第四章流速和流量测量精选文档.ppt

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1、第四章流速和流量测量2022/10/19本讲稿第一页，共七十一页4.1 流速的测量4.1.1 皮托管测速法皮托管测量原理L型皮托管本讲稿第二页，共七十一页4.1.1.1相关概念l我们把没有粘性的流体称为理想流体理想流体l理想不可压缩流体的伯努利方程（能量方程）(BenoullisEquation)理想不可压缩流体在重力场中作定常流动时，具有三种形式的能量：位势能、压力势能和动能，在流线上任何一处三者能量之和保持恒定。本讲稿第三页，共七十一页1.势能（势能（Potentialenergy）:mgz1,mgz2，Permass:gz1,gz22.动能（动能（Kineticenergy）:Perma

2、ss:3.压力能（压力能（Pressureenergy）:Workdoneforcedistance=Permass:V2,p2z1z2V1,p1本讲稿第四页，共七十一页4.1.1.2皮托管的结构皮托管的结构本讲稿第五页，共七十一页皮托管测速原理图皮托管测速原理图动压动压(Pv)静压静压(Ps)全压全压（Pt)本讲稿第六页，共七十一页4.1.1.3 测量误差分析测量误差分析总压孔直径：总压孔直径：d=0.5D静压孔直径：静压孔直径：d1=0.12D静压孔距端部距离：静压孔距端部距离：34D静压孔离支杆距离：静压孔离支杆距离：810D 皮托管头部和支杆对流场的影响皮托管头部和支杆对流场的影响1、

3、皮托管的形状影响、皮托管的形状影响本讲稿第七页，共七十一页修正后的流速公式：修正后的流速公式：为皮托管系数，由实验标定。一般在0.991.01之间。皮托管是测量流体速度的主要工具之一,广泛用于船舶和飞行体的测速。在测量时，只要把皮托管对准流体流动的方向，使内管顶端（滞止点）能感受全压力 pt，而具有静压孔的外管感受静压力 ps。本讲稿第八页，共七十一页4.1.1.4测量误差分析测量误差分析总压孔直径：总压孔直径：d=0.5D静压孔直径：静压孔直径：d1=0.12D静压孔距端部距离：静压孔距端部距离：34D静压孔离支杆距离：静压孔离支杆距离：810D 皮托管头部和支杆对流场的影响皮托管头部和支杆

4、对流场的影响1、皮托管的形状影响、皮托管的形状影响本讲稿第九页，共七十一页2、皮托管偏离特性的影响、皮托管偏离特性的影响结论：结论：皮托管方皮托管方向要正对向要正对流体流向流体流向。本讲稿第十页，共七十一页3、流体压缩性影响、流体压缩性影响空气高速流动时，如果不进行压缩性影响的修正，将会产生10%左右的测量误差。本讲稿第十一页，共七十一页4.1.2 多普勒测速l当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时，接收到的声波频率与入射声波频率存在差别的现象称为光学多普勒效应，是奥地利学者多普勒于1842年发现的。l当单色光束入射到运动体上某点时，光波在该点被运动体散射，散射光频率与入射光频率相比，产生了

5、正比于物体运动速度的频率偏移，称为多普勒频移。本讲稿第十二页，共七十一页图4多普勒效应原理kiksP本讲稿第十三页，共七十一页本讲稿第十四页，共七十一页后向散射型多普勒测速原理 从入射光束方向看，后向散射是指接收散射光束的光电检测器位于被测物体后面，即与光源在同一侧。激光器S发出光束垂直人射到运动体，并在P点散射，散射光由光电检测器R接收。根据多普勒效应检测多普勒频移，如果人射光与散射光的夹角为，则多普勒频移为：2v本讲稿第十五页，共七十一页多普勒效应的另一种解释 辐射的波长因为光光源源和和观观测测者者的的相相对对运运动动而而产产生生变变化化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得

6、较高(蓝移(blue shift)。在运动的波源后面，产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低(红移(red shift)。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。所有波动现象(包括光波)都存在多普勒效应。本讲稿第十六页，共七十一页多普勒测速仪的工作原理是利用相对运动的物体频率的变化。电磁波的传播同样有多普勒特性。当一个发出固定频率的波的物体，相对于观察地点有相对运动时，在观察地点收到的频率随着它们的相对速度而变化即当物体物体向着观察点接近时，波长就变短，频率就变高；而远离观察点时，波长就变向着观察点接近时，波长就变短，频率就变高；而远

