在一个发射脉冲被接收器接收之后，单通道法中脉冲

21、重复频率是在一个发射脉冲被接收器接收之后，立即发射出一个脉冲，这样以一定频率重复发射立即发射出一个脉冲，这样以一定频率重复发射，对于顺流和，对于顺流和逆流重复发射频率为：逆流重复发射频率为： 发射、接收探头发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧也可以安装在管道的同一侧多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动，会多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动，会引起声波在频率上的变化，这种频率变化正比于引起声波在频率上的变化，这种频率变化正比于运动的目标和静止的换能器之间的相对速度。运动的目标和静止的换能器之间的相对速度。多普勒法多普勒法多普勒法是利用声学多普勒原理确定流体流量多普勒法是利用声学多普勒原理

22、确定流体流量.多普勒效应是奥地利物理学家多普勒效应是奥地利物理学家 Christian Doppler 1842年发现的，通过运动火车的鸣笛年发现的，通过运动火车的鸣笛声音的高低与火车的速度有关系声音的高低与火车的速度有关系.当单色光束入射到运动体上某点时，光波在该点被运动体当单色光束入射到运动体上某点时，光波在该点被运动体散射，散射光频率与入射光频率相比，产生了正比于物体散射，散射光频率与入射光频率相比，产生了正比于物体运动速度的频率偏移，称为运动速度的频率偏移，称为多普勒频移多普勒频移。1) 流速方程式流速方程式coscosvcvcffAB多普勒频移正比于散多普勒频移正比于散射体流动速度：

23、射体流动速度：cvffffAABdcos2超声换能器超声换能器A向流体发出频率为向流体发出频率为fA的的连续超声波，经照射域内液体中散连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移超声波产生多普勒频移fd，接收换，接收换能器能器B收到频率为收到频率为fB的超声波，其值的超声波，其值为：为： 速度：Adffcvcos2发射信号与接收信号的多普勒频率偏移与流体流速成正比。发射信号与接收信号的多普勒频率偏移与流体流速成正比。如忽略管壁影响，并假设流体没有速度梯度，以及粒子是如忽略管壁影响，并假设流体没有速度梯度，以及粒子是均匀分布的，可

24、得方程均匀分布的，可得方程2) 流量方程式流量方程式dAvffAcqcos2对于实际含有大量粒群的流体，换能器接收到的反射信号只能是发生器和接收器的两个指向性波束重叠区域内颗粒的反射波，换能器所收到的信号就是反射波叠加的平均值。例：多普勒流量计测污水管道内的流体流量，若流体流速为例：多普勒流量计测污水管道内的流体流量，若流体流速为12m/s，发送的声波和流体的流向夹角为，发送的声波和流体的流向夹角为45，发射波的频率，发射波的频率为为1MHz，超声波在水中的速度为，超声波在水中的速度为1482m/s，求发射和接收信，求发射和接收信号之间的频率差？号之间的频率差？1sin2fcvf已知：流体的流

25、速（可视为散射质点的流速）已知：流体的流速（可视为散射质点的流速） ，发射和接收声波与流体的流动方向的夹角发射和接收声波与流体的流动方向的夹角 ，超声波，超声波在静止水中的传播速度，在静止水中的传播速度， ，发射超声波的频，发射超声波的频率率 。故多普勒超声波流量计的频移。故多普勒超声波流量计的频移 为为smv/12 45smc/1482Hzf61101f162001000000148245sin122fHz解解 多普勒超声波流量计的频移公式为多普勒超声波流量计的频移公式为 4.5 卡门涡街流量计 圆柱体 三角柱体Q = A0(d/St)(11.27) f 式中式中 A0 管道截面积，管道截面

26、积，m2。fSdAQt)5.11)(/(0涡街流量计适用于测量液体、气体、蒸汽的单相介质流量，涡街流量计适用于测量液体、气体、蒸汽的单相介质流量，满管式涡街流量计管径范围满管式涡街流量计管径范围 25mm250mm插入式管径范围插入式管径范围 2502000mm。 在三角柱的两侧面各有相同的弹性金属膜片，内充硅油，旋涡在三角柱的两侧面各有相同的弹性金属膜片，内充硅油，旋涡引起的压力波动，使两膜片与柱体间构成的电容产生差动变化。引起的压力波动，使两膜片与柱体间构成的电容产生差动变化。其其变化频率与旋涡产生的频率变化频率与旋涡产生的频率相对应，故检测由电容变化频率相对应，故检测由电容变化频率可推算

27、出流量。可推算出流量。(1) 电容检测法电容检测法常用涡街频率检测方法常用涡街频率检测方法在三角柱中央或其后部插入嵌有压电陶瓷片的杆，杆端为扁平片，在三角柱中央或其后部插入嵌有压电陶瓷片的杆，杆端为扁平片，产生旋涡引起的产生旋涡引起的压力变化压力变化作用在杆端而形成弯矩，使压电元件出作用在杆端而形成弯矩，使压电元件出现相应的现相应的电荷电荷。此法技术上比较成熟，应用较多，已有系列化产。此法技术上比较成熟，应用较多，已有系列化产品。品。 (2) 应力检测法应力检测法(3) 热敏检测法热敏检测法 在圆柱体下端有一段空腔，被隔板分成两侧，中心位置有一根在圆柱体下端有一段空腔，被隔板分成两侧，中心位置

28、有一根细铂丝，它被加热到比所测流体温度略高细铂丝，它被加热到比所测流体温度略高10左右，并保持温左右，并保持温度恒定。产生旋涡引起的压力变化，流体向空控内流动，穿过度恒定。产生旋涡引起的压力变化，流体向空控内流动，穿过空腔将铂丝上的热量带走，铂丝温度下降，电阻值变小。其变空腔将铂丝上的热量带走，铂丝温度下降，电阻值变小。其变化频率与旋涡产生的频率相对应，故可通过测量铂丝阻值变化化频率与旋涡产生的频率相对应，故可通过测量铂丝阻值变化的频率来推算流量。的频率来推算流量。 (4) 超声检测法超声检测法 在柱体后设置横穿流体的超声波束，流体出现旋涡将使超声波由在柱体后设置横穿流体的超声波束，流体出现旋

29、涡将使超声波由于介质密度变化而折射或散射，使收到的声信号产生周期起伏，于介质密度变化而折射或散射，使收到的声信号产生周期起伏，经放大得到相应于流量变化的脉冲信号。经放大得到相应于流量变化的脉冲信号。h1222r2R R-rP2P14.6 转子流量计由锥形玻璃管和浮子组成，浮子能在垂直安装的锥形玻璃管由锥形玻璃管和浮子组成，浮子能在垂直安装的锥形玻璃管内上下移动。被测流体自下向上流过管壁与浮子之间环隙时，内上下移动。被测流体自下向上流过管壁与浮子之间环隙时，托起浮子向上，这时管与浮子之间的环隙面积增大，直到浮托起浮子向上，这时管与浮子之间的环隙面积增大，直到浮子处在一个子处在一个力力平衡位置。平衡位置。流量变化时浮子两边流量变化时浮子两边压差所形成的力也随压差所形成的力也随之变化，使浮子又在之变化，使浮子又在一个新的位置上重新一个新的位置上重新平衡，浮子浮起的高平衡，浮子浮起的高度即为流量计的读数。度即为流量计的读数。fVfgVfgPAfFf由伯努利方程，得由（1）和（2）得(2) 20PAQv(1) 1fffgVAP(3) 20fffvAgVAQA0浮子稳定处环形通道面积当浮子稳定在锥形管某高度，忽略当浮子稳定在