第6章-流量式傳感器

1、第第6 6章流量式傳感器章流量式傳感器第第6 6章流量式傳感器章流量式傳感器在工業(yè)自動化生產(chǎn)中，特別是化工、制藥和供水等工業(yè)中，流量是必須測量和控制的參數(shù)。隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提高，對流量檢測的精度要求也越來越高，需要檢測的流量種類也越來越多。由于測量儀表的工作條件不同和測量對象的物理特性不同，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)牧髁總鞲衅鳌?.1 6.1 流量的基礎(chǔ)知識流量的基礎(chǔ)知識6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法流體在單位時間內(nèi)流過管道內(nèi)某一截面的數(shù)量，稱為流體的瞬時流量。而在某一段時間內(nèi)流過管道某一截面的總和，稱為流體的總量或累積流量，也稱為積分流量。流體的總量除以流體流過的時間間隔，就可得到

2、該時間段的平均流量。工程上講的流量常指瞬時流量，下面若無特別說明指的就是瞬時流量。瞬時流量有體積流量和質(zhì)量流量之分。6.1 6.1 流量的基礎(chǔ)知識流量的基礎(chǔ)知識6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 體積流量體積流量 是指流體在單位時間內(nèi)通過某截面的體積，單位為m3/s。根據(jù)定義，體積流量可表示為 式中：A為管道的橫截面面積（m2）； 為管道內(nèi)平均流速（m/s）；V為流體體積（m3）；t為時間（s）。VqVddVqvAt6.1 6.1 流量的基礎(chǔ)知識流量的基礎(chǔ)知識6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 體積流量體積流量 用體積流量表征流體時，必須同時給出流體

3、的壓力和溫度，因?yàn)榱黧w的體積在不同的壓力和溫度下是不同的。對于液體，壓力的變化對密度的影響非常小，一般可以忽略不計(jì)，溫度對密度的影響要大一些；對于氣體，密度受溫度、壓力的影響較大，因此對于氣體流量檢測，通常將某一條件下測得的體積流量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（溫度是20，氣壓是760mmHg）的體積流量，這樣做的目的是便于比較。Vq6.1 6.1 流量的基礎(chǔ)知識流量的基礎(chǔ)知識6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 質(zhì)量流量質(zhì)量流量是指流體在單位時間內(nèi)通過某截面的質(zhì)量，單位為kg/s。根據(jù)定義，質(zhì)量流量可表示為式中：m為流體的質(zhì)量（kg）；為流體的密度（kg/m3）； v為管道內(nèi)平均流速

4、（m/s）。mqmVddmqvAqt6.1 6.1 流量的基礎(chǔ)知識流量的基礎(chǔ)知識6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì)（1）流體的密度單位體積的質(zhì)量稱為流體的密度，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為 式中：m為流體質(zhì)量（kg）；為流體的密度（kg/m3），V為流體的體積（m3）mV6.1 6.1 流量的基礎(chǔ)知識流量的基礎(chǔ)知識6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì)（2）流體黏度流體運(yùn)動過程中阻滯剪切變形的黏滯力與流體的速度梯度和接觸面積成正比，并與流體黏性有關(guān)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 上式稱為牛頓黏性定律。式

5、中：F為黏滯力；A為接觸面積； 表示流體垂直于速度方向的速度梯度； 為流體黏性的比例系數(shù)。ddFAyd /dy6.1 6.1 流量的基礎(chǔ)知識流量的基礎(chǔ)知識6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì)（3）雷諾數(shù)雷諾數(shù)是流體流動的慣性力與黏滯力之比，表示為 式中： 為雷諾數(shù)（無量綱數(shù)）；v為流動橫截面的平均流速（m/s）； 為動力黏度（ ）；L為特征長度（m）； 為流體的密度（kg/m3）； 為運(yùn)動黏度（m2/s）。v lvLReRe2N s m6.1 6.1 流量的基礎(chǔ)知識流量的基礎(chǔ)知識6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法

6、管流類型管流類型（1）單相流和多相流管道中只有一種均勻狀態(tài)的流體流動稱為單相流，兩種以上不同相流體同時在管道中流動稱為多相流。（2）穩(wěn)定流和不穩(wěn)定流當(dāng)流體流動時，若各處的速度和壓力僅和流體質(zhì)點(diǎn)所處的位置有關(guān)，而與時間無關(guān)，則流體的這種流動稱為穩(wěn)定流。若各處的速度和壓力不僅和流體質(zhì)點(diǎn)所處的位置有關(guān)，而且與時間有關(guān)，則流體的這種流動稱為不穩(wěn)定流。6.1 6.1 流量的基礎(chǔ)知識流量的基礎(chǔ)知識6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 流體流動的連續(xù)性方程和伯努利方程流體流動的連續(xù)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 、

7、 、 和 、 、 ，如圖6-1所示。根據(jù)物質(zhì)不滅定律，單位時間流過任一截面的流體質(zhì)量必定相等，即 1A21v2A12v11 1222AvAv常數(shù)6.1 6.1 流量的基礎(chǔ)知識流量的基礎(chǔ)知識6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法 流體流動的連續(xù)性方程和伯努利方程流體流動的連續(xù)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 、 、 和 、 、 ，如圖所示。根據(jù)物質(zhì)不滅定律，單位時間流過任一截面的流體質(zhì)量必定相等，即 1A21v2A12v11 1222AvAv常數(shù)6.1 6.1 流量的基礎(chǔ)知識流量的基礎(chǔ)知識6.1.1 6.1

8、.1 流量及其表示方法流量及其表示方法（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和有如下關(guān)系式： （6-1）式中：g為重力加速度；Z1 、Z2為截面和相對基準(zhǔn)線的高度；P1、P2為截面和上流體的靜壓力；v1、v2為截面和上流體的平均流速。2211221222PvPvgZgZ6.1 6.1 流量的基礎(chǔ)知識流量的基礎(chǔ)知識6.1.1 6.1.1 流量及其表示方法流量及其表示方法（2）伯努利方程式（6-1）即不可壓縮流體的伯努利方程，表明理想流體做穩(wěn)定流動時，雖然管道上各個截面處流體的位置、壓力和流速不同，但是它們的總能量不變。實(shí)際流體具有黏性，在流動過程中要克服流

9、體與管壁以及流體內(nèi)部的相互摩擦阻力而做功，這將使流體的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散。因此，實(shí)際流體的伯努利方程可寫為 式中：hwg為截面和之間單位質(zhì)量實(shí)際流體流動產(chǎn)生的能量損失。112212wg22PvPvgZgZh6.1 6.1 流量的基礎(chǔ)知識流量的基礎(chǔ)知識6.1.2 6.1.2 流量的測量方法流量的測量方法流體的狀態(tài)（如介質(zhì)的溫度、壓力等）及流體的黏度、腐蝕性、導(dǎo)電性也不同，很難用一種原理或方法測量不同流體的流量。某些場合的流體是高溫、高壓的，某些場合是氣液兩相或液固兩相的混合流體。目前測量流量的方法很多，測量原理和流量傳感器（或稱流量計(jì)）也各不相同，從測量方法上一般可分為速度式、容積式和

