华北理工自动检测技术讲义第4章 流量测量

第4章流量测量§4.1概述4.1.1流量的概念流量定义：指单位时间内流体(气体、液体或固体颗粒等)流经管道或设备某处横截面的数量，又称瞬时流量。体积流量：当流体以体积表示时称为体积流量;（4-1）质量流量：当流体以质量表示时称为质量流量。（4-2）V—体积；M—质量；t—时间；A—截面面积；ρ—流体的密度；平均流速：（4-3）u—流体在流过截面上各点的流速。体积流量和质量流量关系：（4-4）瞬时流量：单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即瞬时流量。累积流量：在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。（4-5）计量单位：体积流量的计量单位为米3／秒(m3／s)，质量流量的计量单位为千克／秒(kg／s)；累积体积流量的计量单位为米3(m3)；累积质量流量的计量单位为千克(kg)。工程上还使用的流量计量单位有：米3／时(m3／h)升／分(L／min)吨／小时(t/h)升(L)吨(t)等4.1.2流量计的分类1、流量测量方法大致可以归纳为以下几类：流量测量仪表种类繁多，其测量原理、结构特性、适用范围以及使用方法等各不相同。所以其分类可以按不同原则划分。按测量方法不同，流量仪表可分为速度式、容积式和质量式三类。（1）速度式流量计：以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。以测量管道内或明渠中流体的平均速度来求得流量。如节流式流量计（差压式孔板流量计、转子流量计）、涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声流量计等。（2）容积式流量计：以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。容积式流量计是利用机械测量元件把流体连续不断地分隔成单位体积并进行累加而计量出流体总量的仪表。如腰轮流量计、椭圆齿轮流量计、刮板流量计、活塞流量计等。（3）质量流量计：以测量流体流过的质量M为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。例如科里奥利质量流量计。2.流量仪表的主要技术参数(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)量程和量程比流量范围内最大流量与最小流量值之差称为流量计的量程。最大流量与最小流量的比值称为量程比，亦称流量计的范围度。(3)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，一般用最大相对误差和引用误差来表示。流量仪表的精度等级是根据允许误差的大小来划分的，精度等级有：0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5等。(4)压力损失压力损失的大小是流量仪表选型的一个重要技术指标。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。故希望流量计的压力损失愈小愈好。§4.2节流式流量计4.2.1差压式流量计差压式流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以及显示仪表所组成。图4-4差压式流量计组成1-节流元件2-引压管路3-三阀组4-差压计流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。节流装置就是在管道中放置的一个局部收缩元件,应用最广泛的是孔板,其次是喷嘴、文丘里管。1.