制冷与低温测试技术 流量测量

2023/11/271制冷与低温测试技术

第四章流量的测量(三）2023/11/2722023/11/273第八节：节流式流量计

利用流体流经节流装置时产生的压力差实现流量测量-冶金中应用最广孔板流量计结构示意图1.角接取压法；2.法兰取压法（22.4mm)3.径距取压法(1D,0.5D)4.理论取压法(1D,未定）5.管距取压法(2.5D,8D)2023/11/274孔板流量计原理（假设不可压，忽略节流压力损失）流量系数

u2u22023/11/275孔板流量计

当Re>Re临界时，Re临界值一般α=0.6~0.7安装安装在稳定流段，上游l>10d，下游l>5d优缺点结构简单，制造与安装方便能量损失较大2023/11/276

标准孔板

结构图介绍：

①孔板的开孔d（即圆筒形直径），任

意单测值与平均值之差不得超过0.05%，d的公差见下表E

30～40°

AB

deD2023/11/277②孔板圆角形部分长度e，其尺寸

0.005D≤e≤0.02D

在两点或多点上测得的e值之间的最大偏差不得超过0.001D。e表面的光洁度不得低于▽7；③孔板厚度E，其尺寸

e≤E≤0.05DE的平直度不得大于0.005D，E＞0.02D时，出口处应有一个向下游侧扩散的光滑锥面，其圆锥角为30°至40°。

E≤0.02D时，可以不作圆锥形出口，要求上、下游端面的光洁度的边缘尖锐度必须相同；2023/11/278④孔板上游侧端面A光洁度要求全部A面应无可见损伤，在离中心1.5d范围内不平度不得大于0.0003d，并有一定的光洁度要求：

50mm≤D≤500mm时为▽6500mm＜D≤750mm时为▽5750mm＜D≤1000mm时为▽4⑤孔板下游侧端面B

应与A面平行，光洁度可比A面低一级。2023/11/279节流装置的取压方式

根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压等五种:2023/11/27角接取压装置

法兰取压装置

目前广泛采用的是角接取压法，其次是法兰取压法。角接取压法比较简便，容易实现环室取压，测量精度较高。法兰取压法结构较简单，容易装配，计算也方便，但精度较角接取压法低些。2023/11/2711文丘里（Venturi）流量计差压式流量计能量损失小，造价高2023/11/2712科里奥利质量流量计原理：当一个位于旋转系的质点作朝向或者离开旋转中心的运动时，将产生一个惯性力。如下图所示，当质量为δm的质点以匀速u在一个围绕旋转轴P以角速度ω匀速旋转的管道内轴向移动时，这个质点将获得两个加速度分量：科里奥利力产生原理1、法向加速度ar=ω2r(向心加速度）,方向指向P点2、切向加速度at=2ωu(科里奥利加速度），方向与ar垂直。为了平衡质点科里奥利加速度at，需在at方向加一个大小等于2ωuδm的力，（来自管道壁面）。反作用于管道壁面的力就是流体施加在管道上的科里奥利力Fc=2ωuδm.2023/11/2713科里奥利力产生原理地球上科里奥利力对气流方向的影响

小球做垂直向下运动，但从站在旋转的转盘上的人（图中红点）来看，小球是做曲线运动的，好像有一个力作用在小球上，使小球转弯，这个虚拟的力就是科里奥利力。

同样的在地球上，由于地球自转，人就处于一个旋转坐标系中。地球表面不同纬度的地区接受阳光照射的量不同，影响大气流动，在地球表面沿纬度方向形成了一系列气压带。在这些气压带压力差的驱动下，空气会沿着经度方向发生移动，而这种沿经度方向的移动可以看作质点在旋转体系中的直线运动，会受到科里奥利力的影响发生偏转2023/11/2714当密度为ρ的流体以恒定流速u沿旋转管道流动时，任一长度Δx都将受到一个大小为ΔFc的切向科里奥利力：ΔFc=2ωuρAΔx质量流量为qm=ρuA,因此

ΔFc=2ωqmΔx基于上式，只要能直接或间接的测量出在旋转管道内流动的流体作用于管壁上的科里奥利力，就可以测得流体通过管道的质量流量。实际上，要使流体通过的管道绕P点以角速度ω旋转是不切合实际的。使管道绕P点以一定频率上下振动，也能使管道收到科里奥利力的作用，而且，共振时，驱动力很小。格局形状，大体上可以归纳为四类：

