第8章流量測量

第八章流量的測量

動能學(xué)院第一節(jié):流量及其測量儀表的概述一、流體與流量

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：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：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。二、流量計的類型根據(jù)測量方法的不同，分三大類型：１.容積型流量計:單位時間內(nèi)被測流體充滿(或排出)某一定容容積的次數(shù)。qv=nV

特點：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２.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：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。３.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)式和溫度壓力補償三種。

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：同時測取流體的密度和體積流量，通過運算而推倒出質(zhì)量流量的。由速度型流量計和密度計組合而成。

溫度壓力補償式質(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⑴根據(jù)被測介質(zhì)的性質(zhì)選擇⑵根據(jù)用途選擇⑶根據(jù)共況條件選擇第二節(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Ａ的流通截面上的平均流速vm。

qv=vmA第三節(jié)差壓式流量計一、測量原理與流量方程

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，稱為差壓式流量計或節(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(laminarflow)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(turbulentflow)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。⑴流量方程式流動的連續(xù)性方程、伯努利方程⑵流動方程中有關(guān)系數(shù)的確定①流量系數(shù)ɑ

流量系數(shù)ɑ與節(jié)流元件的形式、取壓方法、直徑比β（β=d/D）以及流動狀態(tài)（雷諾數(shù)ReD）等有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)流量裝置的流量系數(shù)ɑ

是試驗求得的。

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置：直徑比β為定值，流量系數(shù)ɑ

只與ReD與有關(guān)。ReD較小時，ɑ隨ReD變化；當(dāng)增大到某一數(shù)值后，ɑ趨向一定值，不變化，該值稱為原始流量系數(shù)ɑ0。所對應(yīng)的最小雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)Rec

測量時：如ReD≥Rec，流量系數(shù)ɑ=ɑ0

，可根據(jù)β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)ɑ

修正

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)ε與節(jié)流元件前后的壓比、被測流體的等墑指數(shù)κ及直徑比β等有關(guān)。角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板時，在p2/p1≥0.75,50mm≤D≤1000mm和0.22≤β≤0.8范圍內(nèi)：法蘭取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板時，在p2/p1≥0.75,50mm≤D≤1000mm和0.1≤β≤0.75范圍內(nèi)：

對標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，在p2/p1≥0.75,50mm≤D≤1000mm和0.1≤β≤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：孔板、噴嘴、文丘里管、文丘里噴嘴非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件：雙重孔板、1/4圓噴嘴和圓缺孔板

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、法蘭取壓為標(biāo)準(zhǔn)取壓裝置

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流孔板采用角接取壓、法蘭取壓方式；

角接取壓：D=50mm～1000mm、β=0.2～0.75、ReD=500～107

法蘭取壓：D=50mm～760mm、β=0.1～0.75、ReD=800～107

標(biāo)準(zhǔn)噴嘴采用角接取壓方式：

D=50mm～760mm、β=0.32～0.8、ReD=2×104

～107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。文丘利管孔板噴嘴三、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

流量系數(shù)ɑ、流體膨脹校正系數(shù)ε的影響因素前面已經(jīng)敘述；下面只介紹開口尺寸d、測流體密度ρ的影響1、節(jié)流元件開口尺寸d因溫度變化的修正2、被測流體密度ρ變化的修正

引起流體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、綜合修正系數(shù)第四節(jié):轉(zhuǎn)子流量計一、原理：也叫浮子流量計。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可得：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：qv與高度h關(guān)系：轉(zhuǎn)子流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足：D0=dz的條件，所以：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：氣體流量值的修正：第五節(jié):渦輪流量計一、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：qv=f/k二、渦輪流量計的特性及其主要影響因素

⑴渦輪流量計的特性

線性特性、壓力損失特性①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、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；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：⑵被測流體物性對流量計特性的影響①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；測量運動黏度大于1×10-6m2/s而小于15×10-6m2/s的液體時，K稍微高，但精度可以滿足要求；當(dāng)被測液體的運動黏度大于15×10-6m2/s的液體時，誤差明顯增大，需重新標(biāo)定。②流體密度的影響

是將流體的動能轉(zhuǎn)換為機械能的過程，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。流體密度的變化會引起渦輪轉(zhuǎn)速的變化，引起測量誤差⑶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)：

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)：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：⑷流動狀態(tài)的影響第六節(jié):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、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基于動量定理進(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θ的檢測板時，沖力Ｆ：二、沖量式流量計的基本組成和實際應(yīng)用組成：由檢測器、流量顯示調(diào)節(jié)兩部分組成檢測器：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):光纖流量計一、光纖差壓式流量計

是一種利用流體流動的節(jié)流現(xiàn)象進(jìn)行流量測量的儀表。在節(jié)流元件前后分別安裝了一組敏感膜片和Ｙ型光導(dǎo)，膜片感受流體壓力而產(chǎn)生位移，Ｙ型光導(dǎo)是一種光纖位移傳感器，它根據(jù)輸入輸出光強的相對變化測量膜片位移的大小。而膜片位移與其所受的流體壓力成正比，即相對位移與節(jié)流元件的差壓△p成正比。二、光纖膜片式流量計

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

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×