7、离观察点时，波长就变长，频率就变低长，频率就变低,这样通过频率的变化就能计算出卫星的高度、速度和方位。若用此法连续测量，就可得到精确的卫星实际轨道数据。2、超声多普勒法是怎样测量血液流动的、超声多普勒法是怎样测量血液流动的?多普勒测速仪应用实例多普勒测速仪应用实例1 1、卫星跟踪测轨系统、卫星跟踪测轨系统本讲稿第十七页，共七十一页利用多普勒效应制成的仪器有激光多普勒测量仪、超声多普勒测量仪等，具有精度高、非接触、不扰乱流场、响应快、空间分辨率高、使用方便的特点，广泛用于流速测量、工业中钢板、铝材测量、医学中血液循环监测、医学诊断等。非接触测量可以克服由于机械磨损和打滑造成的测量误差。本讲稿第十

8、八页，共七十一页4.2 流量测量4.2.1 4.2.1 概述概述概述概述 一、流体的流量一、流体的流量一、流体的流量一、流体的流量流流流流量量量量的的的的定定定定义义义义：流流流流体体体体流流流流量量量量是是是是指指指指单单单单位位位位时时时时间间间间内内内内流流流流过过过过管管管管道道道道或或或或明明明明渠渠渠渠某某某某一一一一截截截截面面面面流流流流体体体体的的的的量量量量，也也也也称称称称为为为为瞬瞬瞬瞬时时时时流流流流量量量量。在在在在某某某某一一一一段段段段时时时时间间间间间间间间隔隔隔隔内内内内流流流流过过过过某某某某一一一一截截截截面面面面的的的的流流流流体体体体的的的的量量量量

9、称称称称为为为为流流流流过过过过的的的的总总总总量量量量，也也也也称称称称作作作作积积积积分分分分流流流流量量量量或或或或累累累累积积积积流流流流量量量量。总总总总量量量量除除除除以以以以得到总量的时间就称为该段时间内的平均流量。得到总量的时间就称为该段时间内的平均流量。得到总量的时间就称为该段时间内的平均流量。得到总量的时间就称为该段时间内的平均流量。流体流量的表示：一般可分为质量流量流体流量的表示：一般可分为质量流量流体流量的表示：一般可分为质量流量流体流量的表示：一般可分为质量流量q q q qm m m m和体积流量和体积流量和体积流量和体积流量q q q qV V V V。两者之间满

10、足以下关系：两者之间满足以下关系：两者之间满足以下关系：两者之间满足以下关系：在国际单位制中，在国际单位制中，q qm m的单位为的单位为kg/skg/s，q qV V的单位为的单位为m m3 3s s。二、流量测量方法二、流量测量方法二、流量测量方法二、流量测量方法 1 1容积法容积法 ；2 2速度法；速度法；3 3质量法质量法三、流量测量系统三、流量测量系统三、流量测量系统三、流量测量系统 流量测量系统一般由传感器、信号传输、信号转换装置和流量显示及计算装置四部分组成。流量测量系统一般由传感器、信号传输、信号转换装置和流量显示及计算装置四部分组成。本讲稿第十九页，共七十一页 传感器感受流量

11、Q的变化，Q可以是质量流量qm或体积流量qV，其输出为与流量有关的某个物理量，如差压、速度等。信号转换装置将输出量转变成相应的电信号，然后由显示积算装置直接显示瞬时流量或对瞬时流量积分得到累积流量。四、流量计的校验与标定四、流量计的校验与标定 流量计的标定是一件比较困难的工作，因为流量是质量或体积对时间的导数，难以由定义直接做出流量单位的标准器。一般是在流量不变的前提下，使流体连续流入标准容器V中，精确测量流体流动的起止时间和流入容器的流体总量，用平均流量代替瞬时流量作为标准。因此，在累积时间内，必须保证流体流动高度稳定，并且计时和计量都要足够准确。本讲稿第二十页，共七十一页4.2.24.2.

12、2涡轮流量计涡轮流量计 一、涡轮流量计的组成及测量原理一、涡轮流量计的组成及测量原理 涡轮流量计由两部分组成：变送器和指示积算器。变送器完成将被测流量转换成一定频率的脉冲信号输出，指示积算器接受变送器输出的脉冲信号，将其转换、放大、运算、逻辑计数，显示瞬时流量和累积总量。涡轮流量计实质上为一零功率输出的涡轮机，其变送器主要由涡轮、导流器、磁电转换器组成，结构如图4-2所示。壳体和导流器由不导磁材料制成。导流器的作用是支承叶轮并导直流体的流动，以减少流体自旋及涡漩的干扰。涡轮流量计结构 1涡轮；2支承；3永久磁钢；4感应线圈；5壳体；6导流器 本讲稿第二十一页，共七十一页（1 1）流量一转速的转

