第四章 流量檢測儀表

4.1流量概述總(流)量或累積流量：在某一段時間內(nèi)流過管道橫截面的流體的總和。它是瞬時流量對時間的積分或積累。流量：是指單位時間內(nèi)流過管道或特定通道橫截面的流體數(shù)量，稱為瞬時(平均)流量。有體積流量和質(zhì)量流量之分。（1）體積流量qv單位時間內(nèi)通過某截面的流體的體積，單位為m3/s。根據(jù)定義，體積流量可用下式表示：式中，v為截面A中某一面積元dA上的流速。常用單位有：目前一頁\總數(shù)四十二頁\編于七點（2）質(zhì)量流量qm單位時間內(nèi)通過某截面的流體的質(zhì)量，單位為kg/s。根據(jù)定義，質(zhì)量流量可用下式表示：則有qm=ρqv=ρvA

單位有：(3)流體總量即瞬時流量對時間的積分，稱之流體總量。

用來測量流量的儀表統(tǒng)稱為流量計。測量總量的儀表稱為流體計量表或總量表。目前二頁\總數(shù)四十二頁\編于七點流量儀表的分類①速度式:速度式流量傳感器大多是通過測量流體在管路內(nèi)已知截面流過的流速大小來實現(xiàn)流量測量的。②容積式:容積式流量傳感器是根據(jù)已知容積的容室在單位時間內(nèi)所排出流體的次數(shù)來測量流體的瞬時流量和總量的。如：差壓式、電磁式、渦輪式、渦街式、超聲波式③質(zhì)量式：直接法：科里奧利質(zhì)量流量計、熱式間接法：溫度、壓力自動補償式質(zhì)量流量測量系統(tǒng)、體積流量和密度計組合式質(zhì)量流量測量系統(tǒng)目前三頁\總數(shù)四十二頁\編于七點利用管路內(nèi)的節(jié)流元件，改變流束流動狀態(tài),通過測量節(jié)流件前、后壓力差來實現(xiàn)確定流量。4.2差壓式流量計節(jié)流裝置：是把被測流體的流量轉(zhuǎn)換成壓差信號主要由節(jié)流裝置和差壓計（或差壓變送器）。差壓計：則對壓差信號進行測量并顯示測量值常用的節(jié)流元件:孔板、噴嘴、文丘里管。(b)噴嘴(c)文丘里管(a)孔板目前四頁\總數(shù)四十二頁\編于七點差壓式流量傳感器流量測量系統(tǒng)目前五頁\總數(shù)四十二頁\編于七點節(jié)流件前后流速和壓力分布情況能量形式的轉(zhuǎn)換截面A和節(jié)流件開孔截面A0的流體量相同截面A的速度v1截面A的速度v2v2>v1動壓能和靜壓能發(fā)生變化能量守恒定律孔板前后出現(xiàn)了靜壓差靜壓差流速和流量目前六頁\總數(shù)四十二頁\編于七點在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用極限范圍內(nèi),根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)所提供的數(shù)據(jù)和要求進行設(shè)計、制造和安裝使用的節(jié)流件,稱為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置文丘利管壓力損失最小，而孔板壓力損失最大。文丘利管孔板噴嘴目前七頁\總數(shù)四十二頁\編于七點差壓式流量計是通過測量節(jié)流件前后壓力差p來實現(xiàn)流量測量的，而壓力差p的值與取壓孔位置和取壓方式緊密相關(guān)。節(jié)流裝置的取壓方式有以下5種。取壓方式標(biāo)準(zhǔn)取壓裝置是國家標(biāo)形中規(guī)定的兩種取壓裝置，即角接取壓裝置和法蘭取壓裝置。其中角接取壓適用于孔板和噴嘴，而法蘭取壓僅用于孔板。節(jié)流裝置的取壓方式1-1—角接取壓；2-2—法蘭取壓；3-3—徑距取壓；4-4—縮流取壓；5-5—管接取壓。目前八頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(1)角接取壓:上下游取壓管位于孔板(或噴嘴)的前后端面處。角接取壓包括單獨鉆孔和環(huán)室取壓。如圖6-5中l(wèi)—l位置。目前九頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(2)法蘭取壓：上下游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上、下游側(cè)端面之間的距離均為25.4±0.8mm（1inch)。取壓孔開在孔板上下游側(cè)的法蘭上．如圖6-5中2—2位置．法蘭取壓目前十頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(5)管接取壓：上游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離為2.5Dm，下游側(cè)取壓孔的軸線至孔板下游端面的距離為8Dm．如圖中的5—5位置．該方法使用很少．(4)理論取壓：上游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離為lDm±0.1Dm，下游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離因值不同而異。該距離理論上就是流束收縮到最小截面的距離。如圖中的4—4位置。(3)徑距取壓：上游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離為1Dm±0.1Dm，下游側(cè)取壓孔的軸線至孔極下游端面的距離為0.5Dm。如圖3—7中的3.3位置（Dm管道直徑）目前十一頁\總數(shù)四十二頁\編于七點流束最小截面在Ⅱ-Ⅱ截面處。對于不可壓縮的理想流體，節(jié)流件前后的流體密度相等(ρ1=ρ2=ρ)。當(dāng)忽略壓頭損失時，根據(jù)伯努利方程，在兩截面Ⅰ、Ⅱ處管中心流體的能量方程為：4.2.2差壓式流量計工作原理設(shè)Ⅰ-Ⅰ截面時管中心的流速為v1，靜壓為，密度為ρ1，Ⅱ-Ⅱ截面時管中心的流速為v2、靜壓為，密度為ρ2，假定流體的流速是均勻一致的，則由上式可得：(1)(2)目前十二頁\總數(shù)四十二頁\編于七點由于流體流動的連續(xù)性，則A1V1ρ=A2V2ρ

