流量測量技術(shù)（行業(yè)知識）

1、現(xiàn)代檢測技術(shù)任課教師：林國余 TelEmail：Andrew.L陽山書屋2第八章 導(dǎo)言 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究試驗中，流量都是一個很重要的參數(shù)。例如，在石油化工生產(chǎn)過程自動檢測和控制中、對物料總量的計量、能源管理和經(jīng)濟核算等。 流量檢測儀表是發(fā)展生產(chǎn)、節(jié)約能源、提高經(jīng)濟效益和管理水平的重要工具。2陽山書屋3第八章 導(dǎo)言 大型化工企業(yè)中，流量是控制工藝過程和保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。3陽山書屋第八章 流量測量技術(shù)8.1 流量和流量計8.3 流量標(biāo)準(zhǔn)裝置8.2 流量測量儀表4陽山書屋8.1 流量和流量計流量和流量計1流體的物理性質(zhì)與管流基礎(chǔ)知識2流量測量方法與流量儀表的分類

2、355陽山書屋8.1 流量和流量計8.1.1 流量和流量計流量定義：單位時間內(nèi)流體(氣體、液體或固體顆粒等)流經(jīng)管道或設(shè)備某處橫截面的數(shù)量(瞬時流量)。體積流量：單位時間里通過橫截面的流體體積。質(zhì)量流量：單位時間里通過橫截面的流體質(zhì)量。6體積流量質(zhì)量流量6陽山書屋8.1 流量和流量計7平均流速累積流量體積流量和質(zhì)量流量關(guān)系7陽山書屋8.1 流量和流量計8.1.2 流體的物理性質(zhì)與管流基礎(chǔ)知識1、流體密度：單位體積流體所具有的質(zhì)量2、流體粘度：表示流體粘滯性的參數(shù)，反應(yīng)對流體 運動的阻礙程度。 牛頓粘性定律8牛頓流體非牛頓流體8陽山書屋8.1 流量和流量計3、流體的壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù) 流體的壓縮

3、性：在一定的溫度下，流體體積隨壓力增 大而縮小的特性 流體的膨脹性：在一定壓力下，流體的體積隨溫度升 高而增大的特性 壓縮系數(shù)： 膨脹系數(shù)：99陽山書屋8.1 流量和流量計4、管流類型：流體充滿管道截面的流動狀態(tài)類型 單項流和多相流；可壓縮和不可壓縮流體； 穩(wěn)定流和不穩(wěn)定流；層流與紊流。5、雷諾系數(shù)：流動的慣性力與粘滯力之比。ReD 判別流體狀態(tài)的準(zhǔn)則 管內(nèi)流體是層流（ReD 2320）1010陽山書屋8.1 流量和流量計6、流速分布與平均流速 流速隨流經(jīng)位置不同而不同； 圓形截面管內(nèi)流體 1）層流狀態(tài)時： 2）紊流狀態(tài)時：11圓管內(nèi)的流速分布11陽山書屋8.1 流量和流量計7、流體流動的連續(xù)

4、性方程和伯努利方程 （1）連續(xù)性方程 任取一管段，設(shè)截面、截面處的面積、流體密度和截面上流體的平均流速分別為A1、1、1和A2、2、2。 則： 1*1*A1 = 2*2*A21212陽山書屋8.1 流量和流量計 （2）伯努利方程 任取一管段，截面、截面處有：13g：重力加速度； Z1、Z2：截面和相對基準(zhǔn)線的高度；P1、P2：截面和上流體的靜壓力；1、2：截面和上流體的平均流速。13陽山書屋8.1 流量和流量計14動能壓力能勢能+流體能14陽山書屋8.1 流量和流量計15h1h215陽山書屋8.1 流量和流量計 實際流體在流動過程中，存在能量損耗，則實際流體的伯努利方程為：1616陽山書屋8.

