过程参数检测及仪表第7章_流量检测

( D ≤ 58.62mm)
C = C D = C J + 0.0390 β 4 (1 − β 4 ) −1 − 0.01584 β 3
对标准喷嘴，当主要参数满足一定要求，流出系数可表示为;
C = 0.9900 − 0.2262 β
4.1
− (0.00175β − 0.0033β
2
4.15
106 1.15 )×( ) Re
CεA0 1− β CεA0 1− β
4 4
2 ρ1∆p 2∆p / ρ1
7.2.2 流量方程的讨论 1、流量系数α（或流出系数C） 节流件形式
α=
µ ψ
C +ξ −C µ m
2 2 2 1 2 2
开口直径(对应m和µ) 取压方式(对应ψ) 流体流动状态(对应C1和C2) 管道条件(对应ξ)
①取压方式： 取压点位置不同，所得差压也不同，影响流量系数 a. 角接取压法 α = f ( Re , β ) 或C = f ( Re , β ) b. 法兰取压法 c. D-D/2取压法
流体的体积受流体的工作状态影响，在用体积流量表示时， 必须同时给出流体的压力和温度。
1、体积流量 ①直接法：以排出流体固定体积数来计算流量。
主要有：椭圆齿轮流量计、旋转活塞式流量计、刮板流量计等。 受流体的流动状态影响较小，适用于测量高黏度、低雷诺数的流体。
②间接法：先测流速，再求流量。
a. 节流式流量计：节流件前后的差压－流速 b. 电磁流量计：导电流体产生的感应电势－平均流速 c. 转子流量计：转子的高度－流体流量 d. 涡街流量计：旋涡释放的频率－流速 e. 涡轮流量计：涡轮转速－流速 f. 超声波流量计：声速在流动流体中的传播速度变化－流速 g. 速度式流量计：平均流速
d = d 20 [1 + λd (t − 20)]
4、流体密度ρ
′ = qm qm
D = D20 [1 + λD (t − 20)]
ρ′ ρ
′ = qv qv
ρ ρ′
5、压力损失δP
δP =
1 − β 4 − Cβ 2 1− β
4
+ Cβ
2
∆p
节流式流量计外形
【例3.9】有一节流式流量计，用于测量水蒸气流量,设计时的水蒸气密
②上下游端面的平面度
0.20 ≤
d ≤ 0.75 D
③节流孔、孔板厚度、圆锥面的斜角 ④上游边缘，下游边缘
2、标准取压装置
①角接取压法 ②法兰取压法 ③D-D/2取压法
3、直管段 ①恒定横截面积的圆桶形管道，用目测检查管道应该是直的。 ②管道内表面应该清洁，无积垢和其他杂质。 ③节流装置上、下游侧最短直管段隋上游侧阻力件的形式和 节流件的直径比而异。
相对误差为：
′ − qm qm 8.105 − 8.5 ×100% = ×100% = −4.9% δ= ′ 8.105 qm
当密度改变时，流量的指示值和实际值有较大误差； 实际密度与设计值相差越大，则测量误差也越大。
7.2.3 标准节流装置 1、标准节流件——孔板
①节流件孔径d
d ≥ 12.5mm
设流体为不可压缩的理想流体，根据伯努利方程：
p10
2 2 v10 p20 v20 + = + ρ1 2 ρ2 2
能量损失 1 2 ξv2 2
v10 = C1v1 , v20 = C2 v2
流体流经节流件时压力和 流速变化情况
p10
动画演示
2 ξ 2 C12 2 p20 C2 2 + + v1 = v2 + v2 ρ1 ρ2 2 2 2
流量显示仪表
l = K 3 ∆I
2 未加开方器： l = K 3 K 2 K1qm
节流式流量计的组成 非线性 线性
加开方器： l = K 3 K 2 ′
K 2 K1 q m
【例3.8】有一台节流式流量计，满量程为10kg/s，当流量为满刻度的
65%和30%时，试求流量值在标尺上的相应位置（距标尺起始点），设标 尺总长度为100mm.
