流速和流量测量的基本原理及特点

1、流速和流量测量的基本原理及特点12本章主要内容：概述测速管节流式流量计转子流量计涡轮流量计电磁流量计靶式流量计超声波式流量计涡街流量计哥利奥里式流量计本章重点：1.节流式流量计的工作原理、特点、流量方程的推导、标准节流装置、参数分析。2.转子流量的工作原理及特点、刻度换算。3.其他流量计的基本原理和特点。本章难点：节流式流量计的流量方程的推导。3概述流体与流量流体: 是指具有流动性能的物质，一般可以认为是气体和液体的总称。流量: 是指单位时间内通过某截面的流体数量，称瞬时流量。它可用质量单位表示，也可用体积单位表示，分别称为质量流量(kg/s)和体积流量（m3/s) 。 体积流量表达式为：质量

2、流量表达式为：测量某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间的积分，称之流体总量。 4 流体性质和流体运动的复杂性 流体性质多样性: 流体性质的多样性表现在密度、粘度不同，单相流、多相流之分，可压缩性的强弱，牛顿流体与非牛顿体管路系统的多样性,管道形状， 壁面光滑程度。 流动状态的多样性: 流体流动状态的多样性表现在层流与紊流， 明渠流与管流， 充满流与非充满流，旋转流与脉动流。 5流量测量方法 1.容积法 原理：容积型流量计测量流量的基本依据是，单位时间内被测流体充满(或排出)某一定容容器的次数。即有 qv= nV式中， V为定容容器的容积，n为单位时间内被测流体充满(或排出)定容容器的次数

3、。 形式：椭圆齿轮式、腰轮式、刮板式、活塞式等 。 特点：流动状态对测量的影响小，精度高；有一定的压力损失；不宜用于高温、高压、脏污介质的测量。672.流速法 原理：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。 形式：差压式、转子式、涡轮式、层流式，电磁式、声波式 特点：使用性能好，精度高；可用于高温、高压介质的测量，流动状态、Re对测量的影响大。8 3.质量法 这类流量计以测量与流体质量有关的物理效应为基础，分为直接式、推导式和温度压力补偿式三种。 直接式质量流量计利用与质量流量直接有关的原理(如惯性系中的牛顿第二定律)进行测量

4、。推导式质量流量计是同时测取流体的密度和体积流量，通过运算而推导出质量流量的。一般，它由速度型流量计和密度计组合而成。 温度压力补偿式质量流量计也可看成是一种推导式质量流量计，只是它不配用密度计，而是利用温度、压力与密度之间的关系，将温度、压力的测量值转换为密度，再与体积流量进行运算而得到质量流量。 9应当指出，无论哪一种流量计，都有一定的适用范围，对流利的特性以及管道条件都有特定的要求。目前生产的容积法和速度法流量计，都要求满足下列条件： 流体必须充满管道内部，并连续流动；流体在物理上和热力学上是单相的，流经测量元件时不发生相变；流体的速度一般在音速以下。常见流量计的种类及性能参见教材第19

5、7页表4-1。4.流量计及其主要参数用于测量流量的计量器具称为流量计。有一次装置和二次仪表组成。流量计的主要技术参数有：流量测量范围上限值：A=a10n其中差压测量范围上限值B=b 10n其中压力损失：用流量计进、出口的静压差表示。10测速管测速度的结构与测量原理 测速管又称皮托（Pitot）管，如图所示，是由两根弯成直角的同心套管组成，内管管口正对着管道中流体流动方向，外管的管口是封闭的，在外管前端壁面四周开有若干测压小孔。为了减小误差，测速管的前端经常做成半球形以减少涡流。测速管的内管与外管分别与U形压差计相连。 1112内管所测的是流体在A处的局部动能和静压能之和，称为总压能。测速管内管

6、A处：由于外管壁上的测压小孔与流体流动方向平行，所以外管仅测得流体的静压能，即外管B处：U形压差计实际反映的是内管冲压能和外管静压能之差，即则该处的局部速度为 13由此可知，测速管实际测得的是流体在管截面某处的点速度，因此利用测速管可以测得流体在管内的速度分布。若要获得流量，可对速度分布曲线进行积分。也可以利用皮托管测量管中心的最大流速，利用图所示的关系查取最大速度与平均速度的关系，求出管道与Re的关系、截面的平均速度，进而计算出流量，此法较常用。14均速管皮托管15测速管的安装1.必须保证测量点位于均匀流段，一般要求测量点上、下游的直管长度最好大于50倍管内径，至少也应大于812倍。2.测速

