10 传感器技术-流量的测量

CR——转子流量系数。
流体
10 流量的测量
4. 流量的测定
10.5 转子流量计
由于流量与环隙面积有关，在圆锥形筒与浮子的 尺寸固定时，环隙面积AR决定于浮子在筒内的位置， 因此，转子流量一般都以转子的位置来指示流量，而将 刻度标于筒壁上。
10 流量的测量
10.6 电磁流量计 1. 测量原理和结构
两个齿轮每转动一圈，流量计将排出4个半月形容积的流 体。
10.2 差压流量计
10.5 转子流量计
1. 转子流量计的工作原理
转子流量计也是利用节流原理测量 流体的流量，但它的差压值基本保 持不变，是通过节流面积的变化反 映流量的大小，故又称恒压降变截 面流量计，也有称作浮子流量计。
转子流量计可以测量多种介质的流 量，更适用于中小管径、中小流量 和较低雷诺数的流量测量。
式中：g为重力加速度； Z1、Z2为 截面相对基准 线 的 高 度 ； P1,P2 截 面 上
gZ1
P1
1
v12 2
gZ2
P2
2
v22 2
流体的静压力。
1ห้องสมุดไป่ตู้.1 概述
10.1.2 管流的基础知识
实际流体具有粘性，在流动过程中要克服流体 与管壁以及流体内部的相互摩擦阻力而作功，这将 使流体的一部分机械能转化为热能而耗散。
10.2 差压流量计
10.3 涡轮流量计 3. 涡轮流量计的特点和使用
优点: 其测量精度高，复现性和稳定性均好；量程范 围宽；耐高压，压力损失小；对流量变化反应迅速， 可测脉动流量；抗干扰能力强，信号便于远传及与 计算机相连。
缺点：制造困难，成本高。 场合：通常涡轮流量计主要用于测量精度要求高、
10 流量的测量
10.1.1 流量定义 流量指单位时间内流体(气体、液体或固体颗粒
等)流经某一流通截面的数量，又称瞬时流量。
流体以体积表示时称为体积流量，单位为m3/s。
V dV
qv
lim
t 0
t
dt
vA
流体以质量表示时称为质量流量，单位为kg/s。
qm
lim
t 0
M t
dM dt
vA
V --体积；M--质量；v--平均流速； A--截面面积；--流体的密度
d2
2p
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 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。
10.2 差压流量计
10.2.2 孔板流量计
标准孔板是一块具有与管道同心圆形 开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角 入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈 扩散的锥形。
10.5 转子流量计
10 流量的测量
10.5 转子流量计
3. 转子流量计的流量方程 转子受到重力、压力、浮力作用，当
转子静止不动时，三个力平衡，即：
( p1 p0 )Af Vf g fVf g
浮子
压力
浮力
转子流量计的体积流量为：
重力
qV CR AR
2gV f f
Af
AR——转子上端面处环隙面积；
电磁流量计基于电磁感应原理，导电流体在磁场中垂直于磁 力线方向流过，在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，感应 电势的大小与流体速度有关，则测量此电势可得流体流量。
10 流量的测量
10.6 电磁流量计
流体流量方程为：
qv
1
4
D2v
D
4B
E
E k
式中：B—为磁感应强度 ；D—管道内径 ； v—流体平均流速；E—感应电势。
1桶=42美制加仑
加仑，是英美制中重要的体积单位。美制的加仑，区分 计量干货与液体的；英制则不区分。
1加仑(美制干货,gal) = 4.40488377086升(L) 1加仑(美制湿货,gal) = 3.785411784升(L) 1加仑(英制,gal) = 4.54609升(L)
1桶=42×3.785=158.9升；约等于159升，或0.159立方米。
节流式特点：结构简单、使用寿命长， 适应能力强，几乎能测量各种工况下 的流量。
10 流量的测量
10.2 差压流量计
差压式流量计基于流体在通过设置于流通管道上的流动 阻力件时产生的压力差与流体流量之间的确定关系，通 过测量差压值求得流体流量。