13、换原理）流量一转速的转换原理 当涡轮处于匀速转动的平衡状态时，假设不计叶轮转动的当涡轮处于匀速转动的平衡状态时，假设不计叶轮转动的摩擦阻力、流体粘性阻力及感应线圈中感应电流所引起的电磁反作用力矩的影响。摩擦阻力、流体粘性阻力及感应线圈中感应电流所引起的电磁反作用力矩的影响。设涡轮叶片与轴线的夹角为设涡轮叶片与轴线的夹角为，叶轮的平均半径为叶轮的平均半径为r r0 0，流体的流通面积为流体的流通面积为A A0 0，流体流经叶轮流体流经叶轮相应半径相应半径r r0 0处的轴向流速为处的轴向流速为v v0 0切向流速为切向流速为v vg g，故有故有式中式中 C C与叶轮参数、轴向流速分布有关的系数

14、；与叶轮参数、轴向流速分布有关的系数；平均流速。平均流速。本讲稿第二十二页，共七十一页（2）叶轮转速的测量 在涡轮流量计中，叶轮的转速是通过磁电转换的原理来测量的，输出信号为代表转速的脉冲频率信号。磁电装置中的永久磁钢上绕有线圈，当叶片转动经过永久磁钢的顶部时，因叶片为导磁材料而改变原磁路的磁阻，从而使磁通发生变化，故在线圈上感应出电势信号。显然电势信号是脉动式的，其频率为 f=zn 式中 z 涡轮上的叶片数。式中 仪表常数。在一定时间间隔内对流量进行积分时，得累积的总流量为：式中 N在t1到t2时间间隔内流过QV流体时输出的脉冲数。本讲稿第二十三页，共七十一页仪表常数仪表常数的意义为的意义为

15、单位体积流量输出的脉冲数。从理论上说，在一定条件（流体性质、单位体积流量输出的脉冲数。从理论上说，在一定条件（流体性质、状态、变送器结构、流量一定）下，状态、变送器结构、流量一定）下，是一个常数。当上述条件变化时，是一个常数。当上述条件变化时，值也随之变值也随之变化。这是因为上述条件都将能影响到式中的参数化。这是因为上述条件都将能影响到式中的参数C C。在前述在前述q qV V n n关系推导的前提条件中，流关系推导的前提条件中，流体的粘滞阻力将会影响流通截面体的粘滞阻力将会影响流通截面A A0 0上的流速分布，这种影响也表现为上的流速分布，这种影响也表现为C C的变化。从理论上的变化。从理论

16、上研究各种因素对研究各种因素对C C的影响较为复杂，对于涡轮流量计，反映的影响较为复杂，对于涡轮流量计，反映C C值变化的是仪表常数值变化的是仪表常数，它是根据实际情况标定的，而且在使用的范围内按实际标定出的它是根据实际情况标定的，而且在使用的范围内按实际标定出的值是常值。下图是仪表常值是常值。下图是仪表常数数随随ReRe变化的特性曲线。变化的特性曲线。实际上，涡轮流量计出厂时。实际上，涡轮流量计出厂时。值由厂家根据适用的流体标定给出。值由厂家根据适用的流体标定给出。本讲稿第二十四页，共七十一页（二）磁电转换器（二）磁电转换器 磁电转换器是把涡轮的转速转换成电气频率信号的装置，它由磁电感应装置

17、和前磁电转换器是把涡轮的转速转换成电气频率信号的装置，它由磁电感应装置和前置放置放大器组成。大器组成。转速一频率转换是一种磁阻式磁电感应转换方式。感应装置安装在管道外部壳体转速一频率转换是一种磁阻式磁电感应转换方式。感应装置安装在管道外部壳体上，它是由永久磁钢和感应线圈组成，正对下部的转动涡轮。涡轮转动时，当叶片转上，它是由永久磁钢和感应线圈组成，正对下部的转动涡轮。涡轮转动时，当叶片转到永久磁钢的正下方时，磁路的磁阻最小；当叶片转过时，磁阻变大。由于磁阻的变到永久磁钢的正下方时，磁路的磁阻最小；当叶片转过时，磁阻变大。由于磁阻的变化，所以磁路中的磁通发生变化，因此在线圈中感应出电势。其电势是

18、脉动电势，频化，所以磁路中的磁通发生变化，因此在线圈中感应出电势。其电势是脉动电势，频率率 f f=znzn。感应出的电势信号比较微弱，经置于转换器之中的前置放大器放大后输出。感应出的电势信号比较微弱，经置于转换器之中的前置放大器放大后输出。二、流量指示积算器二、流量指示积算器二、流量指示积算器二、流量指示积算器 流量指示积算器是涡轮流量计的显示器。它完成瞬时流量的显示和总量显示。它的电路主要有流量指示积算器是涡轮流量计的显示器。它完成瞬时流量的显示和总量显示。它的电路主要有两部分：瞬时流量显示电路和总量显示电路。两部分：瞬时流量显示电路和总量显示电路。本讲稿第二十五页，共七十一页 涡轮流量计