2.1
− 0.1840 β + 0.0029 β
8
2.5
106 0.75 ( ) Re
2.286 4 0.8560 3 β (1 − β 4 ) −1 − β D D
( D > 58.62mm)
C = C F = C J + 0.0390 β 4 (1 − β 4 ) −1 −
0.8560 3 β D
2、可膨胀性系数ε 标准孔板 标准喷嘴
ε = 1 − (0.41 + 0.35β 4 )
∆p κp1
1 − τ (κ −1) / κ 1/ 2 κτ 2 / κ 1 − β 4 ( )( ) ε= 4 2/κ 1−τ κ −1 1− β τ
τ = 1 − ∆p / p1
3、节流件的开口面积A0与材料的热膨胀系数λ
度为ρ=8.93kg/m3,但实际使用时被测介质的压力下降,使实际密度减小为 8.12 kg/m3.试求当流量计读数为8.5kg/s时，实际流量为多少？由于密度 变化使流量指示值产生的相对误差为多少？
解：当密度变化时，实际流量为：
′ = qm qm 8.12 ρ′ = 8.5 = 8.105kg / s 8.93 ρ
2、质量流量 ①直接法：直接反映质量流量。 科里奥利力检测方法 ②间接法：分别测出相应参数，通过运算获取质量流量。 a. ρqv2和ρ组成 b. qv和ρ组成 c. ρqv2和qv组成 ρqv2可用节流式流量计、靶式流量计等得到； qv可用容积式流量计、电磁流量计、涡轮流量计、涡街 流量计等得到。 ρ可用在线式密度计或通过测量介质的温度压力相关公式 计算获得。
流体的体积流量可简写为：qv
对于可压缩性流体，引入可膨胀性系数ε，并规定使用节流件前的密度ρ1，则有
qm = αεA0 2 ρ1∆p qv = αεA0 2∆p / ρ1
在实际应用中，流量系数α常用流出系数C来表示，其关系为：
C = α 1− β 4
流量方程可写成：
直径比β =
d D
qm = qv =
流量系数与雷诺数关系
流量系数受多个因素影响，目前使用的流量系数完全是由实验得 到的实验数据。标准经验公式用流出系数替代流量系数。 对标准孔板，当主要参数满足一定要求，流出系数可表示为; 角接取压法: 法兰取压法: D-D/2取压法:
C = C J = 0.5959 + 0.0312 β
C = CF = CJ +
②雷诺数Re：反映流体的流动速度。 对于给定的节流件和直径比β值， Re>ReK时，流量系数α趋向定值； 理论上测量无上限，但差压计有量程限制； 另外节流件产生的压力降占压力降总比例不宜过大。 ③直径比β：只要直径比β一定，则α=f(Re) 要根据被测物体的最小流量以及允许的压力损失合理选择β值。 ④管壁粗糙度：K是管道内壁绝对平均粗糙度。 测量下限
节流装置外形 后取压管
节流孔板
节流装置（取
压管及内部的 节流孔板）
后取压管
前取压管 流体通过节 流孔板时， 流速加快， 后取压管处 的压力减小。
节流孔板
7.2.1 检测原理
截面1：流体未受节流件影响，A1，p1，v1，ρ1 截面2：经节流件后流束收缩的最小截面，A2， p2，v2，ρ2 在截面2处流速最大，静压力最低。 截面3：静压力p3，不等于原先的静压力p1， 产生永久的压力损失δp
根据流体的连续性方程
A1v1 ρ = A2 v2 ρ
设节流件的开孔面积为A0，定义开口截面比m= A0/ A1,收缩系数µ＝ A2/ A0，联立 方程可得
v2 =
1 C +ξ −C µ m
2 2 2 1 2 2
2( p10 − p20 ) ρ
p10 − p20 ψ= 实际取压点处取得的压力为p′1和p′2，要带入上式，还需引入取压系数： ′ − p2 ′ p1
容积式流量计特性曲线
7.3.3 信号转换 1、就地显示
椭圆齿轮流量计的显示原理
2、远传显示
7.3.4 容积式流量计的特点 测量准确度较高，可达±0.2%~0.5%，量程比一般为10:1； 适宜测量黏度较高的流体； 安装方便，对仪表前、后直管段长度无要求； 对仪表制造、装配的精度要求高，传动机构较复杂； 要求被测介质干净，在流量计前安装过滤器； 常用的测量口径10~150mm。
导压管的配置
