第5章 流量檢測

第五章流量檢測體積流量檢測及常見的流量計2質(zhì)量流量檢測方法簡介33流量檢測的基本概念和檢測方法31流量的概念和單位5.1流量檢測的基本概念及方法體積流量：流體數(shù)量以體積表示稱為體積流量。質(zhì)量流量：流體數(shù)量以質(zhì)量表示稱為質(zhì)量流量。體積流量與質(zhì)量流量之間的關(guān)系：流量：是指單位時間內(nèi)流過管道某截面流體的體積或質(zhì)量。5.1流量檢測的基本概念及方法累計流量:在時間t內(nèi)，流體通過的體積或質(zhì)量總量稱為累積流量，它是體積流量或質(zhì)量流量在該段時間中的積分，表示為：單位：m3單位：Kg5.1流量檢測的基本概念及方法二、流量檢測方法分類流量檢測方法：體積流量檢測：測得流體的體積流量值。質(zhì)量流量檢測：直接測得流體的質(zhì)量流量值。本章介紹差壓式、容積式、速度式、振動式和電磁式流量計。注意：用體積表示流量時，因為流體的體積和密度受流體的工作狀態(tài)影響較大，須同時給出流體的壓力和溫度。為便于比較，常將在工作狀態(tài)下測得的體積流量轉(zhuǎn)換成標準狀態(tài)下（20℃，760mmHg）的體積流量。三、流量計的幾個特性5.1流量檢測的基本概念及方法流量計通常由一次裝置（流量傳感器）和二次儀表組成。一次裝置：安裝于流道的內(nèi)部或外部，根據(jù)流體與之相互作用關(guān)系的物理定律產(chǎn)生一個與流量有確定關(guān)系的信號。二次儀表：給出相應(yīng)的流量值大小。5.1流量檢測的基本概念及方法特性1：流量范圍及范圍度流量范圍:

可測最大流量和最小流量所限定的范圍。在這個范圍內(nèi)，儀表在正常使用條件下示值誤差不超過最大允許誤差。范圍度：最大流量與最小流量的比值稱為范圍度，一般表達為某數(shù)與1之比，流量計范圍度的大小受儀表的原理與結(jié)構(gòu)所限制。5.1流量檢測的基本概念及方法特性2：測量精確度和誤差精確度：用誤差表示。流量計在出廠時均要進行標定，儀表所標出的精確度為基本誤差。誤差：在現(xiàn)場使用中由于偏離標定條件會帶來附加誤差。流量計的實際測量精確度為基本誤差與附加誤差的合成，這種合成的估算很復(fù)雜，可以參照有關(guān)規(guī)定計算。5.1流量檢測的基本概念及方法特性3：壓力損失安裝在流通管道中的流量計實際上是一個阻力件，流體在通過流量計時將產(chǎn)生壓力損失，這會帶來一定的能源消耗。各種流量計的壓力損失大小是儀表選型的一個重要指標。四、流量的檢測方法節(jié)流差壓法容積法速度法流體阻力法流體振動法電磁式檢測方法質(zhì)量流量測量5.1流量檢測的基本概念及方法1.節(jié)流差壓法在管道中安裝一個直徑比管徑小的節(jié)流件。通常以節(jié)流件的型式對差壓式流量計分類。

文丘利管孔板

噴嘴節(jié)流件前后產(chǎn)生的靜壓差的大小和流過的流體流量有一定的函數(shù)關(guān)系，可以通過節(jié)流件前后的壓差求流量。5.1流量檢測的基本概念及方法2.容積法:

利用機械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分，根據(jù)計量室逐次、重復(fù)地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流量體積總量。3.速度法直接測出管道內(nèi)流體的流速，以此作為流量測量的依據(jù)。4.流體阻力法流體流動對設(shè)置在管道中的阻力體以作用力，其作用力的大小與流量大小有關(guān)。5.1流量檢測的基本概念及方法5.流體振動法在管道中設(shè)置特定的流體流動條件，使流體流過后產(chǎn)生振動，而振動頻率與流量有確定的函數(shù)關(guān)系。5.1流量檢測的基本概念及方法6.質(zhì)量流量測量通過直接或間接的方法測量單位時間內(nèi)流過管道截面的流體質(zhì)量數(shù)。1、直接式2、間接式5.2.1差壓式流量計結(jié)構(gòu)、測量原理5.2差壓式流量計一、差壓式流量計的結(jié)構(gòu)由節(jié)流裝置和差壓計組成。測量對象：氣體、液體和蒸汽流量。產(chǎn)生差壓的節(jié)流裝置有多種型式，包括：如孔板、噴嘴、文丘利管等。5.2.2節(jié)流裝置的工作原理5.2差壓式流量計節(jié)流裝置的作用：造成流束的局部收縮，從而產(chǎn)生壓差。管道內(nèi)安裝一個直徑比管徑小的節(jié)流件，當(dāng)充滿圓管的流體流經(jīng)節(jié)流件時，流體將在節(jié)流件處形成局部收縮，使流速增大，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生壓力差。該壓力差通過差壓計檢出。工作原理:流體流量愈大，產(chǎn)生的壓差愈大，這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。5.2差壓式流量計5.2差壓式流量計5.2.3節(jié)流裝置的取壓方式由于壓力差

