第8章流量測量技術,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究試驗中，流量都是一個很重要的參數(shù)。例如，在石油化工生產(chǎn)過程自動檢測和控制中，為了有效地操作、控制和監(jiān)測，需要檢測各種流體的流量。此外，對物料總量的計量還是能源管理和經(jīng)濟核算的重要依據(jù)。流量檢測儀表是發(fā)展生產(chǎn)、節(jié)約能源、提高經(jīng)濟效益和管理水平的重要工具。本章介紹流量測量的基本知識和常用的流量檢測儀表。,8.1流量測量的基礎知識,8.2流量測量儀表,8.3流量標準裝置,8.1流量測量的基礎知識,8.1.1流量和流量計,8.1.2流體的物理性質與管流基礎知識,8.1.3流量測量方法與流量儀表的分類,8.1流量測量的基礎知識8.1.1流量和流量計流量定義：(瞬時流量、累積流量)指單位時間內流體(氣體、液體或固體顆粒等)流經(jīng)管道或設備某處橫截面的數(shù)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。,V體積；M質量；t時間；A截面面積；流體的密度；,累積流量：,平均流速：,流體在流過截面上各點的流速。,體積流量和質量流量關系：,已知流體的密度和體積流量，即可換算出質量流量。但流體的密度是隨流體的溫度、壓力變化而變化的，特別是氣體，其密度隨壓力、溫度變化而顯著不同，換算時應予以考慮。,計量單位：體積流量的計量單位為米3秒(m3s)，質量流量的計量單位為千克秒(kgs)；累積體積流量的計量單位為米3(m3)；累積質量流量的計量單位為千克(kg)。工程上還使用的流量計量單位有：米3時(m3h)升分(Lmin)噸小時(t/h)升(L)噸(t)等,在工業(yè)生產(chǎn)中，瞬時流量是涉及流體介質的工藝流程中需要控制和調節(jié)的重要參量，用以保持均衡穩(wěn)定的生產(chǎn)和保證產(chǎn)品質量。累積流量則是有關流體介質的貿易、分配、交接、供應等商業(yè)性活動中必知的參數(shù)之一，它是計價、結算、收費的基礎。用于測量流量的汁量器具稱為流量計通常由一次裝置和二次儀表組成；一次裝置安裝于流體導管內部或外部，根據(jù)流體與一次裝置相互作用的物理定律。產(chǎn)生一個與流量有確定關系的信號。一次裝置又稱流量傳感器；二次儀表接受一次裝置的信號，并轉換成流量顯示信號或輸出信號。流量計可分為專門測量流體瞬時流量的瞬時流量計和專門測量流體累積流量的累積式流量計。累積式流量計又稱計量表。隨著流量測量儀表及測量技術的發(fā)展，大多數(shù)流量計都同時具備測量流體瞬時流量和計算流體總量的功能。,8.1.2流體的物理性質與管流基礎知識1.流體的密度單位體積的流體所具有的質量稱為流體密度，用數(shù)學表達式表示為：M流體質量；V流體體積；流體的密度。流體密度是溫度和壓力的函數(shù)。單位是千克米3(kg/m3)。,2.流體粘度流體運動過程中阻滯剪切變形的粘滯力與流體的速度梯度和接觸面積成正比，并與流體粘性有關，其數(shù)學表達式為：上式稱為牛頓粘性定律。F粘滯力；A接觸面積；流體垂直于速度方向的速度梯度；表征流體粘性的比例系數(shù)，流體的動力粘度。,流體的動力粘度與流體密度的比值稱為運動粘度，即動力粘度的單位為牛頓秒/米2（NS/m2），即帕斯卡秒（PaS）；運動粘度的單位為米2/秒（m2/S）。3.流體的壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)在一定的溫度下，流體體積隨壓力增大而縮小的特性，稱為流體的壓縮性；在一定壓力下，流體的體積隨溫度升高而增大的特性，稱為流體的膨脹性。,壓縮系數(shù)：當流體溫度不變而所受壓力變化時，其體積的相對變化率：,流體的體積壓縮系數(shù)，（1Pa）；,流體的原體積，(m3)；,流體壓力增量，(Pa)；,流體體積變化量，(m3)；,流體的體積膨脹系數(shù)(1)；,流體的原體積，(m3)；,流體體積變化量，(m3)；,流體溫度變化量()。,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，即,4.雷諾數(shù)雷諾數(shù)是流體流動的慣性力與粘滯力之比，表示為：,雷諾數(shù)（無量綱數(shù)）；,流動橫截面的平均流速，（m/s）；,動力粘度，（NS/m2）；,運動粘度，（m2/S）；,流體的密度，(kg/m3)；,特征長度，（m）。