5、1 流量和流量計8.1.3 流量測量方法與流量儀表的分類1、流量測量方法利用伯努利方程，通過測量流體差壓信號來反映流量的差壓式流量測量法；通過測量流體流速獲得流量的速度式流量測量法；利用標(biāo)準(zhǔn)小容積來連續(xù)測量流量的容積式測量；以測量流體質(zhì)量流量為目的的質(zhì)量流量測量法。1717陽山書屋8.1 流量和流量計2、流量儀表的主要技術(shù)參數(shù)流量范圍；量程和量程比；允許誤差和精度等級；壓力損失。1818陽山書屋8.2 流量測量儀表差壓式流量計1容積式流量計2速度流量計319質(zhì)量流量計419陽山書屋8.2 流量測量儀表8.2.1 差壓式流量計基本原理：基于流體在通過設(shè)置于流通管道上的流動阻力件時產(chǎn)生的壓力差與流

6、體流量之間的確定關(guān)系，通過測量差壓值求得流體流量。2020陽山書屋8.2 流量測量儀表1、節(jié)流式流量計211-節(jié)流元件 2-引壓管路3-三閥組 4-差壓計 結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，適應(yīng)性廣安裝要求嚴格，精度不高 21陽山書屋8.2 流量測量儀表2222陽山書屋8.2 流量測量儀表（1）測量原理及流量方程基本原理：流體流動的連續(xù)性 方程和伯努利方程23流體流經(jīng)節(jié)流件時壓力和流速變化(1)(2)23陽山書屋8.2 流量測量儀表24質(zhì)量流量：體積流量：不可壓縮流體24陽山書屋8.2 流量測量儀表25修正后質(zhì)量流量：修正后體積流量：式中： 流出系數(shù)C只能通過實驗確定，可查表求得。 25陽山書屋8.2 流

7、量測量儀表26通用質(zhì)量流量：通用體積流量：考慮到可壓縮流體在節(jié)流過程中流體密度變化 1 26陽山書屋8.2 流量測量儀表（2）節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置；非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的適用條件流體必須是牛頓流體，在物理學(xué)和熱力學(xué)上是均勻的、單相的，或者可認為是單相的流體 。流體必須充滿管道和節(jié)流裝置且連續(xù)流動，流經(jīng)節(jié)流件前流動應(yīng)達到充分紊流，流束平行于管道軸線且無旋轉(zhuǎn)，流經(jīng)節(jié)流件時不發(fā)生相變。流動是穩(wěn)定的或隨時間緩變的。2727陽山書屋8.2 流量測量儀表標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件的結(jié)構(gòu)形式標(biāo)準(zhǔn)孔板，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和文丘里管2828陽山書屋8.2 流量測量儀表29標(biāo)準(zhǔn)孔板 簡單，加工方便，價格便宜測量精度低，適用于潔凈流

8、體介質(zhì)，易變性29陽山書屋8.2 流量測量儀表30結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高測量精度高，壽命長，能測量污垢介質(zhì)30陽山書屋8.2 流量測量儀表31尺寸大，笨重，成本高測量精度高，能測量污垢介質(zhì)31陽山書屋8.2 流量測量儀表節(jié)流裝置的取壓方式理論取壓、角接取壓、法蘭取壓、徑距取壓、損失取壓32節(jié)流裝置的取壓方式32陽山書屋8.2 流量測量儀表測量管道條件測量管道截面應(yīng)為圓形節(jié)流件及取壓裝置安裝在兩圓形直管之間節(jié)流件附近管道的圓度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)中的具體規(guī)定滿足直管段的最小長度要求3333陽山書屋8.2 流量測量儀表非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置3434陽山書屋8.2 流量測量儀表（3）標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的計算流量計算根據(jù)測得的差壓

9、值計算被測介質(zhì)流量。設(shè)計節(jié)流裝置根據(jù)已知條件以及限制要求設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置（4）差壓計 工業(yè)生產(chǎn)中大多數(shù)采用差壓變送器 3535陽山書屋8.2 流量測量儀表2、皮托管流量計 彎成直角的雙層空心復(fù)合管，帶有多個取壓孔，能同時測量流體總壓和靜壓。36皮托管結(jié)構(gòu) 總壓和靜壓之差和被測流體的流速有關(guān)系 36陽山書屋8.2 流量測量儀表 頭部迎流方向開有小孔A，距頭部一定距離處開有若干垂直于流體流向的靜壓孔B，各孔所測靜壓在均壓室均壓后輸出。37皮托管測量原理 對于不可壓縮無粘性流體的穩(wěn)定流動，駐點處流速為：37陽山書屋8.2 流量測量儀表 對于一般流體， 存在壓縮修正系數(shù) ，并通過實驗獲得皮托管修正系數(shù)