节流装置输出的压力差是从节流装置的前后取压孔取 出的。从取压孔到差压变送器的导压管的配置也应按照规 定的标准安装。 如果被测流体是气体，导压管应从节流装置的上方引 出，以免混杂在气体中的液滴堵住取压管； 如果被测流体是液体，导压管应从节流装置的下方引 出，以免混杂在液体中的气体影响取压。
2 解：如果流量计不带开方器，则标尺长度与流量的关系为： l = Kqm
由题意可得，qm= 10kg/s时，l=100mm，则K=1mm/kg⋅s-1; 当qm= 10× 65% kg/s=6.5kg时，l65%=42.55mm; 当qm= 10× 30% kg/s=3.0kg时，l30%=9.0mm; 如果流量计带开方器，则标尺长度与流量的关系为： l 当qm= 10× 65% kg/s=6.5kg时，l65%=65.0mm; 当qm= 10× 30% kg/s=3.0kg时，l30%=30.0mm;
节流装置的另一种形式——文丘里管或文 丘里喷嘴
文丘里喷嘴的压力损失较小。
流体入口
狭窄部位
7.2.4ห้องสมุดไป่ตู้节流式流量计
q m ( qv )
节流装置
2 ∆p = K1qm
引压管路
2 ∆p = K1qm
差压计或差压变送器
∆I = K 2 ∆p
加开方器
′ K 2 ∆p ∆I = K 2
加开方器
′ ∆I ∆I ′ = K 2
利用雷诺数可以判断流动的形式。 如果雷诺数小于某一值时，可判断为层流，而大于此值 时则判断为紊流。
7.2 节流式流量计 流体经过阻力件后有差压－流体流量 标准节流件：标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。
非标准节流件：双重孔板、偏心孔板等。主要用于特殊 介质或特殊工况条件的流量测量。使用时必须用实验方 法单独标定。
将上述关系带入式（3.160），并根据质量流量定义，可得其与差压的关系为
qm = v2 A2 ρ =
µ ψ A0
2 + ξ − C12 µ 2 m 2 C2
2 ρ∆p
′ − p2 ′ ∆p = p1
流体的质量流量可简写为：
qm = αA0 2 ρ∆p
= αA0 2∆p / ρ
α= µ ψ
2 C2 + ξ − C12 µ 2 m 2
7 流量检测仪表
7.1 概述 瞬时流量：单位时间内流动介质流经管道中某截面的数量。 累积流量：瞬时流量在某一段时间内的累积值。 体积流量：qv，单位m3/s，
qv =
若流体在该截面上的流速处处相等 vdA ∫
A
或平均速度
qv = vA
质量流量：qm，单位kg/s，
qm =
若流体在该截面上的密度和流速处处相等 ρ vdA qm = ρvA = ρqv ∫A
7.3容积式流量计 7.3.1 检测原理 固定容积V0，活动壁转动次数n 1、椭圆齿轮流量计
Qv = nV0
椭圆齿轮转动一周，有 Qv = 4nV0
动画演示
7.3.2 容积式流量计的工作特性 与流体的黏度、密度以及工作温度、压力等因素有关。
椭圆齿轮流量计
凸轮式刮板流量计
误差原因：活动壁与壳体内壁间的间隙产生流体的泄漏 在相同的流量下，流体黏度越低越容易泄漏，误差越大。
= K ′qm
节流式流量计的特点： 结构简单，便于制造、工作可靠、使用寿命长、适应性强 几乎能侧量各种工况下的介质流量 压力损失大，刻度非线性，测量范围较窄（量程比3:1） 不能测量小口径（50mm以下）和大口径（1000mm以上） 流量 7.2.5 标准节流装置的设计与计算 1、流量计算 2、孔径设计
7.6.5 容积式流量计使用时注意:
1）容积式流量计使用时要加滤网，仪表处加旁路，便于清扫。 2）被测液体混有气体时，要加装气体分离装置。 3）注意被测流体的温度。
7.4转子流量计 7.4.1 检测原理
恒压降变截面式流量计 浮子本身垂直向下的重力
流量测量系统
四部分
传感器：将流量Q（qm或qV）转换成与流量有关的某个 物理量，如差压、速度等。 信号转换装置：将输出量转成电信号。 显示积算装置：直接显示瞬时流量或对瞬时流量积分 得到累积流量。
流体在细管中的流动形式可分为层流和紊流两种。
在层流流动状态下，流速分布 是以管轴为中心线的轴对称抛 物线分布。流体在细管中流动 的流线平行于管轴时的流动。 在紊流流动状态下，管内流速 同样是以管中心线轴对称的分 布，但是其分布呈指数曲线形 式。流体在细管中流动的流线 相对混乱的流动