产生差压的装置有多种型式，包括节流装置：如孔板、 喷嘴、文丘利管等，以及动压管、均速管、弯管等。其 他型式的差压式流量计还有靶式流量计、浮子流量计等。
第三篇 典型参量测量技术
10.1 概述
在工农业生产和科学研究试验中，需要检测各 种流体的流量。
如：水、原油、成品油、瓦斯气、天然气、煤 气、液化石油气、蒸汽、空气、氧气、氮气、氢气、 烟废气排放等。
随着科学技术的发展，生产环境日趋复杂，对 流量测量的要求也越来越高。运用不同的物理原理 和规律，人们研制出各类流量监测传感器用于测量。
gZ1
P1
1
v12 2
gZ2
P2
2
v22 2
hwg
hwg为两截面之间单位质量实际流体流动产生的能量损失。
10.1 概述
10.1.3 流量计类型
流量测量方法大致可以归纳为以下几类：
利用伯努利方程原理，通过测量流体差压信号来反映 流量的差压式流量测量法；
通过直接测量流体流速来得出流量的速度式流量测量 法；
粘性有关。
F A dv
dy
式中：F为粘滞力；A为接触面积；
dv/dy为流体垂直于速度方向的速度梯度；
为表征流体粘性的系数（称为流体的粘度或粘滞系数）。
10.1 概述
10.1.2 管流的基础知识 ➢ 雷诺数Re：流体流动的惯性力与粘滞力之比。
雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。 雷诺数小，流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，
10.2 差压流量计
10.2.1 工作原理
流体流经节流件时压力 和流速变化图
流速收缩：流体遇到节流装 置时，近壁处的流体由于受 到节流装置的阻挡最大，促 使流体的一部分动压头转换 为静压头，体现在P1的升高。 ΔP的产生：由于节流装置造 成流束的局部收缩，同时流 体又是保持连续流动，因此 在截面积最小流速达到最大， 而压力最低。
式中 CV——文丘里流量计的流量系数(约为0.98～0.99)； A0——喉管处截面积，m2。
10.2 差压流量计
10.2.3 文丘里管流量计 优点：阻力损失小，大多数用于低压气体输送
中的测量； 缺点：加工精度要求较高，造价较高，并且在
安装时流量计本身占据较长的管长位置。
10.2 差压流量计
10.2.4 喷嘴流量计
10.1 概述
10.1.1 流量定义
平均流速：
v qv
vdA
t
AA
式中：v为流体在流过截面上各点的流速。
累计流量：在某段时间内流体通过的体积或质 量总量，它是体积流量或质量流量在该段时间 中的积分，表示为：
Qv t qvdt
Qm t qmdt
10.1 概述
单位换算：一桶原油等于多少升？
标准孔板
10.2 差压流量计
10.2.2 孔板流量计
优点：构造简单，安装方便 。 缺点：流体通过孔板流量计的阻力损失很大。主要是由于
流体流经孔板时，截面的突然缩小与扩大形成大量涡流所 致。虽然流体经管口后某一位置流速已恢复与孔板前相同， 但静压力却不能恢复，产生了永久压力降。
孔板的缩口愈小，孔口速度 愈大，读数就愈大，阻力损 失愈大。所以，选择孔板流 量计A0/A1的值，往往是设计 该流量计的核心问题。
1、2—截面1和2上流体的密度；
D、d—截面1和2上流束直径。
10.2 差压流量计
10.2.1 工作原理
体积流量：
qv v2 A2
1
d2
1 d D4 4
2
P1
P2
质量流量： qm v2 A2
1
d2
1 d D4 4
2 P1 P2
以实际采用的某种取压方式所得到的压差P来代替(P1-P2)； 同时引入流出系数C 对上式进行修正：
流量变化快的场合，还用作标定其他流量的标准仪 表。
10.2 差压流量计
10.4 椭圆齿轮流量计
10.2 差压流量计
10.4 椭圆齿轮流量计
椭圆齿轮 A 、B 在压力差的作用下，交替地相互驱动， 并各自绕轴作非匀角速度的转动。
在转动过程中连续不断地将充满在齿轮与壳体之间的固 定容积内的流体一份份地排出。
标准喷嘴是一种以管道轴线为中心线的旋转对称体，主 要由入口圆弧收缩部分与出口圆筒形喉部组成，有 ISAl932喷嘴和长径喷嘴两种型式。
ISA 1932喷嘴
10.2 差压流量计
