現(xiàn)代檢測技術(shù)流量測量技術(shù)

現(xiàn)代檢測技術(shù)流量測量技術(shù)第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回8.1流量測量的基礎(chǔ)知識

8.1.1流量和流量計(jì)

流量是指單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道或設(shè)備某處橫截面的數(shù)量。

當(dāng)流體以體積表示時稱為體積流量qV；以質(zhì)量表示時稱為質(zhì)量流量qm。第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

流量計(jì)：用于測量流量的計(jì)量器具。

流量計(jì)通常由一次裝置（流量傳感器）和二次儀表組成。

流量傳感器安裝在流體導(dǎo)管內(nèi)部或外部，產(chǎn)生一個與流量有確定關(guān)系的信號。

二次儀表接受流量傳感器的信號，并轉(zhuǎn)換成流量顯示信號或輸出信號。第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

8.1.2流體的物理性質(zhì)與管流基礎(chǔ)知識

1、流體密度

2、流體粘度

流體運(yùn)動過程中阻滯剪切變形的粘滯力F與流體的速度梯度（du/dy）和接觸面積A成正比，即

流體的動力粘度與流體密度的比值稱為運(yùn)動粘度。稱為牛頓粘性定律

服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓流體。第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

3、流體的壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)

壓縮系數(shù)：當(dāng)流體溫度不變而所受壓力變化時，其體積的相對變化率。

膨脹系數(shù)：在一定的壓力下，流體溫度變化時其體積的相對變化率。第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

4、雷諾數(shù)

雷諾數(shù)是流體流動的慣性力與粘滯力之比，即

對于圓管，

5、管流類型

流體充滿管道截面的流動稱為管流。

（1）單相流和多相流

物體中每一均勻部分稱為一個相。第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

均勻的固體、液體和氣體統(tǒng)稱為單相物體。

管道中只有一種均勻的流體流動稱為單相流。

兩種不同相的流體同時在管道中流動稱為兩相流。

兩種以上不同相的流體同時在管道中流動稱為多相流。

（2）可壓縮和不可壓縮流體的流動

（3）穩(wěn)定流和不穩(wěn)定流

穩(wěn)定流：流體流動時，各處的速度和壓力僅與流體質(zhì)點(diǎn)所處的位置有關(guān)，而與時間無關(guān)。

不穩(wěn)定流：流速和壓力不僅與流體質(zhì)點(diǎn)所處的位置有關(guān)，而且還與時間有關(guān)。第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

（4）層流和紊流

層流：流體沿軸向作分層平行流動，各流層質(zhì)點(diǎn)沒有垂直于主流方向的橫向運(yùn)動。

紊流：管內(nèi)流體不僅有軸向運(yùn)動，而且還有劇烈的無規(guī)則的橫向運(yùn)動。

雷諾數(shù)Re=2320時為紊流的臨界值。

雷諾數(shù)小于2320時為層流。

雷諾數(shù)大于2320時為紊流。

6、流速分布和平均流速

流體在管內(nèi)流動時，越接近管壁，由于管壁與流體的粘滯作用，流速越低；管中心部分的流速最快。第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

對具有圓形截面的管內(nèi)流動情況，當(dāng)管內(nèi)流體為層流狀態(tài)時，在距管中心rx處的流速為

當(dāng)管內(nèi)流體為紊流狀態(tài)時，n為隨雷諾數(shù)不同而變化的系數(shù)。

流體需經(jīng)足夠長的直管段才能形成上述流速分布。

在彎管、閥門和節(jié)流元件等后面管內(nèi)流速分布會變得紊亂。

對于層流，平均流速是管中心的0.5倍；紊流時與n值有關(guān)。第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

7、流體流動的連續(xù)性方程和伯努利方程

（1）連續(xù)性方程

流體是由無數(shù)質(zhì)點(diǎn)連續(xù)分布而組成的連續(xù)介質(zhì)，流體的密度、流速和壓力等物理量也是連續(xù)分布。

任取一管段，設(shè)截面Ⅰ、截面Ⅱ處的面積、密度和平均流速分別為

（2）伯努利方程第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

8.1.3流量測量方法與流量儀表的分類

1、流量測量方法

（1）利用伯努利方程原理，通過測量流體差壓信號來反映流量的差壓式流量測量法；

（2）通過直接測量流體流速來得出流量的速度式流量測量法；

（3）利用標(biāo)準(zhǔn)小容積來連續(xù)測量流量的容積式測量法；

（4）以測量流體質(zhì)量流量為目的的質(zhì)量流量測量法。第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