7、管管口截面必须垂直于流体流动方向，任何偏离都将导致负偏差。3.测速管的外径d0不应超过管内径d的1/50，即d0d/50。测速管对流体的阻力较小，适用于测量大直径管道中清洁气体的流速，若流体中含有固体杂质时，易将测压孔堵塞，故不易采用。此外，测速管的压差读数较小，常常需要放大或配微压计。 16节流式流量计测量原理与流量方程 节流式流量计是利用流体流经节流元件产生的压力差来实现流量测量的。将节流件垂直安装在管道中，以一定取压方式测取孔板前后两端的压差，并与压差计相连，即构成节流式流量计。 17节流过程分析：当流体流过管道中的节流元件时，由于流通截面的变化，节流件前后的静压力不同，静压差与流体的流

8、量有关，这种现象称为节流现象。如图所示，流束未受到节流件影响时，流动方向与管道中心线平行。在节流件前，流体向中心加速，至截面2处流束收缩到最小，此处流速方向又与管道中心线平行，且流速最大，压力最低，然后流束扩张，流速下降，静压升高，直到截面3处流束又充满管道。由于涡流区的存在，导致流体能量损失，故在截面3处静压力p3不等于原先的数值，而产生了压力损失p 18流量方程的推导：根据截面1，2处的压力能、动能和势能的关系，可写出伯努利方程如下：另外，根据流体流动的连续性方程，有式中，C1、C2截面1，2处的动能修正系数； Z1、Z2，截面1，2处流体对参考水平面的距离； g重力加速度； 能量损失系数

9、； A1、A2截面1，2处的流束截面。1） 不可压缩流体的流量方程令 =d/D 由（2）式 代入（1）式得 （1）（2）19又根据取压位置不同设 最后得出其中= 称为流量系数 （国际上多用流出系数C代替）1） 可压缩流体的流量方程令1，则可压缩流体的流量方程为 如果对于不可压缩流体取=1，那么上两式便是流体流量方程的统一形式。 流出系数定义为实际流量与理论流量值之比值。理论流量计在：吴能量损失、平均速度可代替瞬时速度、d=d =1、及 =1的条件下的流量。20标准节流装置节流装置标准化建立的基础：对于一定粗糙度的管道，几何相似（值相）等的节流装置在流体动力学相似（管内流动雷诺数Red相等）的条

10、件下，流量系数相等。标准化内容：的实验数据（以表格或公式的形式给出）；满足相似条件的四个规定：规定的节流件形式；规定的取压方式；规定的管道条件；规定的流体条件。因此满足规定条件的节流装置称为标准节流装置。21我国国家标准GB 262481 规定的标准节流装置是： 标准孔板角接取压； 标准孔板，法兰取压； ISA1932喷嘴，角接取压。221.标准节流元件标准孔板标准孔板的形状如图所示。它是一带有圆孔的板，圆孔与管道同心，直角入口边缘非常锐利。孔板流量计实物图 标准孔板的重要的尺寸参数是开孔直径，对制成的孔板，应至少取四个大致相等的角度测得直径的平均值。任一孔径的单测值与平均值之差不得大于0.0

11、5%。孔径应大于或等于，孔径比 (为管道直径)为。孔板开孔上游侧的直角入口边缘，应锐利无毛刺和划痕。若直角入口边缘形成圆弧，其圆弧半径应小于或等于。孔板进口圆筒的厚度e和孔板厚度E不能过大，以免影响精度。 2324标准喷嘴标准喷嘴的结构如图所示。其轮廓外形由进口端面A、收缩部分第一圆弧曲面与第二圆弧曲面、圆筒形喉部和出口边缘保护糟H所组成。圆筒形喉部e的直径即为节流件的开孔直径，其长度为。标准喷嘴加工比较困难，一般均由专业厂制造，实验室所用的在市场上购买。标准喷嘴适用的管道直径为501000mm，孔径比 为，雷诺数为2E42E6。25长径喷嘴适用于：50mmD 630mm104 ReD 107