19、的这种显示器，实际上是一个脉冲频率测量和计数的仪表，它将涡轮变送器输出的单位时间内的脉冲数和一段时间内的脉冲总数按瞬时流量和累积流量显示出来。这类显示仪表的类型很多，在仪表设计中可根据实际需要灵活选用。下图是一种显示仪表的工作原理方框图。仪表由整形电路、频率电压变换电路、仪表常数除法运算电路、电磁计数器和自动回零电路、机内振荡器和电源等部分组成。显示仪表工作原理方框图本讲稿第二十六页，共七十一页 4.2.3 4.2.3 转子流量计转子流量计转子流量计转子流量计 转子流量计是工业生产过程中应用较为广泛的一类流量计。它又称浮子流量计、恒压降变截面转子流量计是工业生产过程中应用较为广泛的一类流量计。

20、它又称浮子流量计、恒压降变截面流量计。按锥形管材料的不同可分为玻璃管转子流量计和金属管转子流量计。玻璃管转子流量计耐流量计。按锥形管材料的不同可分为玻璃管转子流量计和金属管转子流量计。玻璃管转子流量计耐压能力低，一般为就地直读式。金属管转子流量计耐压能力高，一般有就地指示型和信号远传型。压能力低，一般为就地直读式。金属管转子流量计耐压能力高，一般有就地指示型和信号远传型。转子流量计适用于多种介质的流体（气体、液体），在火电厂中，常用于化学水处理转子流量计适用于多种介质的流体（气体、液体），在火电厂中，常用于化学水处理过程的水流量测量和锅炉点火过程控制中的轻油油量测量。它特别适用于小管径，低雷诺

21、过程的水流量测量和锅炉点火过程控制中的轻油油量测量。它特别适用于小管径，低雷诺数的中小流量测量。数的中小流量测量。一、玻璃管转子流量计一、玻璃管转子流量计一、玻璃管转子流量计一、玻璃管转子流量计 （一）结构组成（一）结构组成 玻璃管转子流量计主要由锥形管、转子两部分组成玻璃管转子流量计主要由锥形管、转子两部分组成 。玻璃管转子流量计玻璃管转子流量计 1 1 罩壳；罩壳；2 2玻璃锥管；玻璃锥管；3 3浮子浮子 4 4密封填料；密封填料；5 5连接法兰连接法兰本讲稿第二十七页，共七十一页（二）工作原理及流量公式 浮子处于锥形管中，相当于通流面积A0可变的节流件。流体流经节流件所产生的差压与体积流

22、量的关系如下：式中 与浮子形状、尺寸等有关的流量系数。流体密度。当浮子处于力平衡情况下，差压对浮子产生向上的作用力加上流体对浮子的浮力，等于浮子的重力，即由此可知 式中 Af浮子的有效面积。Vf浮子体积。f，分别为浮子材料和流体的密度；g当地的重力加速度。本讲稿第二十八页，共七十一页体积流量qV与通流面积A0之间的关系：考虑到锥度很小的锥形管中通流面积A0与浮子在管中的高度H近似成正比，即 A0 CH 式中 C与圆锥管锥度有关的比例系数。因此可得体积流量与浮子高度的关系式：由上式可知，如果增大锥管长度H，增大锥度，可扩大仪表的量程，提高流量测量范围。流量公式中的流量系数与浮子的形状以及流体的雷

23、诺数等有关，对于一定的浮子形状，当雷诺数大于某一数值时，流量系数趋于一常数。因此，对于一定材料、形状的浮子和一定密度的流体，雷诺数在低限雷诺数以上，就能得到体积流量和浮子位置之间的线性刻度关系。如图4-9所示三种浮子的转子流量计流量系数与雷诺数的关系。本讲稿第二十九页，共七十一页1为旋转式浮子，它的低限雷诺数约为6000，较其它两种下限值要高，多用于直接指示的转子流量计；2为圆盘式浮子，它的低限雷诺数约为300，3为板式浮子，低限雷诺数约为40，它们在较低的雷诺数下，流量系数就趋于常数，流量的测量范围比较宽。玻璃转子流量计的示值显示有两种：一种在锥管上由转子的高度直接读出流量值，另一种是采用百

