流體機械測試技術3

3.1概述3.2渦輪流量計3.3電磁流量計

3.4超聲波流量計

3.5其它流量計第3章流量測量3.1概述1.流量的定義

流量是單位時間內(nèi)流過過流通道某一截面的流體數(shù)量（體積或者質(zhì)量），亦稱為瞬時流量，簡稱為流量。質(zhì)量流量：單位時間內(nèi)流過過流通道某一截面的流體質(zhì)量，用QM表示，單位kg/s。

體積流量：單位時間內(nèi)流過過流通道某一截面的流體體積,用Qv表示，常用無角標Q表示，單位m3/s。

質(zhì)量流量與體積流量的關系為2.流量的測量方法及流量計分類

測量方法：依據(jù)流體運動參數(shù)（如流速、動量）所造成的物理效應。

流量計分類：容積法、速度法、質(zhì)量法。

（1）容積法：通過測量單位時間內(nèi)經(jīng)過流量儀表排出流體固定容積的數(shù)目來實現(xiàn)。若單位時間內(nèi)排出流體的固定容積V的數(shù)目為N，則液體的體積流量Q=NV。

常見的有：橢圓齒輪流量計濕式氣體流量計、腰輪流量計刮板式流量計。

（a）橢圓齒輪流量計1-外殼;2-橢圓形轉(zhuǎn)子;3-計量室（b）濕式氣體流量（c）腰輪流量計1-腰輪;2-定位齒輪；3-計量室;4-腰輪（d）刮板式流量計

1-凸輪;2-殼體;3-刮板；4-滾子;5-轉(zhuǎn)子;6-擋板（2）質(zhì)量法

通過直接或間接的方法測量單位時間內(nèi)流過流道截面的流體質(zhì)量數(shù)。這類流量計以測量與流體質(zhì)量流量有關參數(shù)的物理效應為基礎，分為：

直接式推導式溫度壓力補償式（a）雙渦輪質(zhì)量流量計

1-前渦輪;2-彈簧;3-后渦輪;4-磁電檢測裝置（b）推導式質(zhì)量流量計

速度式流量計與密度計組合的質(zhì)量流量計

可看成是一種推導式質(zhì)量流量計，只是它不用密度計，而是利用溫度、壓力和密度之間的關系，將溫度、壓力的測量值轉(zhuǎn)化為密度，再與體積流量進行運算而得到質(zhì)量流量。由于連續(xù)測量溫度、壓力比連續(xù)測量密度容易，因此，目前工業(yè)上所用的推導式質(zhì)量流量計大多屬于溫度壓力補償式。（c）溫度壓力補償式質(zhì)量流量計3.速度法

當被測流體通過裝在管道內(nèi)的渦輪葉片時，渦輪受流體的作用而旋轉(zhuǎn)，將流量轉(zhuǎn)換成渦輪的轉(zhuǎn)速，在量程范圍內(nèi)渦輪的轉(zhuǎn)速與流量成正比。所得的渦輪轉(zhuǎn)速先由磁電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，然后再經(jīng)前置放大器放大由顯示儀表顯示和計數(shù)。根據(jù)單位時間內(nèi)脈沖數(shù)或累計的脈沖數(shù)來反映出瞬時流量或累計流量，其系統(tǒng)框圖如圖所示。1.工作原理3.2渦輪流量計渦輪流量計是由渦輪流量變送器和顯示儀表組成.

1-整流板;2-軸承;3-渦輪;4-殼體;5-磁電轉(zhuǎn)換裝置

6-前置放大器;7-累積流量計算器;8-瞬時流量指示儀表2渦輪流量計結(jié)構(gòu)渦輪流量計系統(tǒng)框圖磁電轉(zhuǎn)換裝置與前置放大器制成一體，在這里除了顯示儀表外，系統(tǒng)的其余部分稱為渦輪流量變送器。3.流量方程

當通過渦輪的流量不變時，即渦輪做勻角速度旋轉(zhuǎn)。通過渦輪的流量方程為令得

盡管通徑相同的渦輪流量計的設計尺寸相同，但實際加工出來的渦輪幾何參數(shù)卻不會完全一樣，因而每臺渦輪流量計的儀表常數(shù)也不完全一樣，它通常是制造廠在常溫下用清潔的水標定出來的。儀表常數(shù)3.流量方程4.安裝要求

