热能与动力工程测试技术 第4版 课件 第7、8章 流量测量、液位测量

第7章流量测量《热能与动力工程测试技术》·第4版7.1概述7.2节流式流量计7.3涡轮流量计7.4光纤流量计7.5超声波流量计7.6电磁流量计7.7质量型流量计7.1

概述第7章流量测量1.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（质量流量qm（kg/s）和体积流量qV（m3/s））通常是指单位时间内通过某有效流通截面的流体数量，称瞬时流量。ρ为流体密度（kg/m3）2.流量计的类型

测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表。a．容积型流量计

容积型流量计通过计量单位时间内被测流体充满或排出某一定容容器V的次数来计算流量，即：

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。7.1

概述第7章流量测量b.速度型流量计

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。因此，通过测量流通截面上的流体流速或与流速有关的各种物理量就可以计算出流量。c.质量型流量计

这类流量计以测量与流体质量有关的物理效应为基础，分为直接型、推导型和温度压力补偿型三种速度型流量计质量型流量计7.1

概述第7章流量测量3.流量计的选用原则

由于流量计的种类多，适用范围各不相同，因此，正确选用流量计对于保证流量测量精度十分重要。下面介绍流量计选型的一般性准则。根据被测流体性质选择不同类型的流量计对被测流体的适应性不同，选择时需要明确了解被测流体的物态及其特性。根据用途选择不同流量计的功能、测量精度和价格不同，而不同的使用场合对流量计的这些要求有所侧重。根据工况条件选择在实际流量测量中，当被测流体的密度、温度、压力和其它特性与流量计刻度时所用介质的参数值不同时，必须将被测流体在实际状态下的流量变化范围换算成流量计刻度状态下相应介质（如水或空气）的流量，以此作为流量计量程的选择依据。其它安装位置、安装尺寸以及流通管路的振动情况等，有时还要考虑测量过程产生的永久压力损失带来额外能耗费用的大小。7.2

节流式流量计第7章流量测量1.测量原理与流量方程

原理：当流体流经管道中急骤收缩的局部截面时，将产生增速降压的节流现象，流体的流速越大，即在相同流通截面积条件下的流量越大，节流压降也越大。

根据流动的连续性方程和伯努利（Bernoulli）方程，可推导出反映流量与节流压降关系的流量方程为：

式中，qv为流体的体积流量（m3/s），d为节流元件的开孔直径（m），D为流动管道内径（m），β=d/D称直径比，Δp=p1－p2为流体流经节流元件前后的差压（Pa），ρ为流体在工作状态下的密度（kg/m3）；α为流量系数，与节流装置的型式、直径比β、流动状态（雷诺数ReD）以及管道内壁粗糙度等诸多因素有关；ε为流体膨胀校正系数，与节流元件前后的压比p2/p1（或Δp/p1）、被测流体的等熵指数k以及直径比β等因素有关；对于不可压缩流体，ε=1。7.2

节流式流量计第7章流量测量2.节流装置a.基本组成

节流装置由节流元件、取压装置、节流元件上下游的局部阻力元件和直管段以及连接法兰等组成。b.标准节流装置

由于流量方程中的流量系数α和流体膨胀校正系数ε与节流装置的型式有关，因此，对于不同的节流装置，流量和压差的关系需要单独标定。c.标准节流装置使用范围与条件（1）流体条件1）流体在圆管内流动，并且充满和连续地流经管道；

2）流体是单相的，并且在流经节流装置时不会发生相变；3）流速稳定，不存在旋涡，流量随时间的变化缓慢；（2）管道条件

1）节流元件前后必须各有一段足够长的直管段，它们的长度要求与节流元件上下游局部阻力元件的结构以及直径比β有关，具体数值可查相关标准。7.2

节流式流量计第7章流量测量2）直管段的截面必须为圆形，而且其圆度要求很高。在节流元件前2D范围内，分别于0D、0.5D、1D和2D处的四个截面上，以角等分方式各测取4个管道内径，共16个测量值，记为Di（i=1，2…16），偏差要求：

式（7-4）中，（3）安装要求1）节流元件前端面必须与管道轴线垂直，允许的最大不垂直度为1；2）节流元件的开孔必须与管道同心，允许的最大不同心度为0.015D(1/β-1)；3）节流元件在受热时能够自由膨胀，以防止变形；4）调节流量用的阀门最好安装在节流元件后最小直管段长度以外。（4）选型