24、分刻度（分为等分和非等分刻度）。二、金属管转子流量计二、金属管转子流量计 金属管转子流量计的锥形管是用金属材料制成的，对于流量的检测原理与玻璃管转子流量计是相同的。很显然，测量时不能直接从锥形管内直接测出浮子的位置，因此都是把浮子的位移再进行传递变换。传递变换后的位移信号可以直接用于就地指示，也可以将该位移进一步进行电气信号的转换。金属管转子流量计有就地指示型和电气信号远传型，由于浮子的位移必须经过传递机构进行转换，所以浮子的位移与流量一般是非线性关系，这主要是位移传递机构所致。本讲稿第三十页，共七十一页4.2.44.2.4涡街流量计涡街流量计 涡街流量计，又称旋涡流量计，是70年代发展起来的

25、一种新型流量计。它适用于气体流量和液体流量测量。仪表的精确度高（达1.0），量程比宽（B=30：1），输出线性好。它输出频率信号，抗干扰性能好，便于远距离传输，在火电厂可用于送风流量的测量。涡街流量计由检测器和转换器组成。一、测量原理一、测量原理 这种流量计的工作原理是利用了流体力学中的卡门涡街现象，即在流体中放置一个外形为对称形状的非流线型柱体，在一定的雷诺数范围内，它的下游两侧就会交替产生两列不对称的的漩涡，两侧漩涡的旋转方向相反，并轮流从柱体上分离出来，在下游侧形成所谓的“涡街”，如图所示。“涡街”的发生情况 （a）圆柱体；（b）等边三角形柱体本讲稿第三十一页，共七十一页实验表明，当hL

26、=0.281时，产生的涡街是稳定的，这就是“卡门涡街”。且单侧的漩涡脱落的频率f与柱体附近的流体流速v成正比，与柱体的特征尺寸l成反比，即式中 St斯特罗哈尔数，无因次数；l 一柱体的特征尺寸。St是以柱体特征尺寸l计算流体雷诺数Rel 的函数。经实验验证，Rel在500150000的范围内，St基本不变。对于圆柱体，St=0.2；对于等边三角柱体，St=0.16。因此当柱体的形状、尺寸决定后，就可以通过测定单侧旋涡释放频率f来测量流速和流量。对于工业圆管，旋涡流量计一般应用在Rel=1000100000范围内。设管内插入柱体和未插入柱体的管道通流截面比为m，当l/D 0.3时，可以证明 根据

27、流动的连续性原理，管道的通流截面比与柱体处的流体流速v及无柱体处的管内平均流速有如下关系：本讲稿第三十二页，共七十一页圆管中旋涡的发生频率 f 与管内平均流速的关系为:所以，体积流量与频率 f 之间的关系为：二、旋涡发生频率二、旋涡发生频率f f 的检测方法的检测方法 只要测得旋涡的发生频率 f，就可以测得流体的体积流量。旋涡频率信号 f 的检出方法很多，可以利用漩涡发生时发热体散热条件变化的热检出；也可以用漩涡发生体两侧产生的差压来检出，差压信号可通过压电变送或应变片变送，等等。三、涡街流量计的特点及安装三、涡街流量计的特点及安装 涡街流量计具有以下的特点：（1）漩涡的频率只与流速有关，在一

28、定雷诺数范围内，几乎不受流体性质（压力、温度、粘度和密度等）变化的影响，故可不需单独标定。（2）测量精度高，误差约为1级，重复性约0.5级，不存在零点漂移的问题。（3）压力损式小，流量测量范围宽。涡街流量计特别适于大口径管道的流量测量。本讲稿第三十三页，共七十一页四四四四 漩涡频率的测量图漩涡频率的测量图漩涡频率的测量图漩涡频率的测量图图为图为三角柱体涡街检测器三角柱体涡街检测器原理示意图，在三角柱体原理示意图，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，在交替产生的漩涡恒定电流加热使其温度稍高于流体

29、，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。出流量。本讲稿第三十四页，共七十一页4.2.54.2.5电磁流量计电磁流量计(1)(1)(1)(1)测量原理和结构测量原理和结构 电磁流量计是基于电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理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。流体流量方程流体流量方程为：为：B为磁感

30、应强度；D管道内径；u流体平均流速；E感应电势。本讲稿第三十五页，共七十一页电磁流量计原理图MKULC2100系列电磁流量计 本讲稿第三十六页，共七十一页测量介质：导电介质流速范围：0.310m/s测量精度：0.5%FS1.0%FS显示方式：LCD显示瞬时流量，累积流量。介质温度：070；090；0150（可选）压力：1.6Mpa；2.5Mpa；6.4Mpa；16Mpa；25Mpa；32Mpa输出信号：频率输出02kHz；电压输出15V电流输出4-20mA；RS-485串行接口断电数据保存时间：10年电源：220VAC15%24VDC5%（可选）平均无故障工作时间：MTBF=30000h防护等