p的值與取壓孔位置和取壓方式緊密相關(guān)。根據(jù)節(jié)流裝置取壓口位置可將取壓方式分為理論取壓、角接取壓、法蘭取壓、徑距取壓與損失取壓五種.以孔板為例，各種取壓方式的取壓孔位置如圖所示。5.2差壓式流量計1.理論取壓：上游側(cè)取壓孔的軸線位于孔板前端面一倍管道直徑D處，下游側(cè)取壓孔的軸線位于流速最大的最小截面處。如圖中1-1位置?！?.角接取壓:上下游取壓管位于孔板(或噴嘴)的前后端面處。包括環(huán)室取壓和單獨鉆孔(加緊環(huán))取壓。如圖中2-2位置。3.法蘭取壓：上下游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上下游側(cè)端面之間的距離均為

25.4±0.8mm（1inch)。取壓孔開在孔板上下游側(cè)的法蘭上．如圖中3-3位置。5.2差壓式流量計4.徑距取壓：上游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離為1Dm±0.1Dm，下游側(cè)取壓孔的軸線至孔極下游端面的距離為0.5Dm。如圖中4-4位置（Dm管道直徑）.目前我國節(jié)流裝置的取壓方式采用角接取壓法。角接取壓法比較簡便，測量精度較高。5.管接取壓：上游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離為2.5Dm，下游側(cè)取壓孔的軸線至孔板下游端面的距離為8Dm．該方法可測壓力損失值.也稱為損失壓降法.位置如圖中5—5所示．1.流體連續(xù)性方程：任取一管段，設(shè)截面Ⅰ、截面Ⅱ處,面積分別為:A1、A2;流體密度分別為:ρ

1、ρ

2;

流體的平均流速分別為:V1、V2。

5.2差壓式流量計二、測量理論基礎(chǔ)：流體連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）。

5.2差壓式流量計2.伯努利方程：當(dāng)理想流體在重力作用下在管內(nèi)定常流動時，對于管道中任意兩個截面Ⅰ和Ⅱ有如下圖所示：勢能mgh1mgh2動能1/2mv121/2mv22壓力能mp1/ρ1mp2/ρ2h1h25.2差壓式流量計5.2.4流量方程體積流量基本方程式為其中：F0----節(jié)流件的工作開孔面積；

ρ----流體的密度；

Δp=p1-p2----節(jié)流件前后的壓力差；

α----流量系數(shù)，用實驗方法求出，與節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)形式、取壓方式、孔口截面積與管道截面積之比m、孔口邊緣尖銳度、管壁粗糙度等因素有關(guān)。質(zhì)量流量基本方程式為

5.2差壓式流量計5.2差壓式流量計注意:

由流量基本方程式可以看出，被測流量與差壓Δp成平方根關(guān)系，對于直接配用差壓計顯示流量時，流量標尺是非線性的，為了得到線性刻度，可加開方運算電路或加開方器。如差壓流量變送器帶有開方運算，變送器的輸出電流就與流量成線性關(guān)系，顯示儀表則顯示流量的大小。5.2差壓式流量計5.2.5標準節(jié)流裝置按照標準文件設(shè)計、制造、安裝和使用，無須經(jīng)實流校準即可確定其流量值并估算流量測量誤差。

一、標準節(jié)流裝置：

ISO5167或GB／T2624中所包括的節(jié)流裝置稱為標準節(jié)流裝置。標準孔板標準噴嘴經(jīng)典文丘里管文丘里噴嘴。

標準孔板及標準噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖所示。

5.2差壓式流量計二、標準節(jié)流裝置的使用條件

5.2差壓式流量計

1.孔板的銳邊或噴嘴的曲面?zhèn)葢?yīng)迎著被測介質(zhì)的流向；

2.環(huán)室上有“＋”號的一側(cè)應(yīng)在被測介質(zhì)流向的上游側(cè)，當(dāng)用箭頭標明流向時，箭頭指向應(yīng)與被測介質(zhì)的流向一致.