12、K/D 1010426文丘里管文丘里管是由入口圆筒段A、圆锥形收缩段B、圆筒形喉部C和圆锥形扩散段E所组成。文丘里管的几何形状如图3-14所示。文丘里管第一收缩段锥度为21 1 ，扩散段为7 15 ，文丘里的比值为。适用于：200mmD 1200mm2 104 ReD 2 10627应用于大口径流量测量，对流体中的悬浮物不敏感，精度高，但尺寸大，笨重加工困难，成本高。282.取压装置（1）角接取压装置角接取压装置有环室取压和单独钻孔取压两种。如图所示。环室取压有均压作用，压差比较稳定，被广泛在用。但当管经超过，500mm时采用单独钻孔取压。时.0.005D a 时a而且a应在110mm范围内

13、。环室缝隙的厚度f2a。环室截面hC 1/2Da。取压孔取410mm。29（2）法兰取压装置如图所示。取压孔直径不大于0.08 D，（612mm)。取压孔截面距节流件前后端面距离为25.41mm。303.标准节流装置的管道条件节流件前后直管段l1、l2及l0的要求如表所示。说明：（1）若上游侧有两个阻力件，其间的直管段长度l0取按上游侧第二局部阻力件形式和（不论实际值为多少）查表所得l1的一半。（2）如节流件上游侧有温度计套管，他与节流件的距离应为5D（3D）（当温度计套管直径时）或20D（当温度计套管在之间时）。一般应尽可能把温度计装于节流件之后，此时要求它与节流件的距离大于5D。（3）如果

14、使用的节流件上游侧的阻力件形式没有包括在表内，或要求的三个直管段长度有一个小于括号内的值，则整套节流装置需单独标定。节流装置前后的直管段要求：目测是直的直径符合误差要求管壁粗糙度符合要求31323334354.标准节流装置的流体条件 流体必须充满管道内部，并连续流动；流体在物理上和热力学上是单相的，流经测量元件时不发生相变；流体的速度一般在音速以下。流体流经节流件前后流束平行于管道轴线。364.3.3 标准节流装置有关参数的确定1.流量系数和流出系数C与节流装置，Red及管道粗糙度有关。绝对粗糙度kc和相对粗糙度kc/D光滑管道：kc光管流量系数0：在光滑管道上测定的流量系数。对同一节流装置，

15、在一定的值下， 0只与Red有关。如图所示。界限雷诺数：保持0稳定的雷诺数的最小值。保持0稳定的方法：在界限雷诺数以上测量；限制流量的变化范围，使最大流量和最小流量时0的变化不超过0.5%。标准孔板标准喷嘴37流出系数C1998年4月1日ISO5167：1991流量系数公式修改为里德-哈里斯公式：孔板：38标准喷嘴：长径喷嘴：文丘里管：39结论:(1)节流式流量计一般在界限雷诺数以上进行测量;(2)节流式流量计的量程比只有3:1。40412.膨胀系数决定于p/p1， 和介质的等熵指数k。标准孔板：对于标准喷嘴：423.压力损失p4.开孔直径和管径的确定43标准节流装置的使用范围下表为几种标准节

16、流装置的应用范围。表中的界限雷诺数随而变。同时考虑以下因素：流体条件：测量易沉淀或有腐蚀性的流体易采用喷嘴。管道条件：在管道内壁比较粗糙的条件下，易采用喷嘴。压力损失：在标准节流件中，孔板压力损失最大。运行精度：在高参数、大流量的生产线上，通常采用喷嘴。在同一值下，喷嘴较孔板的d大，故测量范围大。与喷嘴相比，孔板的最大优点是加工方便、安装容易、省料、造价低。44节流式流量计的设计计算命题一：校核已有的标准节流装置已知管道内经、节流件开孔直径、取压方式、被测流体参数、及工作温度压力等条件，根据所测的压差值计算被测流体的流量。本命题利用流量公式，采用迭代方法进行计算。命题二：设计新的标准节流装置已

17、知管道直井、被测流体参数、预计流量范围、要求包括的做小直管段、允许的压损以及其他条件等，确定流量表尺上限和差压计上限、确定节流装置的形式和开孔直径、确定最小值管段长度、选配差压计、计算最大压力损失、计算测量误差或不确定度。详细设计步骤参阅标准节流装置设计手册。45非标准节流装置低雷诺数用：1/4圆孔板、锥形入口孔板等。脏污介质用：圆缺孔板、偏心孔板等。低压损害用：罗洛斯管、道尔管等。小管径用：小于50mm节流件、整体（内藏）式孔板等。端头节流装置：端头孔板、端头喷嘴等。宽范围度节流装置：变压头变面积孔板（线性孔板）。脉动流节流装置：临界流节流装置：混相流节流装置：464.4 浮子流量计4.4.