下列测量场合优先选用标准喷嘴：1）测流体易沉淀或有腐蚀性；2）对节流元件的压力损失有严格要求；3）被测管道内壁比较粗糙（如果采用孔板，则应优先选择法兰取压方式）；4）高参数、大流量生产管道的长期在线检测。7.2

节流式流量计第7章流量测量d.标准节流装置主要参数α和ε的确定

式中，K1为粘度修正系数；K2为管壁粗糙度修正系数；K3为孔板磨损修正系数，对于喷嘴、文丘利管以及新的节流元件，K3=1。

各种标准节流装置的K1、K2、K3值可从有关流量测量标准和手册中查到。

采用角接取压标准孔板时，在p2/p1≥0.75、50mm≤D≤1000mm和0.22≤β≤0.8范围内，可压缩流体的膨胀校正系数ε为：（1）流量系数α（2）

流体膨胀矫正系数ε

采用法兰取压标准孔板时，在p2/p1≥0.75、50mm≤D≤750mm和0.1≤β≤0.75范围内，可压缩流体的膨胀校正系数ε为：7.2

节流式流量计第7章流量测量

对于标准喷嘴，在p2/p1≥0.75、50mm≤D≤750mm和0.1≤β≤0.75范围内，可压缩流体的膨胀校正系数ε为：3.差压计

差压计是节流式流量计的信号检出部分。差压计的种类很多，按其工作原理分为浮子式、环秤式、钟罩式、双管式、波纹管式、膜片式和电容式等，其中后三种型式的差压计由于结构紧凑、测量精度和自动化程度都很高，因而得到较广泛的应用。7.2

节流式流量计第7章流量测量4.节流式流量计测量结果的修正a.节流元件开孔尺寸d因温度变化的修正

式中，T、T＇分别为节流元件设计状态下的温度和被测流体的实际工作温度；d、d＇为节流元件分别在T、T＇温度下的开孔直径；αl为节流元件材料的线膨胀系数；cd为节流元件孔径变化的流量修正系数；qV和qV＇分别为流量计的流量指示值和修正值。

b.被测流体密度ρ变化的修正7.2

节流式流量计第7章流量测量

对于被测气体，其工作状态下的实际密度可用下式计算：

式中，ρ0、T0、p0和Z0分别为被测气体在标准状态下的密度、温度、压力和压缩系数；ρ＇、T＇、p＇和Z＇分别为被测气体在工作状态下的密度、温度、压力和压缩系数。

当流量计按气体的标准状态设计时，修正系数为：c.综合修正系数

当同时考虑上述两项影响因素时，流量测量结果可按下式修正：

c为考虑被测流体的工作状态参数偏离设计值时的流量综合修正系数。7.2

节流式流量计第7章流量测量5.节流式流量计的应用a.根据已知条件选择合适的节流装置和差压计

首先，根据管道情况、被测流体性质和流量范围选择合适的节流装置型式。由流量方程可知，问题的实质是确定节流元件开孔直径d（或β值）以及差压计上限值Δpmax。通常的方法是先选定Δpmax，然后迭代计算β。b.根据已知条件计算被测流体的实际流量

在这类问题中，通常已知被测流体的工作状态、节流装置的型式、管道情况以及差压计测量读数，即流量方程中的

和Δp已知，ε也可以从相关的数据图表中查取，因此，计算实际流量的关键是流量系数

的确定。7.3

涡轮流量计第7章流量测量1.工作原理涡轮流量计系统框图涡轮流量变送器结构图1—导流器2—壳体3—感应线圈4—永久磁铁5—轴承6—涡轮第7章流量测量

当被测流体流经涡轮时，推动涡轮转动，高导磁性的涡轮叶片随之周期性地通过磁电转换器的永久磁铁，使磁路的磁阻发生相应的变化，导致通过感应线圈的磁通量改变，在线圈中产生交变的感应电动势，从而获得交流电脉冲信号的输出。脉冲信号的变化频率f就是涡轮叶片通过永久磁铁的频率，它与涡轮的转速n成正比，为：

式中，f为磁电转换器输出的电脉冲频率；z为涡轮的叶片数目；n为涡轮转速。

转换器输出的电脉冲频率与被测流量qv之间的关系可表达为：

K为流量计的仪表常数，也称流量系数，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，一般通过实验标定的方法确定。7.3

涡轮流量计第7章流量测量2.涡轮流量计的基本特性a.线性特性:当涡轮流量计的仪表常数K是一恒定不变的常数时，被测流量qV与相应的脉冲信号频率f之间具有理想的线性关系；涡轮流量计的线性特性b.压力损失特性：当流体流经涡轮流量计推动涡轮转动时，需要克服各种阻力矩，因而产生压力损失。下图为涡轮流量计的压力损失特性图。7.3

