第8章流量測量

1、第八章第八章 流量的測量流量的測量 動能學(xué)院動能學(xué)院第一節(jié)第一節(jié): :流量及其測量儀表的概述流量及其測量儀表的概述一、流體與流量一、流體與流量 流體：流體：單相氣體、液體；氣液、氣固混合流體（燃油與空氣、水與蒸汽、空氣與煤粉） 瞬時流量：瞬時流量：單位時間內(nèi)通過某有效流通截面的流體數(shù)量；質(zhì)量流量qm（kg/s)和體積流量qv(m3/s)累計流量：累計流量：某一段時間間隔內(nèi)通過某有效流通截面的流體總量；累計流量除以相應(yīng)的時間間隔，則為該段時間內(nèi)的平均流量。平均流量。二、流量計的類型二、流量計的類型根據(jù)測量方法的不同，分三大類型：. .容積型流量計容積型流量計:單位時間內(nèi)被測流體充滿(或排出)某一

2、定容容積的次數(shù)。 qv= nV特點(diǎn)：特點(diǎn)：對測量結(jié)果影響小、精確度較高。適用于高黏度、低雷諾數(shù)的流體；但不能用于高溫、高壓、臟污流體 橢圓齒輪流量計、羅茨流量計、刮板式流量計等 . .速度型流量計速度型流量計:以流體一元流動的連續(xù)方程為理論依據(jù)，即當(dāng)流通截面確定時，流體的體積流量與截面上的平均流速成正比。特點(diǎn)：特點(diǎn)：可用于高溫、高壓流體；精度較高。但受流動條件（如雷諾數(shù)、渦流及截面上的流速的分布）的影響很大。差壓式流量計、轉(zhuǎn)子流量計、渦流流量計、電磁流量計和超聲波流量計等。. .質(zhì)量型流量計質(zhì)量型流量計:以測量與流體質(zhì)量有關(guān)的物理效應(yīng)為基礎(chǔ)，分直接式、推導(dǎo)式和溫度壓力補(bǔ)償三種。直接式質(zhì)量流量計

3、：直接式質(zhì)量流量計：利用與質(zhì)量流量直接有關(guān)的原理（牛頓第二定律）進(jìn)行測量。量熱式、角動量式、振動陀螺式、馬格努斯效應(yīng)式和科里奧利力式。推導(dǎo)式質(zhì)量流量計：推導(dǎo)式質(zhì)量流量計：同時測取流體的密度密度和體積流量體積流量，通過運(yùn)算而推倒出質(zhì)量流量的。由速度型流量計速度型流量計和密度計密度計組合而成。溫度壓力補(bǔ)償式質(zhì)量流量計：也是一種推導(dǎo)式式質(zhì)量流量計，利用溫度、壓力與密度之間的關(guān)系，將溫度、壓力的測量值轉(zhuǎn)換為密度，再與體積流量運(yùn)算。因連續(xù)測量溫度、壓力比聯(lián)系測量密度容易，因此都為該型。三、流量計的選用原則三、流量計的選用原則 根據(jù)被測介質(zhì)的性質(zhì)選擇 根據(jù)用途選擇 根據(jù)共況條件選擇第二節(jié)流速法測量流量第二

4、節(jié)流速法測量流量 實驗室常用的方法，不需要專門的流量計，利用皮托管或其它測速儀表測量出面積為的流通截面上的平均流速vm 。 qv= vmA第三節(jié)差壓式流量計第三節(jié)差壓式流量計一、測量原理與流量方程一、測量原理與流量方程 原理：原理：當(dāng)流體流經(jīng)管道中急劇收縮的局部截面時，將產(chǎn)生增速降壓的節(jié)流現(xiàn)象，流體的流速越大，節(jié)流壓降也越大，流量也越大。以這種節(jié)流現(xiàn)象作為流量測量依據(jù)的儀表以這種節(jié)流現(xiàn)象作為流量測量依據(jù)的儀表，稱為差壓式流量計差壓式流量計或或節(jié)流式流量計節(jié)流式流量計 差壓式流量計由節(jié)流裝置、差壓信號管道、差壓計三部分組成。 流體在細(xì)管中的流動形式可分為層流和紊流兩種。 所謂層流(laminar