10、 ：38多點測量 平均流速 流量38陽山書屋8.2 流量測量儀表39壓損小，價格低，適用中大管徑測量，潔凈空間和空氣處理領(lǐng)域，可測溫度較高的氣體、有顆粒的氣體，可測較高風(fēng)速。靜壓可達6bar，溫度最高可到650800，精度0.5%測量風(fēng)速和風(fēng)量時能保證2%精度。受流速分布影響大，計算復(fù)雜，難以實現(xiàn)在線測量。39陽山書屋8.2 流量測量儀表40 L型皮托管 CLY系列皮托管 40陽山書屋8.2 流量測量儀表3、均速管流量計 橫跨管道的中空多孔金屬管，測量原理與皮托管相同； 直接測量平均流速，精度高，測量簡單4141陽山書屋8.2 流量測量儀表42結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，價格便宜；準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性好；適

11、用于液體，氣體和蒸汽等多種流體以及高溫高壓介質(zhì)的流量測量。差壓信號較低；不適合臟污，有沉淀物的流體；優(yōu)點缺點42陽山書屋8.2 流量測量儀表43一體化智能均速管質(zhì)量流量計 均速管質(zhì)量流量計 43陽山書屋8.2 流量測量儀表4、轉(zhuǎn)子流量計（恒壓降變截面流量計） 節(jié)流元件前后差壓不變，面積變化44轉(zhuǎn)子流量計測量原理1、從下向上逐漸擴大的錐形管；2、置于錐形管中且可以沿管的中心線上 下自由移動的轉(zhuǎn)子 44陽山書屋8.2 流量測量儀表4545陽山書屋8.2 流量測量儀表46轉(zhuǎn)子流量計測量原理流量與轉(zhuǎn)子的高度h成近似線性關(guān)系46陽山書屋8.2 流量測量儀表4747陽山書屋8.2 流量測量儀表48轉(zhuǎn)子流量

12、計結(jié)構(gòu):玻璃管轉(zhuǎn)子流量計金屬管轉(zhuǎn)子流量計玻璃轉(zhuǎn)子流量計 48陽山書屋8.2 流量測量儀表4949陽山書屋8.2 流量測量儀表50塑管轉(zhuǎn)子流量計 分流式轉(zhuǎn)子流量計 50陽山書屋8.2 流量測量儀表51轉(zhuǎn)子流量計的刻度轉(zhuǎn)換 空氣 - 氣體流量標(biāo)定； 水 - 液體流量標(biāo)定； 測量流量時候，需要按照實際被測介質(zhì)的密度、溫度、壓力等參數(shù)進行刻度修正 液體介質(zhì) 氣體介質(zhì) 51陽山書屋8.2 流量測量儀表5、靶式流量計 適用于測量高粘度、低雷諾數(shù)的流量測量，如測量重油、瀝青、含固體顆粒的漿液及腐蝕性介質(zhì)的流量。 52 靶式流量計靶的受力 流速靶式流量計52陽山書屋8.2 流量測量儀表53流體對靶的作用力：

13、管道直徑為D，靶直徑為d，環(huán)隙通道面積為A，則流體體積流量： 設(shè)： 則： 53陽山書屋8.2 流量測量儀表54數(shù)顯靶式流量計 LKB靶式流量計 54陽山書屋8.2 流量測量儀表55結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝；壓力損失??；適用于測量含固體顆粒和粘性較大的流體安裝時候需要必要的直管段；優(yōu)點缺點55陽山書屋8.2 流量測量儀表6、彎道流量計可用于任何工藝管道流量測量彎管離心力 外側(cè)壁壓力， 內(nèi)側(cè)壁壓力 壓差 流量 56實用計算公式：56陽山書屋8.2 流量測量儀表57 57陽山書屋8.2 流量測量儀表8.2.2 容積式流量計 基本原理：機械測量元件分隔成固定容積排出計數(shù) 優(yōu)點：測量精度高，量程比寬，對直管段

14、無要求，適合 高粘度介質(zhì)測量 缺點：對被測流體中的污物較為敏感，且較為笨重 橢圓齒輪流量計，腰輪流量計，和刮板流量計等5858陽山書屋8.2 流量測量儀表1、橢圓齒輪流量計 59橢圓齒輪流量計59陽山書屋8.2 流量測量儀表6060陽山書屋8.2 流量測量儀表 橢圓齒輪每旋轉(zhuǎn)一周，流量計將排出4個半月形(測量室)體積的流體（4V） 累積流量： Q = 4NV N：轉(zhuǎn)數(shù) 單位時間內(nèi)的流量： qV = 4nv n：轉(zhuǎn)速6161陽山書屋8.2 流量測量儀表6262陽山書屋8.2 流量測量儀表2、腰輪流量計 腰輪流量計又稱羅茨流量計。 轉(zhuǎn)動過程中兩腰輪不直接接觸而保持微小的間隙。 具有運行磨損小，穩(wěn)定

