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现代检测技术流量测量技术第1页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回8.1 流量测量的基础知识流量测量的基础知识 8.1.1 流量和流量计流量和流量计 流量流量是指单位时间内流体流经管道或设备某处横截面的数量。当流体以体积表示时称为体积流量体积流量qV；以质量表示时称为质量流量质量流量qm。第2页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 流量计：流量计：用于测量流量的计量器具。流量计通常由一次装置（流量传感器）一次装置（流量传感器）和二次仪表组二次仪表组成。成。流量传感器流量传感器安装在流体导管内部或外部，产生一个与流量有确定关系的信号。二次仪表二次仪表接受流量传感器的信号，并转换成流量显示信号或输出信号。第3页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识流体的物理性质与管流基础知识 1、流体密度、流体密度 2、流体粘度、流体粘度 流体运动过程中阻滞剪切变形的粘滞力F与流体的速度梯度（du/dy）和接触面积A成正比，即 流体的动力粘度与流体密度的比值称为运动粘度。运动粘度。称为牛顿粘性定律称为牛顿粘性定律 服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿流体。牛顿流体。第4页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 3、流体的压缩系数和膨胀系数、流体的压缩系数和膨胀系数 压缩系数：压缩系数：当流体温度不变而所受压力变化时，其体积的相对变化率。膨胀系数：膨胀系数：在一定的压力下，流体温度变化时其体积的相对变化率。第5页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 4、雷诺数、雷诺数 雷诺数雷诺数是流体流动的惯性力与粘滞力之比，即 对于圆管，5、管流类型、管流类型 流体充满管道截面的流动称为管流。管流。（1）单相流和多相流 物体中每一均匀部分称为一个相。一个相。第6页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 均匀的固体、液体和气体统称为单相物体。单相物体。管道中只有一种均匀的流体流动称为单相流。单相流。两种不同相的流体同时在管道中流动称为两相流。两相流。两种以上不同相的流体同时在管道中流动称为多相多相流。流。（2）可压缩和不可压缩流体的流动 （3）稳定流和不稳定流 稳定流：稳定流：流体流动时，各处的速度和压力仅与流体质点所处的位置有关，而与时间无关。不稳定流：不稳定流：流速和压力不仅与流体质点所处的位置有关，而且还与时间有关。第7页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 （4）层流和紊流 层流：层流：流体沿轴向作分层平行流动，各流层质点没有垂直于主流方向的横向运动。紊流：紊流：管内流体不仅有轴向运动，而且还有剧烈的无规则的横向运动。雷诺数Re=2320时为紊流的临界值。雷诺数小于2320时为层流。雷诺数大于2320时为紊流。6、流速分布和平均流速、流速分布和平均流速 流体在管内流动时，越接近管壁，由于管壁与流体的粘滞作用，流速越低；管中心部分的流速最快。第8页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 对具有圆形截面圆形截面的管内流动情况，当管内流体为层流状层流状态态时，在距管中心rx处的流速为 当管内流体为紊流状态时，n为随雷诺数不同而变化的系数。流体需经足够长的直管段才能形成上述流速分布。在弯管、阀门和节流元件等后面管内流速分布会变得紊乱。对于层流，平均流速是管中心的0.5倍；紊流时与n值有关。第9页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 7、流体流动的连续性方程和伯努利方程、流体流动的连续性方程和伯努利方程 （1）连续性方程 流体是由无数质点连续分布而组成的连续介质，流体的密度、流速和压力等物理量也是连续分布。任取一管段，设截面、截面处的面积、密度和平均流速分别为 （2）伯努利方程第10页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 8.1.3 流量测量方法与流量仪表的分类流量测量方法与流量仪表的分类 1、流量测量方法、流量测量方法 （1）利用伯努利方程原理，通过测量流体差压信号来反映流量的差压式流量测量法；差压式流量测量法；（2）通过直接测量流体流速来得出流量的速度式流量速度式流量测量法；测量法；（3）利用标准小容积来连续测量流量的容积式测量法；容积式测量法；（4）以测量流体质量流量为目的的质量流量测量法。质量流量测量法。第11页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 2、流量仪表的分类、流量仪表的分类 按测量原理分：体积流量计和质量流量计。