流量传感器及其应用

① 被测流体应充满圆管并连续地流动。 ② 管道内的流束（流动状态）是稳定的，测量时流体流量不随时间变 化或变化特别缓慢。 ③ 流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是单相的、均匀的，或 者可认为是单相的，且流体流经节流件时不发生相变。 ④ 流体在进入节流件之前，其流束必须与管道轴线平行，不得有旋转 流。 ⑤ 标准节流装置不适用于脉动流和临界流的流量测量。
括两个波纹管、量程弹簧、扭力管及外壳等部分。
1-节流装置；2、4-导压管；3-阀；5-扭管；6-中心基座；7-量程弹簧 ；8-低压波纹管；9-低压外壳； 10-填充液；11-摆杆；12-推板；13-
阻尼阀；14-高压波纹管；15-高压外壳；16-连接轴
图10.9 双波纹管差压计结构原理图
第10章 流量传感器及其应用
两式中各参数的意义和单位规定如下：
qv 为体积流量，m3/s；qm 为质量流量，kg/s。
为流量系数，可由实验确定。通常依照节流件形式、管道情况、雷诺数、
流体性质、取压方式等查表得到。
为流体膨胀的校正系数，通常在0.9～1.0之间。不可压缩流体时 1 ；
可压缩性流体时 1 。
F0 为节流件开孔面积，m2。当节流件开孔直径d（m）时，
第10章 流量传感器及其应用
（2）管道条件。 ① 安装节流装置的管道应该是直的圆形管道，管道直度用目测法测量。
上下游直管段的圆度按流量测量节流装置的国家标准规定进行检验，管 道的圆度要求是在节流件上游至少2D（实际测量）长度范围内，管道应 是圆的。在离节流件上游端面至少2D 范围内的下游直管段上，管道内径 与节流件上游的管道平均直径D 相比，其偏差应在±3%之内。
流量传感器及其应用
10.1 概述
10.1.1 差不多概念
1．流量
流量是指单位时间内流过管道横截面的流体的数量，也称为瞬时流量。 流量又有体积流量和质量流量之分。
设流体的密度为 ，质量流量与体积流量之间的关系为：
qm qv 或
qv

qm

当流体通过管道横截面各处的流速相等时，体积流量 算：
还能q够v 用下式计
2．膜片式差压计 膜片式差压计由差压变送器和显示仪表两部分组成，如图10.10所示。差 压变送器要紧由差压测量室（高压和低压室）、三通阀和差动变压器构成； 显示仪表可装在远离生产现场的控制室内，进行流量的指示和记录等。
1-高压端切断阀；2-低压端切断阀；3-平衡阀；4-高压室；5-低压室；6膜片； 7-非磁性杆；8铁芯； 9、10-差动变压器的初级和次级线圈；11-
10.5.1 转子流量传感器
1．工作原理 转子流量传感器又称浮子流
量传感器或变面积流量传感器。 它由两个部分组成：一个是由下 往上逐渐扩大的锥形圆管；另一 个是放置在锥形管内随被测介质 流量大小变化而上下自由浮动的 转子（又称浮子）。
qv vA
使用体积流量时，必须同时给出流体的压力和温度。
累计流量是指一段时间内流体的总流量，即瞬时流量对时间的累积。总
流量的单位常用m3或kg表示。
第10章 流量传感器及其应用
2．流量检测中常用的物理量
（1）密度 ：表 示单位体积中物质的量，其数学表达式为
M
V 关于液体，在常温常压下，压力变化对其容积影响甚微，因此工程上通 常将液体视为不可压缩流体，即可不考虑压力变化对液体密度的影响， 而只考虑温度对其密度的影响。关于气体，温度、压力对单位质量气体 的体积影响很大，因此在表示气体密度时，必须指明气体的工作状态 （温度和压力）。
图10.5 全套节流装置
1．标准节流件 （1）标准孔板 （2）标准喷嘴
第10章 流量传感器及其应用
图10.6 标准孔板
图10.7 标准喷嘴
2．取压方式
取压方式是指取压口位置和取压口结构。不同的取压方式，即取压口在 节流件前后的位置不同，取出的差压值也不同。
第10章 流量传感器及其应用
（1）标准孔板的取压方式。 标准孔板通常采用两种取压方式，即角接取压和法兰取压。
2．涡轮流量传感器的特点 3．涡轮流量传感器的安装
第10章 流量传感器及其应用
10.4.3 超声波流量传感器
超声波流量传感器是一种非接触式流量测量仪表，它是利用超声波
在流体顺流方向与逆流方向中传播速度的差异来测量流量的。按照测量 原理的不同，超声波流量测量可分为传播时间法、多普勒效应法、声束 偏移法等。下面以应用较多的传播时间法为例加以介绍。
与流过的流体流量之间有一定的函数关系，因此通过测量节流件前后的静
压差即可求得流量。
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图10.4流体流经孔板时压力和流速变化情况
2．流量方程 体积流量差不多方程式
qv aF0
2