15、性高優(yōu)點6363陽山書屋8.2 流量測量儀表6464陽山書屋8.2 流量測量儀表3、刮板式流量計 優(yōu)點：精度高，適用于含有機械雜質(zhì)的流體 缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高65轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和流速有關(guān)系，需要進行調(diào)整65陽山書屋8.2 流量測量儀表4、伺服式容積流量計 間隙和壓差容易產(chǎn)生測量誤差 是目前解決微小流量測量的最好儀表之一。66伺服電機轉(zhuǎn)動的快慢，隨流體入、出口壓力差的大小而改變。66陽山書屋8.2 流量測量儀表8.2.3 速度式流量計 基本原理：通過測量管道內(nèi)流體流動速度來測量流量67要求：流量計前后必須有足夠長的直管段或加裝整流器， 使得流速穩(wěn)定67陽山書屋8.2 流量測量儀表1、渦輪流量計（1

16、）工作原理與結(jié)構(gòu) 在定范圍內(nèi)，渦輪的轉(zhuǎn)速與流體的平均流速成正比。68除了磁電轉(zhuǎn)換方式，還可以用光電元件，霍爾元件等方式進行轉(zhuǎn)速測量。68陽山書屋8.2 流量測量儀表（2）流量方程 69葉片的切向速度：渦輪轉(zhuǎn)速69陽山書屋8.2 流量測量儀表70磁電轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的脈沖頻率：Z渦輪葉片的數(shù)目 體積流量方程：單位體積流量通過磁電轉(zhuǎn)換器所輸出的脈沖數(shù)流量轉(zhuǎn)換系數(shù)與流量的關(guān)系圖 70陽山書屋8.2 流量測量儀表（2）渦輪流量計的特點和使用優(yōu)點：測量精度高，復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好；量程范圍寬，量程比可達(1020):1,刻度線性；耐高壓，壓力損失較?。粚α髁孔兓磻?yīng)迅速，可測脈動流量；抗干擾能力強，信號便于遠傳

17、及與計算機相連。缺點：制造困難，軸承易磨損，壽命低成本高。適用場合：測量精度要求高、流量變化快的場合，還用作標(biāo)定其他流量的標(biāo)準(zhǔn)儀表。7171陽山書屋8.2 流量測量儀表7272陽山書屋8.2 流量測量儀表2、渦街流量計（1）工作原理 在流動的流體中放置一根非流線型柱形體(如三角柱、圓柱等)，稱之為漩渦發(fā)生體。當(dāng)流體沿漩渦發(fā)生體繞流時，會在漩渦發(fā)生體下游產(chǎn)生如圖所示不對稱但有規(guī)律的交替漩渦列，這就是所謂的卡門渦街。7373陽山書屋8.2 流量測量儀表7474陽山書屋8.2 流量測量儀表 馮.卡門對渦街的穩(wěn)定條件進行了研究，于1911年得到結(jié)論： 只有當(dāng)兩漩渦列之間的距離H和同列的兩漩渦之間的距離

18、L之比滿足下面的關(guān)系時，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的。7575陽山書屋8.2 流量測量儀表 實驗證明：在一定的雷偌數(shù)范圍內(nèi)，每一列漩渦產(chǎn)生的頻率 f 與漩渦發(fā)生體的形狀和流體流速 u 有確定的關(guān)系。76則體積流量為： 每一列漩渦產(chǎn)生的頻率； u流體流速； d直徑漩渦發(fā)生體的特征尺寸； St斯特羅哈爾數(shù)； D管道內(nèi)徑；A在漩渦發(fā)生體處的流通截面積。 76陽山書屋8.2 流量測量儀表（2）漩渦頻率的測量流體在下側(cè)產(chǎn)生漩渦，下側(cè)壓力 上側(cè)壓力流體在上側(cè)產(chǎn)生漩渦，上側(cè)壓力 下側(cè)壓力 交替壓力變化 流體脈動流動 電阻絲交替冷卻 阻值改變 脈沖信號77圓柱體渦街檢測器原理圖 77陽山書屋8.2 流量測量儀表流體

