安全检测与仪表课程压力和流量的测量

管道为不导磁材料，导电液体在管道内流动时切割磁力线，在和磁
场及其流动方向垂直的方向上产生感应电动势，即E=BDv，v为管道
内流体平均流速。故v=E/BD,可得流量
Qv
D 2
4
v
DE
4B
电磁流量计的特点
电磁流量变送器的测量管道内无运动部件和阻力环节 ，因此，使用可靠、维护方便、寿命长，而且压力损 力很小；
压力和流量的测量
压力的测量
压力:垂直作用于物体单位面积上的力称为压强P ，工程上常称之为压力。 大气压力，地球表面上空气柱重量所产生的压力 ，以P0表示 绝对压力，用a表示，如7.2 Pa(a)
压力的绝对大小
相对压力，又称工作压力、表压力，用g表示， 如1 MPa(g)
压力计的指示值，是绝对压力P与大气压力的差值。
不能测量气体、蒸气和石油制品等的流量。
2.超声波流量计
原理：超声波在流动介质中传播时，如果其方向 与介质运动方向相同，则传播速度加快；如果其 方向与介质运动方向相反，则传播速度减低。超 声波流量计正是根据传播速度和流体流速有关工 作的。
特点：超声波流量计适合于测量大管径、非导电 性、强腐蚀性的液体或气体的流量，并且不会造 成压力损失
10000≤Re （0.45<β）
法兰取压 d≥12.5
50≤D≤1000 0.20≤β≤0.75
D（D/2） 取 压
1260β2D≤Re
标准喷嘴
ISA 1932喷嘴 长径喷嘴
节流装置（取
压管及内部的节 流孔板）
前取压管
节流孔板
后取压管
（3）文丘里管/文丘里喷嘴
文丘里喷嘴的压力损失较小。
流体入口 狭窄部位
qm qv
累积流量－一段时间内流体体积流量或质量 流量的累积值
累积体积流量 累积质量流量
t
V qvdt
0
t
m qmdt
0
流量计量－对在一定通道内流动流体的流量进行测量。 流量测量的任务： 根据测量目的，被测流体的种类、状态、测量场所等条件， 研究各种相应的测量方法，并保证流量量值的正确传递。
弹簧管压力表
弹簧管材料：p<20MPa时采用磷铜， p>20MPa时，则采用不锈钢或合金钢。 根据介质选材：测量氨气压力时必须采用不 锈钢弹簧管，而不能采用铜质材料；测量氧 气压力时，严禁沾有油脂，以免着火甚至爆 炸。 弹性元件响应频率低，不能测试动态压力
负荷式压力计-活塞式（压力天平）
负荷式压力计-活塞式
弹簧管压力表
弹簧管压力表
弹簧管压力表敏感元件是弹簧管，弹簧管的横截面呈 非圆形(椭圆形或扁形)，弯成圆弧形的空心管子，其中 一端封闭为自由端、另一端开口为输入被测压力的固定 端。当开口端通入被测压力P后，非圆横截面在压力作 用下将趋向圆形，并使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩 ，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变中心角 。中心角的相对变化量与被测压力在保持弹簧材料和结 构尺寸不变的情况下成正比。
标准孔板 标准喷嘴 经典文丘里管 文丘里喷嘴。
标准型节流装置
节流装置=节流元件+取压装置+上下游测量导管
图7.2.3 标准型节流装置 （a）孔板 （b）喷嘴
（1）标准孔板 同心直角边缘孔板
标 准 孔 板 图孔板的三种取压方式标来自孔板使用范围（d和D的单位用mm）
角接取压
5000≤Re （0.20≤β≤0.45）
流体流经节流孔板时，
压力和流速的变化情况
节流孔板
流速变快， 压力变小
测量原理
当流体流经管道内的节流件时，流速将在节 流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压 力降低，于是在节流件前后便产生了压差。 流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依 据压差来衡量流量的大小。 基础：流体连续性方程（质量守恒定律）和 伯努利方程（能量守恒定律）。 压差影响因素： 流量、节流装置形式、管道内流体的物理性 质（密度、粘度）
文丘里喷嘴原理示意图 文丘里喷嘴结构图
前取压口 后取压口
文丘里喷嘴在 管道中的位置
非标准节流装置
（1）低雷诺数：1/4圆孔板，锥形入口孔板，双重 孔板，双斜孔板，半圆孔板等；
