CH11流量的測量64644課件

第11章流量的測量0011

MeasurementofFlow11.0序(Introduction)11.1容積式流量計

(PositiveDisplacementFlowmeter)11.2壓差式流量計(DifferentialPressureFlowmeter)11.3流體阻力式流量計(FlowResistanceFlowmeter)11.4速度式流量計(SpeedFlowmeter)返回流體（包括液體和氣體，以及液體、氣體、粒狀固體兩者或三者之間的任意組合）的流量通常指單位時間內(nèi)流過管道某一截面或明渠橫斷面的流體量。流體流量一般可分為體積流量qV和質(zhì)量流量qm，它們之間的關(guān)系為式中：為流體的密度。在某一段時間內(nèi)流體流量的總和，稱為總流量。工業(yè)上常用的流量計量儀表按其工作原理大致可分為容積式、壓差式、流體阻力式和速度式流量計等幾大類。11.0序

(Introduction)（a）（b）（c）11.1容積式流量計

(PositiveDisplacementFlowmeter)12.1.1橢圓齒輪流量計(ovalgearedflowmeter)容積式流量計是利用機(jī)械測量元件把流體連續(xù)不斷地分隔成單位體積，并進(jìn)行累加而計量出流體總量的儀表。如橢圓齒輪流量計、腰輪轉(zhuǎn)子流量計和比較新型的齒輪流量計等。結(jié)構(gòu)和工作原理橢圓齒輪流量計主要部分是殼體和裝在殼體內(nèi)的一對相互嚙合的橢圓齒輪，它們與蓋板構(gòu)成了密閉的流體計量室，流體的進(jìn)出口分別位于兩個橢圓齒輪軸線構(gòu)成平面的兩側(cè)殼體上。工作特性橢圓齒輪流量計借助于固定的容積來計量流量，與流體的流動狀態(tài)及粘度無關(guān)。粘度變化會引起泄漏量的變化，影響測量精度。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%。流量恒定時，橢圓齒輪在一周的轉(zhuǎn)速是變化的，但每周的平均角速度不變。橢圓齒輪的短軸與長軸之比為0.5時，轉(zhuǎn)動角速度的脈動率接近0.65。由于角速度的脈動，測量瞬時轉(zhuǎn)速并不能表示瞬時流量，而只能測量整數(shù)圈的平均轉(zhuǎn)速來確定平均流量。大多數(shù)橢圓齒輪流量計的外伸軸都帶有測速發(fā)電機(jī)或光電測速盤。同二次儀表相連，可準(zhǔn)確地顯示出平均流量和累積流量。橢圓齒輪流量計的缺點(diǎn)是對流體的清潔度要求較高。另外，齒輪容易磨損，特別是在流量計超負(fù)荷運(yùn)行時，磨損加劇，導(dǎo)致精度下降。容積式流量計(3/6)11.1.2腰輪齒輪流量計(rootsflowmeter)結(jié)構(gòu)和工作原理腰輪轉(zhuǎn)子流量計同橢圓齒輪流量計類似，通過腰輪（轉(zhuǎn)子）與殼體之間所形成的固定計量室來實(shí)現(xiàn)，腰輪轉(zhuǎn)過一圈，排出四個固定計量體積的流體，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。其流量的計算公式與橢圓齒輪流量計相同。1—?dú)んw；2—軸；3—驅(qū)動齒輪；4—腰輪；5—計量室容積式流量計(4/6)工作特性腰輪轉(zhuǎn)子流量計中，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。普通腰輪流量計，隨著流量的增大，轉(zhuǎn)子角速度的波動現(xiàn)象較嚴(yán)重，脈沖率約為0.22。對大流量的計量，往往都采用45o角組合腰輪，可大大減小轉(zhuǎn)子角速度的波動，脈沖率可減小到0.027左右。由于腰輪流量計的驅(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，因此這種流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、適用性強(qiáng)等特點(diǎn),對于不同粘度的流體，均能夠保證精確的計量，一般精度可達(dá)±0.2％。容積式流量計(5/6)11.2壓差式流量計