,雷諾數(shù)是判別流體狀態(tài)的準則，在紊流時流體流速分布更是與雷諾數(shù)有關，因此在流量測量中，雷諾數(shù)是很重要的一個參數(shù)。,5.管流類型,(1)單相流和多相流,管道中只有一種均勻狀態(tài)的流體流動稱為單相流，如只有單純氣態(tài)或液態(tài)流體在管道中的流動；兩種以上不同相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流體可分為可壓縮流體和不可壓縮流體，所以流體的流動也可分為可壓縮流體流動和不可壓縮流體流動兩種。,通常把流體充滿管道截面的流動叫管流。管流分為下述幾種類型：,(3)穩(wěn)定流和不穩(wěn)定流當流體流動時，若其各處的速度和壓力僅和流體質點所處的位置有關，而與時間無關，則流體的這種流動稱為穩(wěn)定流；若其各處的速度和壓力不僅和流體質點所處的位置有關，而且與時間出有關，則流體的這種流動稱為不穩(wěn)定流。,(4)層流與紊流管內流體有兩種流動狀態(tài)：層流和紊流。層流中流體沿軸向作分層平行流動，各流層質點沒有垂直于主流方向的橫向運動，互不混雜，有規(guī)則的流線。紊流狀態(tài)管內流體不僅有軸向運動，而且還有劇烈的無規(guī)則的橫向運動。,6.流速分布與平均流速流體有粘性，當它在管內流動時，即使是在同一管路截面上，流速也因其流經(jīng)的位置不同而不同。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。流體流動狀態(tài)不同將呈現(xiàn)不同的流速分布。,研究具有圓形截面的管內流動情況，當管內流體為層流狀態(tài)時，沿半徑方向上的流速分布可用下式表示：,距管中心距離,處的流速；,管中心處最大流速；,距管中心徑向距離；,管內半徑。,當管內流體為紊流狀態(tài)時，沿半徑方向上的流速分布為：,n隨流體雷諾數(shù)不同而變化的系數(shù),圓管內的流速分布,通過測流速求流量的流量計一般是檢測出平均流速然后求得流量。對于層流，平均流速是管中心最大流速的0.5倍()；紊流時的平均流速與n值有關：,表8-1雷諾數(shù)與n的關系,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,任取一管段，設截面、截面處的面積、流體密度和截面上流體的平均流速分別為A1、和A2、，根據(jù)質量守恒定律，單位時間內經(jīng)過截面I流入管段的流體質量必等于通過截II流出的流體質量。即有連續(xù)性方程：,=,連續(xù)性方程示意圖,(2)伯努利方程,當理想流體在重力作用下在管內定常流動時，對于管道中任意兩個截面和有如下關系式（伯努利方程）：,伯努利方程示意圖,重力加速度截面和相對基準線的高度；截面和上流體的靜壓力；截面和上流體的平均流速。,而實際流體具有粘性，在流動過程中要克服流體與管壁以及流體內部的相互摩擦阻力而作功，這將使流體的一部分機械能轉化為熱能而耗散。因此，實際流體的伯努利方程可寫為：,截面和之間單位質量實際流體流動產(chǎn)生的能量損失。,8.1.3流量測量方法與流量儀表的分類1.流量測量方法,流量測量方法大致可以歸納為以下幾類：(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)利用標準小容積來連續(xù)測量流量的容積式測量；(4)以測量流體質量流量為目的的質量流量測量法。,2.流量儀表的分類,3.流量儀表的主要技術參數(shù)（4組）,(1)流量范圍流量范圍指流量計可測的最大流量與最小流量的范圍。,(2)量程和量程比流量范圍內最大流量與最小流量值之差稱為流量計的量程。最大流量與最小流量的比值稱為量程比，亦稱流量計的范圍度。,(3)允許誤差和精度等級流量儀表在規(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(jù)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。,(4)壓力損失,壓力損失的大小是流量儀表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(jīng)濟效益相應降低。故希望流量計的壓力損失愈小愈好。