p

aF0
2

(
p1

p2
)
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质量流量差不多方程式
qm aF0 2p aF0 2( p1 p2 )
1．测量原理
（1）时差法。 流体的体积流量为
qv

Dc2 tan
8
t
图10.19 时差法测量原理
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（2）相位差法。 （3）频率差法。
v c2 tan 2D
D2
D3
qv
4
v
f
4sin 2
2．特点
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10.5 流体阻力式流量传感器
图10.8 标准孔板的取压方式
① 角接取压。孔板上、下游侧取压孔位于上、下游孔板前后端面处，取 压口轴线与孔板各相应端面之间的间距等于取压口直径的一半或取压口 环隙宽度的一半。 角接取压又分为环室取压和夹紧环（单独钻孔）取压两种。
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环室取压的前后两个环室在节流件两边，环室夹在法兰之间，法兰和环 室、环室与节流件之间放有垫片并夹紧。
非磁性材料的密封套管；12-保护用挡板阀；13-保护用密封环
图10.10 膜片式差压计结构原理图
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10.3.4 差压式流量传感器的安装
1．节流装置的安装 2．引压导管的安装 3．差压计的安装 4．安装例如 （1）液体流量的测量。
1—节流装置；2—导压阀；3—三阀组； 4—差压计；5—排放阀
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10.2 容积式流量传感器
10.2.1 椭圆齿轮流量传感器
传感器的活动壁是一对互相啮合的椭圆齿轮，它们在被测流体压差的推 动下产生旋转运动。 两个齿轮交替或同时受差压作用并保持不断地旋转，被测介质以初月形 空腔为单位一次又一次地通过椭圆齿轮被排至出口。显然，椭圆齿轮每
转动一周，排出4个初月形体积的流量，因此体积流量 q为v qv 4nV0
当连续流动的流体遇到安装在管道中的节流装置时，由于流体流通面积
突然缩小而形成流束收缩，导致流体速度加快；在挤过节流孔后，流速又
由于流通面积变大和流束扩大而降低。由能量守恒定律可知，动压能和静
压能在一定条件下能够互相转换，流速加快必然导致静压力降低，因此在
节流件前后产生静压差
，且 P ， P此1 即P2节流现象。P1 静P压2 差的大小
（1）测量原理。
E BDv
D2 D
qv v
4
E KE 4B
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图10.15 电磁流量传感器测量原理
图10.16电磁流量传感器结构示意图
（2）结构。电磁流量传感器要紧由测量管、励磁系统、电极、衬里、外 壳及转换器等组成。
2．电磁流量传感器的特点 3．电磁流量传感器的选用与安装
（4）温度体积膨胀系数：当流体的温度升高时，流体所占有的体积将会 增加。温度体积膨胀系数是指流体温度每变化1℃时其体积的相对变化率。 （5）压缩系数：当作用在流体上的压力增加时，流体所占有的体积将会 缩小。压缩系数是指当流体温度不变，所受压力变化时其体积的变化率。
10.1.2 流量测量方法
1．容积法 2．节流差压法 3．速度法 4．流体阻力法 5．流体振动法 6．质量流量测量法
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（3）蒸气流量的测量。
1—节流装置；2—导压阀；3—冷凝器； 4—三阀组；5—差压计；6—排放阀
1—节流装置；2—导压阀；3—冷凝器；4—排 污阀；5—差压计；6—三阀组；7—排气阀
图10.14 测量蒸气时差压流量传感器安装示意图
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10.4 速度式流量传感器
第10章 流量传感器及其应用
10.4.2 涡轮流量传感器