测量原理及流量方程（4-13）p1、p2—截面1和2上流体的静压力；u1、u2—截面1和2上流体的平均流速；ρ1、ρ2—截面1和2上流体的密度D、d'—截面1和2上流束直径；图4-5流体流经节流件时压力和流速变化情况求出：（4-14）体积流量：（4-15）质量流量：（4-16）以实际采用的某种取压方式所得到的压差Δp来代替(p1-p2)的值;同时引入流出系数C（或流量系数α）对上式进行修正：（4-17）（4-18）对于可压缩流体，考虑到节流过程中流体密度的变化而引入流束膨胀系数ε进行修正采用节流件前的流体密度ρ，由此流量公式可更一般的表示为：（4-19）流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的。可以看出：要知道流量与压差的确切关系，关键在于α的取值。流量与压力差ΔP的平方根成正比。2.节流装置国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。采用标准节流装置进行设计计算时都有统一标准的规定、要求和计算所需要的通用化实验数据资料。(1)标准节流装置的适用条件a.流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是均匀的、单相的，或者可认为是单相的流体。b.流体必须充满管道和节流装置且连续流动，流经节流件前流动应达到充分紊流，流束平行于管道轴线且无旋转，流经节流件时不发生相变。c.流动是稳定的或随时间缓变的。(2)标准节流元件的结构形式①标准孔板标准孔板是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。结构简单，加工方便，价格便宜压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质，测量大管径高温高压介质时，孔板易变形。图4-6孔板示意图②标准喷嘴标准喷嘴是一种以管道轴线为中心线的旋转对称体，主要由入口圆弧收缩部分与出口圆筒形喉部组成，有ISAl932喷嘴和长径喷嘴两种型式。图4-7ISA1932喷嘴图4-8长径喷嘴③文丘里管文丘里管有两种标准型式：经典文丘里管与文丘里喷嘴。文丘里管压力损失最低，有较高的测量精度，对流体中的悬浮物不敏感，可用于污脏流体介质的流量测量，在大管径流量测量方面应用的较多。但尺寸大、笨重，加工困难，成本高，一般用在有特殊要求的场合。图4-9文丘里管(3)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:角接取压装置法兰取压装置图4-10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。(4)节流装置的选用①在加工制造和安装方面,以孔板为最简单,喷嘴次之,文丘里管最复杂。造价高低也与此相对应。实际上,在一般场合下,以采用孔板为最多。②当要求压力损失较小时,可采用喷嘴、文丘里管等。③在测量某些易使节流装置腐蚀、沾污、磨损、变形的介质流量时,采用喷嘴较采用孔板为好。④在流量值与压差值都相同的条件下,使用喷嘴有较高的测量精度,而且所需的直管长度也较短。⑤如被测介质是高温、高压的,则可选用孔板和喷嘴。文丘里管只适用于低压的流体介质。(5)节流装置的安装使用①必须保证节流装置的开孔和管道的轴线同心,并使节流装置端面与管道的轴线垂直。②在节流装置前后长度为两倍于管径(2D)的一段管道内壁上,不应有凸出物和明显的粗糙或不平现象。③任何局部阻力(如弯管、三通管、闸阀等)均会引起流速在截面上重新分布,引起流量系数变化。所以在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管。④标准节流装置(孔板、喷嘴),一般都用于直径D≥50mm的管道中。⑤被测介质应充满全部管道并且连续流动。⑥管道内的流束(流动状态)应该是稳定的。⑦被测介质在通过节流装置时应不发生相变。3.差压计差压计与节流装置配套组成节流式流量计。差压计经导压管与节流装置连接，接受被测流体流过节流装置时所产生的差压信号，并根据生产的要求，以不同信号形式把差压信号传递给显示仪表，从而实现对流量参数的显示、记录和自动控制。差压计的种类很多，凡可测量差压的仪表均可作为节流式流量计中的差压计使用。