第六章流量测量原理

v1
2 1
d '2 D2
v2
对于不可压缩流体，ρ1= ρ2=ρ； 得 v2
1
c2
c1 (
d '4 D4
)
2 p1' p2'
则：
qv
v2 A2
4
d '2
1
c2
c1
d '4 D4
（2 p1' p2'）
令： d d '2
D
d2
p1' p2' p
A0
4
d2
所以： qv
1 d 2
c2 c1 2 4 4
体积流量的计量单位为米3／秒(m3/s); 质量流量的计量单位为千克/秒(kg/s); 累积体积流量的计量单位为米3(m3); 累积质量流量的计量单位为千克(kg)。 除上述流量计量单位外，工程上还使用米3 /时(m3/h)、
升/分(L/min)、吨/小时(t/h)、升(L)、吨(t)等作为流 量计量单位。
6.2 节流式差压流量计
1.节流装置测量原理
• 节流式流量计由节流装置、引 压管路、三阀组和差压计组成， 如图所示
• 在节流元件形状、尺寸一定， 管道条件和流体参数一定的情 况下，节流元件前后的压力差 与流体流量之间成一定的函数 关系。
6.2 节流式差压流量计
• 稳定流动的流体沿水平管道流动到 节流元件前的截面1处之后，流束 开始收缩，靠近管壁处的流体向管 道中心加速，而管道中心处流体的 压力开始下降。
1
v1
4
D2
2
v2
4
d 2
2
2
2
p1' c1 v1 p2' c2 v2 v2
1 2 2 2
2
p’1, p’2—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；
ρ1, ρ2—截面1和2上流体的密度，对于不可压缩流体，ρ1= ρ2=ρ； D, d’—截面1和2上流束直径；
第6章 流量测量
前言
流量测量的主要任务有两类： ➢一是为流体工业提高产品质量和生产效
率，降低成本以及水利工程和环境保护 等做必要的流量检测和控制； ➢二是为流体贸易结算、储运管理和污水 废气排放控制等做总量计量。
本章介绍流量测量的基本知识和常用的 流量测量仪表。
问题引入：
阀
流量检测系统
Q进 进料
• 法兰取压装置(见图5-9)结构较简单，由一对带有取压孔的 法兰组成，两个取压孔轴线垂直于管道轴线，取压孔直径 6~12mm。
6.2 节流式差压流量计
标准节流装置的管道条件 ⑴安装节流元件的管道应是圆形直管道 ⑵管道内壁应洁净 ⑶节流元件前后应有足够长的直管段
6.2 节流式差压流量计
• 5. 节流式流量计主要特点 • 优点
2
p
0 A0
β--直径比，β=d/D ；α—流量系数，0
1- 2 4
2 p
6.2 节流式差压流量计
• 实际的流量方程
qv
C d2 1 4 4
2 p
C
1 4 A0
2 p
qm
C d2 1 4 4
2p
C
1 4 A0
2p
流量系数 C CE
1 4
E称为渐近速度系数
E 1
1 4
对于可压缩流体，引入流束膨胀系数ε进行修正
6.3 速度式流量计
• 涡轮流量计可用于测量气体、液体流量。流量计应水平安 装，并保证其前后有足够长的直管段或加装整流器。要求 被测流体粘度低，腐蚀性小，不含杂质，以减少轴承磨损， 一般应在流量计前加装过滤装置。
流速分布
6.3 速度式流量计
2. 电磁流量计
• 在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的转 速与流体的平均流速成正比
6.3 速度式流量计
2)流量方程 • 设流体经导流器导直后沿平行于管道轴线的方向以平均速
度u冲击叶片，使涡轮旋转，涡轮叶片与流体流向成角度，
流体平均流速u可分解为叶片的相对速度ur和切向速度us, 如图所示。
流速分布
涡轮叶片与流体流向成90°角，流体平均流速v与叶片的 切向速度 v2的关系为
（差压式）流量变送器
反应器
开 方 器
节流 元件
Q
0~10 m3/h
比例积算器: 显示:q总=56340 m3
N
V0
1~5 V
指示:瞬时流量qv 5 m3/h
瞬时流量指示仪
出料量
执行器 Q出
流量测量
6.1 流量检测的基本概念 6.2 节流式差压流量计 6.3 速度式流量计 6.4 其他形式流量计
6.1.1 பைடு நூலகம்量和流量计
