第四章 流量检测仪表

4.1流量概述总(流)量或累积流量：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。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量，称为瞬时(平均)流量。有体积流量和质量流量之分。（1）体积流量qv单位时间内通过某截面的流体的体积，单位为m3/s。根据定义，体积流量可用下式表示：式中，v为截面A中某一面积元dA上的流速。常用单位有：现在是1页\一共有42页\编辑于星期四（2）质量流量qm单位时间内通过某截面的流体的质量，单位为kg/s。根据定义，质量流量可用下式表示：则有qm=ρqv=ρvA

单位有：(3)流体总量即瞬时流量对时间的积分，称之流体总量。

用来测量流量的仪表统称为流量计。测量总量的仪表称为流体计量表或总量表。现在是2页\一共有42页\编辑于星期四流量仪表的分类①速度式: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。②容积式: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。如：差压式、电磁式、涡轮式、涡街式、超声波式③质量式：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、体积流量和密度计组合式质量流量测量系统现在是3页\一共有42页\编辑于星期四利用管路内的节流元件，改变流束流动状态,通过测量节流件前、后压力差来实现确定流量。4.2差压式流量计节流装置：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）。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。(b)喷嘴(c)文丘里管(a)孔板现在是4页\一共有42页\编辑于星期四差压式流量传感器流量测量系统现在是5页\一共有42页\编辑于星期四节流件前后流速和压力分布情况能量形式的转换截面A和节流件开孔截面A0的流体量相同截面A的速度v1截面A的速度v2v2>v1动压能和静压能发生变化能量守恒定律孔板前后出现了静压差静压差流速和流量现在是6页\一共有42页\编辑于星期四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,称为标准节流装置文丘利管压力损失最小，而孔板压力损失最大。文丘利管孔板喷嘴现在是7页\一共有42页\编辑于星期四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。取压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，而法兰取压仅用于孔板。节流装置的取压方式1-1—角接取压；2-2—法兰取压；3-3—径距取压；4-4—缩流取压；5-5—管接取压。现在是8页\一共有42页\编辑于星期四(1)角接取压:上下游取压管位于孔板(或喷嘴)的前后端面处。角接取压包括单独钻孔和环室取压。如图6-5中l—l位置。现在是9页\一共有42页\编辑于星期四(2)法兰取压：上下游侧取压孔的轴线至孔板上、下游侧端面之间的距离均为25.4±0.8mm（1inch)。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上．如图6-5中2—2位置．法兰取压现在是10页\一共有42页\编辑于星期四(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5—5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lDm±0.1Dm，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4—4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1Dm±0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔极下游端面的距离为0.5Dm。如图3—7中的3.3位置（Dm管道直径）现在是11页\一共有42页\编辑于星期四流束最小截面在Ⅱ-Ⅱ截面处。对于不可压缩的理想流体，节流件前后的流体密度相等(ρ1=ρ2=ρ)。当忽略压头损失时，根据伯努利方程，在两截面Ⅰ、Ⅱ处管中心流体的能量方程为：4.2.2差压式流量计工作原理设Ⅰ-Ⅰ截面时管中心的流速为v1，静压为，密度为ρ1，Ⅱ-Ⅱ截面时管中心的流速为v2、静压为，密度为ρ2，假定流体的流速是均匀一致的，则由上式可得：(1)(2)现在是12页\一共有42页\编辑于星期四由于流体流动的连续性，则A1V1ρ=A2V2ρ

A1为Ⅰ-Ⅰ截面的流通面积；A2为Ⅱ-Ⅱ截面流束的流通面积。(3)被测流体的体积流量为：令流量系数α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。现在是13页\一共有42页\编辑于星期四

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，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：1.0、1.25、1.6、2.0、2.5、3.2、4.0、5.0、6.3、8.0×10n现在是14页\一共有42页\编辑于星期四标准节流装置的使用条件⑴流体必须充满圆管，连续地流过管道。只适于测量圆形截面管道内的流体,