31、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）。MKULC2100系列电磁流量计性能特点：系列电磁流量计性能特点：本讲稿第三十七页，共七十一页电磁流量计的结构如图所示：电磁流量计的结构如图所示：本讲稿第三十八页，共七十一页(2)(2)(2)(2)电磁流量计的特点及应用电磁流量计的特点及应用电磁流量计的特点及应用电磁流量计的特点及应用优点：优点：优点：优点：压力损失小，适用于含有颗粒、悬浮物等流体的流压力损失小，适用于含有颗粒、悬浮物等流体的流量测量；可以用来测量

32、腐蚀性介质的流量；流量测量范围量测量；可以用来测量腐蚀性介质的流量；流量测量范围大；流量计的管径小到大；流量计的管径小到1mm，大到，大到2m以上；以上；测量精度为测量精度为0.5-1.50.5-1.5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：缺点：缺点：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。本讲稿第三十九页，共七十一页4.2.6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工作原理：本讲稿第四十页，共七十一页 由于流体在流量计入、出口处的

33、压力P1P1 P2P2，当A A、B B两轮处于(a)(a)所示位置时，所示位置时，A A轮与壳体间构成容积固定的轮与壳体间构成容积固定的半月形测量室半月形测量室(图中阴影部分图中阴影部分)，此时进出口差压作用于，此时进出口差压作用于B B轮上的合力矩为零，而在A A轮上的合力矩不为零，产生一个旋转力矩，使得A A轮作顺时针方向转动，并带动B B轮轮逆时针旋转，测量室内的流体排向出口；当两轮旋转处于逆时针旋转，测量室内的流体排向出口；当两轮旋转处于 (b)位置时，两轮均为主动轮；当两轮旋转位置时，两轮均为主动轮；当两轮旋转9090，处于，处于 (c)(c)位置位置时，转子时，转子B与壳体之间构

34、成测量室，此时，流体作用于与壳体之间构成测量室，此时，流体作用于A轮轮的合力矩为零，而作用于的合力矩为零，而作用于B B轮的合力矩不为零，B B轮带动轮带动A A轮转动，将测量室内的流体排向出口。轮转动，将测量室内的流体排向出口。本讲稿第四十一页，共七十一页 当两轮旋转至180180时，时，A A、B B两轮重新回到位置两轮重新回到位置(a)。如此周期地主从更换，两椭圆齿轮作连续的旋转。当椭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，流量计将排出圆齿轮每旋转一周时，流量计将排出4 4个半月形(测量室测量室)体积的流体。设测量室的容积为体积的流体。设测量室的容积为V V，

35、则椭圆齿轮每旋转一，则椭圆齿轮每旋转一周排出的流体体积为周排出的流体体积为4V4V。只要测量椭圆齿轮的转数只要测量椭圆齿轮的转数N N和转和转速速n n，就可知道累积流量和单位时间内的流量，即瞬时，就可知道累积流量和单位时间内的流量，即瞬时流量：流量：本讲稿第四十二页，共七十一页 当两轮旋转至当两轮旋转至180180时，A A、B B两轮重新回到位置两轮重新回到位置(a)(a)。如此周期地主从更换，两椭圆齿轮作连续的旋转。当椭圆齿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，流量计将排出轮每旋转一周时，流量计将排出4 4个半月形个半月形(测量室测量室)体积的流体。设测量室

36、的容积为V V，则椭圆齿轮每旋转一周排，则椭圆齿轮每旋转一周排出的流体体积为出的流体体积为4V。只要测量椭圆齿轮的转数N N和转速和转速n n，就可知道累积流量和单位时间内的流量，即瞬时流量：本讲稿第四十三页，共七十一页4.2.74.2.7超声波流量计超声波流量计 超声波测流量的作用原理有超声波测流量的作用原理有传播速度法、多普勒法、传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速波束偏移法、噪声法、相关法、流速液面法液面法等多种方法。(1)(1)(1)(1)传播速度法测量原理传播速度法测量原理超声测速原理本讲稿第四十四页，共七十一页时差法时差法时差法就是测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的

37、时间差。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。本讲稿第四十五页，共七十一页相差法相差法相差法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。测量。超声波超声波换换能器向流体能器向流体连续发连续发射形式射形式为为的的 超声波脉冲，式中超声波脉冲，式中 为为超声波的超声波的角角频频率。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。本讲稿第四十六页，共七十一页频差法频差法频差法频差法频差法是通过测量顺流和逆流时

38、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：本讲稿第四十七页，共七十一页(3)(3)超声波流量计的超声波流量计的特点与特点与应用应用超声波流量计由超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示超声波换能器、电子线路及流量显示系统系统组成。超声波换能器通常由锆钛酸铅陶瓷等压电材组成。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