,8.2流量測量儀表,8.2.1差壓式流量計,8.2.2容積式流量計,8.2.4質量流量計,8.2.3速度式流量計,8.2流量測量儀表,8.2.1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(chǎn)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。差壓式流量計主要有以下幾種：1.節(jié)流式流量計2.皮托管和均速管流量計3.轉子流量計4.靶式流量計5.彎管流量計,1.節(jié)流式流量計,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,流體流經(jīng)節(jié)流件時壓力和流速變化情況,=,測量原理及流量方程,截面1和2上流體的靜壓力；,截面1和2上流束直徑；,截面1和2上流體的平均流速；,、,截面1和2上流體的密度,、,求出：,體積流量,質量流量,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(shù)C,（或流量系數(shù)）對上式進行修正：,對于可壓縮流體，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(shù)進行修正采用節(jié)流件前的流體密度，由此流量公式可更一般的表示為：,a.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(jīng)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(jīng)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,（2）節(jié)流裝置標準節(jié)流裝置的適用條件,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，孔板易變形。,標準孔板,標準節(jié)流元件有孔板、噴嘴和文丘里管。工業(yè)上最常用的是孔板，其次是噴嘴，文丘里管使用較少。,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，有ISAl932噴嘴和長徑噴嘴兩種型式。,ISA1932噴嘴,長徑噴嘴,c.文丘里管文丘里管有兩種標準型式：經(jīng)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。,節(jié)流裝置的取壓方式根據(jù)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、法蘭取壓、徑距取壓與損失取壓等五種:,節(jié)流裝置的取壓方式,角接取壓裝置,法蘭取壓裝置,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(xiàn)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。,測量管道條件測量管道截面應為圓形，節(jié)流件及取壓裝置安裝在兩圓形直管之間。節(jié)流件附近管道的圓度應符合標準中的具體規(guī)定。,當現(xiàn)場難以滿足直管段的最小長度要求或有擾動源存在時，可考慮在節(jié)流件前安裝流動整流器，以消除流動的不對稱分布和旋轉流等情況。安裝位置和使用的整流器型式在標準中有具體規(guī)定。注意：安裝了整流器后會產(chǎn)生相應的壓力損失。,非標準節(jié)流裝置,標準化節(jié)流裝置有其適用的范圍和條件。在工程實際應用過程中，對于諸如臟污介質、低雷諾數(shù)流體、多相流體、非牛頓流體或小管徑、非圓截面管道等流量測量問題，標準節(jié)流元件就不能適用，需要采用一些非標準節(jié)流裝置或選擇其他型式的流量計來測量流量。非標準節(jié)流裝置就是試驗數(shù)據(jù)尚不充分，可用數(shù)據(jù)誤差較大的尚未標準化的節(jié)流裝置。其設計計算方法與標準節(jié)流裝置基本相同，但使用前需要進行實際標定。,a.1/4圓噴嘴,b.錐形入口孔板,c.圓缺孔板,還有偏心孔板、雙重孔板、環(huán)形孔板等多種形式。,標準節(jié)流裝置的計算,流量計算這類計算命題是在管道、節(jié)流裝置、取壓方式、被測流體參數(shù)已知的情況下，根據(jù)測得的差壓值計算被測介質流量。