1.被測介質(zhì)應(yīng)充滿全部管道截面并連續(xù)流動；

2.管道內(nèi)的流束是穩(wěn)定的；

3.前后要有足夠長的直管段，前后長度為二倍管道直徑，管道內(nèi)表面不能有突出物和明顯的粗糙不平；

4.使用管徑D和孔截面比都有取值限制。三、標準節(jié)流裝置(孔板或噴嘴)的安裝要求5.2差壓式流量計5.2.6差壓計差壓計與節(jié)流裝置配套組成節(jié)流式流量計。差壓計經(jīng)導(dǎo)壓管與節(jié)流裝置連接，接受被測流體流過節(jié)流裝置時所產(chǎn)生的差壓信號，并根據(jù)生產(chǎn)的要求，以不同信號形式把差壓信號傳遞給顯示儀表，從而實現(xiàn)對流量參數(shù)的顯示、記錄和自動控制。差壓計的種類很多，凡可測量差壓的儀表均可作為節(jié)流式流量計中的差壓計使用。目前工業(yè)生產(chǎn)中大多數(shù)采用差壓變送器。它們可將測得的差壓信號轉(zhuǎn)換為0.02-0.1MPa的氣壓信號和4-20mA的直流電流信號。二、差壓式流量計的特點

5.2差壓式流量計優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，無可動部件；可靠性較高；復(fù)現(xiàn)性能好；適應(yīng)性較廣，它適用于各種工況下的單相流體，適用的管道直徑范圍寬，可以配用通用差壓計；裝置已標準化。缺點：安裝要求嚴格；流量計前后要求較長直管段；測量范圍窄，一般范圍度為3:1；壓力損失較大；對于較小直徑的管道測量比較困難；精確度不夠高(±1%～±2%)。5.2差壓式流量計5.2.7差壓流量計的使用

1.測量液體流量

2.測量氣體流量

3.測量蒸汽組成：

固定容積的測量室、運動部件、傳動和顯示部件組成。

5.3容積式流量計應(yīng)用：小型的家用煤氣表、大容積的石油和天然氣計量儀表。工作原理：在一定容積的空間里充滿的液體，隨流量計內(nèi)部的運動元件的移動而被送出出口，測量這種送出流體的次數(shù)就可以求出通過流量計的流體體積。檢測對象：各種液體和氣體的累積流量。

5.3.1橢圓齒輪流量計橢圓齒輪流量計的測量本體由一對相互嚙合的橢圓齒輪和儀表殼體構(gòu)成。

5.3容積式流量計兩個橢圓齒輪A、B在進出口流體壓力差的作用下，交替地相互驅(qū)動。每轉(zhuǎn)一周，四個相同月牙形腔（測量室）被形成、被封閉、被傳送、被卸出。兩個齒輪共送出4個標準容積的流體。通過橢圓齒輪流量計的流體總量可表示為：Q=4nV0

5.3容積式流量計注意：適用于中小流量流體的測量，其最大口徑為250mm。可測高粘度液體。粘度愈大的介質(zhì)，從齒輪和計量空間隙中泄漏出去的泄漏量愈小，被測介質(zhì)的粘度愈大，對測量愈有利。范圍度為10:1；工作溫度要低于120℃，以防止齒輪卡死。在使用時要注意防止齒輪的磨損與腐蝕，以延長儀表壽命。

5.3容積式流量計

5.3.2腰輪流量計又稱羅茨流量計，工作原理與橢圓齒輪流量計相同，只是轉(zhuǎn)子的形狀不同。腰輪流量計的轉(zhuǎn)子是一對不帶齒的腰形輪，在轉(zhuǎn)動過程依靠套在殼體外的與腰輪同軸上的嚙合齒輪來完成驅(qū)動?？蓽y量液體和氣體，測液體的口徑為10～600mm；測氣體的口徑為15～250mm.