直管型和弯管型；单管型和双管型2023/11/2715

U形管的两个开口端固定，流体由此流入和流出。U形管顶端装有电磁激振装置，用于驱动U形管，使其垂直于U形管所在平面的方向以O-O为轴按固有频率振动。U形管的振动迫使管中流体在沿管道流动的同时又随管道作垂直运动，此时流体将受到科氏力的作用，同时流体以反作用力作用于U形管。由于流体在U形管两侧的流动方向相反，所以作用于U形管两侧的科氏力大小相等方向相反，从而使U形管受到一个力矩的作用，管端绕R—R轴扭转而产生扭转变形，该变形量的大小与通过流量计的质量流量具有确定的关系。因此，测得这个变形量，即可测得管内流体的质量流量。2023/11/2716U形管的振动可视为O-O为轴的瞬时转动，转动角速度为ω，若流体质量为m,则其上所作用的科里奥利力为式中F,ω,u,均为矢量，是按正弦规变化的。U形管所受扭力矩为因为质量流量和流速可分别写为：设U型管的扭转弹性模量为Ks,在扭转力M作用下，U形管产生扭转角θ，故有：由上两式得U型管在振过程中，θ角是不断变化的，并在管端越过振动中心位置Z-Z时达到最大，

若流量稳定，则最大角是不变。由于θ角的存在，两直端P1,P2将不能同时越过中心位置Z-Z，而存在时间差Δt，

(1)(2)2023/11/2717科里奥利质量流量计2023/11/27182023/11/2719流量计选用(1)流量范围流量范围指流量计可测的最大流量与最小流量的范围。(2)允许误差和精度等级流量仪表在规定的正常工作条件下允许的最大误差，称为该流量仪表的允许误差，其精度等级有：0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5等(3)压力损失压力损失小，流体能消耗小，输运流体的动力要求小，测量成本低。反之则能耗大，经济效益相应降低(4)被测介质性质物理：温度、压力、相态（气、汽、液、两相、多相）化学：腐蚀性、易燃/易爆性(5)输出信号要求电流、电压、频率/脉冲2023/11/2720垂直上升气液两相流

液体及其蒸汽或组分不同的气体及液体一起流动的现象成为气液两相流

2023/11/2721两相流流型细泡状流动，在液相中带有散布的细小气泡

弹状流，由一系列气弹组成，气弹端部呈半球状，而尾部是平的，在两气弹之间夹有小气泡块状流，气体块在液流中以混乱状态进行流动

带纤维的环状流，管壁上液膜较厚且含有小气泡，被中心部分气核从液膜带走的液滴在气核内形成不规则的长纤维形状环状流，管壁上有一层液膜，管道中心部分为气核，在气核中带有因气流撕裂管壁液膜表面而形成的细小液滴

2023/11/2722气液两相流的流量测量方法

电磁流量计：当液体中含有少量气体时，气体在液体中的分布呈微小气泡状，这时，电磁流量计仍能正常工作，只是所测得的为气液混合物的体积流量。当液体中所含气体数量增加后，气泡几何尺寸逐渐增大，进而向弹状结构过渡。当气泡的尺寸等于和大于流量计电极端面尺寸并从电极处掠过时，电极就有可能被气体盖住，使电路瞬时断开，出现输出晃动，甚至不能正常工作

2023/11/2723气液两相流的流量测量方法科氏力质量流量计：不同测量管结构、不同型号的科氏力流量计受含气量影响差异很大，不能将一种型号的试验数据推广到其他型号。如意大利计量院对7种型号科氏力质量流量计含气量影响试验表明：含气泡1％（体积比）时有些型号无明显影响，有些型号误差为1％～2％，而其中某一双管式型号则高达10％～15％；含气泡10％时，误差普遍增加到15％～20％，个别型号高达80％。

2023/11/2724气液两相流的流量测量方法超声流量计：此类仪表检测的不连续点（即气泡）的流速，由于流通截面中各点流速的不一致性，使得测量结果相对于管道内的平均流速之间存在不确定性，从而导致其测量性能较差。其不确定度一般只能达到±（1％～10％）FS(满量程），重复性为（0.2％～1％）FS。在气泡含量过高时，超声信号衰减严重，以致不能测量。

2023/11/2725气液两相流的流量测量方法变液位流量计：常用来测量含汽的石油流量，石油和气体的混合物由管1切向进入分离室2，使气液分离。液体经分离室后流入储液器4，再经槽缝7流入容器下部6后，和气体一起经管5流出。储液器中装有稳定液位用的隔板3，储液器4中的液位可采用差压计测出储液器中液柱静压的方法来确定。根据读出的差压可确定液位高度h，再根据各相应计算式（一种形状的槽缝对应一种计算式）算出液体体积流量