涡轮流量计第7章流量测量7.3

涡轮流量计3.影响涡轮流量计测量结果的主要因素a.流体粘度的影响

涡轮流量计的仪表常数K与流体的粘度密切相关，随着流体（尤其指液体）粘度的增大，流量计的线性测量范围缩小。b.流体密度的影响

涡轮流量计是一种速度型流量计，它根据流体速度的大小测量流体的体积流量，流体推动涡轮旋转的过程实际上是将流体的动能转换为机械能的过程，也就是说，推动涡轮转动的力矩不仅与流体的流速成正比，还与流体的密度成正比。c.流体压力和温度的影响

当被测流体的压力和温度与流量计标定时的状态有较大偏离时，将使涡轮变送器的结构尺寸及其内部的流体体积发生变化，从而影响到流量计的特性。d.流动状态的影响

涡轮流量计的仪表特性直接受流体流动状态的影响，其中对涡轮变送器进口处的流速分布尤为敏感。第7章流量测量7.4

光纤流量计1.光纤差压式流量计光纤差压式流量计

光纤差压式流量计实质上也是一种节流式流量计，其特点是利用光纤传感技术检测节流元件前后的差压

p，原理如下图所示。第7章流量测量7.4

光纤流量计2.光纤膜片式流量计

光纤膜片式流量计的基本结构和工作原理如下图所示。这种流量计的工作原理是直接把流量信号转变为膜片上的位移信号，即流量越大，膜片受力而产生的向内挠曲变形（位移）越大，测量膜片的位移量就可以确定被测流量的大小。光纤膜片式流量计1—膜片2—引线孔3—光电元件4—光源5—Y形光源第7章流量测量7.4

光纤流量计3.光纤卡尔们（Karman）涡街流量计

光纤卡尔门涡街流量计与普通涡街流量计的主要不同之处在于它采用了光纤传感技术测量漩涡频率。

卡尔门涡街形成的情况：

流体流动的雷诺数ReD>5×103，则在漩涡发生体的下游会产生两列相互交替的内旋漩涡，该漩涡几乎与流体同速地向下游方向运动，形成一条街道形状，称为卡尔门涡街。第7章流量测量7.4

光纤流量计

若漩涡之间的距离为l，两涡街之间的距离为h，当h/l=0.281时，涡街是稳定的。大量实验表明，上述漩涡的频率f为

测量漩涡频率：流体振荡感测和压力变化感测Y型光纤压力传感器测量漩涡频率的装置示意图第7章流量测量7.5

超声波流量计1.基本原理超声波流量计特点：1.非接触测量，不扰动流体的流动状态，不产生压力损失。2.不受被测流体物理、化学特性（如粘度、导电性等）的影响。3.输出特性呈线性。

声波在顺、逆流中的传播

上图为超声波在流动介质的顺流和逆流中的传播情况。

下图为超声波在管道壁面之间的传播情况。超声波在管壁之间的传播第7章流量测量7.5

超声波流量计

图示中，超声波传播方向与管道轴线之间的夹角为

，传播速度cv为v和c的矢量和。通常c

v，故可认为

，即传播速度的大小为

同样可以推导，超声波在管壁间逆流传播的速度大小为第7章流量测量7.5

超声波流量计2.时间差法超声波流量计

下图为时间差法超声波流量计测量系统框图。安装在管道两侧的换能器交替发射和接收超声波，设超声波顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传播时间为t2，即有第7章流量测量7.5

超声波流量计由上，超声波顺流和逆流传播的时间差为：

则：

管道内被测流体的体积流量为：第7章流量测量7.6

电磁流量计1.基本原理基于法拉第电磁感应定律如下图所示，不导磁测量管布置在磁感应强度为B的磁场内，与磁场方向垂直；当作为导电体的液态流体以流速v通过测量管时，切割磁力线，在流动方向垂直方向上将产生与流体流量成正比的感应电动势，其表达式为：电磁流量计工作原理示意图

通过测量上述感应电动势就可以间接测得管中流体的体积流量Q，其结果为：第7章流量测量7.6

电磁流量计2.电磁流量计应用中的基础问题

为了保证电磁流量计测得的瞬时流量值与所产生的瞬时感应电动势成正比，应用上需要满足以下的条件：(1)管道内的磁感应强度B均匀分布；(2)管道内的被测流体是导电的，其电导率是均匀的，并且在一定范围内不受电场、磁场以及流体流动的影响；(3)被测流体是非磁性的，流动过程中充满管道且其速度呈轴对称分布；(4)测量管的内壁附上绝缘衬套。优点压力损失小可以用于测量脏污、腐蚀性的介质量程和口径的范围广响应速度快测量的精度高缺点不能测量那些电导率很低的流体只能对体积流量进行直接测量，无法对质量流量进行直接测量受到衬套材料的影响，不适用于测量高温高压或者低温性质的流体介质的流量抗外界电磁干扰的能力较差第7章流量测量7.7