目前工业生产中大多数采用差压变送器。它们可将测得的差压信号转换为0.02-0.1MPa的气压信号和4-20mA的直流电流信号。4.2.2皮托管和均速管流量计1.皮托管皮托管是一根弯成直角的双层空心复合管，带有多个取压孔，能同时测量流体总压和静压。皮托管结构皮托管测量原理图4-11皮托管皮托管的工作原理可分析如下：皮托管头部迎流方向开有一个小孔A，称为总压孔，在距头部一定距离处开有若干垂直于流体流向的静压孔B，各孔所测静压在均压室均压后输出。设流动为不可压缩无粘性流体的稳定流动，驻点处流体的伯努利方程为（4-20）p1—驻点处流体总压p、u—分别为驻点处流体静压和流速ρ—流体密度。由此可以得该点的流速为：（4-21）考虑到实际测量情况与理论上的差别，引入皮托管系数α(数值由实验确定)对上式进行修正：（4-22）对于可压缩流体，考虑到压缩性的影响，实际流速计算公式为：（4-23）（1-ε）为流体可压缩性修正系数，对不可压缩流体ε=0。2.均速管流量计图4-12均速管原理均速管测量流速的原理与皮托管相同，体积流量可由下式确定：（4-24）4.2.3转子流量计转子流量计又称为浮子流量计，或面积流量计浮子流量计在测量过程中，始终保持节流件（浮子）前后的压降不变，而是通过改变流通面积来改变流量的仪表，所以被称为恒压降流量计。浮子流量计按其制造材料的不同，可分为玻璃浮子流量计和金属管浮子流量计两大类。玻璃浮子流量计结构简单、浮子位置清晰可见、刻度直观、成本低廉，一般只用于常温、常压下透明介质的流量测量。这种流量计只能就地指示，不能远传流量信号，多用于工业原料的配比计量金属管浮子流量计由于采用金属锥管，流量计工作时无法直接看到浮子的位置，需要用间接的方法给出浮子位置。因此，按其传输信号的方式不同金属管浮子流量计又可分为远传型和就地指示型两种。这种流量计多用于高温、高压介质，不透明及腐蚀性介质的流量测量除了能用于工业原料配比计量外，还能输出标准信号与记录仪和显示器配套使用计量累积流量。1．结构原理浮子流量计结构主要由一个向上扩张的锥形管和一个置于锥管中可以上下自由移动的浮子组成，如图4-13所示。流量计的两端用法兰连接或螺纹连接的方式垂直地安装在测量管路上，使流体自下而上地流过流量计，推动浮子在稳定工况下，浮子悬浮的高度与通过流量计的体积流量之间有一定的比例关系。所以，可以根据浮子的位置直接读出通过流量计的流量值，或通过远传信号方式将流量信号（即浮子的位置信号）远传给二次仪表显示和记录。为了使浮子在锥形管中移动时不致碰到管壁，通常采用如下两种方法。一种方法是在浮子上开几条斜的槽沟，流体流经浮子时，作用在斜槽上的力使浮子绕流束中心旋转以保持浮子工作时居中和稳定。另一种方法是在浮子中心加一导向杆或使用带棱筋的玻璃锥管起导向作用，使浮子只能在锥形管中心线上下运动，保持浮子稳定性。图4-13浮子流量计基本结构图4-14浮子流量计测量原理2．流量方程浮子流量计垂直地安装在测量管路中，当流体沿流量计的锥管自下而上地通过而使浮子稳定地悬浮在某一高度时（见图4-14），浮子主要受如下三个力的作用而处于平衡状态。流体流经浮子时，由于节流作用，使浮子上下游产生差压，该差压的大小和流体在浮子与锥形管壁间环形通道中的流速平方成正比，即（4-25）所以，迎面差压阻力为（4-26）浮子受到的浮力为（4-27）浮子自重W（4-28）式中——浮子迎流面积，m2；——流体介质重度，N/m3；——流体介质密度，kg/m3；——流体速度，m/s；C——阻力系数；——浮子体积，m3；——浮子重度，N/m3。显然，当浮子在流体中处于平衡时，有（4-29）即（4-30）所以（4-31）由式（4-31）可看出，不管浮子停留在什么位置，流体流过环形面积的平均流速是一个常数。由可知，在为常数情况下，体积流量与流通面积A成正比。环形流通面积A由浮子和锥形管尺寸确定，即（4-32）式中D——浮子所在处锥管内径，m；——浮子最大直径，m。设锥管的锥角为，零刻度处锥管内径为，则在浮子高度处（4-33）所以（4-34）如果锥管的锥角很小，使得，则可将一项忽略不计。