⑵流束应与管轴平行，不得有旋转流或旋涡。在进行流量测量时,管道内流体的流动应是稳定的。⑶流体流量基本上不随时间而变化,或者变化是非常缓慢的。⑷流体可以是可压缩的气体或不可压缩的流体；但不适于脉动流与临界流。⑸流体必须是牛顿流体,在物理学和热力学上是单相的,均匀的或者可认为是单相的,且流经节流装置时不发生相变。⑹节流装置的制造和使用条件超出国家标准的极限时,必须标定后才能安装使用。现在是15页\一共有42页\编辑于星期四4.2.4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，引起流出系数C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。L0213局部阻力件1、2上游侧只有一个局部阻力件1，则直管段就只需L1及L2现在是16页\一共有42页\编辑于星期四4.2.5使用节流装置应注意的问题

1)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、C、d的影响小,可只考虑密度的变化。在相同的压差下，密度变化的修正公式为：或式中：和-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；和-实际使用条件下的流体体积流量和质量流量,实际值；和-设计条件下和实际使用条件下的流体密度。现在是17页\一共有42页\编辑于星期四对于一般气体，修正公式为或式中:—设计条件和使用条件下的气体绝对压力；—设计条件下的气体绝对温度：现在是18页\一共有42页\编辑于星期四例1：有一节流式流量计，用于测量水蒸汽流量，设计时的水蒸汽密度为ρ=8.93kg/m3。但实际使用时被测介质的压力下降，使实际密度减小为ρ=8.12kg/m3。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对误差为多少？解：当密度变化时，实际流量可按下式求得：kg/s相对误差为：现在是19页\一共有42页\编辑于星期四4.3.1工作原理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，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Ex（伏）为:Ex=BDV×10-8,VB-磁感应强度，Wb／m2

4.3电磁流量计该感应电势大小与磁感应强度、管径大小、流体流速大小有关现在是20页\一共有42页\编辑于星期四体积流量qv与流体流速v的关系为可得式中，K为仪表常数，B、D固定不变，则K为常数，Ex与流量qv成线性关系，通过测量感应电动势Ex来间接测量被测流体的流量qv值。现在是21页\一共有42页\编辑于星期四在半个周期内，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．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)双频矩形波励磁现在是22页\一共有42页\编辑于星期四4.4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USF主要是传播时间法和多普勒效应法现在是23页\一共有42页\编辑于星期四直式安装斜插式安装多普勒流量计

现在是24页\一共有42页\编辑于星期四流量测量原理

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。现在是25页\一共有42页\编辑于星期四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。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，立即发射出一个脉冲，这样以一定频率重复发射，对于顺流和逆流重复发射频率为：现在是26页\一共有42页\编辑于星期四现在是27页\一共有42页\编辑于星期四

发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧现在是28页\一共有42页\编辑于星期四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。多普勒法多普勒法是利用声学多普勒原理确定流体流量.多普勒效应是奥地利物理学家ChristianDoppler1842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.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，产生了正比于物体运动速度的频率偏移，称为多普勒频移。现在是29页\一共有42页\编辑于星期四1)流速方程式多普勒频移正比于散射体流动速度：超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收换能器B收到频率为fB的超声波，其值为：速度：现在是30页\一共有42页\编辑于星期四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，以及粒子是均匀分布的，可得方程2)流量方程式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。现在是31页\一共有42页\编辑于星期四例：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45°，发射波的频率为1MHz，超声波在水中的速度为1482m/s，求发射和接收信号之间的频率差？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，超声波在静止水中的传播速度，，发射超声波的频率。故多普勒超声波流量计的频移为解多普勒超声波流量计的频移公式为

现在是32页\一共有42页\编辑于星期四4.5卡门涡街流量计圆柱体三角柱体Q=A0(d/St)(1－1.27β)

f

式中A0——管道截面积，m2。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25mm～250mm插入式管径范围250～2000mm。现在是33页\一共有42页\编辑于星期四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。其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可推算出流量。(1)电容检测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，产生旋涡引起的压力变化作用在杆端而形成弯矩，使压电元件出现相应的电荷。此法技术上比较成熟，应用较多，已有系列化产品。(2)应力检测法现在是34页\一共有42页\编辑于星期四(3)热敏检测法在圆柱体下端有一段空腔，被隔板分成两侧，中心位置有一根细铂丝，它被加热到比所测流体温度略高10℃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的频率来推算流量。(4)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。现在是35页\一共有42页\编辑于星期四h1222r2RR-rP2P1φ4.6

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，直到浮子处在一个力