10、質(zhì)量式3大類。6.1 6.1 流量的基礎(chǔ)知識流量的基礎(chǔ)知識6.1.2 6.1.2 流量的測量方法流量的測量方法 速度式流量計(jì)速度式流量傳感器大多是通過測量流體在管路內(nèi)的已知截面流過的流速大小實(shí)現(xiàn)流量測量。它是利用管道中流量敏感元件（如孔板、轉(zhuǎn)子、渦輪、靶子、非線性物體等）把流體的流速變換成差壓、位移、轉(zhuǎn)速、沖力、頻率等對應(yīng)的信號來間接測量流量的。差壓式、轉(zhuǎn)子、渦輪、電磁、旋渦和超聲波等流量傳感器都屬于此類。6.1 6.1 流量的基礎(chǔ)知識流量的基礎(chǔ)知識6.1.2 6.1.2 流量的測量方法流量的測量方法 容積式流量計(jì)容積式流量傳感器是根據(jù)已知容積的容室在單位時間內(nèi)所排出流體的次數(shù)來測量流體的瞬時

11、流量和總量。常用的有橢圓齒輪式、刮板式等。 質(zhì)量式流量計(jì)質(zhì)量式流量傳感器有兩種。一種是根據(jù)質(zhì)量流量與體積流量的關(guān)系，測出體積流量再乘以被測流體的密度的間接質(zhì)量流量傳感器，如工程上常用的補(bǔ)償式質(zhì)量流量傳感器；另一種是直接式質(zhì)量流量傳感器，如熱電式、慣性力式、動量矩式等質(zhì)量流量傳感器。直接法測量具有不受流體的壓力、溫度、黏度等變化影響的特點(diǎn)，是一種正在發(fā)展中的質(zhì)量流量傳感器。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器又稱節(jié)流式流量計(jì)，它是利用管路內(nèi)的節(jié)流裝置，將管道中流體的瞬時流量轉(zhuǎn)換成節(jié)流裝置前后的壓力差，然后用壓力傳感器將差壓信號轉(zhuǎn)換成電信號，或直接用差壓變送器把差壓信號

12、轉(zhuǎn)換成與流量對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電流信號或電壓信號。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 節(jié)流式流量計(jì)的組成節(jié)流式流量計(jì)由節(jié)流裝置、引壓導(dǎo)管和差壓傳感器或差壓變送器組成，如圖6-3所示。 圖6-3 節(jié)流式流量計(jì)組成1節(jié)流元件；2引壓管路；3三閥組；4差壓計(jì)6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 節(jié)流式流量計(jì)的組成節(jié)流式流量計(jì)由節(jié)流裝置、引壓導(dǎo)管和差壓傳感器或差壓變送器組成，如圖所示。（1）節(jié)流裝置。是差壓式流量計(jì)的流量敏感元件，是安裝在管道中的阻力元件，它產(chǎn)生差壓，此壓力差與流體流量之間

13、有確定的數(shù)值關(guān)系，通過測量壓力差值可以求得流體的流量。（2）引壓導(dǎo)管。引壓導(dǎo)管用于將節(jié)流裝置前后產(chǎn)生的差壓傳送給差壓變送器。（3）差壓變送器。差壓變送器用于將節(jié)流裝置前后產(chǎn)生的差壓轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號，如420mA的電流信號。 1節(jié)流元件；2引壓管路；3三閥組；4差壓計(jì)6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 節(jié)流裝置的工作原理在管道中安置一個中間帶有小孔的阻力件，當(dāng)流體通過該阻力件的小孔時，由于流體流束的收縮而使流速加快、靜壓力降低，其結(jié)果是在阻力件前后產(chǎn)生一個較大的壓力差。它與流量（流速）的大小有關(guān)，流量愈大，差壓也愈大。把流體通過阻力

14、件時流束的收縮造成壓力變化的過程稱為節(jié)流過程，其中的阻力件稱為節(jié)流元件。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 節(jié)流裝置的工作原理（1）節(jié)流裝置完整的節(jié)流裝置由節(jié)流元件、取壓裝置和上下游測量導(dǎo)管3部分組成。幾種常見的節(jié)流裝置有孔板、噴嘴和文丘里管，如圖所示。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 節(jié)流裝置的工作原理（1）節(jié)流裝置作為流量檢測用的節(jié)流元件有標(biāo)準(zhǔn)的和非標(biāo)準(zhǔn)的兩種。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件包括標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)文丘里管。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置僅適用于測量管道直徑大于50mm，雷諾數(shù)在10

15、4-105以上的流體，而且流體應(yīng)當(dāng)清潔，充滿全部管道，不發(fā)生相變。非標(biāo)準(zhǔn)的可以利用已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，但必須用實(shí)驗(yàn)方法單獨(dú)標(biāo)定。非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件主要用于特殊介質(zhì)或特殊工況條件的流量檢測6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 節(jié)流裝置的工作原理（1）節(jié)流裝置3種節(jié)流裝置的優(yōu)缺點(diǎn)對比見表6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 節(jié)流裝置的工作原理（1）節(jié)流裝置最常用的節(jié)流裝置是孔板，其次是噴嘴，文丘里管應(yīng)用得要少一些。標(biāo)準(zhǔn)孔板是一塊具有與管道同心圓形開孔的圓板，迎流一側(cè)是有銳利直角入口邊

16、緣的圓筒形孔，順流的出口呈擴(kuò)散的錐形，如圖所示。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，價(jià)格便宜，但是在測量中壓力損失較大，測量精度較低，只適用于潔凈流體介質(zhì)，測量大管徑高溫高壓介質(zhì)時，孔板易變形。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 節(jié)流裝置的工作原理（1）節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)噴嘴分ISA1932噴嘴和長徑噴嘴兩種。噴嘴在管道內(nèi)的部分是圓的，由圓弧形的收縮部分和圓筒形喉部組成。ISA1932噴嘴如圖所示，它由垂直于中心線平面入口部分A，兩端圓弧曲面B和C構(gòu)成的入口收縮部圓筒形喉部E與防止出口邊緣損傷的保護(hù)槽F組成。當(dāng)d=2D/3時，該平面的徑向?qū)挾葹榱悖?/p>

17、當(dāng)d2D/3時，在管道內(nèi)的噴嘴上游端面不包括平面入口部分，如圖6-6（b）所示。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 節(jié)流裝置的工作原理（2）取壓方式根據(jù)節(jié)流裝置取壓口位置可將孔板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5種，如圖所示。 圖6-7 節(jié)流裝置的取壓方式1-1理論取壓；2-2角接取壓；3-3法蘭取壓；4-4徑距取壓；5-5損失取壓6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 節(jié)流裝置的工作原理（2）取壓方式 理論取壓。上游取壓管的中心位于距孔板前端面一