质量型流量计1.冲量式固体粉粒流量计

尽管目前已经开发研究了多种固体粉粒流量的测量方法，如冲量法、充电法、摩擦生电法、相关法和热平衡法等，但目前技术上较为成熟、应用较多的只有冲量法。因此，本节只介绍基于冲量法的冲量式固体粉粒流量计。a.

基本原理

冲量法是基于动量（冲量）定理进行流量测量的方法，其相应的测量仪表称为冲量式流量计。

可见，通过测量检测板所受冲力F即可得到相应的被测流量qm。第7章流量测量7.7

质量型流量计冲量式流量计工作原理示意图1-检测板2-检测板轴3-固体粉粒4-输送机第7章流量测量7.7

质量型流量计b.基本组成和工作模式

冲量式流量计由检测器及流量显示、调节两大部分组成。位移型检测头结构原理图左图所示为位移型检测头的结构原理图。检测板所受冲力的水平分力使横梁产生平移，从而带动差动变压器中的铁芯产生位移。铁芯的位移正比于检测板上的水平分力，该水平分力正比于被测固体粉粒的质量流量。因此，差动变压器输出的电信号正比于被测固体粉粒的质量流量。第7章流量测量7.7

质量型流量计c.应用实例

下图所示为冲量式流量计的相关应用实例，a、b、c、d、e、f分别是塑料颗粒的定量给料装置、煤粉的高精度定量给料装置、水泥的间歇给料装置，以及比例配料和自动给料装置等。a）计测管理b）定量给料装置c）高精度定量给料装置d）间歇给料第7章流量测量7.7

质量型流量计e）比例配料e）自动给料第7章流量测量7.7

质量型流量计2.热式质量流量计

热式质量流量计是一种直接型质量流量计，它利用流体与热源（流体中加热的物体或测量管外加热体）之间的热量交换关系来测量流体流量，过去也称量热式流量计，当前主要用于测量气体流量。a.热分布式热式质量流量计热分布式热式质量流量计工作原理示意图

第7章流量测量7.7

质量型流量计b.侵入型热式质量流量计

如下图所示，两个热电阻分布置于管道内的流体中，一个热电阻用于测量流体温度T，另一个热电阻作为加热元件（以下称作加热电阻），加热电阻的温度TR高于流体温度T。浸入式热式质量流量计工作原理示意图第7章流量测量7.7

质量型流量计c.科氏力质量流量计

科氏力质量流量计的工作原理就是运用了科里奥利力现象，即流体质量流量对振动管振荡的调制作用机制。科里奥利力产生原理示意图

《热能与动力工程测试技术》·第4版思考题1、流量有哪几种表示方式？常用流量测量方法和流量计有哪些？各有什么特点？选用时应考虑哪一些主要因素？2、根据节流式流量计的工作原理和误差分析理论，说明为什么对同一节流式流量计测量流量的上下限比值有一定的范围要求？3、按照以下条件设计标准节流装置，并选配差压仪。（1） 被测流体：过热蒸汽，工作压力1.35MPa，工作温度550℃；（2） 流量范围：常用流量55kg/s，最大流量70kg/s，最小流量28kg/s；（3） 允许压力损失：6×104Pa;（4） 管道材料：20#新无缝钢管，内径233mm；（5） 管路情况：上游第一阻力件为全开闸阀；4、简述光纤流量计和超声波流量计的工作原理、特点及其发展趋势。第7章流量测量第8章液位测量《热能与动力工程测试技术》·第4版8.1差压式液位计8.2电容式液位计8.3电阻式液位计8.4光纤液位计8.5超声波液位计

第8章液位测量前言

本质上讲，液位测量是一门检测液体-液体、气体-液体或者固体-液体之间分界面的技术，它在工程中的实际应用很多，包括液位和相界面的连续监测、定点信号报警和控制等。在热能与动力工程领域，也包含十分典型的液位测量技术，例如，锅炉中汽包水位的测量和控制，低温介质（如液氦、液氢等）在容器中的液面位置监测与报警，还有内燃机中根据液面的变化来测定燃油消耗量、冷却液量等等。