A1為Ⅰ-Ⅰ截面的流通面積；A2為Ⅱ-Ⅱ截面流束的流通面積。(3)被測流體的體積流量為：令流量系數(shù)α與節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)形式、取壓方式、節(jié)流裝置開孔直徑、流體流動狀態(tài)（雷諾數(shù)）及管道條件等因素有關(guān)。目前十三頁\總數(shù)四十二頁\編于七點

配用差壓計顯示流量時，流量標(biāo)尺是非線性的。

配用差壓流量變送器時，變送器的輸出電流就與流量成線性關(guān)系。差壓流量計上限的系列有：1.0、1.25、1.6、2.0、2.5、3.2、4.0、5.0、6.3、8.0×10n目前十四頁\總數(shù)四十二頁\編于七點標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的使用條件⑴流體必須充滿圓管，連續(xù)地流過管道。只適于測量圓形截面管道內(nèi)的流體,

⑵流束應(yīng)與管軸平行，不得有旋轉(zhuǎn)流或旋渦。在進行流量測量時,管道內(nèi)流體的流動應(yīng)是穩(wěn)定的。⑶流體流量基本上不隨時間而變化,或者變化是非常緩慢的。⑷流體可以是可壓縮的氣體或不可壓縮的流體；但不適于脈動流與臨界流。⑸流體必須是牛頓流體,在物理學(xué)和熱力學(xué)上是單相的,均勻的或者可認為是單相的,且流經(jīng)節(jié)流裝置時不發(fā)生相變。⑹節(jié)流裝置的制造和使用條件超出國家標(biāo)準(zhǔn)的極限時,必須標(biāo)定后才能安裝使用。目前十五頁\總數(shù)四十二頁\編于七點4.2.4標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的安裝

阻力件的存在，將會嚴(yán)重擾亂流束的分布狀態(tài)，引起流出系數(shù)C的變化。因此在節(jié)流件上下游側(cè)都必須有足夠長度的直管段。L0213局部阻力件1、2上游側(cè)只有一個局部阻力件1，則直管段就只需L1及L2目前十六頁\總數(shù)四十二頁\編于七點4.2.5使用節(jié)流裝置應(yīng)注意的問題

