第5章流量检测传感器

h
转子在液体中的受力：重力-浮力=向上的推力
V转 转 液 g P1 P2 A
∵左边各值均为常数，A也为常数
∴ P1 P2 P V转 转 液
g A
=常数
所以这种流量计称为可变面积流量计，恒压差式的流量计。
——流量方程
转子的平衡关系：
V为转子的体积；ρt 和ρf 分别为转 子和流体的密度；g为重力加速度；
体积流量 以体积表示的瞬时流量用 qv 表示，单位为 m3/s 以体积表示的累积流量用 Qv 表示，单位为 m3
qv vdA vA
A
Qv qv dt
0
t
质量流量
以质量表示的瞬时流量用 qm 表示，单位为 kg/s 以质量表示的累积流量用 Qm 表示，单位为 kg 标态下的体积流量
——标准节流件(孔板) 节流装置包括节流件、取压装置和符合要求的前后直管段
标准节流装置是指节流件、取压装置都标准化，前后直管 段符合规定要求，可以直接投入使用
标准孔板，要求： d/D 应在0.2～0.75之间 d不小于12.5mm 直孔厚度h应在0.005D到0.02D之间 孔板的总厚度H应在h和0.05D之间 圆锥面的斜角α 应在30～45°之间 …………
虽然节流式流量计的应用非常广泛，但是如果使用不当往往会出现很大的 测量误差，有时甚至高达10～20％。下面列举一些造成测量误差的原因， 以便在安装使用过程中得到充分的注意，并予以适当的解决。 《差压变送器的安装如前所述》
——节流式流量计的使用特点和要求
标准孔板应用广泛，它具有结构简单、安装方便的特点，适用于大流量的测量。
如果在管道中安置一个固定的阻力件，它的中间开一个比管道截 面小的孔，当流体流过该阻力件时，由于流体流束的收缩而使流速加
快、静压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差。
压差的大小与流体流速的大小有关，流速愈大，差压也愈大，因 此只要测出差压就可以推算出流速，进而可以计算出流体的流量。
(a) 标准孔板
l1(D) D－D/2取压
l2(D/2)
法兰取压
l2 l1
法兰取压装置是由一对带有取压口的法兰组成
取压口轴线距离孔板上、下端面均为25.4mm（1英寸）
——节流式流量计的安装
原理：
流体在管道中正常流动（v、p）
节流件使流体收束，流速增大，压力降低
“压差”与流量有关
节流件前后出现“压差”
再采用差压变送器，将差压信号转换为统一的标准信号，便于显示及控制
信号，传送到其它仪表进行显示、记录或控制。
ε 可膨胀性系数用来校正流体的可压缩性，它与节流件前后压力
的相对变化量、流体的等熵指数等因素有关，其取值范围小于等于1。
对于不可压缩性流体，ε ＝1；对于可压缩性流体，则ε ＜1。应用时 可以查阅有关手册而得。
节流式流量计的特点：
*与密度有关； *不能在温度、压力变化频繁的场合应用，因为密度会变化； *资料齐全，数据充足； *精度可达到1级，量程比以前为3：1，现在可以达到10：1； *测量元件的寿命比较长，但维护工作量比较大而且难； *压力损失比较大，仪表刻度为非线性。
Qm Qv
由于气体是可压缩的，流体的体积会受工况的影响，为了
便于比较，工程上通常把工作状态下测得的体积流量换算 成标准状态（温度为20℃，压力为一个标准大气压）下的 体积流量。 标准状态下的体积流量用qvn表示，单位为Nm3/s。
流量检测的主要方法和分类: 流量检测方法有很多，就测量原理而言，可以分为
管道直径为D(A=π D2/4)，节流件开孔直径 d(a=π d2/4)，β =d/D，则：
V2=
1 1 d / D 4
1 1 4
2P1 P2