18、1 浮子流量计的结构与测量原理 浮子流量计的结构如图所示，是由一段上粗下细的锥形玻璃管（锥角约在4左右）和管内一个密度大于被测流体的固体浮子（或称转子）所构成。流体自玻璃管底部流入，经过转子和管壁之间的环隙，再从顶部流出。管中无流体通过时，转子沉在管底部。当被测流体以一定的流量流经转子与管壁之间的环隙时，由于流道截面减小，流速增大，压力随之降低，于是在转子上、下端面形成一个压差，将转子托起，使转子上浮。随转子的上浮，环隙面积逐渐增大，流速减小，压力增加，从而使转子两端的压差降低。当转子上浮至某一定高度时，转子两端面压差造成的升力恰好等于转子的重力时，转子不再上升，而悬浮在该高度。转子流量计玻璃

19、管外表面上刻有流量值，根据转子平衡时其上端平面所处的位置，即可读取相应的流量。 转子流量计 1锥形硬玻璃管；2刻度； 3突缘填函盖板；4转子4748转子流量计的流量方程 转子流量计的流量方程可根据转子受力平衡导出。假设转子位于某一高度A时，处在受力平衡态。此时向上的作用力：向下的作用力：由于平衡，故可得： 又因为环形截面积：一般，d0=df，代入则得流量方程：因 值很小则：式中Af:转子截面积Vf：转子体积f：转子密度：阻力系数：流体密度 ：锥角：流量系数49转子流量计的读数修正 1. 转子流量计的标定 介质：常温常压下的水、空气， 刻度：按换算为标准状态（293K,0.1013MPa)下的体

20、积流量进行刻度。 当流体种类和工作状态与标定时不同时，需要进行量程估计和读数修正。 2. 转子流量计的读数修正 液体的修正公式 式中：Q0流量计读数 Q被测流体实际流量, 0，标定用流体在标定状态下的流量系数，密度； ，被测流体在工作状态下的流量系数，密度； 50气体的修正公式 忽略粘度对流量系数的影响， 式中：Q0流量计读数 Q被测流体实际流量 P0，T0标定状态的热力学温度、压力 P，T工作状态的热力学温度、压力 0，标定流体和被测流体在标定状态（P0，T0）下的密度。转子流量计读数方便，流动阻力很小，测量范围宽，量程比可达10：1，测量精度较高，对不同的流体适用性广。缺点是玻璃管不能经受

21、高温和高压，在安装使用过程中玻璃容易破碎。 51工作特性结论：1.界限雷诺数低，适合于中小流量的测量。2.流量系数稳定，量程比可达10：1。52浮子流量计的种类1.玻璃管浮子流量计特点：结构简单、刻度直观、成本低廉、使用方便。用于常温常压下透明介质的测量，只能就地显示，不能远传。2.金属管转子流量计金属管转子流量计用于高温高压、不透明及腐蚀性介质流量的测量。可就地显示也可远传。534.4.6 转子流量计量程的安装与使用转子流量计在安装和使用时应注意以下问题：1 转子流量计必须垂直安装，不允许有明显的倾斜（倾角要小于2），否则会带来测量误差。2 为了检修方便，在转子流量计上游应设置调节阀。3 转

22、子对粘污比较敏感。如果粘副有污垢则转子的质量、环形通道的截面积会发生变化，甚至还可能出现转子不能上下垂直浮动的情况，从而引起测量误差。4 调节或控制流量不宜采用电磁阀等速开阀门，否则，迅速开启阀门，转子就会冲到顶部，因骤然受阻失去平衡而将玻璃管撞破或将玻璃转子撞碎。 5 被测流体温度若高于70时，应在流量计外侧安装保护套，以防玻璃管因溅有冷水而骤冷破裂。国产LZB系列转子流量计的最高工作温度有120和160两种。 54例 某气体转子流量计的量程范围为460m3/h。现用来测量压力为60kPa（表压）、温度为50的氨气，转子流量计的读数应如何校正？此时流量量程的范围又为多少？（设流量系数CR为常