或在较远处取压； ⑶经典文丘里管—在上游和喉部均各取不少于4个、且由均
压环室连接的取压口取压，各取压口在垂直于管道轴线的 截面平均分布。
6.2 节流式差压流量计
• 目前广泛采用的是角接取压法，其次是法兰取压法。角接 取压法比较简便，角接取压装置(见图5-8)的取压口结构有 环室取压和单独钻孔取压两种
差，称为该流量仪表的允许误差，一般用最大相 对误差和引用误差来表示。
流量仪表的精度等级是根据允许误差的大小来 划分的，其精度等级有：0.02、0.05、0.1、0.2、 0.5、1.0、1.5、2.5等。
(4)压力损失
压力损失的大小是流量仪表选型的一个重要技术 指标。压力损失小，流体能消耗小，输运流体的 动力要求小，测量成本低。反之则能耗大，经济 效益相应降低。故希望流量计的压力损失愈小愈 好。
• 工业上最常用的是孔板，其次是喷嘴，文丘里管使用较少。 ⑴标准孔板
6.2 节流式差压流量计
• 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。
6.2 节流式差压流量计
2）标准喷嘴 • 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。ISA1932 喷嘴的结构如右图
6.1.2 流量检测仪表的分类
1) 按测量对象分类 • 流量仪表可分为封闭管道流量计和明渠流量计。 2) 按测量目的分类 • 流量仪表可分为瞬时流量计和总量表。 3) 按测量原理分类 • 流量仪表可分为差压式、容积式、速度式等几类。 4) 按测量方法和仪表结构分类 • 流量仪表可分为差压式流量计、浮子流量计、容积式流量
文丘利管流量计实物图
23
6.2 节流式差压流量计
4. 节流装置的取压方式与取压装置
• 根据节流装置取压口位置，可将取压方式分为理论取压、 角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压等五种。
• 标准节流装置的取压方式： ⑴标准孔板—可以采用角接取压、法兰取压和径距取压； ⑵ISA1932喷嘴—上游采用角接取压，下游可采用角接取压
累积流量
在某一段时间内流过某横截面流体的总量。累积流 量等于该时间内瞬时流量对时间的积分。
Qm t qmdt
Qv t qvdt
累积流量是有关流体介质的贸易、分配、交接、供应等 商业性活动中所必知的参数之一，是计价、结算、收费 的基础。
6.1.1 流量和流量计
流量计
用于测量流量的计量器，通常由一次装置和 二次仪表组成。
流量
单位时间内流体流经管道或明渠某横截面的数量，
又称瞬时流量。当流体以体积表示时称为体积流量
,以质量表示时称为质量流量。
• 体积流量 • 质量流量
qv
lim V t0 t
dV dt
uA
qm
lim M t0 t
dM dt
uA
体积流量和质量流量的关系式：
qm uA qv
6.1.1 流量和流量计
6.3 速度式流量计
3) 涡轮流量计的特点和安装使用
• 优点 测量精度高；复现性好；测量范围度宽；压力损失较小； 耐高压，适用的温度范围宽；对流量变化反应迅速，动态 响应好；输出为脉冲信号，抗干扰能力强，信号便于远传 及与计算机相连；结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能 力大。
• 缺点 不能长期保持校准特性，需要定期校验；流体物性(粘度 和密度)对测量准确性有较大影响；对被测介质的清洁度 要求较高。
计、叶轮式流量计、电磁式流量计、流体振动式流量计、 超声式流量计以及质量流量计
流量仪表的主要技术参数
(1)流量范围 流量范围指流量计可测的最大流量与最小流量的
范围。
(2)量程和量程比 流量范围内最大流量与最小流量值之差称为流量
计的量程。最大流量与最小流量的比值称为量程 比，亦称流量计的范围度。
(3)允许误差和精度等级 流量仪表在规定的正常工作条件下允许的最大误
6.3 速度式流量计
1. 涡轮流量计 • 在各种流量计中，涡轮流量计是重复性和精度都很好的产
品，主要用于测量精度要求高、流量变化快的场合，还用 作标定其他流量计的标准仪表。 1)结构与工作原理 • 涡轮流量计的结构如图5-14所示，主要由壳体、导流器、 支承轴承、涡轮和磁电转换器组成。
