第8章流量測(cè)量

8.1概述8.2節(jié)流式流量計(jì)8.3渦輪流量計(jì)8.4光纖流量計(jì)8.5超聲波流量計(jì)第八章流量測(cè)量2023/7/7流量的定義流體在單位時(shí)間內(nèi)通過管道或設(shè)備某橫截面處的數(shù)量。流量的表示方法質(zhì)量流量、體積流量、重量流量。若以M表示流體流過一定截面的質(zhì)量，則質(zhì)量流量為kg/s若以V表示流體流過一定截面的體積，則體積流量為

若以G表示流體流過一定截面的重量，則重量流量為三者的關(guān)系為流量的測(cè)量方法可分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。直接測(cè)量法：用標(biāo)準(zhǔn)容積和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)量后，計(jì)算平均流量。間接測(cè)量法：通過測(cè)量與流量有關(guān)的物理量得出流量。間接測(cè)量法的常見形式流速法節(jié)流差壓法變面積式渦輪機(jī)械式旋渦式電磁式超聲波流量計(jì)的類型容積型流量計(jì)速度型流量計(jì)質(zhì)量型流量計(jì)本節(jié)知識(shí)點(diǎn)1、流量計(jì)有哪幾種類型？第二節(jié)節(jié)流式流量計(jì)一、基本原理:流體流過孔板、噴嘴或文丘里管等節(jié)流元件時(shí)，將產(chǎn)生局部收縮，其流速增加，靜壓降低，在節(jié)流元件前后產(chǎn)生靜壓差，測(cè)出這個(gè)壓差就可以算出流量。由節(jié)流件、取壓裝置、阻流件、中間管道組成。上游第二個(gè)阻流件上游第一個(gè)阻流件節(jié)流件取壓裝置下游第一個(gè)阻流件中間管道常用節(jié)流元件取壓方式取壓方式有角接取壓、法蘭取壓、D和D/2取壓等方式角接取壓法蘭取壓節(jié)流原理流速收縮：沿管道軸向流動(dòng)的流體，當(dāng)遇到節(jié)流裝置時(shí)，近壁處的流體由于受到節(jié)流裝置的阻擋最大，促使流體的一部分動(dòng)壓頭轉(zhuǎn)換為靜壓頭，體現(xiàn)在P1的升高。ΔP的產(chǎn)生：由于節(jié)流裝置造成流束的局部收縮，同時(shí)流體又是保持連續(xù)流動(dòng)，因此在截面積最小流速達(dá)到最大，而壓力最低。流量越大，流束的局部收縮和能量轉(zhuǎn)換越顯著，因此節(jié)流裝置兩端的壓差也越大。流量基本方程在管道上取兩個(gè)截面：截面1-1和2-2，并列出這兩個(gè)截面流體總流的伯努力方程：C1，C2為總流的動(dòng)能的修正系數(shù)；ξ為阻力系數(shù)

流體總流的連續(xù)方程為：設(shè)節(jié)流件的開孔直徑為d，定義收縮系數(shù)為不可壓流體體積流量：質(zhì)量流量：對(duì)于可壓縮流體可壓縮流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)，由于壓力的變化，密度隨之而變化。把流體可壓縮性的影響用一流束膨脹修正系數(shù)ε來修正。顯然，不可壓縮流體的ε=1，可壓縮流體的ε<1。于是流量方程可寫成為：例：

20℃苯在φ133×4mm的鋼管中流過，為測(cè)量苯的流量，在管道中安裝一孔徑為75mm的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)。當(dāng)孔板前后U形壓差計(jì)的讀數(shù)R為80mmHg時(shí)，試求管中苯的流量（m3/h）。

解：查得20℃苯的物性：面積比：由公式可求得苯的體積流量：設(shè)Re＞ReC，由圖1-35查得：校核Re：管內(nèi)的流速管道的Re：故假設(shè)正確，以上計(jì)算有效。苯在管路中的流量為：qV＝48.96m3/h

優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，安裝方便。缺點(diǎn)：流體通過孔板流量計(jì)的阻力損失很大。主要是由于流體流經(jīng)孔板時(shí)，截面的突然縮小與擴(kuò)大形成大量渦流所致。雖然流體經(jīng)管口后某一位置流速已恢復(fù)與孔板前相同，但靜壓力卻不能恢復(fù)，產(chǎn)生了永久壓力降?？装宓目s口愈小，孔口速度愈大，讀數(shù)就愈大，阻力損失愈大。所以，選擇孔板流量計(jì)A0/A1的值，往往是設(shè)計(jì)該流量計(jì)的核心問題?？装辶髁坑?jì)的優(yōu)缺點(diǎn)孔板流量計(jì)的兩種接法（1）角接法

其取壓口在孔板前后兩片法蘭上；（2）徑接法

其上游取壓口在距離孔板1倍管徑處，下游取壓口在距離孔板0.5倍管徑處?？装辶髁坑?jì)的安裝（1）水平安裝在管路上；（2）孔板流量計(jì)安裝時(shí)，上、下游需要有一段內(nèi)徑不變的直管作為穩(wěn)定段，上游長度至少為管徑的10倍，下游長度為管徑的5倍。文丘里（Venturi）流量計(jì)