1)被測流體參數(shù)的變化

當(dāng)流體參數(shù)偏離不大時，對流量方程式中系數(shù)、C、d的影響小,可只考慮密度的變化。在相同的壓差下，密度變化的修正公式為：或式中：和-設(shè)計條件下的流體體積流量和質(zhì)量流量，即流量計的顯示值；和-實際使用條件下的流體體積流量和質(zhì)量流量,實際值；和-設(shè)計條件下和實際使用條件下的流體密度。目前十七頁\總數(shù)四十二頁\編于七點對于一般氣體，修正公式為或式中:—設(shè)計條件和使用條件下的氣體絕對壓力；—設(shè)計條件下的氣體絕對溫度：目前十八頁\總數(shù)四十二頁\編于七點例1：有一節(jié)流式流量計，用于測量水蒸汽流量，設(shè)計時的水蒸汽密度為ρ=8.93kg/m3。但實際使用時被測介質(zhì)的壓力下降，使實際密度減小為ρ=8.12kg/m3。試求當(dāng)流量計的讀數(shù)為8.5kg/s時，實際流量是多少？由于密度的變化使流量指示值產(chǎn)生的相對誤差為多少？解：當(dāng)密度變化時，實際流量可按下式求得：kg/s相對誤差為：目前十九頁\總數(shù)四十二頁\編于七點4.3.1工作原理當(dāng)被測流體垂直于磁力線方向流動而切割磁力線時，如圖所示，根據(jù)右手定則，在與流體流向和磁力線垂直方向上產(chǎn)生感應(yīng)電勢Ex（伏）為:Ex=BDV×10-8,VB-磁感應(yīng)強度，Wb／m2

4.3電磁流量計該感應(yīng)電勢大小與磁感應(yīng)強度、管徑大小、流體流速大小有關(guān)目前二十頁\總數(shù)四十二頁\編于七點體積流量qv與流體流速v的關(guān)系為可得式中，K為儀表常數(shù)，B、D固定不變，則K為常數(shù)，Ex與流量qv成線性關(guān)系，通過測量感應(yīng)電動勢Ex來間接測量被測流體的流量qv值。目前二十一頁\總數(shù)四十二頁\編于七點在半個周期內(nèi)，磁場是恒穩(wěn)的直流磁場，它具有直流勵磁的特點，受電磁干擾影響很小。從整個時間過程看，方波信號又是一個交變的信號，所以它能克服直流勵磁易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象．因此，低頻方波勵磁是一種比較好的勵磁方式，目前已在電磁流量計上廣泛的應(yīng)用．低頻方波勵磁

(a)交流勵磁(b)矩形波(2值)勵磁(c)矩形波(3值)勵磁(d)雙頻矩形波勵磁目前二十二頁\總數(shù)四十二頁\編于七點4.4超聲波流量計聲波在靜止流體中的傳播速度與流動流體中的傳播速度不同。超聲波的接收和發(fā)射稱換能器，換能器既可兼作聲波的收和發(fā)，也可以分開進行。當(dāng)前封閉管道用USF主要是傳播時間法和多普勒效應(yīng)法目前二十三頁\總數(shù)四十二頁\編于七點直式安裝斜插式安裝多普勒流量計

目前二十四頁\總數(shù)四十二頁\編于七點流量測量原理

在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差t，可得到流體的平均速度及流量。目前二十五頁\總數(shù)四十二頁\編于七點f1>

f2通過測量順流和逆流時超聲脈沖的重復(fù)頻率差去測量流速。在單通道法中脈沖重復(fù)頻率是在一個發(fā)射脈沖被接收器接收之后，立即發(fā)射出一個脈沖，這樣以一定頻率重復(fù)發(fā)射，對于順流和逆流重復(fù)發(fā)射頻率為：目前二十六頁\總數(shù)四十二頁\編于七點目前二十七頁\總數(shù)四十二頁\編于七點