涡轮流量传感器是以动量矩守恒原理为基础，利用置于流体中的涡轮的 旋转速度与流体速度成比例的关系来反映通过管道的体积流量的。 1．测量原理与结构 （1）测量原理。 在一定的流体介质黏度和一定的流量范围内，涡轮的旋转角速度与通过 涡轮的流体流量成正比，通过测量涡轮的旋转角速度能够确定流体的体 积流量。
（2）黏度：是表征流体流动时内摩擦黏滞力大小的物理量，有动力 黏度和运动黏度。 二者之间的关系为：v =h/r。 （3）雷诺数Re：是表征流体情况的特征数。其计算公式为
Re D D v
式中， 为管D 径； 为流v速；r为流体密度；h为动力黏度； 为运动u黏度。
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图10-1 椭圆齿轮流量传感器原理图
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10.2.2 腰轮流量传感器
腰轮流量传感器又叫罗茨式流量传感器，它的运动部件是一对表面无齿而 光滑的腰轮。
图10-2 腰轮流量传感器原理图
10.2.3 刮板式流量传感器
刮板式流量传感器的运动部件是两对刮板，分为凸轮式和凹线式两Leabharlann Baidu。
图10-3 凸轮式流量传感器原理图
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10.3 差压式流量传感器
差压式流量传感器又叫节流式流量传感器，它是利用流体流经节流装置 时产生压力差的原理来实现流量测量的，它的使用量大概占全部流量仪 表的60%～70%。 差压式流量传感器要紧由节流装置和差压计（或差压变送器）组成。
10.3.1 测量原理与流量方程
1．测量原理
② 管道内表面上不能有凸出物和明显的粗糙不平现象，至少在节流件 上游10D 和下游4D 的范围内应清洁、无积垢和其他杂质，并满足有关粗 糙度的规定。 ③ 节流件前后应有足够长的直管段，在不同局部阻力情况下所需要的最 小直管段长度。
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10.3.3 差压计
1．双波纹管差压计 双波纹管差压计是由测量部分和显示部分构成的基地式仪表，要紧包
速度式流量传感器是通过测量管道截面流体的平均流速来进行流量测量 的。
10.4.1 电磁流量传感器
电磁流量传感器是依照法拉第电磁感应定律工作的，要紧用于测量导电 液体的体积流量，应用领域涉及工业、农业、医学等多个领域，在市场 上的占有率仅次于差压式流量传感器。
1．测量原理与结构 电磁流量传感器由变送器和转换器两部分组成，被测流体的流量经变送 器后变换成相应的感应电动势，再由转换器将感应电动势转换成标准的 直流电信号，送至调节器或指示器进行控制或显示。
1—节流装置；2—导压阀；3—排污阀； 4—差压计；5—三阀组；6—排气阀
图10.12 测量液体时差压流量传感器安装示意图
第10章 流量传感器及其应用
（2）气体流量的测量。
1—节流装置；2—导压阀； 3—三阀组；4—差压计
1—导压阀；2—节流装置；3—三阀组； 4—差压计；5—排放阀
图10.13 测量气体时差压流量传感器安装示意图
1-导流体；2-轴承；3-涡轮；4-壳体；5-信号放大器
图10.18 涡轮流量传感器
第10章 流量传感器及其应用
qv

2rA ztg
f

f K
式中， 为涡K 轮流量传感器的仪表系数，与传感器的结构有关。在涡轮流 量传感器的使用范围内，仪表系数 应为K一常数，其数值由实验标定得到。
（2）结构。涡轮流量传感器要紧由涡轮及轴承、导流体、磁电转换装置、 外壳和信号放大器等部分组成。
单独钻孔取压是在孔板的夹紧环上打孔，流体上下游压力分别从前后 两个夹紧环取出。
②法兰取压。标准孔板被夹持在两块特制的法兰中间，其间加两片垫 片，上、下游侧取压孔的轴线距孔板前、后端面分别为（25.4±0.8）mm。 （2）标准喷嘴的取压方式。标准喷嘴仅采用角接取压方式。
3．标准节流装置的使用条件与管道条件 （1）使用条件。
为流体密度，kg/m3。
F0

4
。d 2
p 为p节1 流p件2 前后的压力差，Pa。
第10章 流量传感器及其应用
10.3.2 标准节流装置
标准节流装置是由标准节流件、标准取压装置和上、下游侧阻力件， 以及它们之间的直管段所组成。
1-上游直管段；2-导压管；3-孔板；4-下游直管段；5、7-连接法兰；6-取压环室