18、倍管徑D處，下游取壓管的中心位于流速最大、收縮最小的斷面處。如圖6-7中的1-1所示。這種取壓方式應(yīng)用于管道內(nèi)徑D100mm的情況，對于小直徑管道，因?yàn)榉ㄌm的相對厚度較大，不宜采用該法。 角接取壓。上、下游的取壓管位于孔板前后端面處，如圖6-7中的2-2所示，通常有環(huán)室或夾緊環(huán)取壓。環(huán)室取壓是在緊貼孔板的上、下游形成兩個環(huán)室，通過取壓管測量兩個環(huán)室壓力差；夾緊環(huán)取壓是在緊靠孔板上、下游兩側(cè)鉆孔，直接取出管道壓力進(jìn)行測量2-2。兩種方法相比，環(huán)室取壓均勻，測量誤差小，對直管段長度要求較短，多用于管道直徑小于400mm處，而夾緊環(huán)取壓多用于管道直徑大于200mm處。6.2 6.2 差壓式流量傳感器

19、差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 節(jié)流裝置的工作原理（2）取壓方式 法蘭取壓。不論管道直徑大小，上下游取壓管中心均位于距離孔板兩側(cè)相應(yīng)端面25.4mm處，如圖6-7中的3-3所示。 徑距取壓。上游的取壓管的中心位于距離孔板前端一倍管道直徑D處，下游取壓管的中心位于距離孔板前端D/2處，如圖6-7中的4-4所示。徑距取壓法和理論取壓法的差別僅是其下游取壓點(diǎn)是固定的。 損失取壓。上游的取壓管的中心位于距離孔板前端2.5D處，下游取壓管的中心位于距離孔板后端面8D處，如圖6-7中的5-5所示。這種取壓方式測得的壓差值，即流體流經(jīng)孔板的壓力損失值。目前廣泛采用的是角接取

20、壓法，其次是法蘭取壓法。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 測量原理 當(dāng)充滿管道的流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時，如圖6-8所示，流束將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流裝置前后產(chǎn)生壓力差，且流過的流量越大，節(jié)流裝置前后的壓差也越大，流量與壓差之間存在一定關(guān)系，這就是差壓式流量傳感器的測量原理。這種測量方法是以流體連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）為基礎(chǔ)的。壓差的大小不僅與流量有關(guān)，還與其他許多因素有關(guān)，在節(jié)流裝置形式、管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)（密度、黏度）不同時，在同樣大小的流量下產(chǎn)生的壓差也是

21、不同的。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 測量原理在界面1處，流體未受節(jié)流件的影響，流體充滿管道，管道截面積為A1，流體靜壓力為P1，平均流速為U1，流體密度為 。截面2是經(jīng)節(jié)流件后流束收縮的最小截面，其截面積為A2，流體靜壓力為P2 ，平均流速為U2，流體密度為 。流體的靜壓力和流速在節(jié)流件前后的變化情況，充分地反映了能量形式的轉(zhuǎn)換。在節(jié)流件前，流體向中心加速。圖6-8 流體流經(jīng)節(jié)流件時壓力和流速變化情況126.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 測量原理至截面2處，流束

22、截面收縮到最小，流速達(dá)到最大，靜壓力最低。然后流束擴(kuò)張，流速逐漸降低，靜壓力升高，直到截面3處。由于渦流區(qū)的存在，導(dǎo)致流體能量損失，因此在截面3處的靜壓力P3不等于原先靜壓力P1，從而產(chǎn)生永久的壓力損失。 圖6-8 流體流經(jīng)節(jié)流件時壓力和流速變化情況6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 測量原理 設(shè)被測流體為不可壓縮的理想流體，其流過節(jié)流件時，不對外做功，與外界沒有熱量交換，流體本身也沒有溫度變化。根據(jù)伯努利方程，對界面1、2處沿管道中心的流體存在以下能量關(guān)系： （6-2）因?yàn)楸粶y流體是等溫不可壓縮的，即 ，所以式（6-2）可寫為 （

23、6-3）根據(jù)流體的連續(xù)方程得 （6-4）2211221222PUPU1222121222UUPP2121AUUA6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 測量原理將式（6-4）代入式（6-3）可得 對于截面2，代入質(zhì)量流量方程得 （6-5）設(shè)節(jié)流件的開孔直徑d與管道直徑D的比值 ，這樣得到理想流體的流量公式122222121PPUAA12m2222212 ()1PPqAUAAAdD012m0442 ()211CAPPqCAP6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.1 6.2.1 節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的適用

24、條件 節(jié)流裝置只適于測量圓形截面管道內(nèi)的流體，流體必須充滿圓管且連續(xù)地流過管道。在緊鄰節(jié)流裝置的上游管道內(nèi)，流體的流動狀態(tài)接近紊流狀態(tài)。 流束應(yīng)與管軸平行，不得有旋轉(zhuǎn)流或旋渦。在進(jìn)行流量測量時，內(nèi)流體的流動應(yīng)是穩(wěn)定的。 流體流量基本上不隨時間而變化，或者變化是非常緩慢的。 流體可以是可壓縮氣體或不可壓縮的液體，不適于脈動流與臨界流。 流體必須是牛頓流體，在物理學(xué)和熱力學(xué)上是單相的、均勻的或者可認(rèn)為是單相的，且流經(jīng)節(jié)流裝置時不發(fā)生相變。 節(jié)流裝置的制造和使用條件超出國家標(biāo)準(zhǔn)的極限時，必須標(biāo)定后才能安裝使用。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器6.2.2 6.2.2 皮托管式流量計(jì)皮托

25、管式流量計(jì)皮托管(pitot tube)流量計(jì)屬差壓式流量計(jì)的一種，是一種測流體流速的裝置。可以用來測量氣體、液體和蒸氣的流量，是利用駐點(diǎn)壓力原理制成的一種常用的測速儀器。它具有可靠度高、成本低、耐用性好、使用簡便等優(yōu)點(diǎn)。皮托管是一根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。最簡單的皮托管就是一根彎成90的開口細(xì)管，如圖所示。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器 皮托管的工作原理是應(yīng)用伯努利方程，通過測量壓強(qiáng)的方法來間接地測出速度的大小。流動流體中，靜止流體最前緣點(diǎn)速度為0，稱為駐點(diǎn)，駐點(diǎn)處的動能全部轉(zhuǎn)換為壓力能，駐點(diǎn)處壓強(qiáng)稱為總壓P0，由伯努利能量方程可