这样流通面积A可以近似地表示为（4-35）所以体积流量为（4-36）式中，，为浮子流量计的流量系数。§4.3容积式流量计容积式流量计的工作过程是：流体不断地充满具有一定容积的某“计量空间”，然后再连续地将这部分流体送到出口流出，再一次测量中，将这些“计量空间”被流体充满的次数不断累加，乘上“计量空间”的体积，就可以得到通过流量计的流量总量。所以，容积式流量计是采用容积累加的方法获得流体总量的流量测量仪表。容积式流量计具有对上游流动状态变化不敏感，测量准确度高，可用于高黏度液体，并直接得到流体累计量等特点。在各工业部门，尤其在石油化工、贸易和轻工、食品等部门中得到了广泛的应用。4.3.1容积式流量计的测量原理容积式流量测量是采用固定的小容积来反复计量通过流量计的流体体积。所以，容积式流量计内部必须具有构成一个标准体积的空间，通常称其为“计量空间”或“计量室”。这个空间由仪表壳的内壁和流量计转动部分一起构成。容积式流量计的工作原理为：流体通过流量计，就会在流量计进出口之间产生一定的压力差。流量计的转动部分在这个压力差作用下将产生旋转，并将流体由入口排向出口。在这个过程中，流体一次次地充满流量计的“计量空间”，然后又不断地被送往出口。在给定流量计条件下，该计量空间的体积是确定的，只要测得转子的转动次数，就可以得到通过流量计的流体体积的累积值。设流量计的“计量空间”体积为，一定时间内转子转动次数为，则在该时间内流过的流体体积为（4-37）再设仪表的齿轮比常数为，其值由传递转子转动的齿轮组的齿轮比和仪表指针转动一周的刻度值所确定。若仪表的指示值为，它与转子转动次数的关系为（4-38）由式（4-37）和式（4-38）可得一定时间内通过仪表的流体体积与仪表指示值的关系为（4-39）4.3.2容积式流量计的结构为适应生产中对流量测量的各种不同介质和不同工作条件的要求，有各种不同形式的容积式流量计。其中，比较常见的有齿轮型、刮板型和旋转活塞型等三种形式。1.椭圆齿轮流量计这种流量计的壳体内装有两个转子，直接或间接地相互啮合，在流量计进口与出口之间的压差作用下产生转动。通过齿轮的转动，不断地将充满在齿轮与壳体之问的“计量空间”中流体排出。通过测量齿轮转动次数，可得到通过流量计的流量。图4-15所示为椭圆齿轮型容积流量计（也称奥巴尔容积流量计）的工作示意图。图4-15椭圆齿轮型容积流量计的工作示意图图4-16椭圆齿轮几何结构示意由图可见，该流量计由两个椭圆齿轮相互啮合进行工作，其工作过程简述如下。图4-15中表示流量计进口流体压力；表示出口流体压力，显然压力。在图4-15（a）中，下面转子虽然受到流体的压差作用，但不产生旋转力矩，而上面齿轮在两侧差压作用之下产生旋转力矩而转动。由于两个齿轮相互啮合，故各自以和为轴心按箭头方向旋转，同时上面的齿轮将半月形计量空间的流体排向出口。在此状态时，上齿轮为主动轮，下齿轮为从动轮。在图4-15（b）位置时，两个齿轮均在流体差压作用下产生旋转力矩，并在该力矩作用沿箭头方向继续旋转，转变到图4-15（c）所示位置。这时齿轮位置与图4-15（a）相反，下齿轮为主动轮,上齿轮为从动轮。下齿轮在进出口流体差压作用之下旋转，又一次将它与壳体之间的半月形“计量空间”中流体排出。如此连续不断，椭圆齿轮每转一周，就排出4份“计量空间”流体体积。因此，只要读出齿轮的转数，就可以计算出排出液体的量。参考图4-16，可计算出排出的流体总量V为（4-40）式中——齿轮的转动次数；——椭圆齿轮的长半轴，m；——椭圆齿轮的短半轴，m；——椭圆齿轮的厚度，m；——计量室的半径，m；——计量室的体积，m3。另一种齿轮型容积式流量计是腰轮容积流量计，也称罗茨容积流量计，如图4-17所示。其工作原理及工作过程与椭圆齿轮型基本相同。同样是依靠进、出口流体压力差产生运动，每旋转一周排出4份“计量空间”的流体体积量。所不同的是腰轮流量计的转子是一对不带齿的腰形轮，在转动过程中两腰轮不直接接触而保持微小的间隙，依靠套在壳体外的与腰轮同轴上的啮合齿轮来完成驱动。图4-17腰轮容积流量计示意上述两种容积式流量计，可用于各种液体流量的测量，尤其是用于油流量的准确测量。