23、数，当地大气压为101.3 kPa）554.5 涡轮流量计涡轮流量计的构造与原理 涡轮流量计是以动量矩守恒原理为基础设计的流量测量仪表。涡轮流量计由涡轮流量变送器和显示仪表组成。涡轮流量变送器包括涡轮、导流器、磁电感应转换器、外壳及前置放大器等部分，如图所示。 涡轮流量计结构图1.涡轮 2.导流器 3.磁电感应转换器 4.外壳 5.前置放大器 56571.涡轮流量计的工作原理：设涡轮叶片与涡轮轴线的夹角为，如图所示。叶轮平均半径为R，叶栅流通面积为A，R处流体的切向速度为v1，则 v1=2Rn被测流体流过叶片时的轴向平均流速为 v=qv/A则有于是 当涡轮结构一定时，涡轮的转速n与被测流体的流

24、量成正比，当被测流体流经涡轮并推动其转动时，高导磁性的涡轮叶片就周期性地扫过磁电转换器的永久磁铁，使磁路的磁阻产生相应的变化，致使通过感应线圈的磁通量也随之发生周期性变化，从而在线圈内产生交变的感应电动势，即输出交流电脉冲信号。设涡轮叶片数为Z，则脉冲信号的频率f为 f=Zn 则 为流量系数。它与涡轮流量变送器的结构以及被测流体的性质等因素有关，一般通过试验标定的方法确定。 582.关于流量系数的讨论流量系数 并非常数，流量系数与流量的关系如图所示。59与流量（或管道雷诺数）的关系曲线如图所示。可见，仪表常数可分为二段，即线性段和非线性段。线性段的特性与传感器结构尺寸及流体粘性有关。在非线性段

25、，特性受轴承摩擦力，流体粘性阻力影响较大。涡轮流量计的特点：测量精度高，其精度可以达到级以上，在狭小范围内甚至可达0.1%，故可作为校验级普通流量计的标准计量仪表。二是对被测信号变化的反应快，若被测介质为水，涡轮流量计的时间常数一般只有几毫秒到几十毫秒，因此特别适用于对脉动流量的测量。 测量范围较宽，量程比可达10：1。 对被测流体清洁度要求较高；适用与温度范围（-20120）；特别是轴承的磨损市仪表的寿命受到影响。60涡轮流量在安装和使用时应注意以下问题：（1）涡轮流量计出厂时是在水平安装情况下标定的，因此为了保证涡轮流量计的测量精度，涡轮变送器必须水平安装，否则会引起变送器的仪表常数发生变

26、化。（2）因为流场变化时会使流体旋转，改变流体和涡轮叶片的作用角度，此时，即使流量稳定，涡轮的转速也会改变，所以，为了保证变送器性能稳定，除了在其内部设置导流器外，还必须在变送器前后留出一定的直管段，一般入口直管段的长度为20D以上，出口直管段的长度为15D以上。61（3）为了确保变送器叶轮正常工作，流体必须洁净，切勿使污物、铁屑等进入变送器。因此在使用涡轮流量计时，一般应加装过滤器，网目大小一般为100孔/cm2，以保持被测介质的净洁，减少磨损，并防止涡轮被卡住。（4）涡轮流量计的一般工作点最好在仪表测量范围上限数值的50%以上，保证流量稍有波动时，工作点不至移至特性曲线下限以外的区域。（5

27、）被测流体的流动方向须与变送器所标箭头方向一致。 62家用水表简介63电磁流量计工作原理当液体在磁场中运动时，根据法拉第定律产生感应电动势。如果磁场垂直于流动液体的电绝缘管道，而液体的电导率又不太低，则装在管壁上的两个电极之间可测量到一个电压，这电压同磁通量密度、液体的平均流速以及两个电极之间的距离成正比。这样，就可以测得液体的流速，进而测得液体的流量。 6465根据法拉第电磁感应定律，感应电压强度可用下面的简式表达： UAB=kBDv B磁通密度；D测量管内径；E流量信号（电动势）；V液体平均轴向流速；k-常数。在圆形管道中，体积流量是：66组成结构如图所示。67适用于10mm以下管径适用于