1、文氏流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

孔板流量計(jì)的主要缺點(diǎn)是能量損失較大，其原因在于孔板前后的突然縮小與突然擴(kuò)大。若用一段漸縮、漸擴(kuò)管代替孔板，所構(gòu)成的流量計(jì)稱為文丘里流量計(jì)或文氏流量計(jì)。當(dāng)流體經(jīng)過文丘里管時(shí)，由于均勻收縮和逐漸擴(kuò)大，流速變化平緩，渦流較少，故能量損失比孔板大大減少。文氏流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖2、文丘里流量計(jì)的測(cè)量原理

文丘里流量計(jì)的測(cè)量原理與孔板流量計(jì)相同，也屬于差壓式流量計(jì)。其流量公式也與孔板流量計(jì)相似，即：式中CV——文丘里流量計(jì)的流量系數(shù)（約為0.98～0.99）；

A0——喉管處截面積，m2。3、文氏流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：阻力損失小，大多數(shù)用于低壓氣體輸送中的測(cè)量；

缺點(diǎn)：加工精度要求較高，造價(jià)較高，并且在安裝時(shí)流量計(jì)本身占據(jù)較長的管長位置。本節(jié)知識(shí)點(diǎn)1、什么是節(jié)流式流量計(jì)，常見的類型有哪些？第三節(jié)渦輪流量計(jì)

1、渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)渦輪流量計(jì)由渦輪流量變送器和顯示儀表組成。渦輪流量計(jì)包括渦輪、導(dǎo)流器、磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器、外殼及前置放大器等部分。1.渦輪2.導(dǎo)流器3.磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器4.外殼5.前置放大器

特點(diǎn):(1)精度高：基本誤差在±0.25～±1.5%之間；(2)量程比大：一般為10：1；(3)慣性小：時(shí)間常數(shù)為毫秒級(jí)；(4)耐壓高：被測(cè)介質(zhì)的靜壓可高達(dá)l0MPa；(5)使用溫度范圍廣：有的型號(hào)可測(cè)-200℃的低溫介質(zhì)的流量，有的可測(cè)400℃度的介質(zhì)的流量；(6)壓力損失小：一般為0.02Mpa；(7)輸出是頻率信號(hào)：容易實(shí)現(xiàn)流量積算和定量控制；(8)流體中不能含有雜質(zhì)，否則誤差大，軸承磨損快，儀表壽命低，故儀表前最好裝過濾器；不適于測(cè)粘度大的液體。一、工作原理渦輪流量計(jì)是由變送器和顯示儀表組成。渦輪葉片受力而旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與流體流量（流速）成正比，其轉(zhuǎn)數(shù)又可以轉(zhuǎn)換成磁電的頻率，此頻率表現(xiàn)為電脈沖，用計(jì)數(shù)器記錄此電脈沖，就可以得到流量。變送器的形式切線式軸線式渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

當(dāng)流體通過安裝有渦輪的管路時(shí)，流體的動(dòng)能沖擊渦輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)，流體的流速愈高，動(dòng)能越大，渦輪轉(zhuǎn)速也就愈高。在一定的流量范圍和流體粘度下，渦輪的轉(zhuǎn)速和流速成正比。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，渦輪葉片切割置于該變送器殼體上的檢測(cè)線圈所產(chǎn)生的磁力線，使檢測(cè)線圈磁電路上的磁阻周期性變化，線圈中的磁通量也跟著發(fā)生周期性變化，檢測(cè)線圈產(chǎn)生脈沖信號(hào)，即脈沖數(shù)。其值與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比，也即與流量成正比。這個(gè)電訊號(hào)經(jīng)前置放大器放大后，即送入電子頻率儀或渦輪流量積算指示儀，以累積和指示流量。

