第07章流量測量2

第7章流量測量7.1流量測量概述7.2節(jié)流式流量計7.3速度式流量計7.4容積式流量計7.5質(zhì)量流量計7.6兩相流的流量測量7.3速度式流量計渦輪流量計電磁流量計靶式流量計渦街流量計超聲波流量計7.3.1渦輪流量計1、工作原理與結(jié)構(gòu)將渦輪置于被測流體中，流體沖動渦輪葉片轉(zhuǎn)動，渦輪轉(zhuǎn)速n與流體體積流量Q滿足一定關(guān)系。從而測得n便可知體積流量。水平螺翼式水表機芯流量方程

設(shè)渦輪葉片與渦輪軸線夾角為，葉輪平均半徑為r0，葉柵流通面積為S0，r0處流體的切向速度為vQ，則：流體切向流速流體平均流速

葉片角度渦輪流量(7-43)轉(zhuǎn)速n的測量方法有磁電法、光電法、霍爾效應(yīng)法等。目前我國生產(chǎn)的渦輪流量計通常采用磁電法。磁電法原理：當(dāng)用鐵磁材料制成的葉片旋轉(zhuǎn)通過固定在殼體上的永久磁鋼時，磁鋼磁路中磁阻發(fā)生周期性的變化，從而使在永久磁鋼外部的線圈感生出交流電脈沖信號，設(shè)渦輪葉片數(shù)為Z，則脈沖信號的頻率f為：ξ—渦輪流量計的流量系數(shù)體積流量：(7-46)2、流量系數(shù)體積流量的表達式忽略了渦輪轉(zhuǎn)動過程中的機械摩擦和各種阻力。流體沖擊葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩時，需要克服流體沿葉輪表面流動時產(chǎn)生的粘滯摩擦力矩M1、渦輪軸與軸承間的摩擦力矩M2以及電磁反作用力矩M3等阻力。因此，Q和n并不是完全的線性關(guān)系，流量系數(shù)也不是常數(shù)。n、與Q的關(guān)系分別如上圖所示。曲線出現(xiàn)峰值主要是由于反作用力矩相對增大。為使流量計有較寬的線性范圍，除在設(shè)計流量計時保證結(jié)構(gòu)參數(shù)合理以及減小軸與軸承的摩擦阻力外，流體的粘度是一個主要考慮因素。對于液體，粘度越大，線性范圍越小；對于測量液體的流量計，制造廠給出的值是在常溫下用水進行標(biāo)定，因此只適用于具有與水相似粘度的流體，如實際流體粘度大于5×10-6m2/s，須重新標(biāo)定。渦輪用導(dǎo)磁的不銹鋼材料制成，其葉片數(shù)量根據(jù)口徑不同而不同，有3片、4片、6片等。圖7-9所示的導(dǎo)流器的作用是使流體到達渦輪前先進行整流，消除旋渦，以保證儀表精度；圖7-9中1~5部分做成一個整體，稱為變送器。3、渦輪流量計的特點和使用優(yōu)點:測量精度高，刻度線性，復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性均好，基本誤差為±(0.1~0.2)%；量程范圍寬，量程比可達(10~20):1；耐高壓，壓力損失小；對流量變化反應(yīng)迅速，可測脈動流量；抗干擾能力強（頻率信號），信號便于遠傳。缺點:制造成本高，對被測流體的清潔度要求高。使用場合：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(biāo)定其他流量的標(biāo)準(zhǔn)儀表。如何使用？安裝位置應(yīng)避免振動，避免強磁場及熱輻射，上下游應(yīng)保證有足夠的直管段(上游為20D，下游為5D)，否則需用整流器整流。流體應(yīng)嚴(yán)格清潔，必要時加裝過濾器。變送器水平安裝。使用中應(yīng)保證變送器前一定的流體壓力，防止變送器內(nèi)的氣蝕。溫度變化會引起流量計金屬材料的熱脹冷縮，使轉(zhuǎn)速變化，夏季和冬季可相差0.2％，須考慮其對測量精度的影響。7.3.2電磁流量計1、工作原理和結(jié)構(gòu)基于法拉第電磁感應(yīng)原理，如右圖。當(dāng)被測導(dǎo)電流體在磁場中沿垂直于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(cè)的電極上將產(chǎn)生感應(yīng)電勢，此電勢與流速成正比。流體流量方程B：為磁感應(yīng)強度D：管道內(nèi)徑u：流體平均流速E：感應(yīng)電勢電磁流量計的結(jié)構(gòu)1)．直流勵磁直流勵磁方式用直流電產(chǎn)生磁場或用永久磁鐵產(chǎn)生恒定的均勻磁場；直流勵磁變送器的最大優(yōu)點是受交流電磁場干擾影響很小，可以忽略液體中的自感現(xiàn)象對測量結(jié)果的影響。直流磁場易使通過測量管道的電解質(zhì)液體被極化（電解質(zhì)在電場中被電解成正負離子，在電場力的作用下，負離子向正極運動，正離子向負極運動）。將導(dǎo)致正負電極分別被相反極性的離子所包圍，嚴(yán)重影響儀表的正常工作．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．