(1)渦輪流量變送器要水平安裝，變送器上的流向標志應與流體的流動方向一致。

(2)為了減少流體自旋的影響，變送器的前后要裝有與它口徑相同直管段或整流器，上游直管段長L1≥12，下游直管段長L2≥5，這里是流量計的公稱通徑。

(3)變送器與前后直管段要同軸安裝，密封墊不允許突入管內(nèi)。

(4)如果被測介質(zhì)中含有雜質(zhì)，則在直管段前還應裝過濾器，以避免變送器的軸承和葉片損壞。如介質(zhì)中混有游離氣體，則還應裝消聲器。

(5)變送器的輸出信號要用屏蔽電纜，并保證良好接地。

3.3電磁流量計

電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應定律制成的一種導電液體體積流量儀表可以測量各種腐蝕性介質(zhì)：酸、堿、鹽以及帶有懸浮顆粒的漿液。被測介質(zhì)在測量管內(nèi)流動，由于沒有阻滯部件，所以沒有壓力損失。由于只能測量導電液體，因此對于氣體、蒸汽以及含大量氣泡的液體，或者導電率低的液體不能測量。由于測量管內(nèi)襯材料一般不宜高溫下工作，所以目前的電磁流量計還不能測量高溫介質(zhì)。1.工作原理

它由電磁流量變送器和電磁流量轉(zhuǎn)換器組成。

電磁流量變送器安裝在流體傳輸管道上，用來將導電液體的流速（流量）線性地變換成感應電勢信號。

電磁流量轉(zhuǎn)換器向變送器提供工作磁場的勵磁電流，并接受感應電勢信號，將感應電勢信號進行放大、處理并轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的、標準的電流信號、電壓信號、頻率信號以及數(shù)字通訊信號。2.結(jié)構(gòu)簡介電磁流量計測量系統(tǒng)組成圖

1-測量管;2-外殼;3-電極;4-磁軛;5-馬鞍形磁激線圈;6-內(nèi)襯電磁流量計結(jié)構(gòu)

測量管處于磁場中，是一兩端有法蘭的直管，導電液體從測量管內(nèi)流過。測量管必須承受流體介質(zhì)的工作壓力，同時還擔負著對測量電極的靜電屏蔽的任務。因此，一般測量管材質(zhì)都采用耐酸鋼管，耐熱耐酸不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）

絕緣襯里的目的是防止感應信號電壓被金屬管短路，可見絕緣襯里在電磁流量計應用中的作用十分重要。襯里材料有聚氯乙烯、橡膠、聚氨酯橡膠、工業(yè)陶瓷等

電極是電磁流量計拾取流量信號的部件。在測量過程中，只有它和接地環(huán)（或稱接液環(huán)）、接地電極與被測介質(zhì)接觸。電極材料必須使用非導磁材料。電磁流量計結(jié)構(gòu)3.

流量方程

當導電液體以速度流過管道時，便切割磁力線，在電極上產(chǎn)生感應電動勢，其方向由右手定則判斷，其大小為被測介質(zhì)的體積流量Q為如果交流磁場的磁感應強度為

則被測體積流量為

由上式可知，當流量計管徑和磁場強度一定時，體積流量與感應電動勢成正比。3.

流量方程

電磁流量計的工作原理是流動的流體切割磁力線而感應出電動勢，通過測電動勢的方法來測流體流量，因此產(chǎn)生磁力線的磁場至關重要。磁場強度不但要強，而且還要恒定、均勻，通常用三種勵磁方式產(chǎn)生磁場：直流勵磁、交流勵磁低頻方波勵磁。

4.勵磁方式（1）直流勵磁

優(yōu)點是交流電磁場干擾影響很小，因而可以忽略液體中的自感現(xiàn)象的影響。

缺點使用直流磁場易使通過測量管道的電解質(zhì)液體被極化，即電解質(zhì)在電場中被電解，產(chǎn)生正負離子。在電場力的作用下，負離子跑向正極，正離子跑向負極，如圖3.11所示。這樣，將導致正負電極分別被相反極性的離子所包圍，嚴重影響儀表的正常工作。所以，直流勵磁一般只用于測量非電解質(zhì)液體，如液態(tài)金屬等。4.勵磁方式（2）交流勵磁