6.3 速度式流量计
等能差流元会恢值件造复P的成到(P压能原=力量来P1损损的-P失失数3)称。，值为因P1流。此体P压1流与力经PP33的节不
6.2 节流式差压流量计
2. 流量方程
节流件前后差压与流量之间的关系，即节流式流量计的流量方程可由流 动连续性方程和伯努利方程推出。设管道水平放置，对于截面1、2，由 于Z1 =Z2
C
2
qv
1 4 A0
p
1
qm
C 1 4
A0
21p
6.2 节流式差压流量计
3. 节流装置结构
• 节流装置由节流元件、取压装置与测量管段(节流件前后 的直管段)等三部分组成。
• 根据标准化程度，节流装置分为标准节流装置和非标准节 流装置两大类。
1)标准孔板 按国标规定，标准节流元件有标准孔板、标准喷嘴 (ISA1932)、长径喷嘴、文丘里管和文丘里喷嘴等。
6.2 节流式差压流量计
• 差压式流量计是目前工业生产中用来测量液体、气体或蒸 汽流量的最常用的一类流量仪表
• 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 量差压值来求得流体的流量。
• 产生差压的装置有多种型式，相应的有各种不同的差压式 流量计，其中使用最广泛的是节流式流量计，其他型式的 差压式流量计还有均速管、弯管、靶式流量计、浮子流量 计等等。
v2 v tan
当涡轮稳定旋转时，叶片的切向速度 v2为
v2 2Rn
电磁转换器所产生的脉冲频率f为
f nz
体积流量方程
qv
uA
2RA Ztg
f
f
6.3 速度式流量计
对于一定的涡轮结构，流量转换系数为常数,因此流过涡轮 的体积流量qv与脉冲频率成正比。 • 由于涡轮轴承的摩擦力矩、磁电转换器的电磁力矩、以及 流体和涡轮叶片间的摩擦阻力等因素的影响，在整个流量 测量范围内流量转换系数不是常数，其与流量间的关系曲 线如图所示。
结构简单，工作可靠，成本低；应用范围非常广泛，能够 测量各种工况下的液、气、蒸汽等全部单相流体和高温、 高压下的流体，也可应用于部分混相流，如气固、气液、 液固等的测量 • 缺点 现场安装条件要求较高，需较长的直管段，较难满足；测 量范围窄，范围度(即测量的最大流量与最小流量的比值) 小；流量计对流体流动的阻碍而造成的压力损失较大；测 量的重复性、精度不高，由于影响因素错综复杂，精度也 难以提高。
• 由于惯性作用，流体流过节流元件 后流束继续收缩，因此流束的最小 截面位置不在节流元件处，而在节 流元件后的截面2处(此位置随流量 大最束小大逐而，渐变压扩力大)，。P此2最处低流。体截平面均2流后速，U流2
• 在截面3处，流束又充满管道，流 体(时U速会3＝度产U生U1)3。漩恢由涡复于以到流及节体沿流流程前经的的节摩速流擦度元阻U件1力
• 一次装置安装于流体管道内部或外部，根据流体与一次 装置相互作用的物理定律，产生一个与流量有确定关系 的信号，一次装置又称流量传感器。
• 二次仪表接受一次装置的信号，并转换成流量显示信号 或输出信号。
• 流量计可分为专门测量流体瞬时流量的瞬时流量计和专 门测量流体累积流量的累积式流量计。
6.1.1 流量和流量计
长径喷嘴
6.2 节流式差压流量计
3）文丘里管 • 文丘里管有两种标准型式：经典文丘里管(简称文丘里管)
与文丘里喷嘴。 • 文丘里管压力损失最低，有较高的测量精度，对流体中的
悬浮物不敏感，可用于污脏流体介质的流量测量，在大管 径流量测量方面应用的较多，但尺寸大、笨重，加工困难， 成本高，一般用在有特殊要求的场合。
LWGYC-80型涡轮流量计（法兰连接）
1.公称通径：4～200mm 2.介质温度：标准型（-20～80） ℃；高温型（-20～120）℃ 3.准 确 度：（特定）±0.2%、 ±0.5%、±1％
6.3 速度式流量计
• 涡轮流量计是基于流体动量矩守恒原理工作的。当流体通 过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮 克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。