屬校核計算，常用在使用現(xiàn)場，所依據(jù)的基本公式是流量公式。設計節(jié)流裝置這類計算命題是要根據(jù)用戶提出的已知條件以及限制要求來設計標準節(jié)流裝置，屬設計計算。,差壓計差壓計與節(jié)流裝置配套組成節(jié)流式流量計。差壓計經(jīng)導壓管與節(jié)流裝置連接，接受被測流體流過節(jié)流裝置時所產(chǎn)生的差壓信號，并根據(jù)生產(chǎn)的要求，以不同信號形式把差壓信號傳遞給顯示儀表，從而實現(xiàn)對流量參數(shù)的顯示、記錄和自動控制。差壓計的種類很多，凡可測量差壓的儀表均可作為節(jié)流式流量計中的差壓計使用。目前工業(yè)生產(chǎn)中大多數(shù)采用差壓變送器。它們可將測得的差壓信號轉換為0.02-0.1MPa的氣壓信號和4-20mA的直流電流信號。,2.皮托管和均速管流量計皮托管皮托管是一根彎成直角的雙層空心復合管，帶有多個取壓孔，能同時測量流體總壓和靜壓。,皮托管結構,皮托管的工作原理可分析如下：,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。設在均勻流動的管道中某點處流體的靜壓為p，流速為u。若在此處放置一根皮托管，井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”，駐點處流動完全停止，流速等于零，壓力由靜壓p上升到滯止壓力p1（總壓）,設流動為不可壓縮無粘性流體的穩(wěn)定流動，駐點處流體的伯努利方程為,駐點處流體總壓；,，,分別為駐點處流體靜壓和流速；,流體密度。,由此可以得該點的流速為：,考慮到實際測量情況與理論上的差別，引入皮托管系數(shù)(數(shù)值由實驗確定)對上式進行修正：,對于可壓縮流體，考慮到壓縮性的影響，實際流速計算公式為：,(1-,)為流體可壓縮性修正系數(shù)，對不可壓縮流體,=0。,均速管流量計,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4個面積相等的半環(huán)形和半圓形區(qū)域，各總壓孔相通，測得的流體總壓均壓后由總壓管引出，這可認為是反映截面平均流速的總壓。在背向流體流向一側的中央開有一個靜壓取壓孔，測得流體靜壓由靜壓管引出。由平均總壓與靜壓之差即可求得管道截面的平均流速，從而實現(xiàn)測量流量的目的。,均速管測量流速的原理與皮托管相同，體積流量可由下式確定：,式中，A為管道截面枳；為取決于均速管及管道內徑的流量系數(shù)，由實驗確定。均速管流量計結構簡單，便于安轉，價格便宜；壓力損失小，能耗少；準確度及長期穩(wěn)定性較好；適用范圍廣，可適用于液體、氣體和蒸汽等多種流體以及高溫高壓介質的流量測量。均速管流量計適用的管徑范圍為25-9000mm，尤其適用于大口徑管道的流量測量；但它產(chǎn)生的差壓信號較低，需要配用低量程差壓計；不適用于污臟、有沉淀物的流體。,3.轉子流量計,轉子流量汁又稱浮子流量計。它也是利用節(jié)流原理測量流體的流量，但在測量過程中節(jié)流元件前后的差壓值基本保持不變，而通過節(jié)流面積的變化反映流量的大小，故也稱恒壓降變截面流量計。轉子流量計在工業(yè)生產(chǎn)過程中應用較廣，可以測量多種介質的流量，特別適用于中小管徑和低雷諾數(shù)的中小流量測量。轉子流量計結構簡單靈敏度高，量程比寬(10：1)，壓力損失小且恒定，對直管段的要求不高，刻度近似線性，價格便宜，使用維護簡便，但儀表受被測介質密度、粘度、溫度、壓力等因素的影響，其精度一般在1.5級左右。,測量原理,測量原理,轉子流量計本體由一根自下向上直徑逐漸擴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子組成。當被測流體自下而上流經(jīng)錐形管時，由于節(jié)流作用而在轉子上下端面產(chǎn)生差壓形成作用于轉子的上升力，使得轉子向上運動。隨著轉子的上栘，轉子與錐形管之間的環(huán)形流通面積增大，流體流速變慢，直到轉于的重量與流體作用在轉子上的力達到平衡時，轉子就穩(wěn)定在一個平衡位置上。當流量變化時，轉子便會移到新的平衡位置，這樣平衡位置的高度就代表被測介質流量值的大小。,根據(jù)流體連續(xù)性方程和伯努利方程，轉子流量計的體積流量可表示為：,流量系數(shù)；,轉子與錐形管間的環(huán)形流通面積；,流體密度；,差壓。