本節(jié)知識(shí)點(diǎn)1、渦輪流量計(jì)的工作原理是什么？第四節(jié)光纖流量計(jì)一、光纖差壓式流量計(jì)二、光纖膜片式流量計(jì)二、光纖卡門渦街流量計(jì)工作原理在流動(dòng)的流體中放置一根其軸與流向垂直的、有對(duì)稱形狀的非流線形狀柱體（如圓柱、三角柱等），該柱體稱漩渦發(fā)生體。當(dāng)流體繞過漩渦發(fā)生體時(shí)，出現(xiàn)了附面層分離，在漩渦發(fā)生體下游兩列不對(duì)稱、但有規(guī)律的漩渦列，這就是卡門渦街。當(dāng)兩漩渦列之間的距離h和同列的兩個(gè)漩渦之間的距離l滿足h/l=0.281時(shí)，所產(chǎn)生的渦街是穩(wěn)定的。此時(shí)漩渦的分離頻率f與漩渦發(fā)生體處流體平均流速v及柱寬d有如下關(guān)系St:斯特勞哈爾數(shù)，它與漩渦發(fā)生體的形狀和雷諾數(shù)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明：在雷諾數(shù)ReD為3*102—2*105范圍內(nèi)，St是個(gè)常數(shù)。對(duì)于三角柱漩渦發(fā)生體，St＝0.16；對(duì)于圓柱漩渦發(fā)生體，St＝0.20。則有：流量方程v1v2DdA1A2由連續(xù)方程，有：設(shè)m=A2/A1，當(dāng)d/D<0.3時(shí)，可以近似認(rèn)為：結(jié)論：只要測(cè)得漩渦頻率，就可以得到流量。頻率的檢測(cè)方法常用的檢測(cè)方法有熱敏式、超聲式、應(yīng)力式、應(yīng)變式、電容式、光電式和電磁式等幾種。導(dǎo)壓孔熱電阻當(dāng)旋渦在圓柱體下游側(cè)產(chǎn)生時(shí)，出于升力的作用，使得圓柱體下方的壓力比上方高一些，圓柱體下方的流體在上下壓力差的作用下，從圓柱體下方導(dǎo)壓孔進(jìn)入空腔，通過隔板中央部分的小孔，流過鉑電阻絲，從上方導(dǎo)壓孔流出。如果將鉑電阻絲加熱到高于流體溫度的某溫度值，則當(dāng)流體流過鉑電阻絲時(shí)，就會(huì)帶走熱量，改變其溫度，也即改變其電阻值。當(dāng)圓柱體上方產(chǎn)生一個(gè)旋渦時(shí)，則流體從上導(dǎo)壓孔進(jìn)入，由下導(dǎo)壓孔流出，又一次通過鉑電阻絲，又改變一次它的電阻值。由此可知：電阻值變化與流動(dòng)變化相對(duì)應(yīng)，也既與旋渦的頻率相對(duì)應(yīng)。所以，可由檢測(cè)鉑電阻絲電阻變化頻率得到渦頻率，進(jìn)而得到流量值。第五節(jié)超聲波流量計(jì)假定流體靜止的聲速為c，流體速度為v，順流時(shí)傳播速度為c+v，逆流時(shí)則為c-v。在流道中設(shè)置兩個(gè)超聲波發(fā)生器T1和T2，兩個(gè)接收器R1和R2，發(fā)生器與接收器的間距為l。在不用兩個(gè)放大器的情況下，聲波從T1到R1和T2到R2的時(shí)間分別為t1和t2：則若已知l和c，只要測(cè)得Δt，便可知流速v。此種測(cè)量方法稱為時(shí)差法。由于流速帶給聲波的變化量為10-3數(shù)量級(jí)，而要得到1％的流量測(cè)量精度，對(duì)聲波的測(cè)量速度要求為10-5—10-6數(shù)量級(jí)，檢測(cè)很困難。通常采用聲循環(huán)法。超聲波流量計(jì)使用方便；安裝在測(cè)量管道的外表，和被測(cè)流體不接觸，所以不干擾流場(chǎng)，沒有壓力損失；維修時(shí)不需要切斷流體。超聲波流量計(jì)對(duì)管道尺寸及流量測(cè)量范圍的變化有很大的適應(yīng)能力，其結(jié)構(gòu)形式與造價(jià)同被測(cè)管道的直徑關(guān)系不大，且直徑越大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)越顯著。超聲波流量計(jì)適用于管徑20～5000mm的各種介質(zhì)的流量測(cè)量，并具有較高的測(cè)量精度。超聲波流量計(jì)應(yīng)盡可能在遠(yuǎn)離泵、閥等流動(dòng)紊亂的地方安裝。泵應(yīng)在被測(cè)管上游側(cè)50D（管徑公稱直徑）處，流量控制閥應(yīng)遠(yuǎn)離12D以上。一般情況下，上游側(cè)應(yīng)有12D（管徑公稱直徑）的直管段；下游側(cè)需5D的直管段。超聲波流量計(jì)特點(diǎn)1、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)由一段上粗下細(xì)的錐形玻璃管（錐角約在4°左右）和管內(nèi)一個(gè)密度大于被測(cè)流體的固體轉(zhuǎn)子（或稱浮子）所構(gòu)成。流體自玻璃管底部流入，經(jīng)過轉(zhuǎn)子和管壁之間的環(huán)隙，再從頂部流出。轉(zhuǎn)子流量計(jì)2、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的工作原理

管中無流體通過時(shí)，轉(zhuǎn)子沉在管底部。當(dāng)被測(cè)流體以一定的流量流經(jīng)轉(zhuǎn)子與管壁之間的環(huán)隙時(shí)，由于流道截面減小，流速增大，壓力隨之降低，于是在轉(zhuǎn)子上、下端面形成一個(gè)壓差，將轉(zhuǎn)子托起，使轉(zhuǎn)子上浮。隨轉(zhuǎn)子的上浮，環(huán)隙面積逐漸增大，流速減小，壓力增加，從而使轉(zhuǎn)子兩端的壓差降低。當(dāng)轉(zhuǎn)子上浮至某一定高度時(shí)