在高压力、大流量的气体流中也有应用。由于椭圆齿轮容积流量计直接靠测量轮啮合，因此对介质的清洁度要求较高，不允许有固体颗粒杂质通过流量计。2.刮板式流量计刮板式流量计也是一种常见的容积式流量计。在这种流量计的转子上装有两对可以径向内外滑动的刮板，转子在流量计进、出口差压作用之下转动，每转一周排出4份“计量空间”流体体积量。因此，只要测出转动次数，就可以计算出排出流体的体积。常见的凸轮式刮板流量计结构如图4-18所示。图中壳体内腔是一圆形空筒，转子也是一个空心圆筒形物体，径向有一定宽度，径向在各为90°的位置开4个槽，刮板可以在槽内自由滑动，四块刮板由两根连杆连接，相互垂直，在空问交叉。在每一刮板的一端装有一小滚珠，4个滚珠均在一固定凸轮上滚动使刮板时伸时缩，当相邻两刮板均伸出至壳体内壁时，就形成一“计量空间”的标准体积。刮板在计量区段运动时。只随转子旋转而不滑动，以保证其标准容积恒定。当离开计量区段时，刮板缩入槽内，流体从出口排出。同时，后一刮板又与其相邻的另一刮板形成第二个“计量空间”，同样动作。转子转动一周。排出4份“计量空间”体积的流体。图4-18凸轮式刮板流量计转子在流量计进、出口差压作用下转动，每当相邻两刮板进入计量区时均伸出至壳体内壁且只随转子旋转而不滑动，形成具有固定容积的测量室，当离开计量区时，刮板缩入槽内，流体从出口排出，同时后一刮板又与其另一相邻刮板形成测量室。转子旋转一周，排出4份固定体积的流体，由转子的转数就可以求得被测流体的流量。3.旋转活塞流量汁旋转活塞流量计又称环形活塞或摆动活塞式流量计，其结构原理如图4-19所示。（a）（b）（c）（d）1-进口；2-固定隔板；3-出口；4-轴；5-内圆筒；6-外圆筒；7-旋转活塞；8-内侧计量室；9-外侧计量室图4-19旋转活塞流量汁原理将一开口的环形旋转活塞7插人外圆筒6的内壁和内圆筒5的外壁所形成的环形区间中。在内外圆筒间有一固定隔板2，隔板左边是流量计进口1，隔板右边是流量计出口3。在未安装上旋转活塞前，进口与出口是相通的。安装上旋转活塞后，进口与出口就被旋转活塞和隔板隔开。在流量计进出口流体差压的作用下，旋转活塞7的中心轴4只能绕着内圆筒5沿箭头方向旋转，故旋转活塞在环形区间中只能摆动旋转，而不是真正的旋转。图4-19（a）所示状态，由旋转活塞7的外侧、外圆筒6内侧以及7的内侧和内圆筒5外侧构成的空间与流量计进口相通。在进口流体压力作用下，旋转活塞7沿箭头方向旋转到图4-19(b）所示状态时，7的内部空间充满流体，并与流量计进出口都不相通，形成一密封的“斗”空问，即内侧计量室8。此时旋转活塞7的左右外侧分别与流量计进出口相通，在进出口流体差压作用下，旋转活塞7将沿箭头方向继续旋转。到图4-19（c）所示状态时，内侧计量室中的流体已开始排向流量计出口。当继续旋转到图4-19(d)所示状态时，7的外部空间充满流体，并与流量计进出门都不相通，形成另一密封“斗”空间，即外侧计量室9。此时，旋转活塞7的左右内侧分别与流量计进出口相通，在进出口流体差压作用下，旋转活塞7将沿箭头方向继续旋转而回到图4-19(a)所示状态，并开始将外侧计量室中的流体排出流量计。当旋转活塞7贴着外圆筒内壁面旋转摆动一周，就有一个内侧计量室和一个外侧计量室的流体体积排向流量计出口，因此，只要将轴4的旋转通过齿轮机构传递到流量计指示机构就可实现流量的计量。旋转活塞式容积流量计具有流通能力较大的优点，它的不足是工作过程中会有一定的泄漏，所以准确度较低。4.4其他流量计4.4.1常见速度流量计1.涡轮流量计(1)工作原理与结构涡轮流量计是一种速度式流量仪表，它利用置于流体中的叶轮旋转角速度与流体流速成比例的关系，通过测量叶轮的转速来反映通过管道的体积流量大小，是目前流量仪表中比较成熟的高精度仪表。涡轮流量计由涡轮流量传感器和流量显示仪表组成，可实现瞬间流量和累积流量的计量。传感器输出与流量成正比的脉冲频率信号，该信号通过传输线路可以远距离传送给显示仪表，便于进行流量的显示。此外，传感器输出的脉冲信号可以单独与计算机配套使用，由计算机代替流量显示仪表实现密度、温度或压力补偿，显示质量流量或气体的体积流量。