5.3容積式流量計

5.3容積式流量計

5.3.3刮板式流量計轉(zhuǎn)子中開有4個兩兩互相垂直的槽，槽中裝有可以伸出縮進的刮板，伸出的刮板在被測流體進、出口差壓作用推動下帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。伸出的兩個刮板與殼體內(nèi)腔之間形成具有固定容積的測量室，當(dāng)離開計量區(qū)時，刮板縮入槽內(nèi)，流體從出口排出，同時后一刮板又與其另一相鄰刮板形成測量室。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，排出4份固定體積的流體，由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)就可以求得被測流體的流量。特點：測量精度高、量程比大、受流體粘度影響小，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動和噪音均小，適合測量中等到較大的流量。

5.3容積式流量計

5.3容積式流量計優(yōu)點：測量精度高，被測流體粘度影響小，不要求前后直管段。缺點：對介質(zhì)的清潔度要求較高，不允許有固體顆粒雜質(zhì)流過流量計。

5.3.4容積式流量計的特點

5.4速度式流量計速度法測量：測出流體的流速，再乘以管道截面積即可得出流量?；谂c流體流速有關(guān)的各種物理現(xiàn)象，儀表的輸出與流速有確定的關(guān)系。典型的速度式流量計：葉輪式流量計渦輪式流量計

5.4速度式流量計5.4.1葉輪式流量計分類：切線流葉輪式、豎式葉輪式、軸流式葉輪式。檢測對象：液體、氣體。應(yīng)用：水表、高壓力燃氣表工作原理：

在管道內(nèi)，安裝有可以自由轉(zhuǎn)動的葉輪，流體的動能使葉輪旋轉(zhuǎn)。流速高→動能大→葉輪轉(zhuǎn)速高。在規(guī)定的流量范圍和一定的流體粘度下，葉輪的轉(zhuǎn)速與流體的平均流速成正比，通過磁電轉(zhuǎn)換裝置將葉輪轉(zhuǎn)速變成電脈沖信號，以推導(dǎo)出被測流體的瞬時流量和累積流量。

5.4速度式流量計

5.4速度式流量計5.4.2渦輪流量計工作原理：在—定范圍內(nèi)，渦輪的轉(zhuǎn)速與流體的平均流速成正比，通過磁電轉(zhuǎn)換裝置將渦輪轉(zhuǎn)速變成產(chǎn)生電動勢的頻率的變化，此頻率與被測流體的體積流量成正比?？梢詼y量氣體、液體流量，但要求被測介質(zhì)潔凈，并且不適用于粘度大的液體測量。

5.4速度式流量計

5.4速度式流量計優(yōu)點：精度高,復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性均好；量程范圍寬，量程比可達(10～20):1,刻度線性；對流量變化反應(yīng)迅速，可測脈動流量；抗干擾能力強，信號便于遠傳及與計算機相連。缺點:

制造困難，成本高。場合:

通常渦輪流量計主要用于量精度要求高、流量變化快的場合，還用作標定其他流量的標準儀表。

流體振動流量計是60年代末期發(fā)展起來的一種較新的流量測量技術(shù)。

5.5振動式流量計特點：

①可得到與流量成正比的頻率輸出信號；

②被測流體本身就是振動體，無機械可動部件，不受流體組成、密度、粘度、壓力等因素的影響。分類：主要分為旋渦式和旋進式兩種。5.5.2旋渦流量計

5.5振動式流量計一、工作原理又稱渦街流量計，其測量方法基于流體力學(xué)中的卡門渦街原理?？ㄩT渦街:把一個旋渦發(fā)生體（如圓柱體、三角柱體等非流線型對稱物體）垂直插在管道中，當(dāng)流體繞過旋渦發(fā)生體

時會在其左右兩側(cè)后方交替產(chǎn)生旋渦，形成渦列，且

左右兩側(cè)旋渦的旋轉(zhuǎn)方向相反。這種渦列稱為卡門渦街。

5.5振動式流量計

由于漩渦間相互影響，其形成通常是不穩(wěn)定的。馮.卡門對渦列的穩(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L之比滿足下面關(guān)系時，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的。其體積流量為:

?—漩渦產(chǎn)生的頻率；v—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；

5.5振動式流量計流體流過圓柱體后漩渦發(fā)生的頻率為：其中St是與雷諾數(shù)有關(guān)的無量綱數(shù)，稱為斯特勞哈爾數(shù)。二、旋渦頻率的檢測通過旋渦檢測器來實現(xiàn)的。旋渦檢測器的任務(wù)：

5.5振動式流量計①流體繞過檢測器時，在其后能形成穩(wěn)定的渦列；②能準確地測出旋渦產(chǎn)生的頻率。渦列檢測器主要有兩種形式：圓柱形、三角柱形。1.圓柱形漩渦檢測器當(dāng)旋渦在圓柱體下游側(cè)產(chǎn)生時，出于升力的作用，使得圓柱體下方的壓力比上方高一些，圓柱體下方的流體在上下壓力差的作用下，從圓柱體下方導(dǎo)壓孔進入空腔，通過隔板中央部分的小孔，流過鉑電阻絲，從上方導(dǎo)壓孔流出。