2、電磁流量計的勵磁方式

2)、交流勵磁工業(yè)上使用的電磁流量計，多采用工頻電源(50Hz)交流勵磁方式，由正弦交變電流產(chǎn)生交變磁場。交變磁場變送器的優(yōu)點是消除電極表面的極化干擾；由于磁場是交變，所以輸出信號也是交變信號。

3)、低頻方波勵磁直流勵磁方式和交流勵磁方式各有優(yōu)缺點，為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)點，盡量避免它們的缺點，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1/4~1/10．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磁易產(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(yīng)用．3、電磁流量計的特點優(yōu)點：變送器與管道內(nèi)徑相同，測量為無干擾測量，壓力損失小；適用于含有顆粒、懸浮物的流體以及腐蝕性介質(zhì)；測得的體積流量不受溫度、壓力、密度、粘度等的影響；流量測量范圍大，流量計的管徑2.5mm~2.4m；反應(yīng)靈敏，可以測量正反方向的流體流量和脈動流量。測量精度為0.5～1.5級；缺點：被測介質(zhì)必須是導(dǎo)電液體，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要求，工作壓力受到限制；結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本較高。4、電磁流量計的安裝為保證導(dǎo)管內(nèi)充滿液體面不產(chǎn)生氣泡，變送器最好垂直安裝，并使流體自下而上通過變送器；若由于條件限制，只允許水平安裝時，則必須保證兩電極處于同一水平面上；安裝地點應(yīng)避免有較強的交直流磁場或有劇烈震動；上游直管段大于5D，下游無要求；變送器輸出的電勢E是以變送器內(nèi)液體電位為基準(zhǔn)，為使液體電位穩(wěn)定并與變送器等電位，變送器外殼、金屬管道兩端應(yīng)有良好的接觸并接地，轉(zhuǎn)換器外殼也應(yīng)接地。7.3.3靶式流量計1、工作原理和流量方程靶式流量計主要應(yīng)用于高粘度、低雷諾數(shù)、含固體顆粒的漿液及腐蝕介質(zhì)流量測量。結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便，成本低。其敏感部分是一個圓盤形靶。流體流動時，質(zhì)點沖擊在靶上，使靶產(chǎn)生微小的位移，此微小位移(或流體對靶的作用力)反映了流量的大小，其工作原理如圖7-15所示。流體對靶的作用力流體對靶的3種作用力：流體對靶的直接沖擊力，在靶板正面中心處，其值等于流體的動壓力；靶的背面由于存在“死水區(qū)”和旋渦面造成“抽吸效應(yīng)”，使該處的壓力減小，因此靶的前后存在靜壓差，此靜壓差對靶產(chǎn)生一個作用力；流體流經(jīng)靶時，由于流體流通截面縮小，流速增加，流體與靶的周邊產(chǎn)生粘滯摩擦力。在流量較大時，前兩種力起主要作用，而且它們是在同一流動現(xiàn)象中產(chǎn)生的，二者方向一致，可看做一個力，其值為F為靶受到流體的阻力；K為阻力系數(shù)；A0為靶迎流面積，d為靶直徑；v為靶和管壁間環(huán)面積中的平均流速；為介質(zhì)密度。（7-50）定義K=K-1/2，=d/D，則：(7-53)流量與靶輸出力F的平方根成正比．(7-52)流量2、流量系數(shù)和壓力損失由流量方程可知，當(dāng)被測介質(zhì)密度及靶的幾何尺寸確定后，流量計的精度主要取決于流量系數(shù)K的精度。流量系數(shù)K與靶的形狀、管道直徑D、直徑比及雷諾數(shù)ReD等因素有關(guān)。臨界雷諾數(shù)Reg實驗證明，對于圓盤形靶，當(dāng)流量超過某一界限時，K趨于恒定，此時的管道雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)Reg