(DifferentialPressureFlowmeter)11.2.1壓差式流量計的計算公式壓差式流量計是利用伯努利方程原理來測量流量的儀表。壓差式流量計通過測定流體經(jīng)過節(jié)流裝置時所產(chǎn)生的靜壓力差來實(shí)現(xiàn)流量測量。管內(nèi)連續(xù)流動的流體流經(jīng)節(jié)流裝置時，將產(chǎn)生流體勢能和動能的相互轉(zhuǎn)換，致使其壓力和流速發(fā)生相應(yīng)的變化。實(shí)驗(yàn)證明，流體流經(jīng)各種節(jié)流裝置時，其流速和壓力沿流動方向的分布情況是類似的。差壓流量計原理與壓力分布情況水平管道內(nèi)裝有節(jié)流孔板時，沿流動方向的壓力分布情況如下圖。壓差式流量計(2/4)體積流量方程為式中：—流量系數(shù)；

—流體壓縮系數(shù)。對不可壓縮流體，＝1；對可壓縮流體，<1；A0—節(jié)流孔的最小截面積。流量系數(shù)與節(jié)流裝置開孔截面比、流體流動的雷諾數(shù)Re值、取壓點(diǎn)位置、管壁粗糙度等有關(guān)，對于不同形式的節(jié)流裝置，由于其壓力和流速分布不同，流量系數(shù)也不同。實(shí)驗(yàn)表明，對于一定形式的節(jié)流裝置，當(dāng)雷諾數(shù)值Re大于某一界限值ReK時，流量系數(shù)趨于某一定值。因此，當(dāng)Re>ReK時，只要測量壓力差便可確定流量的大小。壓差式流量計(3/4)各種形狀轉(zhuǎn)子11.3流體阻力式流量計

(FlowResistanceFlowmeter)11.3.1轉(zhuǎn)子流量計(rotameter)轉(zhuǎn)子流量計是工業(yè)上和實(shí)驗(yàn)室最常用的一種流量計。它具有結(jié)構(gòu)簡單、直觀、壓力損失小，且恒定、維修方便等特點(diǎn)。適用于測量通過管道直徑D<150mm的小流量，也可以測量腐蝕性介質(zhì)的流量。使用時流量計必須安裝在垂直走向的管段上，流體介質(zhì)自下而上地通過轉(zhuǎn)子流量計。轉(zhuǎn)子可沿管的中心線上下自由移動當(dāng)測量流體的流量時，被測流體從錐形管下端流入，流體的流動沖擊著轉(zhuǎn)子，并對它產(chǎn)生一個作用力（這個力的大小隨流量大小而變化）；當(dāng)流量足夠大時，所產(chǎn)生的作用力將轉(zhuǎn)子托起，并使之升高。同時，被測流體流經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐形管壁間的環(huán)形斷面，從上端流出。當(dāng)被測流體流動時對轉(zhuǎn)子的作用力，正好等于轉(zhuǎn)子在流體中的重量時（稱為顯示重量），轉(zhuǎn)子受力處于平衡狀態(tài)而停留在某一高度。分析表明：轉(zhuǎn)子在錐形管中的位置高度，與所通過的流量有著相互對應(yīng)的關(guān)系。因此，觀測轉(zhuǎn)子在錐形管中的位置高度就可以求得相應(yīng)的流量值。流體阻力式流量計(2/6)11.3.2靶式流量計(targetflowmeter)靶式流量計是以管內(nèi)流動的流體給予插入管中的靶的推力F來測量流量的一種測量裝置。當(dāng)被測流體通過裝有圓靶的管道時，流體沖擊圓靶使其受推力F作用，經(jīng)杠桿將力傳遞給粘有應(yīng)變片的懸臂梁（也可采用其他形式的力傳感器）。這樣應(yīng)變電橋就輸出與力F成正比的電壓。由測得的F值就可確定流量的大小。1－靶；2－傳力杠桿；3－推桿；4－懸臂塊流體阻力式流量計(3/6)則通過管道流體的流量為式中：A0——靶和管壁間的環(huán)形間隙面積，m2，；D——管道內(nèi)徑，m；d——圓板靶外徑，m。則有—靶式流量計的流量系數(shù)；—靶的結(jié)構(gòu)參數(shù)。式中：流體阻力式流量計(5/6)流量系數(shù)K與、D及流體流動的雷諾數(shù)Re有關(guān)，其數(shù)值由實(shí)驗(yàn)確定。下圖為D＝53mm的圓靶，結(jié)構(gòu)系數(shù)分別為＝0.7和0.8的K－－Re實(shí)驗(yàn)曲線。由圖可知，當(dāng)Re較大時K趨于某一常數(shù)，而當(dāng)Re較小時，K隨著Re減小而顯著減小。與差壓式流量計相比，其流量系數(shù)趨于常數(shù)的臨界雷諾數(shù)較小，因此適于測量粘度較大的流體。靶式流量計的測量精度約為2%~3%。流體阻力式流量計(6/6)11.4速度式流量計