2、流量儀表的分類

按測量原理分：體積流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)。

3、流量儀表的主要技術(shù)參數(shù)

（1）流量范圍

流量范圍是指流量計(jì)可測的最大流量與最小流量值的范圍。

（2）量程和量程比

最大流量與最小流量值之差稱為流量計(jì)的量程。

最大流量與最小流量值的比值稱為量程比。

（3）允許誤差和精度等級

允許誤差是指流量儀表在規(guī)定的正常工作條件下允許的最大誤差。第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

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有：0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0等。

（4）壓力損失

流體流過流量計(jì)時將造成壓力損失，將帶來一定的能量消耗。第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回8.2流量測量儀表

8.2.1差壓式流量計(jì)

1、節(jié)流式流量計(jì)

差壓式流量計(jì)也叫節(jié)流式流量計(jì)，它是利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生壓力差的原理來實(shí)現(xiàn)流量測量。

差壓式流量計(jì)主要包括節(jié)流裝置和差壓計(jì)兩部分。

節(jié)流裝置將流量的變化轉(zhuǎn)換成差壓的變化；

差壓計(jì)檢測出差壓的變化，根據(jù)差壓和流量的關(guān)系，直接指示流量。第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

在節(jié)流件前后產(chǎn)生靜壓差ΔP=P1-P2，通過差壓計(jì)測出。

常用的節(jié)流件有孔板、噴嘴和文丘里管等。第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三節(jié)流裝置第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三

2、皮托管和均速管流量計(jì)

（1）皮托管

皮托管是一根彎成直角的雙層空心復(fù)合管。

皮托管頭部迎流方向開有一個小孔A，稱為總壓孔；在距頭部一定距離處開有若干垂直于流體流向的靜壓孔B，各孔所測靜壓在均壓室均壓后輸出。第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

設(shè)在均勻流動的管道中某點(diǎn)處流體的靜壓為p、流速為u。

在此處放置一根皮托管，并使皮托管軸線與流向平行。

緊靠皮托管前端A的流體被阻滯，在阻滯區(qū)域的中心形成“駐點(diǎn)”，駐點(diǎn)處流動完全停止，流速等于零，壓力由靜壓p上升到滯止壓力（總壓）p1。第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

使用皮托管時，需要將其牢固固定，測頭軸線應(yīng)與管道軸線平行，被測流體的流動應(yīng)盡可能保持穩(wěn)定。

在管路中選擇插入皮托管的橫截面位置，應(yīng)保證其有足夠長的上下游直管段。第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

（2）均速管流量計(jì)

均速管是一根橫跨管道的中空、多孔金屬管。

在迎流方向上開有對稱的兩對總壓取壓孔（也可以是二對以上），各總壓取壓孔位置分別對應(yīng)4個面積相等的半環(huán)形或半圓形區(qū)域，各總壓孔相通，測得的流體總壓均壓后由總壓管引出。

在背向一側(cè)的中央開有一個靜壓取壓孔，測得流體靜壓由靜壓管引出。第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

3、轉(zhuǎn)子流量計(jì)

轉(zhuǎn)子流量計(jì)是由一根自下向上直徑逐漸擴(kuò)大的垂直錐形管和一只可以隨流體流量大小而沿錐形管上下自由移動的轉(zhuǎn)子組成。

根據(jù)伯努利方程，第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

4、靶式流量計(jì)

靶式流量計(jì)是由傳感器和轉(zhuǎn)換部分組成。

傳感器包括放在管道中心的圓形靶、杠桿、密封膜片和測量管。

流體對靶的作用力F與流體流速u、密度ρ及靶的受力面積AB的關(guān)系為

若管道直徑為D，靶的直徑為d，則第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

5、彎管流量計(jì)

當(dāng)流體流經(jīng)彎曲管道時，流動的方向發(fā)生了變化，流體受到角加速度的作用而產(chǎn)生的離心力會使彎管外側(cè)管壁壓力增大，從而在彎管的外、內(nèi)側(cè)管壁之間形成差壓。

設(shè)彎管的直徑為D，彎管中心線半徑為R，流體密度為ρ，流體的體積流量qV與流體差壓Δp的關(guān)系為第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

8.2.2容積式流量計(jì)

1、橢圓齒輪流量計(jì)