28、10100mm管径适用于100mm以上管径681直流励磁 直流励碰方式用直流电产生磁场或采用永久磁铁，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。69702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干扰另外，由于磁场是交变的

29、，所以输出信号也是交变信号。交流激磁的缺点是会产生正交干扰。但可通过特殊电路加以消除。如下图所示。71723低频方波励磁直流励磁方式和交流励磁方式各有优缺点，为了充分发挥它们的优点，尽量避免它们的缺点，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如图所示，其频率通常为工频的14一l10 从图可见，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7374变送器的安装要求1.一般垂直安装。2.安装地点避

30、免有较强的交直流磁场或有剧烈的振动3.上游侧直管段大于5D，下游不做要求；4.变送器外壳、金属管道两端应良好接地。75电磁流量计的特点1.无压力损失；2.直管段较短；3.反应灵敏，能测正反方向的流量及脉动流量；4.不受温度、压力、密度、黏度的影响；5.测量范围大，管径可从，量程比可达100：1；6.工作温度不超过200，压力不超过4MPa；7.被测介质是导电的，不能测量气体、蒸汽及石油产品等。被测介质的导磁率应接近于1，不能测量铁磁性介质，如含铁的矿浆流量等。76靶 式 流 量 计靶式流量计由靶式流量变送器和显示仪表两部分组成，其测量元件是一个在测量管中心并垂直于流向的被称为“靶”的圆板。通过

31、测量流体作用在靶上的力而实现流量测量 靶式流量计是60年代随着工业生产迫切需要解决高粘度、低雷诺数流体，的流量测量而发展起来的一种新型流量测量仪表可用于低雷诺数、含固体颗粒的浆液及腐蚀介质流量测量。77靶式流量计的结构如图所示，在被测管道中心迎着流速方向安装一个靶，当介质流过时，靶受到流体的作用力。这个力由两部分组成，一部分是流体和靶表面的摩擦力，另一部分是由于流束在靶后分离，产生压差阻力，阻力为式中，F为靶受到流体的阻力； 为阻力系数；A1为靶迎流面积，式中d：靶直径； v：靶和管壁间环面积中的平均流速； ：介质密度。78流量与靶输出力F的平方根成正比测量靶所受的力F，就可以测定被测介质的流

32、量79超声波流量计当超声波在流体中传播时，会载带流体流速的信息。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。超声波流量测量方法有很多，本节主要介绍传播速度差方法和多普勒方法的基本原理与流量方程80传播速度差法的基本原理为：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到被测流体的流速。根据测量的物理量的不同，可以分为时差法(测量顺、逆流传播时由于超声波传播速度不同而引起的时间差)、相差法(测量超声波在顺、逆流中传播的相位差)、频差法(测量顺、逆流情况下超声脉冲的循环频率差)。频差法是目前常用的测量方法，它是在前两种测量方法的基础上发展起来的81时

33、差法超声波流量计原理超声在流体中的传波速度受流体流速的影响。在管道的上下游安装两个传感器A和B，距离为L，设静止流体中的声速为c，流体流动的速度为。当超声波传播方向与流体方向一致时，超声波的传播速度为（c+）；而当超声波传播方向与流体流动方向相反时，超声波的传播速度为（c-）。顺流方向传播的超声波从A到B所需时间为t18283 t1=L/( c+) (1)逆流方向传播从B到A所需时间为t2 t2=L/(c-) (2)由（1）式和（2）式得 t =t2-t1=2L/(c2-2) (3)由于c所以 t =2L/ c2 (4) t1+ t2=2Lc/( c2-2) (5)由于c所以 c =2L/(

34、t1+ t2) (6)将（6）式代入（4）式得 t1t2=L2/( c2-2) (7)由于c所以 c= L2/ t1t2 (8)将（8）式代入（4）式得 = (t2-t1)/2t1t2 (9)如果超声波与流速方向成一定的角度设其为，（9）式可以表示为 = (t2-t1)/2t1t2cos (10)只要测出顺流和逆流传播时间t和t就能求出，进而求出流量。84相差法超声波流量计设超声波脉冲信号为85频差法超声波流量计速度差式超声波流量计的体积流量方程为其中k为修正系数层流时k=4/3,紊流时86超声流量计的特点 1）超声流量计可以作成非接触式的，从管道外部进行测量。在管道内无任何测量部件，没有压力

