《工學流量檢測》教學課件

1、第六章 流量檢測流量定義：指單位時間內流體(氣體、液體或固體顆粒等)流經管道或設備某處橫截面的數量，又稱瞬時流量。體積流量：當流體以體積表示時稱為體積流量。質量流量：當流體以質量表示時稱為質量流量。6.1 流量檢測的基本概念6.1.1 流量的概念和單位第1頁，共77頁。質量流量與體積流量的關系在某段時間內流體通過的體積或質量稱為累積流量或流過總量，它是體積流量或質量流量在該段時間內的積分。流量的國際單位是千克/秒（kg/s）、立方米/秒（m3/s）。此外，常用的還有噸/小時（t/h）、千克/小時（kg/h）、立方米/小時（m3/h）等；總量的國際單位是千克（kg）、立方米（m3）。此外，常用的

2、總量單位還有噸（t）。第2頁，共77頁。6.1.2流量檢測方法及流量計分類6.1.2.1流量檢測方法及流量計分類按照檢測量的不同，流量檢測方法可以分為體積流量檢測和質量流量檢測，按照檢測原理不同，流量檢測方法有可分為速度法、容積法和質量法。 類 別 儀表名稱體積流量計容積式流量計橢圓齒輪、腰輪、皮膜式流量計等差壓式流量計節(jié)流式、均速管、彎管、靶式、浮子流量計等速度式流量計渦輪、渦街、電磁、超聲波流量計質量流量計推導式流量計體積流量經密度補償或壓力、溫度補償求質量直接式流量計科里奧利、熱式、沖量式流量計第3頁，共77頁。6.1.2.2 流量計的測量特性（1）流量方程式 流量與流量計輸出信號之間關

3、系的數學表達式 （2）流量計的儀表系數與流出系數儀表系數K（頻率型流量計）：單位流體流過流量計時流量計發(fā)出的脈沖數 流出系數C:實際流量與理想流量的比值第4頁，共77頁。（3）測量范圍及范圍度流量計的測量范圍：指可測最大流量與最小流量所限定的范圍。范圍度：最大流量與最小流量的比值。（4）測量精確度和誤差流量儀表在規(guī)定的正常工作條件下允許的最大誤差，稱為該流量儀表的允許誤差，一般用最大相對誤差和引用誤差來表示。流量儀表的精度等級是根據允許誤差的大小來劃分的，其精度等級有：0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5等。第5頁，共77頁。（5）壓力損失壓力損失的大小是流量儀表

4、選型的一個重要技術指標。壓力損失小，流體能消耗小，輸運流體的動力要求小，測量成本低。反之則能耗大，經濟效益相應降低。故希望流量計的壓力損失愈小愈好。第6頁，共77頁。6.2 體積流量檢測法6.2.1 容積式流量計根據排出體積進行流量累計的儀表，利用運動元件的往復次數或轉速與流體的連續(xù)排出量成比例對被測流體進行連續(xù)的檢測。6.2.1.1 容積式流量計的測量機構與流量公式容積式流量計由測量室、運動部件、傳動和顯示部件組成。在流體進、出口壓力差的作用下，運動部件不斷將充滿在測量室中的流體從入口排向出口。Q=nV第7頁，共77頁。6.2.1.2 橢圓齒輪流量計該流量計系直讀累積式流體流量計，是由裝有一

5、對橢圓齒輪轉子的計量室、密封聯(lián)軸器和計數機構組成。 測得旋轉頻率就可求得體積流量，主要適用于高粘度液體的測量。第8頁，共77頁。6.2.1.3 腰輪流量計腰輪流量計又稱羅茨流量計，其工作原理與橢圓齒輪流量計相同。腰輪流量計的轉子是一對不帶齒的腰形輪，在轉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動。腰輪流量計可以測量液體和氣體，也可以測高粘度的流體，比橢圓齒輪能長期保持穩(wěn)定性。第9頁，共77頁。6.2.1.4 容積式流量計的安裝與使用流量計的安裝地點應滿足技術性能規(guī)定的條件，在安裝前必須進行檢定，可以水平安裝，也可以垂直安裝。在流量計的上游要加裝過濾器，調節(jié)流量的閥門要位于流量計的下