橢圓齒輪流量計(jì)是由一對相互嚙合的橢圓齒輪和殼體組成。

流體在流量計(jì)入、出口處的壓力p1＞p2。

進(jìn)出口差壓作用于B輪上的合力矩為零，而在A輪上的合力矩不為零，產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)力矩，使得A輪作順時方向轉(zhuǎn)動，并帶動B輪逆時針旋轉(zhuǎn)，測量室（A輪與殼體構(gòu)成的空間）內(nèi)的流體排向出口。

當(dāng)轉(zhuǎn)過的角度小于90°時，兩輪都是主動輪。第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

當(dāng)再轉(zhuǎn)過90°時，B輪的合力矩又為零，而A輪的合力矩不為零，A輪為主動輪，驅(qū)動B輪轉(zhuǎn)動。如此周期地主從更換，兩橢圓齒輪作連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)橢圓齒輪每旋轉(zhuǎn)一周時，流量計(jì)將排出4個半月形（測量室）體積的流體。

設(shè)測量室的容積為V，橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)為N，轉(zhuǎn)速為n，則

當(dāng)兩輪旋轉(zhuǎn)90°時，B輪與殼體間構(gòu)成測量室，流體作用于A輪的合力矩為零，作用于B輪的合力矩不為零，B輪帶動A輪轉(zhuǎn)動，將測量室內(nèi)的流體排向出口。第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

2、腰輪流量計(jì)

腰輪流量計(jì)的工作原理與橢圓齒輪流量計(jì)相同，結(jié)構(gòu)也相似，只是轉(zhuǎn)子的形狀略有不同。

腰輪流量計(jì)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。

3、刮板式流量計(jì)

刮板式流量計(jì)是由可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、刮板、固定的凸輪及殼體組成。

殼體的內(nèi)腔為圓形。

轉(zhuǎn)子是一個可以轉(zhuǎn)動、有一定寬度的空心薄壁圓筒。第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

轉(zhuǎn)子的筒壁上開有四個互成90°的槽，刮板可在槽內(nèi)徑向自由滑動。

四塊刮板由兩根連桿連接，相互垂直，在空間交叉。

每一刮板的一端裝有一小滾輪，沿一具有特定曲線形狀的固定凸輪的邊緣滾動，使刮板時伸時縮。

由于刮板有連桿相連，若某一刮板從轉(zhuǎn)子筒邊槽口伸出，則另一端刮板就縮進(jìn)筒內(nèi)。

轉(zhuǎn)子在流量計(jì)進(jìn)、出口差壓作用下轉(zhuǎn)動。

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，同時另一刮板又與其另一相鄰刮板形成測量室。第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

8.2.3速度式流量計(jì)

1、渦輪流量計(jì)

渦輪流量計(jì)主要由殼體、導(dǎo)流器、支承、渦輪和磁電轉(zhuǎn)換器組成。第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

導(dǎo)流器是由導(dǎo)向片及導(dǎo)向座組成，用以導(dǎo)直流體并支承渦輪，以免因流體的漩渦而改變流體與渦輪葉片的作用角，從而保證流量計(jì)的精度。

磁電轉(zhuǎn)換裝置由線圈和磁鋼組成，安裝在流量計(jì)殼體上。

磁電轉(zhuǎn)換裝置又分為磁阻式和感應(yīng)式兩種。

渦輪是由導(dǎo)磁性較好的不銹鋼制成。

（1）磁阻式將磁鋼放在感應(yīng)線圈內(nèi)，渦輪葉片由導(dǎo)磁材料制成。

當(dāng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)通過磁鋼下面時，磁路中的磁阻改變，使得通過線圈的磁通量發(fā)生周期性變化，因而在線圈中感應(yīng)出電脈沖信號，其頻率f就是轉(zhuǎn)過葉片的頻率。第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

（2）感應(yīng)式是在渦輪內(nèi)腔放置磁鋼，渦輪葉片由非導(dǎo)磁材料制成。

磁鋼隨渦輪旋轉(zhuǎn)，在線圈內(nèi)感應(yīng)出電脈沖信號。

渦輪流量計(jì)的體積流量為

第三十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三上一頁下一頁返回

當(dāng)導(dǎo)電的液體在直徑為D的管道中流動時，導(dǎo)電液體切割磁力線，在和磁場B及流體流動方向相垂直的方向上（則電極上）產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E：第三十五頁，共三十八頁，