体积流量计和质量流量计。3、流量仪表的主要技术参数、流量仪表的主要技术参数 （1）流量范围 流量范围流量范围是指流量计可测的最大流量与最小流量值的范围。（2）量程和量程比 最大流量与最小流量值之差称为流量计的量程。流量计的量程。最大流量与最小流量值的比值称为量程比。量程比。（3）允许误差和精度等级 允许误差允许误差是指流量仪表在规定的正常工作条件下允许的最大误差。第12页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 一般用最大相对误差最大相对误差和引用误差引用误差来表示。流量仪表的精度等级有：0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0等。（4）压力损失 流体流过流量计时将造成压力损失，将带来一定的能量消耗。第13页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回8.2 流量测量仪表流量测量仪表 8.2.1 差压式流量计差压式流量计 1、节流式流量计、节流式流量计 差压式流量计也叫节流式流量计，它是利用流体流经节利用流体流经节流装置时产生压力差流装置时产生压力差的原理来实现流量测量。差压式流量计主要包括节流节流装置和差压计装置和差压计两部分。节流装置将流量的变化转节流装置将流量的变化转换成差压的变化换成差压的变化；差压计检测出差压的变化，差压计检测出差压的变化，根据差压和流量的关系，直接根据差压和流量的关系，直接指示流量。指示流量。第14页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 在节流件前后产生静压差P=P1-P2，通过差压计测出。常用的节流件有孔板、喷嘴和文丘里管等。第15页，本讲稿共38页第16页，本讲稿共38页节流装置节流装置第17页，本讲稿共38页第18页，本讲稿共38页 2、皮托管和均速管流量计、皮托管和均速管流量计 （1）皮托管 皮托管是一根弯成直角弯成直角的双层空心复合管。皮托管头部头部迎流方向开有一个小孔A，称为总压孔；总压孔；在距头部一定距离处开有若干垂直于流体流向垂直于流体流向的静压孔静压孔B，各孔所测静压在均压室均压室均压后输出。第19页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 设在均匀流动的管道中某点处流体的静压为p、流速为u。在此处放置一根皮托管，并使皮托管轴线与流向平行。轴线与流向平行。紧靠皮托管前端A的流体被阻滞，在阻滞区域的中心形成“驻点驻点”，驻点处流动完全停止，完全停止，流速等于零，压力由静压p上升到滞止压力（总压）p1。第20页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 使用皮托管时，需要将其牢固固定，测头轴线应与管道轴线平行，被测流体的流动应尽可能保持稳定。在管路中选择插入皮托管的横截面位置，应保证其有足有足够长的上下游直管段。够长的上下游直管段。第21页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 （2）均速管流量计 均速管是一根横跨管道的中空、多孔金属管。横跨管道的中空、多孔金属管。在迎流方向上开有对称的两对总压取压孔取压孔（也可以是二对以上），各总压取压孔位置分别对应位置分别对应4个面积相等个面积相等的半环形或半圆形区域，的半环形或半圆形区域，各总压孔相通，测得的流体总压均压后由总压管引出。在背向一侧的中央开有一个静压取压孔，背向一侧的中央开有一个静压取压孔，测得流体静压由静压管引出。第22页，本讲稿共38页第23页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 3、转子流量计、转子流量计 转子流量计是由一根自下向上直径逐渐扩大的垂直锥自下向上直径逐渐扩大的垂直锥形管形管和一只可以随流体流量大小而沿锥形管上下自由移沿锥形管上下自由移动的转子动的转子组成。根据伯努利方程，第24页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 4、靶式流量计、靶式流量计 靶式流量计是由传感器传感器和转换部分转换部分组成。传感器包括放在管道中心的圆形靶、杠杆、密封膜片和测量管。流体对靶的作用力F与流体流速u、密度及靶的受力面积AB的关系为 若管道直径为D，靶的直径为d，则第25页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 5、弯管流量计、弯管流量计 当流体流经弯曲管道时，弯曲管道时，流动的方向发生了变化，流体受到角加速度的作用角加速度的作用而产生的离心力会使弯管外侧管壁压力增大，从而在弯管的外、内侧管壁之间形成差压。设弯管的直径为D，弯管中心线半径为R，流体密度为，流体的体积流量qV与流体差压p的关系为第26页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 8.2.2 容积式流量计容积式流量计 1、椭圆齿轮流量计、椭圆齿轮流量计 椭圆齿轮流量计是由一对相互啮合的椭圆齿轮椭圆齿轮和壳体壳体组成。