35、损失，不改变原流体的流动状态，对原有管道不需任何加工就可以进行测量。2）测量结果不受被测流体的黏度、电导率的影响，可测非导电性的液体或气体的流量，可测很大口径的管道内流体的流量，甚至可以测量河流的流速。3）超声流量计的输出信号与被测流体的流量成线性关系。87、多普勒法 多普勒法是利用声学多普勒原理确定流体流量的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运动的目标和静止的换能器之间的相对速度。88图是超声多普勒流量计示意图。超声换能器安装在管外。从发射晶体T发射的超声波束遇到流体中运动着颗粒或气泡，再反射回来由接收晶体R1接收。发射信号与接收信号的多普勒

36、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，以及粒子是均匀分布的，可得方程8990涡街流量计（Vortex flow meter) 涡街流量计是利用流体流过阻碍物时产生稳定的漩涡，通过测量其漩涡产生频率而实现流量计量的。涡街流量计由涡街流量传感器和流量显示仪表两部分构成。涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中著名的“卡门涡街”原理。在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线性柱形体(加三角柱、圆柱等)，称之为漩涡发生体，见图。当流体沿漩涡发生体绕流时，会在漩涡发生体下游产生如图所示不对称但有规律的交替漩涡列，这就是所谓的卡门涡街。9192由于漩涡之间的相互影响，

37、其形成通常是不稳定的。冯.卡门对涡列的稳定条件进行了研究，于1911年得到结论：只有当两漩涡列之间的距离h和同列的两漩涡之间的距离L之比满足时，所产生的涡街才是稳定的9394圆柱体后漩涡发生的频率为：95漩涡发生体与漩涡频率检测器96979899圆柱体表面开有导压孔，与圆柱体内部空腔相通空腔由隔板分成两部分，在隔板的中央部分有小孔，在小孔中装有检测流体流动的铂电阻丝 当旋涡在圆柱体下游侧产生时，出于升力的作用，使得圆柱体下方的压力比上方高一些，圆柱体下方的流体在上下压力差的作用下，从圆柱体下方导压孔进入空腔，通过隔板中央部分的小孔，流过铂电阻丝，从上方导压孔流出。如果将铂电阻丝加热到高于流体温

38、度的某温度值，则当流体流过铂电阻丝时，就会带走热量，改变其温度，也即改变其电阻值。当圆柱体上方产生一个旋涡时，则流体从上导压孔进入，由下导压孔流出，又一次通过铂电阻丝，又改变一次它的电阻值。由此可知：电阻值变化与流动变化相对应，也既与旋涡的频率相对应。所以，可由检测铂电阻丝电阻变化频率得到涡频率，进而得到流量值。100涡街流量计的特点与安装1.特点量程比宽可达10：1或25：1精度较高为 0.5% 1.0%不受流体温度、压力、成份、黏度及密度的影响输入输出线性，抗干扰能力强适用于液体、气体、蒸汽和部分混相流体流量的测量。结构简单易于维护可替换性强适于测量15400（300）mm管道流量抗振动能

39、力差。2.安装可以水平、垂直和倾斜安装前后要求一定得直管段长度（15D，10D）漩涡发生体的轴线应与管道轴线垂直采取防震措施。101 U形管电磁激发器及传感器T形簧片光电检测器W进口出口进口出口哥里奥利力振动式流量计哥里奥利式流量计哥里奥利质量流量计是一种新型仪表，利用流体在振动管内流动时产生的与质量有关的哥里奥利力原理制成。它的原理如图所示。102103104105WMr1r2fc2fc1V2V1O运行中U形管上所受的哥氏力及其形成的力矩如图所示。从图中可以看出，流速矢量和与管子振动角速度垂直。由于和方向相反，所以哥氏力fc1和fc2方向也相反。当流量计工作时角速度按正弦规律变化，哥氏力fc1 、fc2也按正弦规律变化，两者相差180 。结果fc1 和fc2造成一个绕o轴的交变力矩M，此力矩为1式中r1和r2U形管各臂到O轴的垂直距离。如果结构完全对称，则可写成2106 力矩M使U形管扭转一个角度。对于一定