39、本讲稿第四十八页，共七十一页4.3节流式流量计节流式流量计 4.3.1 概述 节流式流量计是工业上最为广泛使用的一类流量测量仪表。工作原理：在管道中放置一节流元件，流体流经节流元件时发生节流，在节流元件的前后两侧产生压力差（差压）。当流体、工况、管道、节流件、差压取出方式一定时，管道流量与差压有确定的关系。因此可通过测量差压来测量流量。节流式流量计也称为变压降式流量计。分类：节流式流量计有标准化和非标准化两类。无论哪一类，它们都是非通用仪表，即安装在生产过程中使用着的节流式流量计仅适用于该地的情况和工况。因此节流式流量计是根据要求具体设计、安装、使用的。标准节流装置在火电生产过程中是很重要的一

40、类流量仪表。非标准节流装置多用于脏污介质、高粘度、低雷诺数、非圆管道截面、超大及过小管径等流量测量。它们的测量原理与计算方法与标准节流装置相同，所不同的是非标准节流装置没有统一标准化的数据、资料、没有统一的误差计算方法等。标准节流装置的设计计算：要严格遵循标准节流装置设计、安装和使用的国家“标准”或国际“标准”。按“标准”进行设计、安装、使用的标准节流装置，其流量与差压的关系按理论公式标定，并有统一的基本误差、计算方法，一般不需要进行实验标定或比对。本讲稿第四十九页，共七十一页 组成：节流式流量计流量的测量系统由节流装置、差压计或差压变送器、二次显示仪表（动圈表、自动电位差计）等组成。在“标准

41、”中对标准节流装置结构、适用的条件、安装及检验方法都做了严格的规定。我国在1981年出版了“GB262481流量测量节流装置”标准。在国际上，1991年12月由ISO（国际标准化组织）出版了“ISO51761用差压装置测量流体流量”的新国际标准。1993年2月 3日我国颁布了关于节流式流量计新的国家标准，即 GBT262493，它的内容与国际新标准是一致的。2.标准节流装置 一、一、标准节流装置的组成与类型标准节流装置的组成与类型 标准节流装置由三部分组成：节流件、取压装置、测量直管段（节流件前10D，后5D），如图4-11所示。我国GB/T262493标准中规定的标准节流装置有：角接取压标准

42、孔板、法兰取压标准孔板、D和D取压标准孔板、角接取压标准喷嘴（ISA1932喷嘴）、长径喷嘴（D和D取压）、经典文丘里管（入口圆筒段上取压和喉部取压）、文丘里喷嘴（上游角接取压和喉部取压）。本讲稿第五十页，共七十一页二、适用的流体条件二、适用的流体条件 标准节流装置适用于测量圆形截面管道中的单相、均质流体，即是可压缩的（气体）或认为不可压缩的（液体）牛顿流体。同时，要求流体充满管道；流体流动是稳定的或随时间缓变的；流动不可以是脉动流和旋转流，流束与管道轴线平行；流体流经节流件前流动应达到充分紊流，在节流件前后一定距离内不发生相变或析出杂质；流速小于音速。三、适用的管道条件三、适用的管道条件 （

43、一）节流件前后应有足够长的直管段L 标准节流装置组成部分中的测量直管段（前10D后5D，一般由仪表厂提供）是直管段L（最小直管段）的一部分。对于测量直管段，要求其内表面必须是光滑的，L的其余部分内表面可以是粗糙的。对于管道内表面光滑的判定是应不超过表4-1、表4-2给出的相对粗糙度上限值。节流件上游阻流件的形式及上下游阻力件的位置将影响流速分布，节流孔d与管道内径D之比=dD（直径比）也将影响流速分布。因此，若要求流体流到节流件前1D达到充分紊流的状态，则要在节流件前后有足够的直管段，不然就保证不了测量的精确度。本讲稿第五十一页，共七十一页表 4-1 标准孔扳上游管段相对粗糙度（Kc/D）上限

44、值 表 4-2 ISA1932喷嘴上游管段相对粗度（Kc/D）上限值本讲稿第五十二页，共七十一页 最小直管段L由三段长度（l0，l1，l2）组成，l1是节流件与上游第一阻流件之间的直管段最小长度，由第一阻流件形式和值决定，按下表查算。l0是上游第一阻流件与上游第二阻流件之间的直管段，由第二阻流件的形式和=0.7（无论产的实际值为多少）决定，按下表给出值的一半计算。l2是节流件到下游阻流件直管段的最小长度，无论上游阻流件的形式如何均决定于的值，由下表查算。本讲稿第五十三页，共七十一页（二）适用于圆形截面管道 测量段管道应被流体充满。节流件及取压装置安装在两圆形直管之间。在所要求的整个直管段长度上