發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)目前二十八頁\總數(shù)四十二頁\編于七點多普勒效應(yīng)是當(dāng)聲源和目標(biāo)之間有相對運動，會引起聲波在頻率上的變化，這種頻率變化正比于運動的目標(biāo)和靜止的換能器之間的相對速度。多普勒法多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理確定流體流量.多普勒效應(yīng)是奧地利物理學(xué)家ChristianDoppler1842年發(fā)現(xiàn)的，通過運動火車的鳴笛聲音的高低與火車的速度有關(guān)系.當(dāng)單色光束入射到運動體上某點時，光波在該點被運動體散射，散射光頻率與入射光頻率相比，產(chǎn)生了正比于物體運動速度的頻率偏移，稱為多普勒頻移。目前二十九頁\總數(shù)四十二頁\編于七點1)流速方程式多普勒頻移正比于散射體流動速度：超聲換能器A向流體發(fā)出頻率為fA的連續(xù)超聲波，經(jīng)照射域內(nèi)液體中散射體懸浮顆?；驓馀萆⑸?，散射的超聲波產(chǎn)生多普勒頻移fd，接收換能器B收到頻率為fB的超聲波，其值為：速度：目前三十頁\總數(shù)四十二頁\編于七點發(fā)射信號與接收信號的多普勒頻率偏移與流體流速成正比。如忽略管壁影響，并假設(shè)流體沒有速度梯度，以及粒子是均勻分布的，可得方程2)流量方程式對于實際含有大量粒群的流體，換能器接收到的反射信號只能是發(fā)生器和接收器的兩個指向性波束重疊區(qū)域內(nèi)顆粒的反射波，換能器所收到的信號就是反射波疊加的平均值。目前三十一頁\總數(shù)四十二頁\編于七點例：多普勒流量計測污水管道內(nèi)的流體流量，若流體流速為12m/s，發(fā)送的聲波和流體的流向夾角為45°，發(fā)射波的頻率為1MHz，超聲波在水中的速度為1482m/s，求發(fā)射和接收信號之間的頻率差？已知：流體的流速（可視為散射質(zhì)點的流速），發(fā)射和接收聲波與流體的流動方向的夾角，超聲波在靜止水中的傳播速度，，發(fā)射超聲波的頻率。故多普勒超聲波流量計的頻移為解多普勒超聲波流量計的頻移公式為

目前三十二頁\總數(shù)四十二頁\編于七點4.5卡門渦街流量計圓柱體三角柱體Q=A0(d/St)(1－1.27β)

f

式中A0——管道截面積，m2。渦街流量計適用于測量液體、氣體、蒸汽的單相介質(zhì)流量，滿管式渦街流量計管徑范圍25mm～250mm插入式管徑范圍250～2000mm。目前三十三頁\總數(shù)四十二頁\編于七點在三角柱的兩側(cè)面各有相同的彈性金屬膜片，內(nèi)充硅油，旋渦引起的壓力波動，使兩膜片與柱體間構(gòu)成的電容產(chǎn)生差動變化。其變化頻率與旋渦產(chǎn)生的頻率相對應(yīng)，故檢測由電容變化頻率可推算出流量。(1)電容檢測法常用渦街頻率檢測方法在三角柱中央或其后部插入嵌有壓電陶瓷片的桿，桿端為扁平片，產(chǎn)生旋渦引起的壓力變化作用在桿端而形成彎矩，使壓電元件出現(xiàn)相應(yīng)的電荷。此法技術(shù)上比較成熟，應(yīng)用較多，已有系列化產(chǎn)品。(2)應(yīng)力檢測法目前三十四頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(3)熱敏檢測法在圓柱體下端有一段空腔，被隔板分成兩側(cè)，中心位置有一根細鉑絲，它被加熱到比所測流體溫度略高10℃左右，并保持溫度恒定。產(chǎn)生旋渦引起的壓力變化，流體向空控內(nèi)流動，穿過空腔將鉑絲上的熱量帶走，鉑絲溫度下降，電阻值變小。其變化頻率與旋渦產(chǎn)生的頻率相對應(yīng)，故可通過測量鉑絲阻值變化的頻率來推算流量。(4)超聲檢測法在柱體后設(shè)置橫穿流體的超聲波束，流體出現(xiàn)旋渦將使超聲波由于介質(zhì)密度變化而折射或散射，使收到的聲信號產(chǎn)生周期起伏，經(jīng)放大得到相應(yīng)于流量變化的脈沖信號。目前三十五頁\總數(shù)四十二頁\編于七點h1222r2RR-rP2P1φ4.6

轉(zhuǎn)子流量計由錐形玻璃管和浮子組成，浮子能在垂直安裝的錐形玻璃管內(nèi)上下移動。被測流體自下向上流過管壁與浮子之間環(huán)隙時，托起浮子向上，這時管與浮子之間的環(huán)隙面積增大，直到浮子處在