目前，工業(yè)上使用的電磁流量計，大都采用工頻(50Hz)電源交流勵磁方式，即它的磁場是由正弦交變電流產(chǎn)生的，所以產(chǎn)生的磁場也是一個交變磁場。交變磁場變送器的主要優(yōu)點是消除了電極表面的極化干擾。另外，由于磁場是交變的，所以輸出信號也是交變信號，放大和轉(zhuǎn)換低電平的交流信號要比直流信號容易得多。但是，交變的磁通會產(chǎn)生干擾電動勢，它和信號電勢頻率相同，相位差900，故叫它正交干擾或900干擾。嚴重時，干擾電動勢信號電勢造成儀表無法工作。4.勵磁方式（3）低頻方波勵磁

20世紀70年代人們開始采用低頻方波勵磁方式，它的勵磁電流波形如圖所示。其頻率通常為工頻的1/2～1/4。從圖可見，在半個周期內(nèi)，磁場是恒穩(wěn)的直流磁場，它具有直流勵磁的特點，受電磁干擾影響很小。從整個時間過程看，方波信號又是一個交變的信號，所以它能克服直流勵滋易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。因此，低頻方波勵磁是一種比較好的勵磁方式，目前已在電磁流量計上廣泛的應用。4.勵磁方式5.安裝要求

(1)變送器可垂直、水平安裝，但應保證液體充滿測量導管的條件，以防止由于測量導管內(nèi)沒有液體而指針不在零位造成的錯覺。最好垂直安裝，使液體自下而上流經(jīng)儀表，如不能垂直安裝時，也可水平安裝，但要使兩電極處于同一水平面上。當被測介質(zhì)中固體顆粒多時，應垂直安裝，使襯里不受磨損（水平安裝會造成局部磨損）。

(2)電磁流量計信號較弱，滿量程時僅2.5～8mV，流量很小時，僅幾個微伏，外界略有干擾就會影響測量精度。因此，變送器外殼、屏蔽線、測量導管以及變送器兩端管道都要接地，并要單獨設置接地點，絕不能連接在電機、電器等公用地線或上下水管道上。轉(zhuǎn)換器部分已通過電纜線接地，故勿再行接地，以免因地電位不同而引入干擾。

(4)信號電纜要用說明書中規(guī)定的屏蔽電纜，不得用其它電纜代用。信號線和勵磁線要分開敷設，并避免兩者并排，尤其要注意遠離動力電纜。信號線越短越好，轉(zhuǎn)換器應盡量接近變送器。

(5)變送器和轉(zhuǎn)換器必須使用同一電源，否則由于檢測信號和反饋信號相差負1200相位，致使儀表不能正常工作。

(6)為了保證變送器內(nèi)液流穩(wěn)定，變送器前后都裝有與它口徑相同的一段直管段。一般進口直管段長L1≥5，出口直管段長L2≥

(2～3)，這里是流量計的公稱通徑。

(3)變送器安裝地要遠離一切磁源（如大功率電機、變壓器等），不能有振動.5.安裝要求3.4超聲波流量計3.4超聲波流量計超聲波流量計是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的儀表，如果在現(xiàn)場配以溫度、壓力儀表，經(jīng)過密度補償，還可以求得質(zhì)量流量。

超聲波流量計主要由安裝在測量管道上的換能器（或由換能器和測量管道組成的超聲波傳感器）和轉(zhuǎn)換器組成，換能器和轉(zhuǎn)換器之間由專門信號電纜連接，如圖所示。1.工作原理2.超聲波流量計系統(tǒng)組成

超聲波流量計根據(jù)其測量原理分為傳播速度差法和多普勒頻移法，其中傳播速度差法又可分為時差法、相位差法和頻差法。但是，目前最常用的測量方法主要有時差法和多普勒頻移法兩種。

