CH 11 流量的测量 测试技术 第二版 贾民平 张洪亭

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齿轮流量计工作原理图
齿轮流量计输出波形
齿轮流量计体积小、重量轻。测量时振动噪声小，可测量粘度高达 10 000 Pas 的流体。齿轮流量计测量精度高，一般可达 ±0.5％， 经非线性补偿后甚至可达±0.1％～±0.05％。
Hale Waihona Puke 11.2 压差式流量计(Differential Pressure Flowmeter)
式中： K α =
β=
d D
— 靶式流量计的流量系数； — 靶的结构参数。
流体阻力式流量计 (6/6)
流量系数Kα与β、D及流体流动的雷诺数Re有关，其数值由实验确 定。下图为D＝53 mm的圆靶，结构系数分别为β＝0.7和0.8的Kα－ β－Re实验曲线。
由图可知，当Re较大时Kα趋于某一常数，而当Re较小时， Kα随着 Re减小而显著减小。与差压式流量计相比，其流量系数趋于常数 的临界雷诺数较小，因此适于测量粘度较大的流体。靶式流量计 的测量精度约为2%~3%。
压差式流量计 (2/4)
水平管道内装有节流孔板时，沿流动方向的压力分布情况如下图。
差压流量计原理与压力分布情况
压差式流量计 (3/4)
体积流量方程为
qV = αε A0
2
ρ
( p1 p2 )
式中：α — 流量系数； ε — 流体压缩系数。对不可压缩流体，ε＝1；对可压缩流 体，ε<1 ； A0 — 节流孔的最小截面积。 流量系数与节流装置开孔截面比、流体流动的雷诺数Re值、取压 点位置、管壁粗糙度等有关，对于不同形式的节流装置，由于其 压力和流速分布不同，流量系数α也不同。 实验表明，对于一定形式的节流装置，当雷诺数值Re大于某一界 限值ReK时，流量系数α趋于某一定值。因此，当Re>ReK时，只要 测量压力差便可确定流量的大小。
1 — 壳体；2 — 轴；3 — 驱动齿轮；4 — 腰轮；5 — 计量室
容积式流量计 (5/6)
工作特性 腰轮转子流量计中，两个腰轮转子的加工精度和表面粗糙度要求 较高，安装时必须要保证两腰轮轴线的平行度要求。 普通腰轮流量计，随着流量的增大，转子角速度的波动现象较严 重，脉冲率约为0.22。对大流量的计量，往往都采用45角组合腰 轮，可大大减小转子角速度的波动，脉冲率可减小到 0.027左右。 由于腰轮流量计的驱动是由专门的驱动齿轮担任，其磨损不影响 测量精度，而与测量密切相关的只是腰轮，因此这种流量计具有 结构简单、使用寿命长、适用性强等特点, 对于不同粘度的流体， 均能够保证精确的计量，一般精度可达±0.2％。
11.4 速度式流量计
(Speed Flowmeter)
11.4.1 涡轮流量计 (turbine flowmeter)
涡轮流量计主要由涡轮、导流器、 壳体和磁电传感器等组成，涡轮 的转轴的轴承由固定在壳体上的 导流器所支撑。壳体由不导磁的 不锈钢制成，涡轮为导磁的不锈 钢，它通常有4～8片螺旋形叶片。 当流体通过流量计时，推动涡轮 使其以一定的转速旋转，此转速是流体流量的函数。而装在壳体 外的非接触式磁电转速传感器输出脉冲信号的频率与涡轮的转速 成正比。因此，测定传感器的输出频率即可确定流体的流量。
速度式流量计 (2/10)
如果忽略轴承的摩擦及涡轮的功率损耗，通过流量计的流体流量qV 与传感器输出的脉冲信号频率的关系为 f qV =
ξ
式中： f——输出电脉冲信号的频率，Hz； ξ——仪表常数（频率—流量转换系数）。 仪表常数ξ反映涡轮流量计的工作特性，它与流量计本身的结构、 流体的性质和流体在涡轮周围的流动状态等因素有密切的关系。 实验表明，只有当涡轮周围流体的流态为充分湍流状态时， ξ值 才能接近一个常数值，此时流量与涡轮的转速近似成线性关系。 反之，当通过流体的流态为层流状态时， ξ值将随流体的流量和 粘度的变化而改变。虽然 ξ 值是在非线性范围内，但其复现性仍 然很好。因此，只要根据涡轮流量计的输出频率和流体的粘度对 ξ 值作适当修正，同样可以在非线性范围内使用。
则通过管道流体的流量为
qV = A0 v = A0
2F KAρ
π 2 (D d 2 ) ； 4
式中：A0——靶和管壁间的环形间隙面积，m2 ， A0 = D ——管道内径，m； d ——圆板靶外径，m。 则有
qV = 1 D2 d 2 K d
1 K
π F 1 F ≈ 1.25 K α D ( β ) 2 ρ β ρ
流体阻力式流量计 (3/6)
11.3.2 靶式流量计
(target flowmeter)
靶式流量计是以管内流动的流体给予插入管中的靶的推力F 来测量 流量的一种测量装置。 当被测流体通过装有圆靶的管道 时，流体冲击圆靶使其受推力 F 作用，经杠杆将力传递给粘有应 变片的悬臂梁（也可采用其他形 式的力传感器）。这样应变电桥 就输出与力 F 成正比的电压。由 测得的 F 值就可确定流量的大小。