=
2P1 P2

∴Q=aV2ρ =
a 1 4
2 P1 P2
=aE
2P
E为渐近速度系数，上式为理想方程。
置
——节流式流量计误差产生的原因
实际工况与设计要求不符，如：温度、压力、湿度以及相应的流体重
度、粘度、雷诺数等参数数值发生变化，则会造成较大的误差。为了
消除这种误差，必须按新工艺重新设计计算，或加以必要的修正。 节流装置安装不正确节流装置安装不正确，在安装时，特别要注意节 流装置的安装方向。 在使用中，要保持节流装置的清洁。如在节流装置处防止有沉淀、结 焦、堵塞等现象。 节流装置的磨损，应注意日常检查、维修，必要时应换用新的孔板。 导压管安装不正确，或有诸塞、渗漏现象，
孔板测量的压损大，当不允许有较大的管道压损时，便不宜采用。在一般场合下，
仍采用孔板为多。 标准喷嘴和标准文丘里管的压力损失较孔板为小，但结构比较复杂，不易加工。
标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm，雷诺数在104～105以上的流体；
流体应当清洁，充满全部管道，不发生相变； 为保证流体在节流装置前后为稳定的流动状态，在节流装置的上、下游必须配置 一定长度的直管段（与管径、节流件的开孔面积以及管路上的弯头数都有关系） 节流装置经过长时间的使用，会因物理磨损或者化学腐蚀，造成几何形状和尺寸 的变化，从而引起测量误差，因此需要及时检查和维修，必要时更换新的节流装
V ( t f ) g pA
ΔP为转子前后的压差；A为转子的最
大截面积
转子和锥形管间的环隙面积相当于节流式流量计的节流孔面积，但它是变
化的，并与转子高度h成近似的线性关系，因此，转子流量计的流量公式可 以表示为：
qv h 2
f
p h
2V ( t f ) g
环隙取压 夹持环
wk.baidu.com
a
流体
a
环隙宽度和单独钻孔取压口的直径 a 通常在4～10mm之间
单独钻孔取压
显然，环隙取压由于环室的均压作用，便于测出孔板两端 的平稳差压，能得到较好的测量精度，但是夹持环的加工制造 和安装要求严格。当管径D＞500mm时，一般采用单独钻孔取 压。
法兰取压和D－D/2取压
D－D/2取压装置是设有取压口的管段，上、下游取压口轴线与孔板上游 端面的距离分为D和D/2（D为管道的直径）
孔板流量计： 节流面积不变
流量变化
压差发生变化
转子流量计： 压差不变
流量变化
节流面积发生变化
转子流量计主要由两个部分组成：
一是由下往上逐渐扩大的锥形管（通常用透明
玻璃制成） 二是放在锥形管内可自由运动的转子。 被测流体由锥形管下端进入流经转子与锥形管之间 的环隙，再从上端流出。 当流体流过的时候，位于锥形管中的转子受到向上 的一个力，使其浮起。当这个力正好等于转子重量
第5章 流量检测传感器
5.1 流量测量分类
流量检测的主要方法和分类 节流式流量计
转子流量计
电磁流量计 涡轮流量计
漩涡流量计
容积式流量计 其它流量检测方法
超声波式流量检测
质量流量检测方法
——几个概念 流量通常是指单位时间内流经管道某截面的流体的数量，也 就是所谓的瞬时流量；在某一段时间内流过流体的总和，称 为总量或累积流量。
引入α （流量系数---flow coefficient）进行修正： Q=caE 2P =α a
2P
引入流体膨胀的校正系数： Q=α ε a 2P 对于可压缩流体，ε <1；不可压缩流体，ε =1。 α （流量系数）的影响因素：管径、节流件形式、开孔直径、取压 位置、雷诺数等。只有α 保持为常数才能保证测量的精度。 工程上: P (m3/h) 2 D 2 Q= 1.252
有手册可 查，不要 求记
标准喷嘴和标准文丘里管的结构参数的规定也 可以查阅相关的设计手册。
——标准取压方式
国家规定标准的取压方式有角接取压、法兰取压和D－D/2取压。
角接取压
角接取压的两个取压口分别位于孔板上下端面与管壁的夹角处 取压口可以是环隙取压口和单独钻孔取压口 环隙取压利用左右对称的两个环室把孔板夹在中间，通常要求 环隙在整个圆周上穿通管道，或者每个夹持环应至少有四个开 孔与管道内部连通，每个开孔的中心线彼此互成等角度，再利 用导压管把孔板上下游的压力分别引出 当采用单独钻孔取压时，取压口的轴线应尽可能以90°与管道 轴线相交
f A
流量与转子高度h成线性关系
qm h
2V ( t f ) g f A
式中的其它参数为常数
式中：φ为仪表常数；h为转子浮起的高度。
转子流量计的锥形管一般采用透明材料制成，在锥形管上 刻有流量读数，用户只要根据转子高度来读取读数。 转子流量计一般只适用于就地指示。对配有电远传装置的 转子流量计，也可以把反应流量大小的转子高度h转换为电
——节流原理
流动流体的能量有两种形式：静压能和动能。流体由于有压力而具有静压 能，又由于有流动速度而具有动能，这两种形式的能量在一定条件下是可 以相互转化的。
1 2 3
v1
v2
v3
流速
v1
v2
v3
静压
pmax
p
p1
p2
p3
节流装置的作用：造成流束局部收缩，从而产生压差 对于不可压缩流体： 伯努里方程： P1/ρ 1+V12/2=P2/ρ 2+V22/2 流体连续性方程： AV1ρ 1=aV2ρ 2 对于不可压缩流体： ρ =ρ 1=ρ 2
——节流式流量计误差产生的原因
H
孔板本身原因：
直角边缘不锐利 d太大
P ( ) P (
)
测量值偏小
h