傳播速度差法又按照換能器的布置方式的不同，分為：Z法(透過法)、V法(反射法)、X法(交叉法)，見圖。3.分類4.時差法超聲波流量計

超聲波在流體中的傳播速度，順流方向和逆流方向是不一樣的，其傳播的時間差和流體的流速成正比。所以，只要測出了超聲波在兩個方向上傳播的時間差，可知道流體的流速，再乘上管道面積，便可得流體的流量。

4.時差法超聲波流量計

上式表明，只要測出了時間差Δt，便可算出流速v（1）流速方程

傳播速度法所測量和計算的流速是聲道上的線平均流速，而計算流量所需是流道橫截面的面平均流速，二者的數(shù)值是不同的，其差異取決于流速分布狀況。因此，必須用一定的方法對流速分布進行補償。此外，對于換能器夾裝在測量管外壁的夾裝式，還必須對折射角受溫度變化進行補償，才能精確地測得流量。體積流量為4.時差法超聲波流量計（2）流量方程5.

多普勒頻移法超聲波流量計

多普勒頻移法超聲波流量計測量流量的一個必要條件是被測流體介質(zhì)應是有一定數(shù)量能反射聲波的固體顆?；驓馀莸葍上嘟橘|(zhì)，這個工作條件實際上也是它的一大優(yōu)點，即這種流量測量方法適宜對兩相流的測量，這是其它流量計難以解決的問題。發(fā)射換能器發(fā)射出的超聲波信號，則會被隨流體運動的固體顆粒或氣泡等散射體散射，散射出來的聲波信號的頻率和發(fā)射聲波信號的頻率是不一樣的，即會產(chǎn)生多普勒頻移，頻移量與流體流速成正比。（1）流速方程

發(fā)射換能器A向流體發(fā)出頻率為f1的連續(xù)超聲波，經(jīng)照射域內(nèi)液體中懸浮顆粒或氣泡等散射體的散射，散射的超聲波產(chǎn)生多普勒頻移，接收換能器B收到頻率為f2的超聲波，其頻率差為Δf，管道流速為

實際上，多普勒照射域內(nèi)的散射物速度是參差不一的，它們和流體的平均速度也是有別的。此外，散射體的稀密程度、分布狀況以及顆粒或氣泡的大小都會隨機變化，所以多普勒頻移法流量計測得的流體流量誤差較大。由于所測得的流速是各散射體的速度，散射體的速度與管道液體的流速數(shù)值并不一致，所以流量為2.流量方程6.

安裝要求(2)對于干濕安裝（指換能器不直接與介質(zhì)接觸）的超聲波流量計，要知道確切的管道外徑、壁厚、材質(zhì)及襯里情況，管道內(nèi)壁不應銹蝕、結(jié)垢、凹凸不平。(1)傳播速度差法超聲波流量計的被測流體應清潔、滿管、單相，所含懸浮顆粒、氣泡不能超過儀表的允許值。而多普勒頻移法超聲波流量計則相反，流體應有一定數(shù)量的顆?；驓馀莸纳⑸Ⅲw，否則聲波無法散射，儀表會沒有信號。但若贓污太重，也會使聲波無法透過。6.

安裝要求(3)換能器安裝時，管道外表面應去保溫層，去漆，磨平銹跡，涂勻耦合劑，不能有空隙，以免聲波在固、氣界面上發(fā)生折射，無法傳到被測流體。(4)換能器前后應有足夠長的直管段，以確保流體所需的流速分布，具體要求按使用說明書的有關規(guī)定執(zhí)行。(5)換能器安裝在傾斜或水平管道時，不要裝在上部和底部，以免管道內(nèi)的氣體或雜質(zhì)進入測量聲道。應盡可能使換能器處于和水平呈45°角的范圍內(nèi)。(6)換能器的安裝要使超聲波傳播途徑通過管道中心

3.5其他流量計1.孔板流量計孔板流量計的節(jié)流元件為中央開有圓孔的金屬板，圓孔中心位于管路中心線上，孔口內(nèi)徑的倒角為45°角，稱為銳孔，金屬板稱為孔板。將孔板垂直安裝在管道中，孔板前后兩端的測壓孔與壓差計相連，構(gòu)成了孔板流量計.（1）節(jié)流元件（2）流量方程當流體以一定流量流過小孔時，就產(chǎn)生一定的壓力