6、游，需設置旁通管路，安裝時流量計的外殼標志應與被測流體的流向一致。儀表在使用過程中被測流體應充滿管道，工作在儀表規(guī)定的流量范圍內，當粘度、溫度等參數超過規(guī)定范圍時對流量值進行修正，儀表要定期清洗和檢定。第10頁，共77頁。6.2.2 差壓式流量計差壓式流量計基于流體在通過設置于流通管道上的流動阻力件時產生的壓力差與流體流量之間的確定關系，通過測量差壓值求得流體流量。包括節(jié)流裝置（孔板、噴嘴、文丘利管、動壓管、均速管、彎管）、靶式流量計、轉子流量計。1、節(jié)流式流量計可用于測量液體、氣體或蒸汽的流量。特點：結構簡單，無可動部件；可靠性高；復現性能好；適用于各種工況下的單相流體。缺點：安裝要求嚴格；

7、流量計前后要求較長的直管段；測量范圍窄，壓力損失大。第11頁，共77頁。（1）測量原理在管道中流動的流體具有動壓能和靜壓能，在一定條件下這兩種形式的能量可以相互轉換，但參加轉換的能量總和不變。用節(jié)流元件測量流量時，流體流過節(jié)流裝置前后產生壓力差p(p=p1-p2)，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系。第12頁，共77頁。由于有壓力損失，收縮前后的靜壓值不等。第13頁，共77頁。（2）流量方程式能量方程連續(xù)性方程截面1和2上流體的靜壓力； 截面1和2上流體的平均流速； 截面1和2上流束直徑；、截面1和2上流體的密度 、第14頁，共77頁。體積流量： 質量流量：

8、 第15頁，共77頁。以實際采用的某種取壓方式所得到的壓差來代替的值；同時引入流出系數C,考慮到節(jié)流過程中流體密度的變化而引入流束膨脹系數 進行修正,采用節(jié)流件前的流體密度,對上式進行修正得到：對于可壓縮流體，第16頁，共77頁。 節(jié)流式流量計的阻力損失可用下式估算流量公式中的流量系數與節(jié)流裝置的結構形式、取壓方式、節(jié)流裝置開孔直徑、流體流動狀態(tài)（雷諾數）及管道條件等因素有關。由流量基本方程式可以看出，被測流量與差壓p成平方根關系，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系。顯

9、示儀表則顯示流量的大小。第17頁，共77頁。（3）節(jié)流裝置標準節(jié)流裝置的適用條件流體必須是牛頓流體，在物理學和熱力學上是均勻的、單相的，或者可認為是單相的流體 。b. 流體必須充滿管道和節(jié)流裝置且連續(xù)流動，流經節(jié)流件前流動應達到充分紊流，流束平行于管道軸線且無旋轉，流經節(jié)流件時不發(fā)生相變。c. 流動是穩(wěn)定的或隨時間緩變的 。第18頁，共77頁。標準節(jié)流元件的結構形式a. 標準孔板標準孔板是一塊具有與管道同心圓形開孔的圓板，迎流一側是有銳利直角入口邊緣的圓筒形孔，順流的出口呈擴散的錐形結構簡單，加工方便，價格便宜壓力損失較大，測量精度較低，只適用于潔凈流體介質，測量大管徑高溫高壓介質時，孔板易變

10、形。 標準孔板 第19頁，共77頁。b. 標準噴嘴標準噴嘴是一種以管道軸線為中心線的旋轉對稱體，主要由入口圓弧收縮部分與出口圓筒形喉部組成。壓力損失較小，測量精度較高，適用于流體收縮的類型 ，一般選擇噴嘴用于高速的蒸汽流量測量。第20頁，共77頁。c. 文丘里管 文丘里管有兩種標準型式：經典文丘里管與文丘里噴嘴。文丘里管壓力損失最低，有較高的測量精度，對流體中的懸浮物不敏感，可用于污臟流體介質的流量測量，在大管徑流量測量方面應用的較多。但尺寸大、笨重，加工困難，成本高，一般用在有特殊要求的場合。 第21頁，共77頁。節(jié)流裝置的取壓方式 根據節(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、