2023/11/2726低温流体体积流量的测量孔板：应用得最多，可靠性也高涡街流量计：压力损失比较小，容易累积计算，测量下限Re=2000，上限6m/s。涡轮流量计：用涡轮流量计测量极低温流体时，最容易发生的故障是因仪表的压力损失而引起的急剧蒸发。仪表中形成急剧蒸发后，转子将以比通常转速快数十倍的速度旋转。这样轴承会在很短的时间内就被彻底磨坏。防止蒸发的最好方法是适当加大仪表的尺寸，一般来说，在间断使用时，如将被测最大流量控制在仪表容量的70％以下，基本上不会产生因仪表本身的压力损失而出现的故障。连续使用时，要将常用流量限制在仪表容量的50％以下材料一般采用不锈钢SS316

2023/11/2727低温流体体积含量的测量低温流体特点：沸点低，气化潜热小，通过流量计时往往是两相流体介电常数法：应用液体和蒸汽介电常数的差异测量低温流体的密度介质标态气体沸点蒸汽沸点液体氧1.0004941.001561.484氮1.0005481.002081.433氢1.0002541.003871.228氦1.0000641.006181.0482023/11/2728低温液体密度计：由金属制的圆柱形外管和中心内管，内管放在外管的中心轴线上，由绝缘支撑。测量元件接在电容测量电路上。要求：内管和外管之间形成的环状截面积等于外管的管线截面积，流体进入密度计后流体不会产生加速或减速。2023/11/2729

当流体的流量改变时，通过电容密度计，内外管壁间产生的测量元件的电容改变。由于电容改变，在电容密度计测量电路中，L－C回路无法共振，此时使用电位器改变两个半导电容器电压，使半导体电容器的电容改变，以达到共振的目的。2023/11/2730介电常数法电容量的计算两相流的介电常数x:液体体积分数两相流密度Ciaulus-Mossottl方程：空泡率测量方法

传统测量方法：快关阀门法，单相仪表与流动模型结合的方法

空泡率测量方法光学方法：利用光/射线穿过流场的折射率/衰减率不同。光学探针测量原理优点缺点瞬态测量精度高结构复杂成本高无截面信息空泡率测量方法

电学方法：利用电场对流场分布的敏感性，在两相流管道内放置电极或探针，穿过管道的电阻和电容取决于气液混合物的电导率、介电常数。优点测量瞬态结构简单开发成本低典型的电容传感器缺点低温流体影响影响因素多对电路要求高近期相关应用

Filippov等做出了低温下基于射频法测量液氮空泡率的装置。传感器和管道液氮充放过程谐振频率电容值空泡率近期相关应用

不同干度下流形与电容值图像Kathleen等对R134a在回转弯管内的流动进行了测量可以直接区分出塞状流通过对电容值小波方差的计算，区分出差别较小的环状流和间隙流在液泛实验中应用电容传感器设计形式选择多极板的设置可以增加电容值，但是无法改变增量大小双螺旋结构可以消除非对称误差在液泛实验中应用角度计算：灵敏度高覆盖尽可能多的范围电容传感器设计在液泛实验中应用对传感器的验证：理论曲线与拟合曲线基本平行在测量过程中并入了杂散电容测量电容值与理论值对比2023/11/2739第十节：流量计标定为了得到准确的流量值，除了正确使用和维护流量计外，还必须对流量计进行标定和定期校验，以保证计量的准确度液体流量标准装置标准容积法标准质量法标准流量计法标准体积管气体流量标准装置标准气体流量计标准气体容积2023/11/2740

一种是边让试验液体以一定流量流入标准槽内，边读出玻璃管的液面上升量，这就是所谓动态标定法；另一种方法是，让一定体积的试验液体流入标准容器，测量从开始流入到停止流入的时间，这就是所谓停止标定法。高粘流体残留在容器壁面2023/11/2741标准质量法

这种方式是以秤代替标准容器作为标准器，用秤量一定时间内流入容器内的流体总量的方法来求出被测液体的流量。秤的精度较高，这种方法可以达到±0.1％的精度

标准流量计法

这种方式是采用高精度流量计作为标准仪表对其他工作用流量计进行校正。用作高精度流量计的有容积式、涡轮式、电磁式和差压式等型式，可以达到±0.1％左右的测量精确度

2023/11/27421—被校验流量计；2—交换器；3—球；4—终止检测器；5—起始检测器；6—体积管；7—校验容积；8—计数器

单球式标准体积管原理示意图2023/11/2743标准体积管

合成