第四章 流量测量

仪表常数ζ的意义为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，ζ是一个常数。当上述条件变化时， ζ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C。在前述qV ～n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A0上的流速分布，这种 影响也表现为C的变化。从理论上研究各种因素对C的影响较为复杂，对于涡轮流 量计，反映C值变化的是仪表常数ζ，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ζ值是常值。下图是仪表常数ζ随Re变化的特性曲线。
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 子的位臵，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。
第二节 涡轮流量计
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。
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：
qV CH 2 gV f Af
f
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α与浮子的形状以及流体的雷诺数等有关，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臵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α与雷诺数的关系。
qV C 2r0 A0 1 1 f f tg z

f ztg qV C 2r0 A0
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：
QV qV dt
t1 t2
1


t2
t1
fdt
1

N
式中
N——在t1到t2时间间隔内流过QV流体时输出的脉冲数。
涡轮流量计的这种显示器，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。
第三节
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 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 臵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。
实际上，涡轮流量计出厂时。ζ值由厂家根据适用的流体标定给出。
（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臵，它由磁电感应装臵 和前臵放 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。感应装臵安装在管道外部 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 势是脉动电势，频率 f = zn。 感应出的电势信号比较微弱，经臵于转换器之中的前臵放大器放大后输出。 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。 它的电路主要有两部分：瞬时流量显示电路和总量显示电路。
St
D 2
4
v
D 2
l fl 1 1.25 4 D St
二、旋涡发生频率f 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 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。
第五节
节流式流量计
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：在管道中放臵一节流元件，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 臵在火电生产过程中是很重要的一类流量仪表。非标准节流装臵多用于脏污 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臵相同，所不同的是非标准节流装臵 没有统一标准化的数据、资料、没有统一的误差计算方法等。 标准节流装臵的设计计算：要严格遵循标准节流装臵设计、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 装臵，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。
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α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，另一种是采用百分刻度（分为等分和非等分刻度）。
“涡街”的发生情况
（a）圆柱体；（b）等边三角形柱体
实验表明，当h／L=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 v f St l 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 500~150000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 =1000~100000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
二、流量测量方法
1．容积法 ； 2．速度法； 3．质量法 三、流量测量系统
流量测量系统一般由传感器、信号传输、信号转换装臵和流量显示及计算装 臵四部分组成。
传感器感受流量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。信号转换装臵将输出量转变成相 应的电信号，然后由显示积算装臵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 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。
m 1 1.25
l D
根据流动的连续性原理，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： 2
m 4 d


4
D2
v v
圆管中旋涡的发生频率 f 与管内平均流速的关系为:
f
所以，体积流量与频率 f 之间的关系为：
qV
v l l 1 1.25 D
显示仪表工作原理方框图
第三节
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。 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，低雷诺数的中小流量测量。 一、玻璃管转子流量计 （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 。