5、 flow)就是流體在細(xì)管中流動的流線平行于管軸時的流動。 所謂紊流(turbulent flow)就是流體在細(xì)管中流動的流線相對混亂的流動。 利用雷諾數(shù)可以判斷流動的形式。如果雷諾數(shù)小于某一值時，可判斷為層流，而大于此值時則判斷為紊流。在層流流動狀態(tài)下，流速分布是以管軸為中心線的軸對稱拋物線分布。在紊流流動狀態(tài)下，管內(nèi)流速同樣是以管中心線軸對稱的分布，但是其分布呈指數(shù)曲線形式。 流量方程式流量方程式流動的連續(xù)性方程、伯努利方程 流動方程中有關(guān)系數(shù)的確定流動方程中有關(guān)系數(shù)的確定 流量系數(shù)流量系數(shù) 流量系數(shù)與節(jié)流元件的形式、取壓方法、直徑比（ =d/D）以及流動狀態(tài)（雷諾數(shù)ReD）等有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)流

6、量裝置的流量系數(shù) 是試驗求得的。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置：直徑比為定值，流量系數(shù) 只與ReD與有關(guān)。 ReD較小時， 隨ReD變化；當(dāng)增大到某一數(shù)值后， 趨向一定值，不變化，該值稱為原始流量系數(shù) 0 0 。所對應(yīng)的最小雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)Rec測量時：測量時：如 ReD Rec ，流量系數(shù) = 0 ，可根據(jù)的大小，在有關(guān)表格或公式中求取。如 ReD Rec 、管道粗燥或節(jié)流元件磨損等，應(yīng)對流量系數(shù) 修正 流體膨脹校正系數(shù)流體膨脹校正系數(shù) 可壓縮流體流經(jīng)節(jié)流元件時，壓力的變化將引起流體體積的變化 流體膨脹校正系數(shù)與節(jié)流元件前后的壓比、被測流體的等墑指數(shù) 及直徑比直徑比等有關(guān) 。 角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板

7、時角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板時，在p2/p1 0.75,50mm D 1000mm和0.22 0.8范圍內(nèi)： 法蘭取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板時法蘭取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板時，在p2/p1 0.75,50mm D 1000mm和0.1 0.75范圍內(nèi)： 對標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，對標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，在p2/p1 0.75,50mm D 1000mm和0.1 0.75范圍內(nèi)： 上述三式是根據(jù)空氣、水蒸氣和天然氣的試驗得出的，也適應(yīng)其他氣體。二、節(jié)流裝置除節(jié)流元件和取壓裝置外，還包括節(jié)流元件上下游阻力件及它們之間的直管段；分標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件：標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件：孔板、噴嘴、文丘里管、文丘里噴嘴非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件：非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件：雙重孔板、1/4圓噴嘴

8、和圓缺孔板 取壓方式：取壓方式：角接取壓、法蘭取壓、徑距取壓、理論取壓和管接取壓；角接取壓角接取壓、法蘭取壓法蘭取壓為標(biāo)準(zhǔn)取壓裝置 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定： 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流孔板節(jié)流孔板采用角接取壓、法蘭取壓方式； 角接取壓：角接取壓：D= 50mm1000mm、 =0.2 0.75、 ReD=500 107 法蘭取壓：法蘭取壓：D= 50mm760mm、 =0.1 0.75、 ReD=800 107 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴噴嘴采用采用角接取壓方式：角接取壓方式： D= 50mm760mm、 =0.32 0.8、ReD=2 104 107 常用的節(jié)流裝置常用的節(jié)流裝置文丘利管壓力損失最小，而孔板壓力損失最大。

9、文丘利管孔板 噴嘴三、差壓計三、差壓計 是差壓式流量計的信號檢測部分；按原理分：浮子式、環(huán)枰浮子式、環(huán)枰式、鐘罩式、雙管式、波紋管式、膜片式、電容式式、鐘罩式、雙管式、波紋管式、膜片式、電容式 波紋管式、膜片式、電容式結(jié)構(gòu)緊湊、測量精度高、自動化程度好，應(yīng)用廣泛。四、差壓式流量計測量結(jié)果的修正四、差壓式流量計測量結(jié)果的修正 流量系數(shù)流量系數(shù) 、流體膨脹校正系數(shù)的影響因素前面已經(jīng)敘述；下面只介紹開口尺寸開口尺寸d d、測流體密度測流體密度的影響的影響 1 1、節(jié)流元件開口尺寸、節(jié)流元件開口尺寸d d因溫度變因溫度變 化的修正化的修正2 2、被測流體密度、被測流體密度變化的修正變化的修正 引起流體