11、法蘭取壓、徑距取壓與損失取壓五種:角接取壓適用于孔板和噴嘴，分為單獨取壓和環(huán)式取壓法蘭取壓（一英寸）和徑距取壓適應于孔板第22頁，共77頁。目前廣泛采用的是角接取壓法，其次是法蘭取壓法。角接取壓法比較簡便，容易實現環(huán)室取壓，測量精度較高。法蘭取壓法結構較簡單，容易裝配，計算也方便，但精度較角接取壓法低些角接取壓裝置 法蘭取壓裝置 第23頁，共77頁。節(jié)流式流量計的安裝A:節(jié)流裝置安裝時注意節(jié)流元件開孔必須與管道同軸，節(jié)流件方向不能裝反。管道內部不得有突入物，在節(jié)流件裝置附近不得安裝測溫元件或開設其他測壓口。B:引壓導管應按被測流體的性質和參數要求使用耐壓、耐腐蝕的管材，引壓管內徑不得小于6mm

12、，長度在16m以內，引壓管要傾斜或垂直敷設，傾斜度不得小于1：12傾斜方向視流體而定，在差壓信號管路中，還有冷凝器、集氣器、沉降器、隔離器、噴吹系統(tǒng)等附件。第24頁，共77頁。 被測流體為清潔液體時，導壓管路安裝方式如圖1所示。 a)垂直管道差壓儀表在管道下方 b) 差壓儀表在管道上方 圖1 清潔液體時安裝示意圖第25頁，共77頁。 被測流體為清潔的干燥氣體時，導壓管路安裝方式如圖3 - 5 所示 ：a)垂直管道差壓儀表在管道下方 b) 差壓儀表在管道上方圖2 清潔干氣體時的安裝圖示意圖 第26頁，共77頁。被測流體為蒸汽時，導壓管路安裝如圖3 所示。 圖3 測量蒸汽時的安裝圖示意圖 第27頁

13、，共77頁。被測流體為潔凈濕氣體時，導壓管路安裝如圖 4 所示 圖4 測量潔凈濕氣體時的安裝圖示意圖 第28頁，共77頁。C:三閥組測量平衡閥防止變送器單相受壓和儀表的零點校驗1-節(jié)流元件 2-引壓管路3-三閥組 4-差壓計 節(jié)流式流量計組成與實物圖 第29頁，共77頁。非標準節(jié)流裝置a.1/4圓噴嘴b. 錐形入口孔板c. 圓缺孔板a,b用于地雷諾系數測量c 用于臟污、有氣泡析出或有固體顆粒的液體流量測量第30頁，共77頁。例1:橢圓齒輪流量計的半月形空腔體積為0.5L，今要機械齒輪每轉一周跳一個字代表100L，試問傳動系統(tǒng)的減速比是多少？例2：用差壓變送器與標準節(jié)流裝置配套測介質流量。若差壓

14、變送器量程視0104pa對應輸出電信號010mADC，相應被測流量是0320m3/h。求差壓變送器輸出信號為6mA視對應的差壓值及流量值各為多少？第31頁，共77頁。2、均速管流量計均速管流量計是基于早期皮托管測速原理發(fā)展起來的，均速管的優(yōu)點是；結構上較為簡單壓力損失小，安裝、拆卸方便，維護量小。第32頁，共77頁。均速管是利用測量流體的全壓與靜壓之差來測量流速的。均速管的輸出差壓（p）和流體平均速度（v） 如果用流量來表示，其流量計算基本公式為 式中 qv 流體的體積流量，m3/s；qm流體的質量流量，kg/s； 工作狀態(tài)下均速管的流量系數；工作狀態(tài)下流體流過檢測桿時的流束膨脹系數；A工作狀