26、得: 式中：P、u為流體未受擾動前的來流的靜壓和速度202PPu6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器如果測得某點(diǎn)的總壓P0和靜壓P，就可以得到該點(diǎn)的速度。在工程應(yīng)用中，一般把皮托管的一端放到壓力管內(nèi)流體中，開口頂端對準(zhǔn)來流，在皮托管入口處形成一個駐點(diǎn)，靜壓管和皮托管組合成一體，靜壓管包圍著皮托管，并在駐點(diǎn)之后適當(dāng)距離的外管壁上沿圓周均勻地鉆幾個小的靜壓測孔，用U型管測出內(nèi)管總壓和環(huán)形空間內(nèi)靜壓或差值 ，計(jì)算得到測點(diǎn)處的流速。 測點(diǎn)處流速為:022PPPu6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器實(shí)際上，由于流體具有黏性，能量轉(zhuǎn)換時會有損失，還有皮托管放入流體后對流場的干擾等，

27、所以上式中右端應(yīng)乘以一修正系數(shù)c，即上式中的修正系數(shù)c，可由實(shí)驗(yàn)確定，一般為1.01.04，標(biāo)準(zhǔn)皮托管通常為1.0。2puc6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器 6.2.3 6.2.3 均速管式流量計(jì)均速管式流量計(jì)均速管又稱為均速流量傳感器或均速探頭，它通過測量管道內(nèi)流動流體的速度壓力實(shí)現(xiàn)流量的測量。與節(jié)流件相比，它的結(jié)構(gòu)簡單容易加工，成本低廉，不可恢復(fù)的壓力損失小，大約只相當(dāng)于節(jié)流裝置的百分之幾。均速管流量探頭主要有阿牛巴（Annubar）、威力巴（Vrabar）、威爾巴（Wellbar）等幾種。它們的共同特點(diǎn)都是簡單的插入式探頭，適于測量氣體、蒸汽和液體的流量，管道內(nèi)徑從十幾毫

28、米到幾米，使用范圍很廣。一般要求雷諾數(shù)104ReD107，測量準(zhǔn)確度通常為(13)%。均速管尚未標(biāo)準(zhǔn)化，故制作的均速管應(yīng)經(jīng)過標(biāo)定后才能使用。由于均速管的取壓孔直徑僅幾毫米到幾十毫米，取壓孔容易堵塞，一般不適于含塵或黏度大的流體。另外壓差信號較小，通常用微壓差式或低壓差變送器作二次儀表。下面只介紹阿牛巴、威爾巴流量計(jì)。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器1阿牛巴流量計(jì)阿牛巴流量計(jì)是最早用來測量平均速度壓力的儀表。為了獲取管道內(nèi)的流體平均速度，先要測量其平均速度頭。將管道截面分成幾個等面積圓環(huán)，插入一根總壓管1和一根靜壓管2，如圖6-10所示。圖圖6-6-10 0 阿牛巴流量計(jì)原理阿牛

29、巴流量計(jì)原理11總壓管；總壓管；22靜壓管靜壓管6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器總壓管面對流動方向開有4個取壓孔，所測量的是該4個環(huán)形截面的流體總壓頭（包括靜壓頭和動壓頭），在總壓管內(nèi)另插入一根引壓管，由它引出4個總壓頭的平均值 ，靜壓管裝在背著流動方向上，取壓孔在管道軸線位置上，引出流體的靜壓頭 。 將分別引入差壓變送器，測出兩者的壓差P，P便是流體的平均速度頭。根據(jù)伯努利方程，從平均速度頭可求出流體平均速度和流量。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器2威爾巴流量計(jì) 威爾巴流量計(jì)由威爾巴探頭、差壓變送器和流量積算儀等組成，如圖6-11所示。威爾巴流量計(jì)作為一種差壓

30、式流量測量儀表，流體流量與差壓的平方根成比例關(guān)系。圖圖6-11 6-11 威爾巴流量計(jì)威爾巴流量計(jì)6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器威爾巴流量計(jì)主要特點(diǎn)如下所述。 子彈頭形探頭，符合流體動力學(xué)原理，一體化雙腔結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，耐高溫，可用于高溫高壓的場合。 探頭前部金屬表面進(jìn)行了粗糙化處理，后部低壓取壓孔進(jìn)行防堵設(shè)計(jì)，產(chǎn)生的差壓信號穩(wěn)定，防堵性能好，基本免維護(hù)。 流量系數(shù)不受管道雷諾數(shù)的影響，流量系數(shù)穩(wěn)定，測量精度高。 適用范圍廣泛，可用于測量氣體、液體、蒸汽、腐蝕性介質(zhì)和高溫高壓介質(zhì)等流體，可適應(yīng)在各種尺寸的圓形管道和方形管道上安裝使用。 安裝方便，可在線帶壓安裝和檢修（不斷流裝卸

31、），對直管段的長度要求較短。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器 6.2.4 轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)也是利用節(jié)流原理測量流體的流量，但它的差壓值基本保持不變，是通過節(jié)流面積的變化反映流量的大小，故又稱恒壓降變截面流量計(jì)，也有稱為浮子流量計(jì)。轉(zhuǎn)子流量的結(jié)構(gòu)有錐管和浮子。浮子在管內(nèi)可視為一個節(jié)流件，在錐形管和浮子之間形成一個環(huán)形通道，浮子的升降就改變環(huán)形通道的流通面積，從而測定流量，故又稱為變面積式流量計(jì)。它與流通面積固定，通過測量壓差變化實(shí)現(xiàn)流量的測量。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器工作原理如圖6-12所示。在一個向上略為擴(kuò)大的均勻錐形管內(nèi)，放一個比被測流體密度稍大的

32、浮子（也叫轉(zhuǎn)子），圖中被測流體從下向上經(jīng)過錐管1和浮子2形成的環(huán)隙時，浮子上下端產(chǎn)生差壓形成浮子上升的力，當(dāng)浮子所受上升力大于浸在流體中浮子重量時，浮子便上升。流體的流量愈大，浮子上升愈高，浮子上升的高度就代表一定的流量。當(dāng)上升力等于浸在流體中的浮子重量時，浮子便穩(wěn)定在某一高度。從而可從管壁上的流量刻度標(biāo)尺直接讀出流量數(shù)值。圖圖6-12 6-12 工作原理工作原理11錐形測量管；錐形測量管；22轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器轉(zhuǎn)子流量計(jì)是一種非通用性儀表，出廠時其刻度需單獨(dú)標(biāo)定。儀表廠在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，以空氣標(biāo)定測量氣體流量的儀表，以水標(biāo)定測量液體流量的儀表。若被測介質(zhì)