45、，管道截面应该是圆形的，没有特殊要求，只是在邻近节流装置附近对管道的圆度有特殊要求，这在“标准”中有详细规定。对于管道的粗糙度、节流件上游10D、下游5D（测量直管段），要求满足给出的相对粗糙度上限值，L的其余部分和L以远的管道可以是粗糙的。三、节流件的结构形式三、节流件的结构形式 （一）标准孔板标准孔板的结构形式如图所示。标准孔板结构简单，加工方便，价格便宜。它的特征孔径是节流孔前段圆筒形孔径d。标准孔板两侧的压力差信号可以采用角接取压（上、下侧压力在孔板前后端面处取出）、法兰取压（上、下侧压力在连接法兰上距孔板前后端面25.4mm处取出）和径距取压（上侧压力在测量管段上距孔板前端面1D处取

46、出，下侧压力在测量管段上距孔板后端面D 处取出）。本讲稿第五十四页，共七十一页角接取压标准孔板的适用范围：d12.5mm，50mmD1000mm，0.20.75，ReD5103（0.20.45），ReD104（0.45）。法兰取压和径距取压标准孔板的适用范围：d12.5mm，50mmD1000mm，0.20.75，ReD12602D（D：mm）。孔板的角接取压可采用单独钻孔或环室取压装置，如图（a）所示。法兰取压装置如图（b）所示。本讲稿第五十五页，共七十一页（二）标准喷嘴 标准喷嘴有两种结构形式：ISA1932喷嘴、长径喷嘴。其结构形式见图所示。当 d2D3时，还应在入口部分切除一部分圆廓形

47、收缩段。显然此时收缩部分的最大直径为D，见图（a）。若d2D3，则喷嘴的总长度为0.6041d（不包括F护槽）。若d2D3，由于切除了一部分入口圆廓形收缩段，则喷嘴的总长度变短，其应切去的长度为 本讲稿第五十六页，共七十一页ISA1932喷嘴角接取压装置有单独钻孔和环室取压。ISA1932喷嘴的适用范围：50mmD500mm，0.300.80，7104ReD107（0.300.44时），2104ReD107（0.440.80时）。五、压力损失五、压力损失 流体流经节流件发生节流时，由于流体微团的碰撞以及在节流件前后附近产生涡流，将产生能量损失。这种能量损失表现为不可恢复的压力损失。压力损失与直

48、径比和流速（或流量）有关，通过实验可得到它们之间的关系。对于角接标准孔板、法兰标准孔板、径距标准孔板、ISA1932喷嘴、长径喷嘴等标准节流装置的压力损失可以用下式近似计算：六、标准节流装置的误差六、标准节流装置的误差 按照“标准”进行节流装置的设计、制造、安装、使用时，其基本误差是按照“标准”中提供的计算公式进行计算的。按“标准”计算给出的装置测量不确定度，其置信概率为95。当设计、制造、安装、使用等环节中有违背“标准”要求时，则将由此产生附加误差。附加误差的极性与大小或修正系数是通过大量实验确定的。只要标准节流装置符合“标准”要求，就应该按“标准”计算得出其不确定度。本讲稿第五十七页，共七

49、十一页 3流量公式 流量公式就是差压和流量之间的关系式。它是通过伯努利方程和流动连续性方程来推导。一、不可压缩流体的流量公式一、不可压缩流体的流量公式 流体在管道中发生节流时，管道中各处的流速变化及压力变化情况见图所示。本讲稿第五十八页，共七十一页 在节流件前没有发生节流的位置上取截面A，对于一定常的流动，在截面A和截面B处将满足流体质量守恒和能量守恒。在充分紊流的理想情况下，流体流动连续性方程和伯努利方程为由上两式解方程组，可得引入如下几个参数：（收缩系数）（截面比）（取压系数）本讲稿第五十九页，共七十一页可写成：可写成：所以，可得质量流量：所以，可得质量流量：定义流量系数定义流量系数 和流

50、出系数和流出系数C C：于是，不可压缩流体的流量公式为于是，不可压缩流体的流量公式为本讲稿第六十页，共七十一页 二、可压缩流体的流量公式二、可压缩流体的流量公式二、可压缩流体的流量公式二、可压缩流体的流量公式 对于可压缩流体，在截面对于可压缩流体，在截面A A、截面截面B B处同样满足质量守恒和能量守恒。由于在截面处同样满足质量守恒和能量守恒。由于在截面B B处可压处可压缩流体的密度是未知的，并且由于流体的膨胀，缩流体的密度是未知的，并且由于流体的膨胀，值与不可压缩流体也不相同。但考虑到可压值与不可压缩流体也不相同。但考虑到可压缩流体的节流过程仍可视为等熵过程，故在等熵过程的热力学方程中对未知