10、密度變化的主要因素：成分、溫度和壓力 對被測氣體，其工作狀態(tài)下的實際密度為：3 3、綜合修正系數(shù)、綜合修正系數(shù)第四節(jié)第四節(jié): :轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計一、原理：一、原理： 也叫浮子流量計浮子流量計。節(jié)流產(chǎn)生的壓差p=p1-p2對轉(zhuǎn)子施加一個向上的力，該力大于轉(zhuǎn)子的重量時，轉(zhuǎn)子向上移動，轉(zhuǎn)子與錐管內(nèi)壁之間的環(huán)形流通截面面積隨之逐漸增大，相應(yīng)截面上的流體流速下降，節(jié)流壓降逐漸減小，即轉(zhuǎn)子所受向上的力減小，至與轉(zhuǎn)子重量相等，流量的大小可以通過轉(zhuǎn)子在錐管中德高度位置變化來反映。二、流量方程二、流量方程 位于某高度h，處于受力平衡狀態(tài)，向上的力： 向下的力： 由受力平衡條件：Fu=Fd Fu=Fd 可得：

11、 通過管錐與轉(zhuǎn)子之間環(huán)形截面的流量： 或： 截面面積與轉(zhuǎn)子位置高度h關(guān)系： q qv v與高度與高度h h關(guān)系：關(guān)系： 轉(zhuǎn)子流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足：轉(zhuǎn)子流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足：D0=dzD0=dz的條件，的條件，所以：所以：三、轉(zhuǎn)子流量計的量程選擇和讀數(shù)修正三、轉(zhuǎn)子流量計的量程選擇和讀數(shù)修正轉(zhuǎn)子流量計的刻度一般是指流體在標(biāo)定準(zhǔn)狀態(tài)下的流量 液體流量值的修正方法：液體流量值的修正方法： 氣體流量值的修正：氣體流量值的修正：第五節(jié)第五節(jié): :渦輪流量計渦輪流量計一、構(gòu)造與原理一、構(gòu)造與原理 是一種典型的速度型流量計，它利用安裝于流動通道中的渦輪因葉片受流體流動的沖擊而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)速度來反映流體的流量。渦

12、輪流量變送器的結(jié)構(gòu)如圖 f=zn根據(jù)渦輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方程推出，渦輪的轉(zhuǎn)速n與被測流體的平均流速v成正比，即與被測流量的大小成正比： q qv v=f/k=f/k二、渦輪流量計的特性及其主要影響因素二、渦輪流量計的特性及其主要影響因素 渦輪流量計的特渦輪流量計的特性性 線性特性、壓力損失特性 線性特性線性特性 理想的K-qv曲線是一條平行于qv軸的直線，但由于流體水力特性的影響，再加上渦輪承受阻力矩的作用，使得實際的曲線具有高峰特性。其高峰值一般出現(xiàn)在流量計上限流量的20% 30%范圍。2 2、壓力損失特性、壓力損失特性流量越大，渦輪的轉(zhuǎn)速越高，相應(yīng)的慣性力矩和摩擦阻力矩也越大，引起的壓力損失增加

13、；流體的黏度越大，產(chǎn)生的粘滯阻力矩越大，壓力損失也就越大。壓力損失與體積流量之間的試驗關(guān)系曲線： 被測流體物性對流量計特性的影響被測流體物性對流量計特性的影響 流體黏度的影響流體黏度的影響 K與流體的粘度密切相關(guān)，隨流體粘度的增大，流量計的測量范圍縮小。 測量運(yùn)動黏度為1 10-6m2/s左右的輕質(zhì)油和其他介質(zhì)時，可獲滿意結(jié)果；測量運(yùn)動黏度大于大于1 10-6m2/s而小于小于15 10-6m2/s的液體時，K稍微高，但精度可以滿足要求；當(dāng)被測液體的運(yùn)動黏度大大于于15 10-6m2/s的液體時，誤差明顯增大，需重新標(biāo)定。 流體密度的影響流體密度的影響 是將流體的動能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程是將流體