(SpeedFlowmeter)渦輪流量計主要由渦輪、導(dǎo)流器、殼體和磁電傳感器等組成，渦輪的轉(zhuǎn)軸的軸承由固定在殼體上的導(dǎo)流器所支撐。殼體由不導(dǎo)磁的不銹鋼制成，渦輪為導(dǎo)磁的不銹鋼，它通常有4～8片螺旋形葉片。當(dāng)流體通過流量計時，推動渦輪使其以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，此轉(zhuǎn)速是流體流量的函數(shù)。而裝在殼體外的非接觸式磁電轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖信號的頻率與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比。因此，測定傳感器的輸出頻率即可確定流體的流量。11.4.1渦輪流量計(turbineflowmeter)11.4.2超聲波流量計(ultrasonicflowmeter)超聲波在流動的流體中傳播時，可以載上流體流速的信息。因此，通過接收穿過流體的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而計算出流量。超聲波流量計按測量原理可以分為多種不同形式，主要有傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、旋渦法、相關(guān)法、流速-液面法等。下面主要介紹傳播速度差法。聲波在流體中傳播時，處在順流和逆流的不同條件下，其波速并不相同。順流時，超聲波的傳播速度為在靜止介質(zhì)中的傳播速度c加上流體的速度v，即傳播速度為(c＋v)；逆流時，它的傳播速度為(c－v)。測出超聲波在順流和逆流時的傳播速度，求出兩者之差2v，就可求得流體的速度。測定超聲波順、逆流傳播速度之差的方法主要有測量在超聲波發(fā)生器上、下游等距離處接到超聲信號的時間差、相位差或頻率差等方法。速度式流量計(3/10)時差法設(shè)超聲波發(fā)生器與接收器之間的距離為L，則超聲波到達(dá)上、下游接收器的傳播時間差為當(dāng)c>>v時，相差法若超聲波發(fā)生器發(fā)射的是連續(xù)正弦波，則上、下游等距離處接收到超聲波的相位差為式中：為超聲波的角頻率。速度式流量計(4/10)頻差法通過測量順流和逆流時超聲脈沖的重復(fù)頻率差來測量流速。在上、下游等距離處收到超聲波的頻率差為頻率差測流速與超聲波傳播速度c無關(guān)。在流量計管壁的斜對面固定兩個超聲波振子TR1、TR2，兼作超聲波的發(fā)送和接收元件。由一側(cè)的振子產(chǎn)生的超聲波脈沖穿過管壁→流體→管壁為另一側(cè)的振子所接收，并轉(zhuǎn)換為電脈沖，經(jīng)放大后再用此電脈沖激發(fā)對面的發(fā)送振子，形成所謂單環(huán)自激振蕩。振蕩周期由超聲波在流體中的順流傳播速度決定，周期的倒數(shù)即為單環(huán)頻率f1。速度式流量計(5/10)經(jīng)過一定時間間隔以后，由切換電路使發(fā)送振子變成接收振子，而接收振子變成發(fā)送振子，此時，測出單環(huán)頻率f2（取決于超聲波在逆流中的傳播速度）。當(dāng)，且很小時，可得則體積流量為超聲波流量儀前后必須有足夠長的直管段以使流體流經(jīng)儀表前就達(dá)到典型層流分布，且使用中要避免流體中出現(xiàn)氣泡并防止其他聲源干擾。超聲流量計的最大優(yōu)點(diǎn)是儀表裝在管道外，不破壞管道，價格也與管道大小無關(guān)。速度式流量計(7/10)11.4.3電磁流量計(electromagneticflowmeter)電磁流量計由電磁流量傳感器、轉(zhuǎn)換器以及顯示儀表等組成，也可由電磁流量傳感器和顯示儀表直接組成。傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)定律。采用不導(dǎo)磁材料制成的流量測量導(dǎo)管，置于均勻磁場中，其內(nèi)徑為D，內(nèi)壁襯有絕緣材料。導(dǎo)電液體在管道中流動時，作切割磁力線的運(yùn)動，若所有流體質(zhì)點(diǎn)都以平均流速v運(yùn)動，則液體流速在整個管道截面上是均勻一致的。這樣，就可把液體看成許多直徑為D的連續(xù)運(yùn)動著的薄圓盤。這種由液體組成的薄圓盤等