（2）脏污介质：圆缺孔板，偏心孔板，环状孔板， 楔形孔板，弯管节流件等；
（3）低压损：罗洛斯管，道尔管，道尔孔板，双重 文丘里喷嘴，通用文丘里管等；
W V ff
f 为浮子材料的重度；Vf 为浮子的体积。
浮子在流体中所受的浮力为：
B= 0Vf
0 0g为流体的重度。
V ＝
ff
V＋1 2 0 f
0v 2cd
Af
v
2V f
(
f
）
静压、动压和全压
静压
单位体积的气体所具有的势能。 可能是正压，也可能是负压。
动压
单位体积气体所具有的动能。 总是正值。
全压
单位体积气体所具有的能量。
压力测试仪表
平衡式压力检测仪表
液柱式压力计 U形压力计 杯形压力计 斜管压力计 补偿式压力计
活塞式压力计
弹性式压力检测仪表
根据弹性元件受力变形把被测压力转换为位移来测量。如 弹簧管式、膜片式、波纹管式压力计；
压电式传感器：频响快 电容式压力计 电感式压力计 霍尔式压力计
流量的检测
1 流量测量的基本概念 2 流量检测的方法和分类
1 流量测量的基本概念
单位时间内流体通过一定截面积的数量。 体 单积 位流 为量m3－/h。用流体的体积来表示（qv），
A
qv dA qv A
0
瞬 简时 称质 质量 量流 流量量，－单用位流为量的kg质/h。量来表示（qm），
转子流量计的测量原理
作用在浮子上的力有：
流体自下而上运动时，作用在浮子上的阻力F; 浮子 本身的垂直向下的重力W；流体对浮子所产生的垂 直向上的浮力B。当浮子处于平衡状态时，可列出平 衡方程式
W BF
F
1 2
0v2cd Af
式中，cd为浮子的阻力系数；o为流体密度；v为环形 流通面积的平均流速：Af为浮子的最大迎流面积。
国际上常将活塞式压力计作为国家基准和工作基 准或压力计量标准器。
负荷式压力计-浮球式
原理：以压缩空气或氮气作为压力源，以 精密浮球处于工作状态时的球体下部的压 力作用面积为浮球有效面积的一种气动负 荷式压力计
4.2.5 电测式压力仪表
应变式压力传感器
金属（半导体）应变片 适应恶劣条件，高低温，高速，振动，磁场 等
qm
qv
1
1 4
CA0
21P
1
1 4
CA0
2P
1
差压式流量计的流量公式
节流装置
按其标准化程度分： (1)标准节流装置 按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经 实流校准即可确定其流量值并估算流量测量误差; (2)非标准节流装置 成熟程度较差，尚未列入标准文件的检测件。
标准型节流装置
标准节流装置 ISO 5167或GB／T2624中所包 括的节流装置称为标准节流装置。
电气压力传感器
利用敏感元件将被测压力转换为各种电量的电测式压力仪 表：电阻、电感、感应式压力计、霍尔式压力计、应变式 压力计、电容式压力计、振弦式压力计、压电式压力计
h
l P表=ρglsinα
P表=ρgh
液柱式压力计
h P表=ρgh
弹性式压力计
利用弹性元件受压产生弹性变形作为测量 基础，结构简单，价格低廉，使用方便， 测量范围宽，易于维修，在工程中使用最 广泛。 弹性元件：弹簧管、波纹管和膜片
结构示意：两个换能器的轴 线重合在一条斜线上，换能 器多由压电陶瓷元件制成， 接收换能器利用压电效应， 发射换能器则利用逆压电效 应。
超声波流量计特点
超声波流量计的主要优点是可以实现非接 触测量，对测量管道来讲，无插入零件， 没有流体附加阻力，不受介质黏度、导电 性及腐蚀性影响。
超声波流量计的主要缺点是精度不太高， 约为1％，温度对声速影响较大，一般不适 于温度波动大、介质物理性质变化大的流 量测量；也不适于小流量、小管径的流量 测量，这时相对误差将增大。
（2）速度法： 这种方法是先测出管道内的平均流速，再乘以管道截 面积求得流体的体积流量。
较宽的使用条件，可用于各种工况下的流体的流量检测 ，利用平均流速计算流量，管路条件的影响大，流动 产生涡流以及截面上流速分布不对称等都会给测量带 来误差。
流量检测
流速法测量流量 差压法流量计
节流装置测量流量 转子流量计 涡轮流量计 涡街流量计
（4）脉动流节流装置； （5）临界流节流装置：音速文丘里喷嘴； （6）混相流节流装置。