流体在流量计入、出口处的压力p1p2。进出口差压作用于B轮上的合力矩为零，轮上的合力矩为零，而在A轮上的轮上的合力矩不为零，合力矩不为零，产生一个旋转力矩，使得A轮作顺时方向转动，并带动B轮逆时针旋转，测量室（A轮与壳体构成的空间）内的流体排向出口。当转过的角度小于90时，两轮都是主动轮。第27页，本讲稿共38页第28页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 当再转过90时，B轮的合力矩又为零，而A轮的合力矩不为零，A轮为主动轮，驱动B轮转动。如此周期地主从更换，两椭圆齿轮作连续的旋转。当椭圆齿轮每旋转一周时，流量计将排出4个半月形（测量室）体积的流体。设测量室的容积为V，椭圆齿轮的转数为N，转速为n，则 当两轮旋转90时，B轮与壳体间构成测量室，流体作用于A轮的合力矩为零，作用于B轮的合力矩不为零，B轮带动A轮转动，将测量室内的流体排向出口。第29页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 2、腰轮流量计、腰轮流量计 腰轮流量计的工作原理与椭圆齿轮流量计相同，工作原理与椭圆齿轮流量计相同，结构也相似，只是转子的形状略有不同。形状略有不同。腰轮流量计的转子是一对不带齿的腰形轮，在转动过程中两腰轮不直接接触而保持微小的间隙，保持微小的间隙，依靠套在壳体外的与腰轮同轴上的啮合齿轮来完成驱动。3、刮板式流量计、刮板式流量计 刮板式流量计是由可旋转的转子、刮板、固定的凸轮及壳体组成。壳体的内腔为圆形。转子是一个可以转动、有一定宽度的空心薄壁圆筒。第30页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 转子的筒壁上开有四个互成四个互成90的槽，的槽，刮板可在槽内径向自由滑动。四块刮板由两根连杆连接，相互垂直，在空间交叉。每一刮板的一端装有一小滚轮，沿一具有特定曲线形状的固定凸轮的边缘滚动，使刮板时伸时缩。由于刮板有连杆相连，若某一刮板从转子筒边槽口伸出，则另一端刮板就缩进筒内。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，同时另一刮板又与其另一相邻刮板形成测量室。第31页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 8.2.3 速度式流量计速度式流量计 1、涡轮流量计、涡轮流量计 涡轮流量计主要由壳体、导流器、支承、涡轮和磁电转换器组成。第32页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 导流器导流器是由导向片及导向座组成，用以导直流体并支用以导直流体并支承涡轮，承涡轮，以免因流体的漩涡而改变流体与涡轮叶片的作用角，从而保证流量计的精度。磁电转换装置由线圈和磁钢组成，安装在流量计壳体上。磁电转换装置又分为磁阻式和感应式两种。涡轮是由导磁性较好的不锈钢制成。（1）磁阻式将磁钢放在感应线圈内，涡轮叶片由导磁材料制成。当涡轮叶片旋转通过磁钢下面时，磁路中的磁阻改变，使得通过线圈的磁通量发生周期性变化，因而在线圈中感应出电脉冲信号，其频率f就是转过叶片的频率。第33页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 （2）感应式是在涡轮内腔放置磁钢，涡轮叶片由非导磁材料制成。磁钢随涡轮旋转，在线圈内感应出电脉冲信号。涡轮流量计的体积流量为 第34页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 当导电的液体在直径为D的管道中流动时，导电液体切割切割磁力线，在和磁场B及流体流动方向相垂直相垂直的方向上（则电极上）产生感应电动势E：第35页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 8.2.4 质量流量计质量流量计 1、间接式质量流量计、间接式质量流量计 间接式质量流量测量方法，一般是采用体积流量计和密度计或两个不同类型的流量计组合，实现质量流量的测量。（1）节流式流量计与密度计的组合 密度计的输出：。将差压计和密度计的输出进行必要的运算处理：第36页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 （2）体积（速度）流量计与密度计的组合 输出信号正比于体积流量qV。将体积（速度）流量计和密度计的输出经乘法运算，即可得质量流量：qm=qV （3）节流式流量计与体积流量计的组合 节流式流量计和体积流量计的输出经除法运算，即可得质量流量：第37页，本讲稿共38页上一页上一页下一页下一页返返 回回 2、直接式质量流量计、直接式质量流量计 热式质量流量计的基本原理基本原理是利用外部热源对管道内的被测流体加热，热能随流体一起流动，通过测量因流体流动而造成的热量（温度）变化来反映出流体的质量流量。在管道中安装一个加热器对流体加热，并在加热器前后的对称点上检测温度。P=qmcpT 设cp为流体的定压比热，T为测得的两点温度差，则流体的加热功率P与两点间温差的关系为第38页，本讲稿共38页