10.2.4 喷嘴流量计
长径喷嘴
10.2 差压流量计
10.3 涡轮流量计 1. 涡轮流量计的结构
涡轮流量计由涡轮流量变送器和显示仪表组成。涡轮流 量计包括涡轮、导流器、磁电感应转换器、外壳及前置 放大器等部分 。
第三篇 典型参量测试技术
CHAPTER 10
流量的测量 Flow Measurement
10 流量的测量
10.1 概述 10.2 差压流量计 10.3 涡轮流量计 10.4 椭圆齿轮流量计 10.5 转子流量计 10.6 电磁流量计 10.7 超声波流量计 10.8 科里奥利质量流量计 10.9 热丝式流量计
10.2 差压流量计
10.2.1 工作原理
伯努利方程： P1 v12 P2 v22
1 2 2 2
连续性方程： 1 A1v1 2 A2v2
1
4
D2v1
2
4
d 2v2
不可压缩流体：
1 2
流体流经节流件时压力 和流速变化图
P1、P2—截面1和2上流体的静压力； v1、v2—截面1和2上流体的平均流速；
浮子
流流体量
10 流量的测量
10.5 转子流量计
2. 转子流量计的结构
由一段上粗下细的锥形玻璃管 （ 锥 角 约 在 4° 左 右 ） 和 管 内 一 个密度大于被测流体的固体转子 （或称浮子）所构成。
流体自玻璃管底部流入，经过转 子和管壁之间的环隙，再从顶部 流出。
浮子
流流体量
10 流量的测量
利用标准小容积来连续测量流量的容积式测量； 以测量流体质量流量为目的的质量流量测量法。
10.1 概述
10.1.3 流量计类型
流量计的市场分布示意图
10.1 概述
10.2 差压流量计
历史悠久、技术成熟、应用最广泛。
测量对象：流体方面，单相、混相、洁净、脏污； 工作状态：常压、高压、真空、常温、高温、低温； 管径方面：从几毫米到几米； 流动条件：亚音速流、临界流、脉动流。
流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动 状态。雷诺数大，惯性力占主要地位，流体呈紊流流动 状态。 一般管道雷诺数Re＜2000为层流状态，Re＞4000为紊 流状态，Re＝2000～4000为过渡状态。
10.1 概述
10.1.2 管流的基础知识 ➢ 管流状态——层流和紊流
层流：流体沿轴 向做分层平行流 动。
1.涡轮 2.导流器 3.磁电感应转 换器 4.外壳 5.前置放大器
10.2 差压流量计
10.3 涡轮流量计 2. 涡轮流量计的工作原理
流量 涡轮
转速
变送 器
磁电 脉冲 前置
转换
放大
记录 显示
涡轮叶片受力而旋转，其转速与流体流量（流速）成正比， 其转数又可以转换成磁电的频率，此频率表现为电脉冲， 用计数器记录此电脉冲，就可以得到流量。
qv
C d2 14 4
2 P d 2
4
2 P
qm
C d2 14 4
2P d 2
4
2P
10.2 差压流量计
10.2.1 工作原理
对于可压缩流体，考虑到节流过程中流体密度的变化
而引入流束膨胀系数 进行修正采用节流件前的流体密度，
由此流量公式可进一般的表示为：
qv
4
d2
2 p
qm
4
“升”作为“立方分米”的专门名称。 1升=1000毫升（ml, cm3 ,cc）; 1毫升=1000立方毫米
10.1 概述
10.1.2 管流的基础知识
➢ 流体密度：单位体积的流体所具有的质量。体
密度是温度和压力的函数，单位是(kg/m3)
➢ 粘滞力：流体运动过程中阻滞剪切变形的粘滞力
与流体的速度梯度和接触面积成正比，并与流体
10.2 差压流量计
10.2.3 文丘里管流量计
若用一段渐缩、渐扩管代替孔板，所构成的流量计称为文 丘里流量计。当流体经过文丘里管时，由于均匀收缩和逐 渐扩大，流速变化平缓，涡流较少，故能量损失比孔板大 大减少。
10.2 差压流量计
10.2.3 文丘里管流量计
体积流量：
qV Cv A0
2gR 0
紊流：流体不仅有轴向运 动，且还有剧烈的无规则
的横向运动。
10.1 概述
10.1.2 管流的基础知识 ➢ 连续性方程(质量守恒定律)
任取一管段，设两处的面积、流体密度和截面上
流体的平均流速分别为A1、1、v1 和A2、2、v2 。
1v1 A1 2v2 A2 constant
10.1 概述
10.1.2 管流的基础知识 ➢ 伯努利方程(能量守恒定律)