节流式流量计外形
流量检测
流速法测量流量 差压法流量计
节流式流量计 转子流量计 涡轮流量计 涡街流量计
累计式流量计
浮子流量计 （转子流量计）
转子流量计又名浮子流量计或面积流量计。 浮子流量计具有结构简单，使用维护方便， 对仪表前后直管段长度要求不高，压力损失 小且恒定，测量范围比较宽，工作可靠且线 性刻度，可测气体、蒸汽(电、气远传金属浮 子流量计)和液体的流量，适用性广等特点．
2 流量检测的方法和分类
检测量的不同分为：
体积流量 质量流量
1. 体积流量的测量方法
（1）容积法： 在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地 进行度量，以排出流体固定容积数来计算流量。 椭圆齿轮流量计、旋转活塞式流量计和刮板流量计。 受流体的流动状态影响小，适用于测量高粘度、低雷 诺数的流体。
读数位置原则：以 浮子横截面最大的 部分来读取流量计 数值。
当被测流体自锥管下端流入流 量计时，由于流体的作用，浮 子上下端面产生一差压，该差 压即为浮子的上升力。当差压 值大于浸在流体中浮子的重量 时，浮子开始上升。随着浮子 的上升，浮子最大外径与锥管 之间的环形面积逐渐增大，流 体的流速则相应下降，作用在 浮子上的上升力逐渐减小，直 至上升力等于浸在流体中的浮 子的重量时，浮子便稳定在某 一高度上。这时浮子在锥管中 的高度与所通过的流量有对应 的关系。
P=G/S0
负荷式压力计-活塞式（压力天平）
原理：活塞式压力计是基于帕斯卡定律及流体静 力学平衡原理产生的一种高准确度、高复现性和 高可信度的标准压力计量仪器。
方法：通过将专用砝码加载在已知有效面积的活 塞上所产生的压强来表达精确压力量值，活塞式 压力计较其他压力量仪可信、稳定
用途：用于计量室、实验室以及生产或科学实验 环节作为压力基准器使用
流量检测
流速法测量流量 差压法流量计
节流式流量计 转子流量计 涡轮流量计 涡街流量计
累计式流量计
节流式流量计
所谓节流装置，就是在管道中段设置一个 流通面积比管道狭窄的孔板或者文丘里喷嘴， 使流体经过该节流装置时，流束局部收缩，流 速提高，压强减小。
节流式流量计的缺点是流体通过节流装置 后，会产生不可逆的压力损失。另外，当流体 的温度t 、压力p1变化时，流体的密度将随之 改变。所以必须进行温度、压力修正。
差压：任意两个压力之差称为差压
压力的单位
压力的国际单位为“帕斯卡”，简称“ 帕”（Pa）。
除此之外，工程界长期使用许多不同的 压力计量单位。如“工程大气压”、“ 标准大气压”、“毫米汞柱”，气象学 中还用“巴”（bar）和“托”为压力单 位。这些单位在一些进口仪表说明书上 可能还会见到。
压力单位转换对照表
对式（7.2.4）用一个无量纲数C修正，C称为流出系数。
qm CA0
2(P1 P2 ) 1 4
C 1 4
A0
2P
d
D
上式为针对不可压缩的理想流体而得出的流量公式。 对于可压缩流体（如各种气体、蒸汽）流过节流装置时， 压力发生改变必然引起密度的改变，因此对于可压缩流体 上式应引入气体可膨胀系数，则式变为：
设被测流体为不可压缩的理想流体（液体），根据伯努 利方程，对截面I—I、Ⅱ—Ⅱ处沿管中心的流体有以下 能量关系：
P1' v12 P2' v22
1 2 2 2
1 2
P1'
v12
2
P2'
v
2 2
2
式中，p’1、v1——截面I—I处的压力和速度； p’2、v1 ——截面Ⅱ—Ⅱ处的压力和速度。
只要流体具有一定的导电性，测量过程就不受被测介 质的温度、密度、粘度、压力、流动状态(层流或紊流 )的影响；
测量管道为绝缘衬里，只要选择合适的衬里材料，就 可测量腐蚀性介质的流量，
测量中无惯性、滞后现象，流量信号反应快，可测脉 冲流量；
测量范围大，满刻度量程连续可调；
仪表呈均匀刻度和线性输出，便于配套。
累计式流量计
湿式流量计 干式流量计 腰轮流量计
流速检测
动力测压法
皮托管测动压
散热率法
卡他温度计 热线风速仪 热敏电阻恒温风速仪
热线风速仪
热敏电阻恒温风速仪
速度式流量计----电磁流量计
用来测量具有一 定电导率的液体 的体积流量。测 量精度不受液体 粘度、密度及温 度影响，且内部 无其他部件，无 压力损失。