，它決定了流量計的測量下限。當(dāng)雷諾數(shù)低于Reg時，由于粘滯摩擦力的影響相對增大，K將隨雷諾數(shù)的變化而改變。靶式流量計的壓力損失靶式流量計的Reg值可低至2000，比節(jié)流元件要求的最小雷諾數(shù)低得多，這是靶式流量計適于測量高粘度、小流量的原因。靶式流量計的壓力損失一般低于節(jié)流式流量計，約為孔板壓力損失的一半。3、靶式流量計的安裝和使用①流量計前后應(yīng)有必要的直管段，一般流量計前大于5D，流量計后大于3D；②流量計一般水平安裝，如果必須安裝在垂直管道上時，由于重力影響，產(chǎn)生零點漂移，安裝后要重新調(diào)整零點；③靶式流量計測量的下限低，其流量系數(shù)K對臟污介質(zhì)不敏感，精度約為1級，適用管徑0.015~0.2m；④表7-2給出了國產(chǎn)部分電動靶式流量計的規(guī)范，注意對其能測量流量的最大值Gmax或Qmax需進行相應(yīng)的換算。7.3.4渦街流量計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，稱為漩渦發(fā)生體。在該漩渦發(fā)生體兩側(cè)會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反、交替出現(xiàn)的漩渦，并隨著流體流動，在下游形成兩列不對稱的漩渦列，稱之為“卡門渦街”，如圖體積流量方程