转子可沿管的中心线上下自由移动
各种形状转子
流体阻力式流量计 (2/6)
当测量流体的流量时，被测流体从锥形管下端流入，流体的流动冲 击着转子，并对它产生一个作用力（这个力的大小随流量大小而变 化）；当流量足够大时，所产生的作用力将转子托起，并使之升高。 同时，被测流体流经转子与锥形管壁间的环形断面，从上端流出。 当被测流体流动时对转子的作用力，正好等于转子在流体中的重量 时（称为显示重量），转子受力处于平衡状态而停留在某一高度。 分析表明：转子在锥形管中的位置高度，与所通过的流量有着相互 对应的关系。因此，观测转子在锥形管中的位置高度就可以求得相 应的流量值。
F = A(p +
ρ v2
2
) = A(k1
ρ v2
2
+ k2
ρ v2
2
) = KA
ρ v2
2
式中： A — 靶的受力面积，m2； ρ — 流体的密度，kg/m3； v — 流体的流速； k1，k2 — 比例系数；K= k1＋k2 ，靶上推力的比例系数。 由此得流速
v=
2F KAρ
流体阻力式流量计 (5/6)
测试技术电子教案
东南大学
贾民平 彭 英 许飞云 胡建中
高等教育出版社 高等教育电子音像出版社
目 录
绪论 第1章 信号及其描述 章 第2章 信号的分析与处理 章 第3章 测试系统的特性 章 第4章 常用传感器 章 第5章 信号的调理和记录 章 第6章 现代测试系统 章 第7章 振动的测试 章 第8章 噪声的测量 章 扭矩、 第9章 力、扭矩、压力的测量 章 第10章 温度的测量 章 第11章 流量的测量 章 第12章 测量误差理论与数据处理 章
11.1 容积式流量计
(Positive Displacement Flowmeter)
容积式流量计是利用机械测量元件把流体连续不断地分隔成单位体积， 并进行累加而计量出流体总量的仪表。如椭圆齿轮流量计、腰轮转子 流量计和比较新型的齿轮流量计等。
12.1.1 椭圆齿轮流量计 (oval geared flowmeter)
压差式流量计 (4/4)
11.2.2 节流装置 (throttle device)
常用的节流装置有标准孔板，喷嘴和文杜里管等。
流体通过节流装置时，由于克服摩擦阻力和在节流装置后形成漩 涡均要消耗一定的能量，所以通过节流装置后有一部分静压力不 能恢复，从而造成净压力损失δp。孔板的δp 最大，文杜里管由于 内表面呈流线型与流束趋向一致，δp最小，而喷嘴的值则介于两 者之间。
压差式流量计是利用伯努利方程原理来测量流量的仪表。
11.2.1 压差式流量计的计算公式
压差式流量计通过测定流体经过节流装置时所产生的静压力差来实 现流量测量。 管内连续流动的流体流经节流装置时，将产生流体势能和动能的相 互转换，致使其压力和流速发生相应的变化。实验证明，流体流经 各种节流装置时，其流速和压力沿流动方向的分布情况是类似的。
结构和工作原理 椭圆齿轮流量计主要部分是壳体和装在壳体内的一对相互啮合的椭 圆齿轮，它们与盖板构成了密闭的流体计量室，流体的进出口分别 位于两个椭圆齿轮轴线构成平面的两侧壳体上。
（a）
（b）
（c）
容积式流量计 (2/6)
流体进入流量计时，由于进出口压力差p＝p1－p2 的存在，使得 椭圆齿轮受到力矩的作用而转动。流量计 A、 B 两轮交替带动， 以椭圆齿轮与壳体间固定的月牙型计量室为计量单位，不断地把 入口处的流体送到出口。 椭圆齿轮每转一周所排流体的容积为固定的月牙型计量室容积V0 的4倍。若椭圆齿轮的转数为n，则通过椭圆齿轮流量计的流量为
第11章 流量的测量 11章
Measurement of Flow 11.0 序(Introduction) 11.1 容积式流量计
(Positive Displacement Flowmeter)
11.2 压差式流量计
(Differential Pressure Flowmeter)
11.3 流体阻力式流量计 (Flow Resistance Flowmeter) 11.4 速度式流量计
11.3 流体阻力式流量计
(Flow Resistance Flowmeter)
11.3.1 转子流量计 (rotameter)
转子流量计是工业上和实验室最常用的一种流量计。它具有结构简 单、直观、压力损失小，且恒定、维修方便等特点。适用于测量通 过管道直径D<150 mm的小流量，也可以测量腐蚀性介质的流量。 使用时流量计必须安装在垂直走向的管段上，流体介质自下而上地 通过转子流量计。
(Speed Flowmeter)
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11.0 序
(Introduction)
流体（包括液体和气体，以及液体、气体、粒状固体两者或三者之 间的任意组合）的流量通常指单位时间内流过管道某一截面或明渠 横断面的流体量。流体流量一般可分为体积流量qV和质量流量qm， 它们之间的关系为