,轉子流量計結構,玻璃管轉子流量計主要由玻璃錐形管、轉子和支撐結構組成。轉子根據(jù)不同的測量范圍及不同介質(氣體或液體)可分別采用不同材料制成不同形狀。流量示值刻在錐形管上,金屬管轉子流量計金屬管轉子流量計的錐形管采用金屬材料制成，其流量檢測原理與玻璃管轉子流量計相同。金屬管轉子流量計有就地指示型和電氣信號遠傳型兩種,電遠傳式轉子流量計工作原理,圖817所示為電遠傳式轉子流量計工作原理。采用差動變壓器作為轉換機構，用于測量轉子的位移。當流體流量變化引起轉子移動時，磁鋼1、2通過磁耦合帶動杠桿3及連扦機構6、7、8，使指針10在標尺9上就地指示流量，同時再通過連桿機構11、12、13帶動差動變壓器中的鐵心14作上、下運動，產(chǎn)生的差動電勢通過放大和轉換后輸出電信號表示相應流量大小，供顯示和調節(jié)。,轉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(shù)的具體情況進行刻度修正。,液體介質,氣體介質,式中，qv、qv分別為流量計標定刻度流量和被測介質的實際流量；、為標定流體密度和被測介質密度；f為轉子的密度；P、P為標定流體和被測流體的絕對壓力，T、T為標定流體和被測流體的熱力學溫度。如果測量流體和標定流體相同，但需要改變儀表量程時，可由改變轉子材枓，即改變轉子密度來實現(xiàn)。量程擴大后靈敏度降低，相反則靈敏度增大。改變前后的轉子應滿足幾何相似條件。,4.靶式流量計,靶式流量計由檢測(傳感)和轉換部分組成，檢測部分包括放在管道中心的圓形靶、杠桿、密封膜片和測量管，當流體流過靶時，靶受到主要由流體的動壓力和靶對流體的節(jié)流作用而形成的力F的作用，此作用力與流速之間存在著一定關系，通過測量靶所受作用力，可以求出流體流速與流量。,靶式流量計是一種適用于測量高粘度、低雷諾數(shù)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。,靶式流量計工作原理,流體對靶的作用力流體流速密度靶的受力面積,管道直徑為D，靶直徑為d，環(huán)隙通道面積為A，則可求出流體體積流量為：,設：,5.彎管流量計彎管流量計是一種可用于任何工藝管道流量測量的裝置。設彎管直徑為D，彎管中心線半徑為R，流體密度，根據(jù)彎管流速面積分布定律和流體能量守恒定律可推導出體積流量與流體差壓的理論關系式：,考慮到流體粘性、管道形狀及實際使用條件的影響，將上式乘上由實驗求得的流量系數(shù)，并令，則可得彎管流量計的實用流量公式：,彎管流量計,如果將管道彎成同心圓，就可構成環(huán)形管流量計,考慮到在制造時，環(huán)形管直徑與管道直徑比,很大，因而可得環(huán)形管流量計的流量近似公式：,環(huán)形管流量計,彎管流量計是一種尚未標準化的儀表；它結構簡單，無可動部件，安裝維修方便；對流體流動無障礙，沒有附加壓力損失；可用于一般液體或含固體顆粒及含懸浮物污水的測量；由于許多裝置上都有不少的彎頭，所以在受到工藝管道條件限制情況下，可采用彎管流量計測量流量。使用時要求直管段長度，上游至少10D，下游至少5D，彎管流量計精度不高，約在5。專門加工的彎管流量計，經(jīng)單獨標定，精度可提高到：o5。環(huán)形管流量計受粘度及脈動影響較小，可以在直線管道上安裝，與彎管流量計相比，測量值比較穩(wěn)定。,8.2.2容積式流量計（橢圓齒輪流量計、腰輪流量計、刮板式流量計、伺服式容積流量計）,容積式流量計是一種直接測量型流量計，它利用機械測量元件，把流體連續(xù)不斷地分隔為單個的固定容積部分排出，而后通過計數(shù)單位時間或某一時間間隔內經(jīng)儀表排出的流體固定容積的數(shù)目來實現(xiàn)流量的計量與計算，它可用于各種液體和氣體的體積流量測量。容積式流量計的優(yōu)點是：測量精度高，量程比寬，對上游流動狀態(tài)不敏感，無前后直管段長度要求，特別適合高粘度介質的測量，因此廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)過程的流量測量并作為流量計量的標準儀表。其缺點是對被測流體中的污物較敏感，當被測管道口徑較大時，流量計比較笨重。