? —每一列漩渦產(chǎn)生的頻率

D —管道內(nèi)徑

d —直徑漩渦發(fā)生體的特征尺寸

m －截面積比，m=A1/ASt —斯特羅哈爾數(shù)（7-57）對于圓柱體漩渦發(fā)生體，可得圓柱漩渦發(fā)生器ReD=104～105St=0.21等邊三角形漩渦發(fā)生器ReD=104～5×105St=0.162、漩渦頻率的測量方法在三角柱體的迎流面對稱地嵌入兩個熱敏電阻組成電橋的兩臂，以恒定電流加熱使其溫度稍高于流體，在交替產(chǎn)生的漩渦的作用下，兩個電阻被周期地冷卻，使其阻值改變，阻值的變化由橋路測出，即可測得漩渦產(chǎn)生頻率，從而測出流量。三角柱渦街檢測器3、渦街流量計的安裝裝漩渦發(fā)生體時，應(yīng)使其軸線與管道軸線垂直。對于三角柱、梯形或柱形發(fā)生體，應(yīng)使其底面向著流束，底面法線應(yīng)與管道軸線重合，其夾角最大不應(yīng)超過5°。4、渦街流量計的特點優(yōu)點:測量幾乎不受流體參數(shù)變化的影響，用水或空氣標(biāo)定后的流量計無須校正即可用于其它介質(zhì)的測量；渦街流量計測量精度可達1級；量程比寬，可達30~100:1；使用壽命長，壓力損失小，安裝維護方便；易與數(shù)字儀表或計算機接口；對氣體、液體和蒸汽等介質(zhì)均適用。缺點:流體流速分布情況和脈動情況將影響測量準(zhǔn)確度，因此適用于紊流流速分布變化小的情況；7.3.5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、波束偏移法、噪聲法、相關(guān)法、流速—液面法等多種方法。超聲測速原理1、傳播速度法測量原理傳播速度差法的基本原理為：測量超聲波脈沖在順流和逆流傳播過程中的速度之差來得到到被測流體的流速。根據(jù)測量的物理量的不同，可以分為：時差法(測量順、逆流傳播時由于超聲波傳播速度不同而引起的時間差);相差法(測量超聲波在順、逆流中傳播的相位差)、頻差法(測量順、逆流情況下超聲脈沖的循環(huán)頻率差)。頻差法是目前常用的測量方法．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，超聲波到達接收器時間t2-按逆流方向，超聲波到達接收器時間2)相差法相位差法是把時間差轉(zhuǎn)換為超聲波傳播的相位差來測量。超聲波換能器向流體連續(xù)發(fā)射超聲波脈沖。按順流方向發(fā)射時收到的信號相位按逆流方向發(fā)射時收到的信號相位式中為超聲波的角頻率。3)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)頻率之差測量流速（流量）。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:截面平均流速和流速u的關(guān)系：

層流：紊流：

流體的體積流量方程為：流量方程2、多普勒法測量原理根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。超聲多普勒法流量測量原理頻率的變化與兩者之間的相對速度成正比。超聲波流量計的特點與應(yīng)用超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示系統(tǒng)組成。超聲波換能器通常由鋯鈦酸鉛陶瓷等壓電材料制成，通過電致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)，發(fā)射和接收超聲波。超聲波換能器在管道上的配置方式7.4容積式流量計腰輪流量計刮板流量計容積流量計的性能分析容積流量計概述測量原理：用一個固定容積的容器周期性地吸入、排出等量體積的流體、測量流體流量。連續(xù)計量流體體積。直接測量流體的體積，所測流量與流體的粘性、密度和流態(tài)無關(guān)。精度高，可達到0.1～0.5％；常用于流體性質(zhì)變化大而測量精度要求高的石油、食品和化工行業(yè)。7.4.1腰輪流量計腰輪流量計又稱羅茨流量計，其工作原理如圖7-18。腰輪流量計的轉(zhuǎn)子是一對不帶齒的腰形輪，在轉(zhuǎn)動過程中兩腰輪不直接接觸而保持微小的間隙，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。7.4.2刮板流量計工作原理：在進、出口壓差作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，當(dāng)相鄰兩刮板進入計量區(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；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n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。

凸輪式刮板流量計刮板流量計原理圖7.4.3容積流量計的性能分析容積流量計的計量誤差主要來源主要來源：漏流所產(chǎn)生的誤差漏流量取決于流量計結(jié)構(gòu)，主要有：轉(zhuǎn)子之間和轉(zhuǎn)子與殼體之間間隙的幾何形狀；流體的力學(xué)性質(zhì)；進出口的壓力差。粘度對測量結(jié)果的影響相對漏流量取決于p/，而p∝f(,Q)，即壓力損失也正比于粘度，因此對其一給定的流量計，粘度對相對漏流量影響比較小。圖7-20是一腰輪流量計測量幾種液體的誤差曲線和對應(yīng)的壓力差，該流量計用水標(biāo)定;在量程(1.5~8.0m3/h)范圍內(nèi)的精度較高。用于粘度相差較小的輕柴油或灑精等液體時，測量誤差不大；如果要用于粘度與水相差比較大的液體，而測量精度要求較高時，則需要重新標(biāo)定。7.5質(zhì)量流量計質(zhì)量流量計簡介微小流量流量計——量熱式流量計直接式質(zhì)量流量計——哥式力流量計差壓式質(zhì)量流量計在工業(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；在測量中，常需將測出的體積流量，乘以密度換算成質(zhì)量流量。由于密度隨溫度、壓力而變化，所以在測量流體體積流量時，要同時測量流體的壓力和密度，進而求出質(zhì)量流量。在溫度、壓力變化比較頻繁的情況下，難以達到測量的目的。最好用質(zhì)量流量計直接測量質(zhì)量流量。7.5.1質(zhì)量流量計簡介