33、不是水或空氣，則流量計(jì)的指示值與實(shí)際流量值之間存在差別，必須對流量指示值按照實(shí)際被測介質(zhì)的密度、溫度、壓力等參數(shù)的具體情況進(jìn)行刻度修正。轉(zhuǎn)子流量計(jì)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，直觀、使用維護(hù)方便、壓力損失??；適用于中小管徑、中小流量和較低雷諾數(shù)的流量測量；流量計(jì)口徑從幾毫米到幾十毫米，流量范圍從每小時幾升到幾百立方米，準(zhǔn)確度在1%2.5%；浮子對污染比較敏感，不宜用來測量使浮子污染的介質(zhì)的流量。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器 6.2.5 6.2.5 靶式流量計(jì)靶式流量計(jì)靶式流量計(jì)是為解決高黏度、低雷諾數(shù)流體流量測量而發(fā)展起來的一種新型流量測量儀表。例如，用于測量重油、瀝青、含固體顆粒的漿

34、液及腐蝕性介質(zhì)的流量。靶式流量計(jì)由測量元件、靶式流量變送器和顯示儀表組成，其測量元件是一個在測量管中心并垂直于流向的被稱為“靶”的圓板。通過測量流體作用在靶上的力而實(shí)現(xiàn)流量測量。流體在流動中受到阻力而在靶的前后形成靜壓差，靶上所受流體的作用力與流速之間存在著一定的關(guān)系。通過測量作用力可知流速，從而確定流量。6.2 6.2 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器靶式流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖6-13所示。在被測管道中心迎著流速方向安裝一個靶，當(dāng)流體流過時，靶受到流體的作用力。這個力由兩部分組成，一部分是流體和靶表面的摩擦力，另一部分是由于流束在靶后分離產(chǎn)生壓差阻力，后者是主要的。當(dāng)流體的雷諾數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時，阻

35、力系數(shù)不隨雷諾數(shù)變化，而保持常數(shù)。流量與靶輸出力的平方根成正比，測量靶所受的力，就可以測定被測流體的流量。靶式流量計(jì)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，適于測量高黏度、高臟污的流量，壓力損失大，測量精度不高。圖圖6-13 6-13 靶式流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理靶式流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理11力平衡式變送器力平衡式變送器 22密封膜片密封膜片33靶桿靶桿 44靶靶 55測量導(dǎo)管測量導(dǎo)管6.3 容積式流量計(jì)容積式流量計(jì)內(nèi)部有一個已標(biāo)定容積的計(jì)量室，容積是在儀表殼體與旋轉(zhuǎn)體之間形成的。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，使流體從流入口流向排出口，當(dāng)流體經(jīng)過儀表時，利用儀表入口和出口之間產(chǎn)生的壓力差，推動旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動，將流體從計(jì)量室中容積 一份一份地推送出去。如

36、果設(shè)計(jì)好該空間的體積，測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動次數(shù)，就能得出該空間給出的體積量，所推送出的流體流量為 式中：n為轉(zhuǎn)動的次數(shù)，r/s（轉(zhuǎn)/秒）。根據(jù)它的結(jié)構(gòu)不同，這類儀表主要有橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪流量汁、刮板式流量計(jì)等。0QnV6.3 容積式流量計(jì)6.3.1 6.3.1 橢圓齒輪流量橢圓齒輪流量計(jì)計(jì) 1結(jié)構(gòu)和工作原理橢圓齒輪流量計(jì)由一對相互嚙合的橢圓齒輪和殼體組成，這對橢圓齒輪在進(jìn)出口差壓的作用下，交替地相互驅(qū)動并各自繞軸做非勻角速度的旋轉(zhuǎn)。在流體差壓作用下，推動橢圓齒輪A和B反方向旋轉(zhuǎn)，不斷地將充滿半月形固定容積中的流體推出去，其轉(zhuǎn)動與充液排液過程如圖6-14所示。圖圖6-14 6-14 橢圓齒輪流量計(jì)

37、的工作原理橢圓齒輪流量計(jì)的工作原理6.3 容積式流量計(jì)齒輪每轉(zhuǎn)一周就推出4個半月形容積的流體，從齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)可計(jì)算出排出流體的總流量。橢圓齒輪的轉(zhuǎn)動通過減速傳動機(jī)構(gòu)帶動指針與機(jī)械計(jì)數(shù)器，儀表盤中間的大指針指示流體的瞬時流量，經(jīng)過齒輪計(jì)數(shù)器顯示體積總流量。只要測量橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)N和轉(zhuǎn)速n，就可知道累積流量和單位時間內(nèi)的流量。 瞬時流量qV和體積流量分別為:工作過程如下 t=0，=0 流體進(jìn)入計(jì)量室。 t=T/8，=45 流體開始排出計(jì)量室。 t=T/4，=90 流體全部排出，開始下一個循環(huán)，每次 周期完成4次計(jì)量。t為轉(zhuǎn)動時間，為轉(zhuǎn)動角度，T為轉(zhuǎn)動周期。V44qnVQNV和6.3 容積式流量計(jì) 2

38、工作特點(diǎn)橢圓齒輪流量計(jì)借助于固定的容積來計(jì)量流量，與流體的流動狀態(tài)及黏度無關(guān)。若保證加工精度，且各運(yùn)動部件的配合緊密，使用中不腐蝕和磨損，測量精度可很高，一般為0.5%1%，較好時可達(dá)0.2%。橢圓齒輪流量計(jì)的缺點(diǎn)是對流體的清潔度要求較高。另外，齒輪容易磨損，特別是在流量計(jì)超負(fù)荷運(yùn)行時，磨損加劇，導(dǎo)致精度下降。6.3 容積式流量計(jì)6.3.2 6.3.2 腰輪流量計(jì)腰輪流量計(jì) 1.結(jié)構(gòu)和工作原理腰輪流量計(jì)如圖6-15所示，其工作原理與橢圓齒輪流量計(jì)相同。腰輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)子是一對不帶齒的腰形輪，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。通過腰輪（轉(zhuǎn)子）與殼體之間所形成的固定計(jì)量室來實(shí)

39、現(xiàn)，腰輪轉(zhuǎn)過一圈，排出4個固定計(jì)量體積的流體，只要記下腰輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)數(shù)，就可得到被測流體的體積流量。其流量的計(jì)算公式與橢圓齒輪流量計(jì)相同。圖圖6-15 6-15 腰輪流量計(jì)腰輪流量計(jì)11殼體；殼體；22軸；軸；33驅(qū)動齒輪；驅(qū)動齒輪；44腰輪；腰輪；55計(jì)量室計(jì)量室6.3 容積式流量計(jì) 2工作特性腰輪轉(zhuǎn)子流量計(jì)中，兩個腰輪轉(zhuǎn)子的加工精度和表面粗糙度要求較高，安裝時必須要保證兩腰輪軸線的平行度要求。由于腰輪流量計(jì)的驅(qū)動是由專門的驅(qū)動齒輪擔(dān)任，其磨損不影響測量精度，而與測量密切相關(guān)的只是腰輪，由于腰輪沒有齒，不易被流體中塵灰夾雜卡死，同時腰輪的磨損也較橢圓齒輪輕一些，因此使用壽命較長，準(zhǔn)確度較高，重