,橢圓齒輪流量計橢圓齒輪流量計工作原理：,橢圓齒輪流量計工作原理,由于流體在流量計入、出口處的壓力P1P2，當A、B兩輪處于(a)所示位置時，A輪與殼體間構成容積固定的半月形測量室(圖中陰影部分)，此時進出口差壓作用于B輪上的合力矩為零，而在A輪上的合力矩不為零，產(chǎn)生一個旋轉力矩，使得A輪作順時針方向轉動，并帶動B輪逆時針旋轉，測量室內的流體排向出口；當兩輪旋轉處于(b)位置時，兩輪均為主動輪；當兩輪旋轉90，處于(c)位置時，轉子B與殼體之間構成測量室，此時，流體作用于A輪的合力矩為零，而作用于B輪的合力矩不為零，B輪帶動A輪轉動，將測量室內的流體排向出口。,當兩輪旋轉至180時，A、B兩輪重新回到位置(a)。如此周期地主從更換，兩橢圓齒輪作連續(xù)的旋轉。當橢圓齒輪每旋轉一周時，流量計將排出4個半月形(測量室)體積的流體。設測量室的容積為V，則橢圓齒輪每旋轉一周排出的流體體積為4V。只要測量橢圓齒輪的轉數(shù)N和轉速n，就可知道累積流量和單位時間內的流量，即瞬時流量：,橢圓齒輪流量計適用于高粘度液體的測量；流量計基本誤差為0.2-0.5%，量程比為10：1。橢圓齒輪流量計的測量元件是齒輪嚙合傳動，被測介質中的污物會造成齒輪卡澀和磨損，影響正常測量，故流量計的上游均需加裝過濾器，這樣會造成較大的壓力損失。,2.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，結構也很相似，只是轉子的形狀略有不同。腰輪流量計的轉子是一對不帶齒的腰形輪，在轉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動。,腰輪流量計,3.刮板式流量計轉子在流量計進、出口差壓作用下轉動，每當相鄰兩刮板進入計量區(qū)時均伸出至殼體內壁且只隨轉子旋轉而不滑動，形成具有固定容積的測量室，當離開計量區(qū)時，刮板縮入槽內，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。轉子旋轉一周，排出4份固定體積的流體，由轉子的轉數(shù)就可以求得被測流體的流量。,凸輪式刮板流量計,4.伺服式容積流量計在流量計工作時，腰輪由伺服電機通過傳動齒輪帶動，伺服電機轉動的快慢，隨流體入出口壓力差的大小而改變。導壓管將入出口壓力引至差壓變送器以測量入出口壓差的變化，當入出口壓差大于零時，差壓變送器輸出信號經(jīng)放大后驅動伺服電機帶動腰輪加快旋轉，使流量計排出較大流量的流體，從而使壓差趨近于零。這種近于無壓差的流量計，使泄漏量減小到最低限度，因而可以實現(xiàn)小流量的高精度測量，而且測量誤差幾乎不受流體壓力、粘度和密度的影響。,伺服式腰輪流量計工作原理,8.2.3速度式流量計（渦輪流量計、渦街流量計、電磁流量計、超聲波流量計）1.渦輪流量計(1)工作原理與結構在定范圍內，渦輪的轉速與流體的平均流速成正比，通過磁電轉換裝置將渦輪轉速變成電脈沖信號，以推導出被測流體的瞬時流量和累積流量。,渦輪流量計結構,(2)流量方程,渦輪葉片速度分解,與流量的關系曲線,u流體平均流速,葉片的切向速度,n渦輪轉速,而磁電轉換器所產(chǎn)生的脈沖頻率:,Z渦輪葉片的數(shù)目。,體積流量方程：,單位體積流量通過磁電轉換器所輸出的脈沖數(shù),(3)渦輪流量計的特點和使用優(yōu)點:其測量精度高,復現(xiàn)性和穩(wěn)定性均好；量程范圍寬，量程比可達(1020):1,刻度線性；耐高壓，壓力損失在最大流量時小于25kPa；對流量變化反應迅速，可測脈動流量；抗干擾能力強，信號便于遠傳及與計算機相連。缺點:制造困難，成本高。場合:通常渦輪流量計主要用于量精度要求高、流量變化快的場合，還用作標定其他流量的標準儀表。,2.渦街流量計(1)渦街流量計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，則在該漩渦發(fā)生體兩側會產(chǎn)生旋轉方向相反、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,圓柱漩渦發(fā)生器,其體積流量方程式為:,每一列漩渦產(chǎn)生的頻率u流體流速d直徑漩渦發(fā)生體的特征尺寸St斯特羅哈爾數(shù)D管道內徑A在漩渦發(fā)生體處的流通截面積,(2)漩渦頻率的測量圖圖為三角柱體渦街檢測器原理示意圖，在三角柱體的迎流面對稱地嵌入兩個熱敏電阻組成橋路的兩臂，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(shù)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(shù)字儀表或計算機接口,對氣體、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。