在工农业生产和科学研究试验中，流量都是一个很重要的参数。例如，在石油化工生产过程自动检测和控制中，为了有效地操作、控制和监测，需要检测各种流体的流量。此外，对物料总量的计量还是能源管理和经济核算的重要依据。流量检测仪表是发展生产、节约能源、提高经济效益和管理水平的重要工具。本章介绍流量测量的基本知识和常用的流量检测仪表。 8.1.1流量和流量计 流量定义： 指单位时间内流体(气体、液体或固体颗粒等)流 经管道或设备某处横截面的数量，又称瞬时流量。 体积流量：当流体以体积表示时称为体积流量。 质量流量：当流体以质量表示时称为质量流量。 累积流量： 计量单位 ： 体积流量的计量单位为米3／秒(m3／s)， 质量流量的计量单位为千克／秒(kg／s)； 累积体积流量的计量单位为米3 (m3)； 累积质量流量的计量单位为千克(kg)。 工程上还使用的流量计量单位有： 米3／时 (m3／h) 升／分(L／min) 吨／小时(t/h) 升(L) 吨(t)等 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 1. 流体的密度 单位体积的流体所具有的质量称为流体密度，用数 学表达式表示为： M ?流体质量； ?流体的密度； V ?流体体积。 流体密度是温度和压力的函数，单位是(kg/m3)。 2. 流体粘度 流体运动过程中阻滞剪切变形的粘滞力与流体的速度梯度和接触面积成正比，并与流体粘性有关，其数学表达式为： 上式称为牛顿粘性定律。 F ?粘滞力； A ?接触面积； ?流体垂直于速度方向的速度梯度； ?表征流体粘性的比例系数。 流体的动力粘度与流体密度的比值称为运动粘 度，即 动力粘度的单位为牛顿·秒/米2（N·S/m2），即 帕斯卡秒（Pa·S）；运动粘度的单位为（m2/S）。 3. 流体的压缩系数和膨胀系数 在一定的温度下，流体体积随压力增大而缩小 的特性，称为流体的压缩性；在一定压力下，流体 的体积随温度升高而增大的特性，称为流体的膨胀 性。 本节流装置和差压变送器甚至压力、温度变送器做成一体，节约安装、维护工作量及费用。 采用搞冻式设计，对于蒸汽测量不需要防浇灌液和保温处理，没有冷凝弯带来的水柱误差，在长期维护不到位的情况下也能保证设备的安全运行。 45度取压阀便于清理取压孔（脏污或易结晶介质堵塞取压孔），也便于系统的在线维护。节流件采用锻制不锈钢一体加工，确保了节流件的强度，并使可能的泄露点为最小。预留压力传感器接口，避免了压力传感器的安装成本。 技术参数 测量管径 20---1200mm 最大工作压力(Mpa) 4.0MPa 介质温度（℃） -40℃-----400℃ 考虑到流体粘性、管道形状及实际使用条件的影响，将上式乘上由实验求得的流量系数 ，并令 则可得弯管流量计的实用流量公式： 测量介质：导电介质 流速范围：0.3~10m/s 测量精度：0.5%FS??1.0%FS 显示方式：LCD显示瞬时流量，累积流量。 介质温度：0~70℃；0~90℃；0~150℃（可选） 压力：1.6Mpa；2.5Mpa；6.4Mpa；16Mpa；25Mpa； 32Mpa 输出信号：频率输出0~2kHz；?????电压输出1~5V ?????????? 电流输出4-20mA； RS-485串行接口 断电数据保存时间：10年 电源：220VAC±15%??24VDC±5%（可选） 平均无故障工作时间：MTBF=30000h 防护等级：IP67、IP68（只适用于分体型） 衬里材料：聚氨脂橡胶、氯丁橡胶、聚四氟乙烯、F46。 电极材料：316L，哈氏合金HB；哈氏合金HC；特殊材料 （如：钛、钽、铂等稀有金属材料）。 