40、復(fù)性好，范圍度大。對流量計(jì)前后直管段要求不高，可作標(biāo)準(zhǔn)表使用。因此這種流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，對于不同黏度的流體，均能夠保證精確的計(jì)量，一般精度可達(dá)0.2%。6.3 容積式流量計(jì) 6.3.3 刮板式流量計(jì)刮板式流量計(jì)有凸輪式和凹線式兩種形式如圖6-16所示。刮板式流量計(jì)工作原理是，轉(zhuǎn)子在流量計(jì)進(jìn)、出口差壓作用下轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子上有兩對可以內(nèi)外滑動的刮板，每當(dāng)相鄰兩刮板進(jìn)入計(jì)量區(qū)時均伸出至殼體內(nèi)壁且只隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而不滑動，形成具有固定容積的測量室，當(dāng)離開計(jì)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

41、轉(zhuǎn)數(shù)就可以求得被測流體的流量。凸輪式和凹線式工作原理基本相同。區(qū)別在于凸輪式刮板的滑動是靠凸輪控制轉(zhuǎn)子按順時針方向轉(zhuǎn)動的，而凹線式滑板的滑動是靠具有凹線的殼體來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的逆時針方向轉(zhuǎn)動的。 6.3 容積式流量計(jì)圖6-16 刮板式流量計(jì) 1刮板；2凸輪；3轉(zhuǎn)子刮板流量計(jì)適用于計(jì)量液體流量，適合計(jì)量含雜質(zhì)的流體。計(jì)算精度高，運(yùn)行平穩(wěn)，無脈動、噪聲低，使用壽命長，對黏度變化適應(yīng)性強(qiáng)。因采用了雙殼體不受管道應(yīng)力的影響，檢查維修較方便。缺點(diǎn)是流量計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求較高。6.4 速度式流量計(jì)速度式流量計(jì)是流體沖擊葉輪或渦輪旋轉(zhuǎn)，瞬時流量和速度成正比，一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)與該時間段的累積總流量成正比。常用

42、的有渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)。渦街流量計(jì)又稱旋渦流量計(jì)，它是利用流體振蕩的原理進(jìn)行流量測量。6.4.1 6.4.1 渦街流量計(jì)渦街流量計(jì)1工作原理在均勻流動的流體中，垂直地插入一個具有非流線型截面的柱體，稱為旋渦發(fā)生體，則在其兩側(cè)會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反、交替出現(xiàn)的旋渦，如圖6-17所示。由于旋渦之間的相互影響，旋渦列一般是不穩(wěn)定的。卡門從理論上證明了當(dāng)旋渦列之間的縱向距離h和渦列間橫向距離L滿足一定的關(guān)系，即h/L=0.281時，這兩個旋渦列將是穩(wěn)定的，稱為“卡門渦街”。6.4 速度式流量計(jì)旋渦體產(chǎn)生頻率與流速的關(guān)系： 式中： v為旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速（m/s）； St 為斯特勞哈爾

43、數(shù)；d為旋渦發(fā)生體迎面寬度。渦街流量計(jì)輸出的脈沖頻率信號不受流體物性的影響。圖6-17 旋渦發(fā)生原理tvfSd6.4 速度式流量計(jì)2旋渦頻率的檢測旋渦檢測器的任務(wù)是一方面使流體繞過檢測器時，在其后能形成穩(wěn)定的渦列，另一方面能準(zhǔn)確地檢測出旋渦產(chǎn)生的頻率。目前使用的旋渦檢測器主要有兩種形式：圓柱形和三角柱體。圓柱形檢測器如圖6-18所示。它是一根中空的長管，管中空腔由隔板分成兩部分。管的兩側(cè)開兩排小孔，隔板中間開孔，孔上貼有鉑電阻絲。鉑絲通常被通電加熱到高于流體溫度10左右。當(dāng)流體流過圓柱時，如在下側(cè)產(chǎn)生旋渦，由于旋渦的作用使圓柱體的下部壓力高于上部壓力，部分流體從下部被吸入，從上部小孔吹出，結(jié)果

44、將使下部旋渦被吸在圓柱表面，越轉(zhuǎn)越大。而沒有旋渦的一側(cè)，由于流體的吹出作用，將使旋渦不易發(fā)生。下側(cè)旋渦生成之后，它將離開圓柱表面向下運(yùn)動，這時柱體的上側(cè)將重復(fù)上述過程生成旋渦。與此同時，在柱體的內(nèi)腔自下而上或自上而下產(chǎn)生的脈沖通過被加熱的電阻絲。空腔內(nèi)流體的運(yùn)動，交替對電阻絲產(chǎn)生冷卻作用，電阻絲的阻值發(fā)生變化，從而產(chǎn)生和旋渦的生成頻率一致的脈沖信號，通過檢測器即可完成對流量的測量。6.4 速度式流量計(jì)圖6-19所示為三角柱體渦街檢測器，可以得到更穩(wěn)定、更強(qiáng)烈的旋渦。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，在交替產(chǎn)生的旋渦的作用下，兩個電阻被周期

45、地冷卻，使其阻值改變，阻值的變化由橋路測出，即可測得旋渦產(chǎn)生頻率，從而測出流量。3渦街流量計(jì)的特點(diǎn)渦街流量計(jì)的輸出信號是與流量成正比的脈沖頻率信號或標(biāo)準(zhǔn)電流信號，可以遠(yuǎn)距離傳輸，而且輸出信號與流體的溫度、壓力、密度、成分、黏度等參數(shù)無關(guān)。用水或空氣標(biāo)定后的流量計(jì)無需校正即可用于其他流體的測量；使用壽命長，測量精度較高，壓力損失小，安裝與維護(hù)比較方便；結(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動件，測量精度高。缺點(diǎn)是流體流速分布情況和脈動情況影響測量準(zhǔn)確度，因此適用于紊流流速分布變化小的情況，并要求流量計(jì)前后有足夠長的直管段。6.4 速度式流量計(jì)圖圖6-18 6-18 圓柱形檢測器圓柱形檢測器 圖圖6-19 6-19 三角

46、柱體檢測器三角柱體檢測器6.4 速度式流量計(jì) 6.4.2 超聲波流量計(jì)超聲波在流體中傳播時，會帶有流體流速的信息。因此，根據(jù)接收到的超聲波信號，可以檢測到流體的流速，進(jìn)而可以得到流量值。超聲波流量測量方法有很多，這里主要介紹傳播速度差方法和多普勒方法。1速度差法速度差法的基本原理：利用超聲波脈沖在順流和逆流傳播過程中的速度差來得到被測流體的流速。根據(jù)被測物理量的不同，可以分為時差法、相差法、頻差法超聲波流量計(jì)。頻差法是目前最常用的測量方法，它是在前兩種測量方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。（1）時差法超聲波在流動的液體中傳播時，如順流方向傳播，則聲速的速度會增大，當(dāng)逆流方向傳播時，則聲波的速度會減小，從