测量值偏小
D d
h太大
P (
)
测量值偏大
安装不好，孔板弯曲
可大可小
5.3 转子流量计
在工业生产中经常遇到小流量的测量，因其流体的流速低，这就要求测
量仪表有较高的灵敏度，才能保证一定的精度。转子流量计特别适宜于 测量管径50mm以下管道的流量，测量的流量可小到每小时几升。
减去流体对转子的浮力，此时转子就停浮在一定的
高度上。 若流体流量突然由小变大时，作用在转子上的向上 的力就加大，转子上升，环隙增大，即流通面积增 大。随着环隙的增大，使流体流速变慢，流体作用 在转子上的向上力也就变小。这样，转子在一个新 的高度上重新平衡。这样，转子在锥形管中平衡位 置的高低h与被测介质的流量大小相对应。
(b) 喷嘴
(c) 文丘里管
把流体流过阻力件使流束收缩造成压力变化的过程称节流过 程，其中的阻力件称为节流件。 作为流量检测用的节流件有标准的和特殊的两种。 标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。 对于标准化的节流件，在设计计算时都有统一标准的规定、 要求和计算所需的有关数据及程序，可直接按照标准制造；安装 和使用时不必进行标定。 特殊节流件主要用于特殊介质或特殊工况条件的流量检测， 它必须用实验方法单独标定。 相比而言，标准孔板制作最简单，使用也最广泛，以下只介绍标准孔板，
qv
p
节流装置 引压管
p
差压变送器
Io
显示仪表/控制器
在各种标准的节流装置中以标准孔板的应用最为广泛，它具有结构简单、
安装使用方便的特点，适用于大流量的测量。孔板的最大缺点是流体流经
节流件后压力损失较大，当工艺管路不允许有较大的压力损失时，一般不 宜选用孔板流量计。标准喷嘴和标准文丘里管的压力损失较小，但结构比 较复杂，不易加工。
α 为流量系数
ε 为可膨胀性系数
A0为节流件的开孔面积 ρ 为节流装置前的流体密度
Δ P节流装置前后实际测得的压差
α 主要与节流装置的型式、取压方式、流体的流动状态（如雷诺
数）和管道条件等因素有关。因此，是一个影响因素复杂的综合性参
数，也是节流式流量计能否准确测量流量的关键所在，雷诺数大于某 一数值（界限雷诺数）时，α 值可认为是一常数。对于标准节流装置， 可以从有关手册中查出；对于非标准节流装置，其值要由实验方法确 定。
直接测量法和间接测量法两类。
直接测量法可以直接测量出管道中的体积流量或质 量流量 间接测量法则是通过测量出流体的(平均)流速， 结合管道的截面积、流体的密度及工作状态等参数计算 得出。
流量大与小没有绝对的分界线。
5.2 节流式流量计
节流式流量计也称为差压式流量计，它是目前工业生产过程中流
量测量最成熟、最常用的方法之一。
1
2 2 M=1.252 D 1P (kg/h)
Q=K（Δ P）1/2
——流量方程
1 2 3
v1
v2
v3
根据流体力学中的伯努利方程，可以推
导得出节流式流量计的流量方程，也就
是差压和流量之间的定量关系式：
流速
v1
v2
v3
静压
pmax
p
qv A0
2

p
p1
p2
p3
qm A0 2 p