本类仪表适用于轻质成品油、石化产品等液体和空气、天然气等低黏度流体介质，通常用于流体总量的测量。涡轮流量传感器的结构如图4-20所示。它主要由仪表壳体1、前后导向架组件2和4，叶轮组件3和带信号放大器的磁电感应转换器6组成。当被测流体通过涡轮流量传感器时，流体通过导流器冲击涡轮叶片，由于涡轮叶片与流体流向间有一倾角，流体的冲击力对涡轮产生转动力矩，使涡轮克服机械摩擦阻力矩和流动阻力矩而转动。实践表明，在一定的流量范围内，对于一定黏度的流体介质，涡轮的旋转角速度与通过涡轮的流量成正比。所以，可以通过测量涡轮的旋转角速度来测量流量。涡轮的旋转角速度一般是通过安装在传感器壳体外的信号检测放大器用磁电感应的原理来检测转换的。当涡轮转动时，涡轮上由导磁不锈钢制成的螺旋形叶片依次接近和离开处于管壁外的磁电感应线圈，周期性地改变感应线圈回路磁阻，图4-20涡轮流量传感器结构原理使通过线圈的磁通量发生变化而产生与流量成正1-壳体组件；2-前导向架组件；3-叶轮组件；比的脉冲电信号。此脉冲信号经信号检测放大器4-后导向架组件；5-压紧圈；进行放大整形后送至显示仪表（或计算机）显示6-带放大器的磁电感应转换器流体流量或总量。(2)流量方程在某一流量范围和一定流体黏度范围内，涡轮流量计输出的信号脉冲频率与通过涡轮流量计的体积流量成正比。即（4-41）式中——涡轮流量计的仪表系数，1/或1/。在涡轮流量计的使用范围内，仪表系数应为常数，其数值由实验标定得到。仪表系数的意义是单位体积流量通过涡轮流量传感器时传感器输出的信号脉冲频率（或信号脉冲数）。所以，当测得传感器输出的信号脉冲频率或某一时间内的脉冲总数后，分别除以仪表系数（1/或1/），就可得到体积流量（/s或/s）或流体总量（或），即（/s或/s）（4-42）（或）（4-43）(3)涡轮流量计的特点和使用优点:其测量精度高,复现性和稳定性均好；量程范围宽，量程比可达(10～20):1,刻度线性；耐高压，压力损失；对流量变化反应迅速，可测脉动流量；抗干扰能力强，信号便于远传及与计算机相连。缺点:制造困难，成本高。场合:通常涡轮流量计主要用于量精度要求高、流量变化快的场合，还用作标定其他流量的标准仪表。2.涡街流量计(1)涡街流量计原理把一个非流线型阻流体（BluffBody）垂直插入管道中，随着流体绕过阻流体流动，产生附面层分离现象，形成有规则的旋涡列，左右两侧旋涡的旋转方向相反，如图4-21所示，这种旋涡称为卡门涡街。研究表明，这些涡列多数是不稳定的，只有形成相互交替内旋的两排涡列，且涡列宽度与同列相邻的两旋涡的间距之比为0.281（对圆柱形旋涡发生体）时这样的涡列才是稳定的。产生的旋涡分离的阻流体称为旋涡发生体。涡街流量计是根据旋涡脱离旋涡发生体的频率与流量之间的关系来测量流量的仪表。（a）圆柱体（b）等边三角形柱体图4-21涡街的发生情况根据卡门涡街原理，单侧旋涡频率和旋涡发生体两侧流速间有如下关系：（4-44）式中——旋涡发生体的迎流面最大宽度，m；——斯特劳哈尔数，无量纲。在以为特征尺寸的雷诺数的一定范围内，为常数。因此，当柱体的形状、尺寸决定后，可根据式（4-44）通过测定来测定旋涡发生体两侧的流体流速。根据流体流动连续性原理可得（4-45）式中——旋涡发生体两侧流通面积，；——管道流通面积，；——管道截面上流体平均速度，m/s。定义截面比，则由式（4-44）和式（4-45）可得，则瞬时体积流量为（4-46）式中——管道内经，m。对于圆柱体旋涡发生体，可以计算得（4-47）当时，，，则有。式（4-47）即为涡街流量计的流量方程。其仪表系数为（4-48）式中——通过流量计的体积流量，；——流量计输出的信号频率，；——涡街流量计仪表系数，。式（4-48）说明，在斯特劳哈尔数为常数的基础上，通过涡街流量计的体积流量与旋涡频率成正比。仪表系数仅与旋涡发生体几何参数有关，而与流体物性和组分无关。