19、在下側(cè)產(chǎn)生漩渦，下側(cè)壓力 上側(cè)壓力流體在上側(cè)產(chǎn)生漩渦，上側(cè)壓力 下側(cè)壓力 交替壓力變化 流體脈動流動 電阻交替冷卻 阻值改變 橋路電壓改變78三角柱體渦街檢測器原理圖 78陽山書屋8.2 流量測量儀表（3）渦街流量計的特點優(yōu)點：測量精度較高；量程比寬，可達30:1；使用壽命長，壓力損失小，安裝與維護比較方便；測量幾乎不受流體參數(shù)變化的影響；易與數(shù)字儀表或計算機接口，對氣體、液體和蒸汽介質(zhì)均適用。缺點：流體流速分布情況和脈動情況將影響測量準(zhǔn)確度；流量計前后有足夠長的直管段。7979陽山書屋8.2 流量測量儀表8080陽山書屋8.2 流量測量儀表3、電磁流量計（1）工作原理 基本原理：法拉第電磁感

20、應(yīng)定律，導(dǎo)體作切割磁力線運動時會感應(yīng)電勢。81測量導(dǎo)電流體81陽山書屋8.2 流量測量儀表 導(dǎo)電液體在內(nèi)徑為D，磁場強度為B的導(dǎo)管內(nèi)以平均速度u流動時，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：82基本條件： 均勻磁場；非導(dǎo)磁管道；流速軸對稱分布；流體電導(dǎo)率均勻82陽山書屋8.2 流量測量儀表83電磁流量計的結(jié)構(gòu)83陽山書屋8.2 流量測量儀表8484陽山書屋8.2 流量測量儀表（2）電磁流量計的特點優(yōu)點：適用于含有顆粒、懸浮物等流體，以及腐蝕性介質(zhì)；流量測量范圍大，測量精度為0.5-1.5級；對直管段要求不高；電磁流量計的輸出與流量呈線性關(guān)系。反應(yīng)迅速，可以測量脈動流量。缺點：被測介質(zhì)必須是導(dǎo)電的液體；結(jié)構(gòu)較復(fù)雜

21、，成本較高；流速測量下限有一定限度，工作壓力受到限制。8585陽山書屋8.2 流量測量儀表4、超聲流量計 基本原理：流速不同會使超聲波在流體中傳播的速度發(fā)生變化，通過分析計算改變的超聲波信號，可以檢測到流體的流速，進而可以得到流量值。86主要介紹傳播速度差法和多普勒法86陽山書屋8.2 流量測量儀表（1）傳播速度法測量原理87 通過測量超聲波脈沖在順流和逆流傳播過程中的速度之差來得到到被測流體的流速。 時差法87陽山書屋8.2 流量測量儀表88 將時間差轉(zhuǎn)換為超聲波傳播的相位差 相差法超聲波脈沖： s(t) = Asin(t+0 )88陽山書屋8.2 流量測量儀表89測量順流和逆流時超聲脈沖的

22、循環(huán)頻率差 頻差法順流時：逆流時：脈沖循環(huán)頻差：89陽山書屋8.2 流量測量儀表90 上述測量獲得的流速u是超聲波傳播途徑上的平均流速，與截面平均流速是不相同的。 流量方程層流時：紊流時：90陽山書屋8.2 流量測量儀表（2）多普勒法測量原理91 多普勒效應(yīng) 從發(fā)射晶體T發(fā)射的超聲波束遇到流體中運動著顆粒或氣泡，再反射回來由接收晶體R接收。 發(fā)射信號與接收信號的多普勒頻率偏移與流體流速成正比。可以用于兩相流測量91陽山書屋8.2 流量測量儀表（3）超聲波流量計的特點與應(yīng)用優(yōu)點流體中不插入任何元件，對流速無影響，也沒有壓力損失用于任何液體，也能測量氣體的流量非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的

23、流體以及大管徑流量 量程比較寬輸出與流量之間呈線性缺點只能用于測量200以下的流體需要一定長度的直管段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高9292陽山書屋8.2 流量測量儀表9393陽山書屋8.2 流量測量儀表8.2.4 質(zhì)量式流量計94為什么需要質(zhì)量流量計?1. 在工業(yè)生產(chǎn)中，由于物料平衡，熱平衡以及儲存、經(jīng)濟核算等所需要的都是質(zhì)量，并非體積；2. 在測量工作中，常需將測出的體積流量，乘以密度換算成質(zhì)量流量，設(shè)備復(fù)雜，測量耗時；3. 密度隨溫度、壓力而變化，在溫度、壓力變化比較頻繁的情況下，難以達到測量的目的。 用質(zhì)量流量計來直接測量質(zhì)量流量，則無需再進行上述人工換算。 94陽山書屋8.2 流量測量儀表95 1、直接式 2、間接式質(zhì)量流量計大致分為兩大類：95陽山書屋8.2 流量測量儀表