14、的動能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程，即推動渦輪轉(zhuǎn)動的力矩不僅與流體的流速成正比，還與流體的密度成正比成正比。流體密度的變化會引起渦輪轉(zhuǎn)速的變化，引起測量誤差流體壓力和溫度的影響流體壓力和溫度的影響 當(dāng)被測流體的壓力和溫度與標(biāo)定時的狀態(tài)有較大偏差時，將使渦輪變送器的結(jié)構(gòu)尺寸及其內(nèi)部的流體體積發(fā)生變化，從而影響流量計的特性。 壓力引起渦輪變送器結(jié)構(gòu)尺寸變化的修正系數(shù)：壓力引起渦輪變送器結(jié)構(gòu)尺寸變化的修正系數(shù)： 溫度變化引起渦輪變送器結(jié)構(gòu)尺寸變化的修正系數(shù)：溫度變化引起渦輪變送器結(jié)構(gòu)尺寸變化的修正系數(shù)： 壓力變化引起渦輪變送器內(nèi)部流體體積變化的修正系數(shù)：壓力變化引起渦輪變送器內(nèi)部流體體積變化的修正系數(shù)： 溫度

15、變化引起渦輪變送器內(nèi)部流體體積變化的修正系數(shù)：溫度變化引起渦輪變送器內(nèi)部流體體積變化的修正系數(shù)： 在流體壓力和溫度變化的情況下，對流量的綜合修正公式：在流體壓力和溫度變化的情況下，對流量的綜合修正公式：流動狀態(tài)的影響流動狀態(tài)的影響第六節(jié)第六節(jié): :沖量式固體粉粒流量計沖量式固體粉粒流量計多種固體粉粒介質(zhì)的流量測量方法：沖量法沖量法、充電法、摩擦充電法、相關(guān)法和熱平衡法。一、沖量式流量計的工作原理一、沖量式流量計的工作原理基于動量定理動量定理進(jìn)行流量測量的方法。典型的是水平分力式流量計。被測固體粉粒自由落下到傾斜角為 的檢測板時，沖力：二、沖量式流量計的基本組成和實際應(yīng)用二、沖量式流量計的基本組

16、成和實際應(yīng)用組成：組成：由檢測器、流量流量顯示調(diào)節(jié)顯示調(diào)節(jié)兩部分組成檢測器檢測器：核心是檢測頭，由檢測板和變送器組成；檢測板接受被測固體粉粒的沖力，變送器將力轉(zhuǎn)換為位移信號或電信號。分位移檢測型和直接測力型：位移型檢測頭的結(jié)構(gòu)原理圖：第七節(jié)第七節(jié): :光纖流量計光纖流量計一、光纖差壓式流量計一、光纖差壓式流量計 是一種利用流體流動的是一種利用流體流動的節(jié)流現(xiàn)象進(jìn)行流量測量的儀進(jìn)行流量測量的儀表表。在節(jié)流元件前后分別。在節(jié)流元件前后分別安裝了一組敏感膜片和安裝了一組敏感膜片和型光導(dǎo)，型光導(dǎo)，膜片感受流體壓膜片感受流體壓力而產(chǎn)生位移力而產(chǎn)生位移，型光導(dǎo)型光導(dǎo)是一種光纖位移傳感器，是一種光纖位移傳感

17、器，它根據(jù)輸入輸出光強(qiáng)的相它根據(jù)輸入輸出光強(qiáng)的相對變化測量膜片位移的大對變化測量膜片位移的大小。而膜片位移與其所受小。而膜片位移與其所受的流體壓力成正比，即相的流體壓力成正比，即相對位移與節(jié)流元件的差壓對位移與節(jié)流元件的差壓 p成正比。二、光纖膜片式流量計二、光纖膜片式流量計 直接把流量信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟て系奈灰菩盘枺涣髁吭酱?，膜片受力產(chǎn)生的向內(nèi)彎曲變形越大，測量位移量來確定流量大小。膜片位移的測量采用Y型光纖傳感器。三、光纖卡門渦街流量計三、光纖卡門渦街流量計 卡門渦街：卡門渦街：在流體中插入一根桿狀物體時，如流體的雷諾數(shù)ReD 5 103，則在阻擋物的下游會出現(xiàn)兩列相互交替的內(nèi)旋漩渦。該漩渦幾乎與流體同時地向下游方向運(yùn)動，形成一條街道形狀，故稱為卡門渦街。只有當(dāng)h/l=0.281時所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的，渦街頻率f： 測量原理：測量原理： 采用Y型光纖壓力傳感器測量渦街頻率的；當(dāng)卡門渦街中德漩渦按左右交