5.5振動式流量計若將鉑電阻絲加熱到高于流體溫度的某溫度值，則當(dāng)流體流過鉑電阻絲時會帶走熱量，改變其溫度的同時改變其電阻值。

5.5振動式流量計由此可知：電阻值變化與流動變化相對應(yīng)，即與旋渦發(fā)生的頻率相對應(yīng)。所以，可由檢測鉑電阻絲電阻變化頻率得到渦頻率，進而得到體積流量。2.三棱柱形檢測器

5.5振動式流量計在三角柱體的迎流面對稱地嵌入兩個熱敏電阻組成橋路的兩臂，以恒定電流加熱使其溫度稍高于流體，在產(chǎn)生漩渦的一側(cè)，因流速變低，使熱敏電阻的溫度升高，阻值變小。在交替產(chǎn)生的漩渦的作用下，兩個電阻被周期地冷卻，使其阻值改變，阻值變化頻率由橋路測出，即可測得漩渦產(chǎn)生頻率，從而測出流量。優(yōu)點:

①測量精度較高,量程比寬,可達30:1；

②使用壽命長，壓力損失小，安裝與維護比較方便；

③易與數(shù)字儀表或計算機接口；

④對氣體、液體和蒸汽介質(zhì)均適用。

5.5振動式流量計缺點:

①流體流速分布情況和脈動情況將影響測量準確度，

因此適用于紊流流速分布變化小的情況，

②要求流量計前后有足夠長的直管段。

5.6電磁流量計

電磁流量計根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成的測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。檢測對象：只能測量導(dǎo)電液體，尤其適合各種腐蝕性介質(zhì)：酸、堿、鹽溶液以及帶有懸浮顆粒的漿液。對于氣體、蒸氣以及含大量氣泡的液體，或者電導(dǎo)率很低的液體不能測量。由于測量管內(nèi)襯材料一般不宜在高溫下工作，所以目前一般的電磁流量計還不能用于測量高溫介質(zhì)。5.6.1電磁流量計的工作原理由電磁感應(yīng)定律可知，導(dǎo)體在磁場中切割磁力線時，便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。同理，當(dāng)導(dǎo)電的液體在磁場中作垂直于磁力線方向的流動而切割磁力線時，也會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。均勻磁場中垂直于磁場方向有一個直徑為D的管道，管道由不導(dǎo)磁材料制成。當(dāng)導(dǎo)電的液體在導(dǎo)管中流動時，導(dǎo)電液體切割磁力線，因而在磁場及流動方向垂直的方向上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如安裝一對電極，則電極間產(chǎn)生的電位差和流速成比例。電磁流量計原理圖

5.6電磁流量計產(chǎn)生的電位差的表達式為：

E—感應(yīng)電動勢：B—磁感應(yīng)強度，D—管道內(nèi)徑；v—平均流速。當(dāng)磁感應(yīng)強度B及管道內(nèi)徑D固定不變時，K為常數(shù)，兩電極間的感應(yīng)電動勢E與流量qv呈線性關(guān)系，便可通過測量感應(yīng)電動勢來間接測量被測流體的流量qv值。

5.6電磁流量計則體積流量的表達式為：

5.6電磁流量計優(yōu)點：

①幾乎無壓力損失，適用含有顆粒、懸浮物等流體的測量；

可以用來測量腐蝕性介質(zhì)的流量；

②流量測量范圍大；流量計的管徑小到1mm，大到2m以上；

④電磁流量計的輸出與流量呈線性關(guān)系；

⑤反應(yīng)迅速，可以測量脈動流量。

5.6電磁流量計

缺點：

①被測介質(zhì)必須是導(dǎo)電的液體，不能用于氣體、蒸汽及石油

制品的流量測量；流速測量下限有一定限度；

②結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，成本較高。

5.7質(zhì)量流量的檢測問題引出：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。質(zhì)量流量計主要類型：推導(dǎo)式、直接式和補償式。

5.7質(zhì)量流量的檢測5.7.1推導(dǎo)式質(zhì)量流量測量一般是采用體積流量計和密度計的組合，實現(xiàn)質(zhì)量流量的測量。常見的組合方式主要有3種。5.7質(zhì)量流量的測量

一、檢測器與密度計組合的形式流量計檢測出與管道中的流體的成正比的信號x，由密度計檢測出與ρ成正比的信號y.質(zhì)量流量表達式為

5.7質(zhì)量流量的測量二、體積流量計與密度計的組合形式容積、漩渦、電磁式等流量計可測量管道中的體積流量qv，將它與密度計組合可構(gòu)成質(zhì)量流量計。

5.7質(zhì)量流量的測量三、檢測