15、態(tài)下管道內截面面積，m2第33頁，共77頁。3、彎管流量計彎管流量計屬于差壓式流量測量系統(tǒng),當流體通過彎管傳感器時，由于流體受到傳感器的束縛，迫使流體按照彎管的曲率在管道中作類似的圓周運動，流體產生的離心力使傳感器的內外側壁產生壓力差P（P1-P2 ）。該離心力的大小與流體的流速V、密度、及所做圓周運動的曲率半徑R等等因素有關，該壓力差通過差壓變送器檢測出來，轉換為4-20mA信號輸出送給上微機或二次儀表 彎管流量計示意第34頁，共77頁。彎管流量計特點：適用的測量范圍廣，重現性和測量精度高，無附加壓力損失，耐磨性能好、使用壽命長，對直管段要求不高（滿足前5D后2D）；可采用直接焊接式安裝，減

16、輕了現場維護工作量，運行費用低，可實現溫壓在線補償。缺點：產生的差壓非常小。 第35頁，共77頁。4. 靶式流量計靶式流量計是一種適用于測量高粘度、低雷諾數流體流量的流量測量儀表，例如用于測量重油、瀝青、含固體顆粒的漿液及腐蝕性介質的流量。第36頁，共77頁。在流體通過的管道中，垂直于流動方向插上一塊圓盤形的靶。流體通過時對靶片產生推力，經杠桿系統(tǒng)產生力矩。力矩與流量的平方近似成正比其中環(huán)隙通道面積第37頁，共77頁。它由檢測裝置，力轉換器，信號處理和顯示儀幾部分組成。檢測裝置包括測量管和靶板，力轉換器為應變計式傳感器，信號處理和顯示儀可以就地直讀顯示或遠距標準信號傳輸等。靶式流量計的結構形式

17、可分為管道式，夾裝式和插入式等. 采用電容式力傳感器的是該新型產品真正實現高精度、高穩(wěn)定性的關鍵核心，徹底改變了原有應變式靶式流量計溫漂大 ，抗過載(沖擊)能力差，存在靜態(tài)密封點等種種限制，不但發(fā)揮了靶式流量計原有的技術優(yōu)勢，同時又具有與容積式流量計相媲美的測量準確度，加之其特有的抗干擾、抗雜質性能，除能替代常規(guī)流量所能測量的流量計量問題，尤其在小流量、高粘度、易凝易堵、高低溫、強腐蝕、強震動等流量計量困難的工況中具有很好的適應性 .第38頁，共77頁。5、浮子（轉子）流量計浮子流量計是以浮子在垂直錐形管中隨著流量變化而升降，改變它們之間的流通面積來進行測量的體積流量儀表，又稱轉子流量計。特點

18、：結構簡單，使用維護方便，壓力損失小而且恒定，測量范圍寬，刻度為線性。第39頁，共77頁。 如圖所示，被測流體從下向上經過錐管1和浮子2形成的環(huán)隙3時，浮子上下端產生差壓形成浮子上升的力，當浮子所受上升力大于浸在流體中浮子重量時， 浮子便上升，環(huán)隙面積隨之增大，環(huán)隙處流體流速立即下降，浮子上下端差壓降低，作用于浮子的上升力亦隨著減少，直到上升力等于浸在流體中浮子重量時，浮子便穩(wěn)定在某一高度。浮子在錐管中高度和通過的流量有對應關系。（一）工作原理及結構第40頁，共77頁。根據浮子在錐形管中受力條件得：為壓差浮子的截面積和體積浮子密度和流體密度得到節(jié)流流量方程環(huán)隙面積第41頁，共77頁。浮子流量計

19、類型：玻璃錐形管的直讀式 金屬錐形管的遠傳式第42頁，共77頁。直讀式流量計結構簡單，工作可靠，價格低廉，使用方便，可制成防腐蝕型，用于現場測量。遠傳式浮子流量計遠傳方式有電動和氣動兩種電遠傳式浮子流量計工作原理第43頁，共77頁。（二）浮子流量計的使用和安裝（1）浮子流量計的刻度換算轉子流量計是一種非通用性儀表，出廠時其刻度需單獨標定。儀表廠在工業(yè)標準狀態(tài)下，以空氣標定測量氣體流量的儀表；以水標定測量液體流量的儀表。若被測介質不是水或空氣，則流量計的指示值與實際流量值之間存在差別，必須對流量指示值按照實際被測介質的密度、溫度、壓力等參數的具體情況進行刻度修正。 第44頁，共77頁。修正公式被