,3.電磁流量計(1)測量原理和結構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，其測量原理如圖8-30所示。當被測導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的電極上將產(chǎn)生感應電勢，此電勢與流速成正比。,電磁流量計原理,流體流量方程為：,B為磁感應強度D管道內徑u流體平均流速E感應電勢,電磁流量計的結構如圖所示：,管內壁用搪瓷或專門的橡膠、環(huán)氧樹脂等材料作力絕緣襯里，使流體與測量導管絕緣并增加耐腐蝕性和耐磨性。電極一般由非導磁的不銹鋼材料制成，測量牖蝕性流體時，多用鉑銥合金、耐酸鎢基臺金或鎳基合金等。電極嵌在管壁上，若導管為導電材料，必須和測量導管很好地絕緣。電極應在管道水平方向安裝，以防止沉淀物堆積在電極上而影響測量精度。電磁流量計的外殼用鐵磁材料制成，以屏蔽外磁場的干擾，保護儀表。,(1)電磁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；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。對直管段要求不高，使用比較方便。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。,電磁流量計的安裝地點應盡量避免劇烈振動和交直流強磁場，要選擇在任何時候測量導管內部能充滿液體。在垂直安裝時，流體要自下而上流過儀表，水平安裝時兩個電汲要在同一平面上，要確保流體、外殼、管道間的良好接地和良好點接觸。電磁流量計的選擇要根據(jù)被測流體情況確定合適的內襯和電極材料；其測量準確度受導管的內壁，特別是電極附近結垢的影響使用中應注意維護清冼。,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、波束偏移法、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（時差法、相差法、頻差法）,超聲測速原理,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,相差法相位差法是把上述時間差轉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)射形式為的超聲波脈沖，式中為超聲波的角頻率。,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,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:,在時差法和相位差法中，流速測量均與聲速c有關，而聲速是溫度的函數(shù)，當被測流體溫度變化時會帶來流速測量誤差，因此為了正確測量流速，均需要進行聲速修正。流體流速和頻差成正比，式中不含聲速，因此流速的測量與聲速無關，這是頻差法的顯著優(yōu)點。循環(huán)頻差很小，直接測量的誤差大，為了提高測量精度，一般需采用倍頻技術。由于順、逆流兩個聲循環(huán)回路在測循環(huán)頻率時會相互干擾，工作難以穩(wěn)定，而且要保持兩個聲循環(huán)回路的特性一致也是非常困難的。因此實際應用頻差法測量時，僅用一對換能器按時間交替轉換作為接收器和發(fā)射器使用。,流量方程:截面平均流速和流速u的關系：,層流：,紊流：,流體的體積流量方程為：,(2)多普勒法測量原理根據(jù)多普勒效應，當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。這個頻率的變化與兩者之間的相對速度成正比。超聲波多普勒流量計就是基于多普勒效應測量流量的。,超聲多普勒法流量測量原理,利用多普勒效應測流量的必要條件是：被測流體中存在一定數(shù)量的具有反射聲波能力的懸浮顆粒或氣泡。因此，超聲多普勒流量計能用于兩相流的測量，這是其他流量計難以解決的。,(3)超聲波流量計的特點與應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，通過電致伸縮效應和壓電效應，發(fā)射和接收超聲波。換能器在管道上的配置方式如圖8-34所示。