本公司专业生产以下产品 标准孔板（八槽孔板、圆缺孔板、1/4 圆孔板、双重孔板、锥型入口孔板、高压透镜孔板 内藏小孔板、宽边孔板、偏心孔板、限流孔板、减压孔板 ） ISA1932标准喷嘴 、组合式长径喷嘴 汽轮机性能试验用美国标准（ASME）长径喷嘴 1/4圆弧喷嘴 经典文丘里管、文丘里喷嘴 、双重文丘里流量计 、V型锥流量计 、超声波流量计 、弯管流量计 、 JYF型三曲线机翼式测风装置 、阿牛巴流量计 、 插入式低压损流量计 、补偿式风压取样防堵吹扫装置、单双室平衡容器、 冷凝器、 沉降器、 集气器 、 隔离器 、 阀 配合用户设计、组织产品成套 主要产品图片 ⑵差压式质量流量计 差压式质量流量计是以马格努斯效应为基础的流量计，实际应用中利用孔板和定量泵组合实现质量流量测量。有双孔板和四孔板与定量泵组合两种结构。 双孔板差压式质量流量计 四孔板差压式质量流量计： 四孔板差压式质量流量计 ⑶科里奥利质量流量计 科里奥利质量流量计(简称科氏力流量计)是一种利用流体在振动管中流动而产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理来测量质量流量的仪表。科氏力流量计结构有多种形式，一般由振动管与转换器组成。 科氏力流量计测量原理 U形管受到一个力矩的作用，其管端绕R-R轴扭转而产生扭转变形，该变形量的大小与通过流量计的质量流量具有确定的关系。 ω为转动角速度 转弹性模量 8.3 流量标准装置 为了得到准确的流量值，除了正确使用和维护流量计外，还必须对流量计进行标定和定期校验，以保证计量的准确度。流量计的标定随流体的不同有很大的差异，需要建立各种类型的流量标准装置。流量标准装置的建立是比较复杂的，不同的介质如水、气、油，以及不同的流量范围和管径大小均要有与之相应的装置。以下介绍几种典型的流量标准装置。 8.3 流量标准装置 8.3.1 液体流量标准装置 8.3.2 气体流量标准装置 8.3.1 液体流量标准装置 1. 标准容积法 容积法液体流量标准装置由水源、流量稳压装置、试验管道、切换机构和标准计量容器等几个部分组成。其中流量稳压装置有高位水槽和气液容器稳压法两种。标准计量容器是经过精确标定的，其容积精度可达万分之几，其上装有读数装置，有各种不同的容积可根据流量范围需要选用 1—水池；2—水泵；3—高位水槽；4—溢流管；5—稳压容器； 6—夹表器；7—切换机构；8—切换挡板；9—标准容积计量槽；10—液位标尺；11—游标；12—被校流量计 标准容积法流量标准装置 2. 腰轮流量计 腰轮流量计又称罗茨流量计，其工作原理与椭圆齿轮流量计相同。腰轮流量计的转子是一对不带齿的腰形轮，在转动过程依靠套在壳体外的与腰轮同轴上的啮合齿轮来完成驱动。 腰轮流量计 3. 刮板式流量计 转子在流量计进、出口差压作用下转动，每当相邻两刮板进入计量区时均伸出至壳体内壁且只随转子旋转而不滑动，形成具有固定容积的测量室，当离开计量区时，刮板缩入槽内，流体从出口排出，同时后一刮板又与其另一相邻刮板形成测量室。转子旋转一周，排出4份固定体积的流体，由转子的转数就可以求得被测流体的流量。 凸轮式刮板流量计 4. 伺服式容积流量计 在流量计工作时，腰轮由伺服电机通过传动齿轮带动，伺服电机转动的快慢，随流体入出口压力差的大小而改变。导压管将入出口压力引至差压变送器以测量入出口压差的变化，当入出口压差大于零时，差压变送器输出信号经放大后驱动伺服电机带动腰轮加快旋转，使流量计排出较大流量的流体，从而使压差趋近于零。这种近于无压差的流量计，使泄漏量减小到最低限度，因而可以实现小流量的高精度测量，而且测量误差几乎不受流体压力、粘度和密度的影响。 伺服式腰轮流量计工作原理 8.2.3 速度式流量计 1. 涡轮流量计 (1)工作原理与结构 在—定范围内，涡轮的转速与流体的平均流速成正比，通过磁电转换装置将涡轮转速变成电脉冲信号，以推导出被测流体的瞬时流量和累积流量。 涡轮流量计结构 涡轮叶片速度分解 u 流体平均流速； 叶片的切向速度； n 涡轮转速。 ξ与流量的关系曲线) 涡轮流量计的特点和使用 优点: 其测量精度高,复现性和稳定性均好；量程范围宽，量程比可达(10～20):1,刻度线性；耐高压，压力损失；对流量变化反应迅速，可测脉动流量；抗干扰能力强，信号便于远传及与计算机相连。 