本章主要介绍在热能与动力工程中应用较多的液位测量仪表，并简要介绍现代光纤传感技术在液位测量中的应用实例。8.1

差压式液位计

1.差压式液位计的基本原理

理论依据

实际应用时，差压式液位计的型式不尽相同，除了对差压信号测量方法不同外，还必须根据液体的特性和容器的结构采取不同的差压信号引出方式。

对于开口容器：

对于闭口容器：

第8章液位测量8.1

差压式液位计第8章液位测量8.1

差压式液位计

2.差压式液位计测量锅炉汽包水位

a.“水位-差压”转换原理

采用差压式液位计测量汽包水位时，实现水位和差压信号转换的装置叫做平衡容器，左图是双室平衡容器的工作原理图。

平衡容器的输出差压Δp0为式中，

s为汽包压力下饱和蒸汽的密度；

1为宽容器内的水的密度；

2为负压管内的水的密度。Δp0通常与液位计的零水位刻度相对应。第8章液位测量8.1

差压式液位计

假设汽包水位发生变化而偏离正常水位，汽包水位的变化量为ΔH，即变化后的汽包水位可表示为H=H0±ΔH，其中“+”表示汽包水位增高；“-”表示汽包水位降低。则平衡容器的输出差压Δp为

联立上述两式，可得第8章液位测量8.1

差压式液位计

b.平衡容器的结构与测量误差

为了消除或减小因汽包压力变动而造成的水位测量误差，可以采用具有压力补偿作用的中间抽头平衡容器，其工作原理如下图所示：1-汽包2-凝结水漏盘3-引出管4-泄水管5-下降管

可以推导出其输出差压与汽包水位之间的关系为

or

式中，

w-

s为汽包压力下饱和水和饱和蒸汽的密度差；

a-

w为室温下水和饱和水的密度差；L、l为平衡容器的结构尺寸。第8章液位测量8.1

差压式液位计

若将两密度差近似地描述为汽包压力的线性函数，即

则上述式可改为

式中，K1、K2、K3、K4、K5、K6均为常数，其中K5=LK1+lK3，K6=LK2+lK4，下图为根据该式设计的差压式汽包水位测量系统方框图。平衡容器与差压变送器加法器除法器压力变送器函数发生器1函数发生器2pK5-K6p-

pK5-K6p-

p

K1-K2pH=(K5-K6p-

p)/(K1-K2p)第8章液位测量8.2

电容式液位计

本节分别以导电液体和非导电液体为被测对象，主要介绍电容式液位传感器的基本工作原理。

1.测量导电液体的电容式液位传感器（导电率

10-2S/m的小粘度液体）

原理：传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位变化而变化，从而引起电容量变化。1-被测导电液体2-容器3-不锈钢棒4-聚四氟乙烯套管

左图为测量导电液体液位的可变电容传感器原理图。液位传感器电容0H第8章液位测量8.2

电容式液位计

2.测量非导电液体的电容式液位传感器（导电率

10-9S/m的液体、部分有机溶剂和液态气体）

原理：被测液体液位变化时可变电容传感器两电极之间充填介质的介电常数发生变化，从而引起电容量变化。1-被测的非导电液体2-容器3-不锈钢外电极

4-不锈钢内电极5-绝缘套

左图为测量非导电液体液位的可变电容传感器原理图。液位传感器电容0H第8章液位测量8.3

电阻式液位计

1.电接点液位计

原理：液体与其蒸汽之间导电特性（电阻值）的差异。下图为其原理图：1-汽包2-测量筒3-电接点位于测量筒内的电极4-电接点的绝缘子5-显示器6-电源7-电缆8-电接点的地极（公共极）第8章液位测量8.3

电阻式液位计优点液位指示除采用氖灯模拟显示外，还可以采用条形灯的双色模拟显示。可以将电接点浸没液体与否所表现的电阻“通-断”开关信号转换为“高-低”电位信号，从而实现数字显示。

电接点液位计优缺点缺点无法准确指示位于两相邻电接点之间的液位，即存在指示信号的不连续性的问题。测量筒内水柱的温降会造成筒内水位与汽包重力水位之间的偏差，因而应该对测量筒采取保温措施。第8章液位测量8.3

电阻式液位计

2.热电阻液位计

原理：通电的金属丝（以下简称热丝）与液、汽之间传热系数的差异及其电阻值随温度变化。下左右图分别为其热电阻液位计和定点式电阻液位计工作原理图：液汽21EAR0液汽～211-热丝2-导线1-热丝2-导线A-预定液位第8章液位测量8.4

光纤液位计