47、而有不同的傳播時間。通過測量兩種不同的傳播時間，就可以推導(dǎo)出管道中流體的速度。6.4 速度式流量計(jì)工作原理如圖6-20所示。在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射器和接收器（F1，T1）、（F2，T2）。根據(jù)這兩束超聲波在液體中傳播的速度，測得兩接收器上的時間差，就可測出流體的平均流速及流量。圖圖6-20 6-20 時差式超聲流量計(jì)時差式超聲流量計(jì)6.4 速度式流量計(jì)設(shè)靜止流體中的聲速為c，流體流速為v，發(fā)送器與接收器之間的距離為L，則順流的傳播時間和逆流的傳播時間分別為式中 t1 t2 分別為順流和逆流傳播時間，則順流和逆流的傳播時間差為 （6-9） 當(dāng)c遠(yuǎn)大于v時12Ltcv

48、Ltcv12222Lvtttcv 22Lvtc 6.4 速度式流量計(jì)（2）相差法所謂相差法，是通過測量超聲波在順流和逆流時傳播的相位差來得到流速。若發(fā)送器發(fā)出的是連續(xù)正弦波，則順流和逆流接收到的波的相位差為 式中 w為超聲波的角頻率。由式（6-9）、式（6-10）看出，測得t或就能求得流速v。但是，流體中聲速c是隨流體溫度而變的，水中聲速c的溫度系數(shù)為0.2%/。因此在流速一定時，t和的溫度系數(shù)約為0.4%/，造成測量誤差。（6-10)6-10)22 Lvtc 6.4 速度式流量計(jì) （3）頻差法頻差法測量流量的原理如圖6-21所示。 是完全相同的超聲波探頭，安裝在管壁的外面，通過電子開關(guān)的控制

49、交替作為超聲波發(fā)射器和接收器。首先由 發(fā)射出第一個超聲脈沖，被 接收，此信號經(jīng)放大后再次去觸發(fā) 的驅(qū)動電路，使 發(fā)射第二個超聲脈沖，依次類推。設(shè)在一個時間間隔 內(nèi)， 共發(fā)射了 個脈沖，脈沖的發(fā)生頻率 在緊接下去的另一個相同的時間間隔 ( )內(nèi)，與上述過程相反，由 發(fā)射超聲波脈沖，而 作接收器。同理可以測得 的脈沖重復(fù)頻率為 經(jīng)推導(dǎo)，順流發(fā)射頻率 與逆流發(fā)射頻率 的頻差 為:111() /fn tcvL222/fntcv L1F2F1F2F2F1F1F2ff1f1t1F1n12tt1F2F2t1212122nncvcvvfffttLLL 6.4 速度式流量計(jì)所以流體的流速為:采用頻差法的優(yōu)點(diǎn)是可

50、消除聲速c的影響，可見在頻差中，頻差法與聲速c無關(guān)，因此工業(yè)上常用頻差法。圖6-21 頻差法測量流量原理圖2Lvf6.4 速度式流量計(jì)2多普勒法多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理確定流體流量的。多普勒效應(yīng)是當(dāng)聲源和目標(biāo)之間有相對運(yùn)動時，會引起聲波在頻率上的變化，這種頻率變化正比于運(yùn)動的目標(biāo)和靜止的換能器之間的相對速度。圖6-22所示是超聲多普勒流量計(jì)示意圖。超聲換能器安裝在管外。從T發(fā)射的超聲波束遇到流體中運(yùn)動著粒子或氣泡，再反射回來由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。圖圖6-22 6-22 超聲多普勒流量計(jì)示意圖超聲多普勒流量計(jì)示意圖6.4 速度式流量計(jì) 假設(shè)超聲波的發(fā)射

51、頻率為 ，流體運(yùn)動速度與超聲波的夾角為，流體的流速與流體中懸浮粒子的速度均為v ，當(dāng)頻率為 的入射超聲波遇到粒子時，粒子相對超聲波發(fā)射器以 的速度離去，則粒子接收到的超聲波的頻率為cosv21coscvffc1f1f6.4 速度式流量計(jì)由于粒子同樣以 （忽略超聲波入射方向與反射方向的夾角）的速度離開接收器，所以粒子反射給接收器聲波頻率為由于聲速c遠(yuǎn)大于流體的流速v，故上式可簡化為接收器接收到的反射波頻率與發(fā)射波頻率之差，即多普勒頻移頻 ，即因此流體的流速為312 cos1vffc1312 cosvffffc 22232112coscos2 coscos1cvcvvvffffcccccosvco

52、sv3f3fff12coscvff6.4 速度式流量計(jì)3超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：對介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)；是一種理想的節(jié)能型流量計(jì)；性價(jià)比高，超聲波流量計(jì)儀表造價(jià)基本上與被測管道口徑大小無關(guān)；測量準(zhǔn)確度幾乎不受被測流體參數(shù)影響，且測量范圍度較寬；儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運(yùn)行。缺點(diǎn)：用傳播速度差法只能測量清潔流體，不能測量含雜質(zhì)或氣泡超過某一范圍的流體；而多普勒法只能用于測量含有一定懸浮粒子或氣泡的液體，且多數(shù)情況下測量精度不高；如管道結(jié)垢太厚、銹蝕嚴(yán)重或襯里與內(nèi)管壁剝離則不能測量；另外，超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。6.5 質(zhì)量流量傳感器在工業(yè)生產(chǎn)中，由于物料平衡、熱平衡及儲存

53、、經(jīng)濟(jì)核算等所需要的都是質(zhì)量，并非體積，所以在測量工作中，常需將測出的體積流量乘以密度換算成質(zhì)量流量。質(zhì)量流量計(jì)大致分為3大類。 直接式：即直接由檢測元件檢測與質(zhì)量流量成比例的量，檢測元件直接反映出質(zhì)量流量。 間接式：即用體積流量計(jì)和密度計(jì)組合的儀表來測量質(zhì)量流量，同時檢測出體積流量和流體密度，通過運(yùn)算得出與質(zhì)量流量有關(guān)的輸出信號。 補(bǔ)償式：同時檢測流體的體積流量和流體的溫度、壓力值，再根據(jù)流體密度與溫度、壓力的關(guān)系，計(jì)算得到該狀態(tài)下流體的密度值，最后再計(jì)算流體的質(zhì)量流量值。補(bǔ)償式質(zhì)量流量測量方法是目前工業(yè)上普遍應(yīng)用的一種測量方法。質(zhì)量流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是最后輸出信號只與介質(zhì)的質(zhì)量流量成比例，這就能