20、測介質的實際流量流量計標定刻度流量被測介質密度標定介質密度浮子密度對于氣體介質第45頁，共77頁。（2）浮子流量計的安裝和使用A、絕大部分浮子流量計必須垂直安裝在無振動的管道上，不應有明顯的傾斜，流體自下而上流過儀表。 B、用于污臟流體的安裝，應在儀表上游裝過濾器。帶有磁性耦合的金屬管浮子流量計用于可能含鐵磁性雜質流體時，應在儀表前裝磁過濾器。 C、 脈動流的安裝 流動本身的脈動，如擬裝儀表位置的上游有往復泵或調節(jié)閥，或下游有大負荷變化等，應改換測量位置或在管道系統(tǒng)予以補救改進，如加裝緩沖罐；若是儀表自身的振蕩，如測量時氣體壓力過低，儀表上游閥門未全開，調節(jié)閥未裝在儀表下游等原因，應針對性改進

21、克服，或改選用有阻尼裝置的儀表。第46頁，共77頁。6.2.3 速度式流量計儀表的輸出與流速有確定的關系，可知流體的體積流量1、渦輪流量計在流體流動的管道內，安裝一個可以自由轉動的葉輪，當流體通過葉輪時，流體的動能使葉輪旋轉。流體的流速越高，動能就越大，葉輪轉速也就越高。在規(guī)定的流量范圍和一定的流體粘度下，轉速與流速成線性關系，因此，測出葉輪的轉速或轉數，就可確定流過管道的流體流量和總量。第47頁，共77頁。渦輪流量計機構第48頁，共77頁。渦輪流量計的流量方程式體積流量信號脈沖頻率儀表常數第49頁，共77頁。（2）渦輪流量計的特點和使用渦輪流量計安裝方便，磁電感應轉換器與葉片之間不需密封和齒

22、輪傳動機構，因而測量精度高，可耐高壓，靜壓可達50MPa。由于基于磁電感應轉換原理，故反應快，可測脈動流量。輸出信號為電頻率信號，便于遠傳，不受干擾。 渦輪流量計的渦輪容易磨損，被測介質中不應帶機械雜質，否則會影響測量精度和損壞機件。因此，一般應加過濾器。安裝時，必須保證前后由一定的直管段，以使流向比較穩(wěn)定。一般入口直管段的長度取管道內徑的10倍以上，出口取5倍以上。 第50頁，共77頁。2 渦街流量計利用流體振蕩的原理進行測量，當流體流過非流線型阻擋體式會產生穩(wěn)定的漩渦列，漩渦的產生頻率與流體流速有確定的對應關系，測量頻率的變化，就可以得知流體的流量。（1）渦街流量計的組成及流量方程式把一個

23、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，當流體繞過旋渦發(fā)生體時會在其左右兩側后方交替產生旋渦，形成渦列，且左右兩側旋渦的旋轉方向相反。這種渦列就稱為卡門渦街。 第51頁，共77頁。旋渦流量計測量原理圖第52頁，共77頁。穩(wěn)定的漩渦產生頻率 f 與漩渦發(fā)生體處流速V的關系斯特羅哈爾數漩渦發(fā)聲體的特征尺寸K儀表系數第53頁，共77頁。（2） 渦街流量計的特點優(yōu)點: 渦街流量計測量精度較高；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變化的影響，用水或空氣標定后的流量計無須校正即可用于其它介質的測量；易與數字儀表或計算機接口,對氣

24、體、液體和蒸汽介質均適用。 缺點: 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，并要求流量計前后有足夠長的直管段。第54頁，共77頁。3、電磁流量計電磁流量計是基于法拉第電磁感應原理制成的一種流量計。當被測導電流體在磁場中沿垂直磁力線方向流動而切割磁力線時，在對稱安裝在流通管道兩側的電極上將產生感應電勢，此電勢與流速成正比。（1）電磁流量計的組成及流量方程式第55頁，共77頁。感應電勢E與流速的關系C 為常數B 磁感應強度D 管道內徑V流體平均速度流量方程：第56頁，共77頁。（2）流量計的特點及應用優(yōu)點： 壓力損失小，適用于含有顆粒、懸浮物等流體的流量測量