1．直接式直接檢測與質(zhì)量流量成比例的量，檢測元件直接反映出質(zhì)量流量。2．推導(dǎo)式用體積流量計和密度計組合的儀表測量質(zhì)量流量，同時檢測出體積流量和流體密度，通過運算得出與質(zhì)量流量有關(guān)的輸出信號。3．補償式同時檢測流體的體積流量和流體的溫度&壓力，根據(jù)流體密度與溫度、壓力的關(guān)系，由計算單元計算得到該狀態(tài)下流體的密度值，最后再計算得到流體的質(zhì)量流量值。補償式質(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。節(jié)流式流量計與密度計的組合體積流量計和密度計組合節(jié)流式流量計和其它體積流量計組合

7.5.2量熱式流量計

根據(jù)傳熱定律。設(shè)為流體的定壓比熱兩點溫度差7.5.3科式力流量計科里奧利質(zhì)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(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理來直接測量質(zhì)量流量的儀表?？剖狭α髁坑嫿Y(jié)構(gòu)有多種形式，一般由振動管與轉(zhuǎn)換器組成?？评飱W利力科里奧利力（Coriolisforce）有些地方也稱作哥里奧利力，簡稱為科氏力，是對旋轉(zhuǎn)體系中進行直線運動的質(zhì)點由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運動的偏移的一種描述。科里奧利力來自于物體運動所具有的慣性。/wiki/%E7%A7%91%E9%87%8C%E5%A5%A5%E5%88%A9%E5%8A%9B科氏力流量計測量原理U形管受到一個力矩的作用，其管端繞R-R軸扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，該變形量的大小與通過流量計的質(zhì)量流量具有確定的關(guān)系。

ω為轉(zhuǎn)動角速度轉(zhuǎn)彈性模量

7.5.4差壓式質(zhì)量流量計差壓式質(zhì)量流量計利用孔板和定量泵組合實現(xiàn)質(zhì)量流量測量。有雙孔板和四孔板與定量泵組合兩種結(jié)構(gòu)。

雙孔板差壓式質(zhì)量流量計

根據(jù)差壓式流量測量原理，孔板A和B處壓差分別為:式中：

K為常數(shù)；

為流體的密度。

孔板A、B前后的壓差與流體質(zhì)量流量成正比，測出壓差便可以求出流體質(zhì)量流量。四孔板差壓式質(zhì)量流量計7.6流量標(biāo)準(zhǔn)裝置液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置7.6.1液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置1.標(biāo)準(zhǔn)容積法裝置組成：水源流量穩(wěn)壓裝置：高位水槽，氣液容器穩(wěn)壓法試驗管道切換機構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)計量容器：精確標(biāo)定，容積精度可達萬分之幾。1.水池；2.水泵；3.高位水槽；4.溢流管；5.穩(wěn)壓容器；6.夾表器；7.切換機構(gòu)；8.切換擋板；9.標(biāo)準(zhǔn)容積計量槽；10.液位標(biāo)尺；11.游標(biāo)；12.被校流量計

標(biāo)準(zhǔn)容積法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置2.標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量法原理：用秤代替標(biāo)準(zhǔn)容器作為標(biāo)準(zhǔn)器；用稱量一定時間內(nèi)流入容器內(nèi)的流體總量的方法來求出被測液體的流量。精度較高，可以達到±0.1％。3.標(biāo)準(zhǔn)流量計法高精度流量計作為標(biāo)準(zhǔn)儀表對其他工作用流量計進行校正。高精度流量