54、從根本上提高流量測量的精度，省去了繁瑣的換算和修正。6.5 質(zhì)量流量傳感器6.5.1 直接式質(zhì)量流量計(jì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（簡稱CMF）是利用流體在直線運(yùn)動的同時，處于一個旋轉(zhuǎn)系中時，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力而制成的一種直接式質(zhì)量流量傳感器。然而，通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生科里奧利力實(shí)現(xiàn)起來比較困難，目前的傳感器均采用振動的方式來產(chǎn)生。由于它實(shí)現(xiàn)了真正意義上的、高精度的直接流量測量，具有抗磨損、抗腐蝕、可測量多種介質(zhì)及多個參數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在石油化工、制藥、食品及其他工業(yè)過程中廣泛應(yīng)用。6.5 質(zhì)量流量傳感器 1工作原理科氏力流量計(jì)由傳感器和變送器兩大部分組成。其中傳感器用于流

55、量信號的檢測，主要由分流器、測量管、驅(qū)動、檢測線圈和驅(qū)動、檢測磁鋼構(gòu)成，如圖6-23所示。圖圖6-23 6-23 流量傳感器示意圖流量傳感器示意圖 6.5 質(zhì)量流量傳感器傳感器力學(xué)分析如圖6-24所示。圖圖6-24 6-24 傳感器力學(xué)分析圖傳感器力學(xué)分析圖6.5 質(zhì)量流量傳感器當(dāng)測量管向上振動但無流體流過時，運(yùn)用右手螺旋法則，四指指向旋轉(zhuǎn)方向，則大拇指指向的方向?yàn)橥饧域?qū)動的角頻率。當(dāng)流體流入“U”形管時，由于慣性，流體將反抗“U”形測量管強(qiáng)加給它的垂直動量的改變。在“U”形管的入口段，在管子向上振動期間，流體將壓管子向下。在“U”形管的出口段，流體將推管子向上，于是測量管被扭曲如圖6-25所

56、示，圖圖6-25 6-25 科氏力引起科氏力引起“U”U”形管扭曲形管扭曲6.5 質(zhì)量流量傳感器 這就是科氏力的作用結(jié)果。右手定則可以確定科氏力的方向，大拇指代表方向，食指代表流體的流速 方向，則中指的反方向即科氏力 的方向。在圖6-25中， 和 的箭頭表示科氏力的方向。當(dāng)“U”形管被向下驅(qū)動時（方向反向），則 和 亦反向。設(shè)測量管左右對稱 ， 管的直腿段長度為L，管的回彎寬度為2r，設(shè)流體單位質(zhì)量為m，流速為 ，U形管的轉(zhuǎn)動角速度為，流過單邊直腿段的時間為t。cFcFcFcF12rrrccFF6.5 質(zhì)量流量傳感器U形管子所受的扭曲力矩M為 式中 因?yàn)榱黧w瞬時質(zhì)量流量為 ， 流速為 ，則 ，

57、代入式（6-11）則有 （6-116-11） （6-126-12）設(shè)管子的角彈性系數(shù)為設(shè)管子的角彈性系數(shù)為 ，在扭力矩作用下，在扭力矩作用下，U形管產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)形管產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角為角為， ，代入式（，代入式（6-126-12），則），則（6-136-13）c 1c224MF rF rFrm vrccFFF Fmqm tvL tmvLqmms() / (4)qKrLsMKsKm4Mrq L6.5 質(zhì)量流量傳感器U形管繞OO軸振動時有式中： 為圖6-26中 和 不能同時越過中心位置O時而存在的時間差，有將式（6-14）代入式（6-13）得（6-146-14） （6-156-15）式（6-15）中t為流

58、體流過傳感器左右檢測器時產(chǎn)生的時間差，也就是兩組檢測信號的相位差，如圖6-26所示。2Ltr tcFcF() / 2Ltrsm28Kqtr6.5 質(zhì)量流量傳感器由式（6-15）可知，質(zhì)量流量 與兩組電磁檢測器檢出信號的時間差 成正比，而與振動的頻率及角速度等均無關(guān)，根據(jù)這一原理，質(zhì)量流量計(jì)將 轉(zhuǎn)換成脈沖信號（010kHz）或電信號輸出并顯示流體質(zhì)量，從而解決了質(zhì)量流量的直接測量問題。mqmqttt6.5 質(zhì)量流量傳感器2特點(diǎn)由于科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是一種直接式質(zhì)量流量計(jì)，因而具有許多其他流量計(jì)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 可直接測得質(zhì)量流量的信號，不受被測介質(zhì)物理參數(shù)的影響，實(shí)現(xiàn)了真正的、高精度的直接質(zhì)量流

59、量測量。精度一般可達(dá)0.1%0.2%，重復(fù)性優(yōu)于0.1%。 可以測量多種介質(zhì)，如油品、化工介質(zhì)、造紙黑液、槳體及天然氣等，也可用于多相流的測量。 流體的介質(zhì)密度、黏度、溫度、壓力、導(dǎo)電率、流速分布等特性對測量結(jié)果影響較小。因此，對流量計(jì)前后直管段要求不高。 無可動部件，流量管內(nèi)無障礙物，便于維護(hù)。缺點(diǎn)：對震動較為敏感，故對傳感器的抗震、抗擾要求較高，運(yùn)行中由于兩根測量管的平衡破壞而引起零點(diǎn)漂移；不適用于低密度介質(zhì)和低壓氣體，不適用于大管道，目前局限于直徑150（或200）mm以下，測量管內(nèi)壁磨損、腐蝕和結(jié)垢，影響測量精度較大。6.5 質(zhì)量流量傳感器 6.5.2 6.5.2 熱式質(zhì)量流量計(jì)熱式質(zhì)

60、量流量計(jì)熱式質(zhì)量流量計(jì)在國內(nèi)習(xí)稱量熱式流量計(jì)，是利用流動中的流體與熱源（流體中加熱的物體或測量管外加熱體）之間熱量交換關(guān)系來測量流體質(zhì)量流量的一種流量儀表。一般用來測量氣體的質(zhì)量流量。具有壓損低、流量范圍度大、高精度、高重復(fù)性、高可靠性、無可動部件，以及可用于極低氣體流量檢測和控制等特點(diǎn)1分類熱式質(zhì)量流量計(jì)根據(jù)熱源及測溫方式的不同可分為接觸式和非接觸式兩種。（1）接觸式熱式質(zhì)量流量計(jì) 這種質(zhì)量流量計(jì)的加熱元件和測溫元件都置于被測流體的管道內(nèi)，與流體直接接觸，常被稱為托馬斯流量計(jì)，適于測量氣體的較大質(zhì)量流量。由于加熱及測量元件與被測流體直接接觸，因此元件易受流體腐蝕和磨損，影響儀表的測量靈敏度和