25、；可以用來測量腐蝕性介質的流量；流量測量范圍大；流量計的管徑小到1mm，大到2m以上；測量精度為0.5-1.5級；電磁流量計的輸出與流量呈線性關系；反應迅速，可以測量脈動流量。缺點： 被測介質必須是導電的液體，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；工作壓力受到限制。結構也比較復雜，成本較高第57頁，共77頁。4. 超聲波流量計 超聲波測流量的作用原理有傳播速度法、多普勒法、聲束偏移法、噪聲法、相關法、流速液面法等多種方法。(1) 傳播速度法測量原理第58頁，共77頁。1、時差法時差法就是測量超聲波脈沖順流和逆流時傳播的時間差。流體流速 t1-按順流方向，超聲波到達接收

26、器時間；t2-按逆流方向，超聲波到達接收器時間。第59頁，共77頁。2、頻差法 頻差法是通過測量順流和逆流時超聲脈沖的循環(huán)頻率之差來測量流量的。 順流時脈沖循環(huán)頻率： 逆流時脈沖循環(huán)頻率： 脈沖循環(huán)頻差： 流體流速: 流體體積流量方程： 第60頁，共77頁。（2）超聲波流量計的特點超聲流量計可夾裝在管道外面，儀表阻力損失極小，探頭安裝方便，通用性好，可測量各種液體的流量，包括腐蝕性、高粘度、非導電性流體。測量電路復雜，價格昂貴，多用在不能適用其它流量計的地方。第61頁，共77頁。6.3 質量流量計 流體的體積是流體溫度、壓力和密度的函數。質量流量計的測量方法，可分為間接測量和直接測量兩類。間接

27、式測量方法通過測量體積流量和流體密度經計算得出質量流量，這種方式又稱為推導式；直接式測量方法則由檢測元件直接檢測出流體的質量流量。第62頁，共77頁。流式流量計與密度計組合 1、間接式質量流量計一般是采用體積流量計和密度計或兩個不同類型的體積流量計組合，實現質量流量的測量。常見的組合方式主要有3種。節(jié)流式流量計與密度計的組合第63頁，共77頁。體積流量計與密度計的組合體積流量計和密度計組合 第64頁，共77頁。體積流量計與體積流量計的組合 節(jié)流式流量計和其它體積流量計組合 第65頁，共77頁。根據傳熱規(guī)律： 為流體的定壓比熱;兩點溫度差。 2. 直接式質量流量計 直接式質量流量計的輸出信號直接

28、反映質量流量，有許多種型式。熱式質量流量計第66頁，共77頁。熱式質量流量計示意圖 電源：24VDC精度：13%F.S.流通管徑：20200工作溫度：-2060輸出：420mA、05VDC、232接口 第67頁，共77頁?？评飱W利質量流量計 科里奧利質量流量計(簡稱科氏力流量計)是一種利用流體在振動管中流動而產生與質量流量成正比的科里奧利力的原理來測量質量流量的儀表?？剖狭α髁坑嫿Y構有多種形式，一般由振動管與轉換器組成。 科氏力流量計測量原理 第68頁，共77頁。為轉動角速度 轉彈性模量 U形管受到一個力矩的作用，其管端繞R-R軸扭轉而產生扭轉變形，該變形量的大小與通過流量計的質量流量具有確定的關系。 第69頁，共77頁。6.4 流量標準裝置 為了得到準確的流量值，除了正確使用和維護流量計外，還必須對流量計進行標定和定期校驗，以保證計量的準確度。流量計的標定隨流體的不同有很大的差異，需要建立各種類型的流量標準裝置。流量標準裝置的建立是比較復雜的，不同的介質如水、氣、油，以及不同的流量范圍和管徑大小均要有與