(2)漩涡频率的测量图图4-22三角柱涡街检测器图为三角柱体涡街检测器原理示意图，在三角柱体的迎流面对称地嵌入两个热敏电阻组成桥路的两臂，以恒定电流加热使其温度稍高于流体，在交替产生的漩涡的作用下，两个电阻被周期地冷却，使其阻值改变，阻值的变化由桥路测出，即可测得漩涡产生频率，从而测出流量。(3)涡街流量计的特点优点:涡街流量计测量精度较高；量程比宽,可达30:1；使用寿命长，压力损失小，安装与维护比较方便；测量几乎不受流体参数变化的影响，用水或空气标定后的流量计无须校正即可用于其它介质的测量；易与数字仪表或计算机接口,对气体、液体和蒸汽介质均适用。缺点:流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度，因此适用于紊流流速分布变化小的情况，并要求流量计前后有足够长的直管段。3.电磁流量计(1)测量原理和结构根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端将产生感应电动势，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度，导体在磁场内的有效长度及导体垂直于磁场的运动速度成正比。如果、和三者互相垂直，则图4-23电磁流量计原理简图（4-49）如图4-23所示，如果在磁感应强度为的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为D得不导磁管道，当导电液体在管道中以流速运动时，导电液体就切割磁力线，如果在管道截面垂直于磁场的直径两侧安装一对电极，则可以证明，只要管道内流速分布为与轴对称分布，则两电极间将产生感生电势，即（4-50）式中——管道截面上的平均流速，m/s；D——测量管直径，m；——常系数，无量纲；B——磁感应强度，T。由此可得通过管道的体积流量（4-51）由式（4-51）可知，当测量管结构一定时，体积流量与成正比，而与流体的状态和物性参数无关，测量比值即可得到体积流量值。当磁感应强度为恒定值时，体积流量与感生电势成正比。电磁流量计的结构如图所示：图4-24电磁流量计结构(2)电磁流量计的特点及应用优点：压力损失小，适用于含有颗粒、悬浮物等流体的流量测量；可以用来测量腐蚀性介质的流量；流量测量范围大；流量计的管径小到1mm，大到2m以上；测量精度为0.5-1.5级；电磁流量计的输出与流量呈线性关系；反应迅速，可以测量脉动流量。缺点：被测介质必须是导电的液体，不能用于气体、蒸汽及石油制品的流量测量；流速测量下限有一定限度；工作压力受到限制。结构也比较复杂，成本较高。4.超声波流量计超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。图4-25超声测速原理根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。超声流量计和电磁流量计一样,因仪表流通通道未设置任何阻碍件,均属无阻碍流量计,是适于解决流量测量困难问题的一类流量计,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点,近年来它是发展迅速的一类流量计之一。(1)传播速度法测量原理①时差法时差法就是测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差。流体流速（4-52）t1-按顺流方向，超声波到达接收器时间t2-按逆流方向，超声波到达接收器时间②相差法相位差法是把上述时间差转换为超声波传播的相位差来测量。超声波换能器向流体连续发射形式为s(t)=Asin(ωt+ψ0)超声波脉冲，式中ω为超声波的角频率。（4-53）为按顺流方向发射时收到的信号相位和按逆流方向发射时收到的信号相位。③频差法频差法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频率之差来测量流量的。顺流时脉冲循环频率：（4-54）逆流时脉冲循环频率：（4-55）脉冲循环频差：（4-56）流体流速:（4-57）流量方程:截面平均流速ū和流速u的关系：层流：u=4ū/3紊流：u=kū流体的体积流量方程为：