缺点: 制造困难，成本高。 场合: 通常涡轮流量计主要用于量精度要求高、流量变化快的场合，还用作标定其他流量的标准仪表。 2. 涡街流量计 (1)涡街流量计原理 在均匀流动的流体中,垂直地插入一个具有非流线型截面的柱体,称为漩涡发生体，则在其两侧会产生旋转方向相反、交替出现的漩涡，并随着流体流动，在下游形成两列不对称 “卡门涡街” 。 其体积流量方程式为: ?—漩涡产生的频率； u—流体流速； d—直径漩涡发生体的特征尺寸； St—斯特罗哈尔数； D —管道内径 ； A —在漩涡发生体处的流通截面积 。 涡街流量计 ●夹装式公称通径Φ25、40、50、80、100、150、200、250、300mm 量程比101～101 精 度±1.0％ 重复性±0.2％ 最高使用压力4.0MPa 流体温度-40～+300℃ 适用流体液体、气体、蒸汽（饱和、过热） 抗震性≤1.0g 公称通径Φ350～2000mm，可采用插入式涡街流量变送器。 ●VA-X（D）智能型涡街流量计 VA-X型外接+24VDC电源 VA-X（D）型内置电池供电，连续工作时间≥1年； 六位LCD显示，清晰，直观。 ●VA-Q潜水型涡街流量变送器 用于潮湿环境或仪表可能被水浸泡的环境，信号引线从水管中引到地面。 详细介绍： (2) 漩涡频率的测量图 图为三角柱体涡街检测器原理示意图，在三角柱体的迎流面对称地嵌入两个热敏电阻组成桥路的两臂，以恒定电流加热使其温度稍高于流体，在交替产生的漩涡的作用下，两个电阻被周期地冷却，使其阻值改变，阻值的变化由桥路测出，即可测得漩涡产生频率，从而测出流量。 (3) 涡街流量计的特点 优点: 涡街流量计测量精度较高；量程比宽,可达30:1；使用寿命长，压力损失小，安装与维护比较方便；测量几乎不受流体参数变化的影响，用水或空气标定后的流量计无须校正即可用于其它介质的测量；易与数字仪表或计算机接口,对气体、液体和蒸汽介质均适用。 缺点: 流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度，因此适用于紊流流速分布变化小的情况，并要求流量计前后有足够长的直管段。 3. 电磁流量计 (1)测量原理和结构 电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理制成的一种流量计。当被测导电流体在磁场中沿垂直磁力线方向流动而切割磁力线时，在对称安装在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，此电势与流速成正比。 流体流量方程为： B—为磁感应强度 ； D—管道内径 ； u—流体平均流速； E—感应电势。 电磁流量计原理图 MKULC2100 系列电磁流量计 MKULC2100系列电磁流量计性能特点： 电磁流量计的结构如图所示： (2)?电磁流量计的特点及应用 优点： 压力损失小，适用于含有颗粒、悬浮物等流体的流量测量；可以用来测量腐蚀性介质的流量；流量测量范围大；流量计的管径小到1mm，大到2m以上；测量精度为0.5-1.5级；电磁流量计的输出与流量呈线性关系；反应迅速，可以测量脉动流量。 缺点： 被测介质必须是导电的液体，不能用于气体、蒸汽及石油制品的流量测量；流速测量下限有一定限度；工作压力受到限制。结构也比较复杂，成本较高。 4. 超声波流量计 超声波测流量的作用原理有传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速—液面法等多种方法。 (1) 传播速度法测量原理 超声测速原理 ①时差法 时差法就是测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差。流体流速 t1-按顺流方向，超声波到达接收器时间； t2-按逆流方向，超声波到达接收器时间。 ②相差法 相位差法是把上述时间差转换为超声波传播的相位差来测量。超声波换能器向流体连续发射形式为 的 超声波脉冲，式中 为超声波的角频率。 按顺流方向发射时收到的信号相位； 按逆流方向发射时收到的信号相位。 ③频差法 频差法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频率之差来测量流量的。 顺流时脉冲循环频率： 逆流时脉冲循环频率： 脉冲循环频差： 流体流速: 流体体积流量方程： (2) 多普勒法测量原理 根据多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个频率的变化与两者之间的相对速度成正比。超声波多普勒流量计就是基于多普勒效应测量流量的。 (3) 超声波流量计的特点与应用 超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示系统组成。超声波换能器通常由锆钛酸铅陶瓷等压电材料制成，通过电致伸缩效应和压电效应，发射和接收超声波。换能器在管道上的配置方式如图所示 ： 超声波换能器在管道上的配置方式 ?UFT型便携式超声波流量计 ?性能参数如下表所示： 8.2.4 质量流量计 流体的体积是流体温度、压力和密度的函数。质量流量计的测量方法，可分为间接测量和直接测量两类。间接式测量方法通过测量体积流量和流体密度经计算得出质量流量，这种方式又称为推导式；直接式测量方法则由检测元件直接检测出流体的质量流量。 1、间接式质量流量计 一般是采用体积流量计和密度计或两个不同类型 的体积流量计组合，实现质量流量的测量。常见的组合方式主要有3种。 ⑴节流式流量计与密度计的组合 流式流量计与密度计组合 ⑵体积流量计与密度计的组合 体积流量计和密度计组合 ⑶体积流量计与体积流量计的组合 节流式流量计和其它体积流量计组合 2. 直接式质量流量计 直接式质量流量计的输出信号直接反映质量流量，有许多种型式。 ⑴热式质量流量计 根据传热规律： 为流体的定压比热; 两点温度差。 热式质量流量计示意图 电源：24VDC 精度：1～3%F.S. 流通管径：φ20～200 工作温度：-20～60℃ 输出：4～20mA、0～5VDC、232接口 以实际采用的某种取压方式所得到的压差 来代替 的值；同时引入流出系数C 对上式进行修正： 对于可压缩流体，考虑到节流过程中流体密度的变化而引入流束膨胀系数 进行修正采用节流件前的流体密度 ，由此流量公式可更一般的表示为： 流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是均匀的、单相的，或者可认为是单相的流体 。 b. 流体必须充满管道和节流装置且连续流动，流经节流件前流动应达到充分紊流，流束平行于管道轴线且无旋转，流经节流件时不发生相变。 c. 流动是稳定的或随时间缓变的 。 （2）节流装置 ①标准节流装置的适用条件 ②标准节流元件的结构形式 a. 标准孔板 标准孔板是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。 结构简单，加工方便，价格便宜 压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质，测量大管径高温高压介质时，孔板易变形。 标准孔板 b. 标准喷嘴 标准喷嘴是一种以管道轴线为中心线的旋转对 称体，主要由入口圆弧收缩部分与出口圆筒形喉部组成，有ISAl932喷嘴和长径喷嘴两种型式。 ISA1932喷嘴 长径喷嘴 c. 文丘里管 文丘里管有两种标准型式：经典文丘里管与文丘里喷嘴。文丘里管压力损失最低，有较高的测量精度，对流体中的悬浮物不敏感，可用于污脏流体介质的流量测量，在大管径流量测量方面应用的较多。但尺寸大、笨重，加工困难，成本高，一般用在有特殊要求的场合。 ③节流装置的取压方式 根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压五种: 节流装置的取压方式 角接取压装置 法兰取压装置 目前广泛采用的是角接取压法，其次是法兰取压法。角接取压法比较简便，容易实现环室取压，测量精度较高。法兰取压法结构较简单，容易装配，计算也方便，但精度较角接取压法低些。 ④测量管道条件 测量管道截面应为圆形，节流件及取压装置安装在两圆形直管之间。节流件附近管道的圆度应符合标准中的具体规定。 当现场难以满足直管段的最小长度要求或有扰动源存在时，可考虑在节流件前安装流动整流器，以消除流动的不对称分布和旋转流等情况。安装位置和使用的整流器型式在标准中有具体规定。 ⑤非标准节流装置 a.1/4圆喷嘴 b. 锥形入口孔板 c. 圆缺孔板 ⑶标准节流装置的计算 ①流量计算 这类计算命题是在管道、节流装置、取压方式、被测流体参数已知的情况下，根据测得的差压值计算被测介质流量。属校核计算，常用在使用现场，所依据的基本公式是流量公式。 ②设计节流装置 这类计算命题是要根据用户提出的已知条件以及限制要求来设计标准节流装置，属设计计算。 ⑷差压计 差压计与节流装置配套组成节流式流量计。差压计经导压管与节流装置连接，接受被测流体流过节流装置时所产生的差压信号，并根据生产的要求，以不同信号形式把差压信号传递给显示仪表，从而实现对流量参数的显示、记录和自动控制。 差压计的种类很多，凡可测量差压的仪表均可作为节流式流量计中的差压计使用。目前工业生产中大多数采用差压变送器。它们可将测得的差压信号转换为0.02-0.1 MPa的气压信号和4-20mA的直流电流信号。 2. 皮托管和均速管流量计 ⑴皮托管 皮托管是一根弯成直角的双层空心复合管，带有多个取压孔，能同时测量流体总压和静压。 皮托管结构 皮托管头部迎流方向开有一个小孔A，在距头部一定距离处开有若干垂直于流体流向的静压孔B，各孔所测静压在均压室均压后输出。 皮托管的工作原理可分析如下： L型皮托管 皮托管测量原理 皮托管主要应用于HVAC，洁净空间和空气处理领域。 可以测量温度较高的气体和有颗粒的气体，还可测量较高风速。 ◆静压可达6bar ◆温度最高可到650～800℃ ◆精度：0.5%（指排列顺序） ◆测量风速和风量时能保证2%精度） 设流动为不可压缩无粘性流体的稳定流动，驻点处流体的伯努利方程为 ： 由此可以得该点的流速为： 考虑到实际测量情况与理论上的差别，引入皮托管系数 (数值由实验确定)对上式进行修正： 对于可压缩流体，考虑到压缩性的影响，实际流速计算公式为： (1- )为流体可压缩性修正系数，对不可压缩流体 =0。 ⑵均速管流量计 均速管测量流速的原理与皮托管相同，体积流量可由下式确定： 3. 转子流量计 ⑴测量原理 根据流体连续性方程和伯努利方程，转子流量计的体积流量可表示为： —流量系数； —转子与锥形管间 的环形流通面积； —流体密度； —差压。 测量原理 ⑵转子流量计结构 ①玻璃管转子流量计 主要由玻璃锥形管、转子和支撑结构组成。流量示值刻在锥形管上 。 ②金属管转子流量计 金属管转子流量计的锥形管采用金属材料制成，其流量检测原理与玻璃管转子流量计相同。金属管转子流量计有就地指示型和电气信号远传型两种 。 电远传式转子流量计工作原理 ⑶转子流量计的刻度换算 转子流量计是一种非通用性仪表，出厂时其刻度需单独标定。仪表厂在工业标准状态下，以空气标定测量气体流量的仪表；以水标定测量液体流量的仪表。若被测介质不是水或空气，则流量计的指示值与实际流量值之间存在差别，必须对流量指示值按照实际被测介质的密度、温度、压力等参数的具体情况进行刻度修正。 液体介质： 气体介质 4. 靶式流量计 靶式流量计是一种适用于测量高粘度、低雷诺数流体流量的流量测量仪表，例如用于测量重油、沥青、含固体颗粒的浆液及腐蚀性介质的流量。 —流体对靶的作用
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