,超聲波換能器在管道上的配置方式,超聲流量計測量時，超聲換能器可以置于管道外，不與流體直接接觸，不破壞流體的流場，沒有壓力損失。其可用于各種液體的流量測量，包括測量腐蝕性液體、高粘度液體和非導電液體的流量，尤其適于測量大口徑管道的水流量或各種水渠、河流、海水的流速和流量，在醫(yī)學上還用于測量血液流量等。和其他流量計一樣，超聲流量計前需要一定長度的直管段。一般直管段長度在上游側需要10D以上，而在下游側則需要5D左右。,8.2.4質量流量計流體的體積是流體溫度、壓力和密度的函數(shù)。質量流量計的測量方法，可分為間接測量和直接測量兩類。間接式測量方法通過測量體積流量和流體密度經(jīng)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。,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(xiàn)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,節(jié)流式流量計與密度計組合,體積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,2.直接式質量流量計直接式質量流量計的輸出信號直接反映質量流量，有許多種型式。（熱式質量流量計、差壓式質量流量計、科里奧利質量流量計）熱式質量流量計,根據(jù)傳熱規(guī)律,。設,為流體的定壓比熱,兩點溫度差,熱式質量流量計示意圖,差壓式質量流量計差壓式質量流量計是以馬格努斯效應為基礎的流量計，實際應用中利用孔板和定量泵組合實現(xiàn)質量流量測量。有雙孔板和四孔板與定量泵組合兩種結構。,雙孔板差壓式質量流量計,K式中為常數(shù)；為流體的密度。孔板A、B前后的壓差與流體質量流量成正比，測出壓差便可以求出流體質量流量,根據(jù)差壓式流量測量原理，孔板A和B處壓差分別為,四孔板差壓式質量流量計：,四孔板差壓式質量流量計,科里奧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(chǎn)生與質量流量成正比的科里奧利力的原理來直接測量質量流量的儀表。科氏力流量計結構有多種形式，一般由振動管與轉換器組成。,科氏力流量計測量原理,圖841所示為U形管式科氏力流量計的測量原理示意圖。U形管的兩個開口端固定，流體由此流人和流出。U形管頂端裝有電磁激振裝置，用于驅動U形管，使其鉛垂直干U形管所在平面的方向以OO為軸按固有頻率振動。U形管的振動迫使管中流體在沿管道流動的同時又隨管道作垂直運動，此時流體將受到科氏力的作用，同時流體以反作用力作用于U形管。由于流體在U形管兩側的流動方向相反，所以作用于U形管兩側的科氏力大小相等方向相反,從而使U形管受到一個力矩的作用，管端繞RR軸扭轉而產(chǎn)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。因此，測得這個變形量，即可測得管內流體的質量流量。,U形管受到一個力矩的作用，其管端繞R-R軸扭轉而產(chǎn)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。,為轉動角速度,轉彈性模量,8.3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之相應的裝置。以下介紹幾種典型的流量標準裝置。,8.3流量標準裝置,8.3.1液體流量標準裝置,8.3.2氣體流量標準裝置,8.3流量標準裝置（液體流量標準裝置、氣體流量標準裝置）8.3.1液體流量標準裝置液體流量的標定方法和標準裝置大致有以下幾種。（標準容積法、標準質量法、標準流量計法、標準體積管）1.標準容積法容積法液體流量標準裝置由水源、流量穩(wěn)壓裝置、試驗管道、切換機構和標準計量容器等幾個部分組成。其中流量穩(wěn)壓裝置有高位水槽和氣液容器穩(wěn)壓法兩種。標準計量容器是經(jīng)過精確標定的，其容積精度可達萬分之幾，其上裝有讀數(shù)裝置，有各種不同的容積可根據(jù)流量范圍需要選用。,圖8-42所示為標準容積法流量標準裝置示意圖。在校驗時，高位水槽中的液體通過被校流量計經(jīng)切換機構流入標準容器。從標準容器的讀數(shù)裝置上讀出在一定時間內進入標準容器的液體體積，并將由此決定的體積流量值作為標準值與被校流量計的顯示值相比較。,進行校