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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,精密测试理论与技术,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十三章流量的测量,第一节 概述,第二节 流量与流体基础知识,第三节 流量测量方法及仪表,第十三章流量的测量第一节 概述,第一节 概述,一、流量测量的应用,工业生产过程：作为自动化控制系统的检测仪表和测量物料数量的总量表,能源计量：水、天然气、蒸气、油品,环境保护工程：烟气、废液、污水排放的检测,交通运输：管道输送的物料的检测,生物技术：血液、药液、营养液,海洋气象、江河湖泊监测,第一节 概述一、流量测量的应用工业生产过程：作为自动化控制系,第一节 概述,二、流量的概念,流体在单位时间内流经管道某截面的体积或质量，前者称体积流量（,m,3,/s),，后者称质量流量,(kg/s),。,在截面上速度,v,均匀,体积流量,：,流体总量,：,第一节 概述二、流量的概念在截面上速度v均匀体积流量：流体总,流量的概念,质量流量,：,流体总量,：,流量的概念质量流量：流体总量：,第二节 流量与流体基础知识,一、流体的密度,单位体积的流体所具有的质量称为流体密度，用数学表达式表示为：,M,流体质量；,V,流体体积；,流体的密度,。,流体密度是温度和压力的函数。,单位是千克米,3,(kg/m,3,),。,第二节 流量与流体基础知识一、流体的密度,第二节 流量与流体基础知识,二、粘性和粘度,液体在流动时，在其分子间产生内摩察的性质，成为液体的,粘性,。,衡量流体粘性大小的物理量称为,粘度,。,表征流体粘度的有,动力粘度、运动粘度,等。,第二节 流量与流体基础知识二、粘性和粘度表征流体粘度的有动力,第二节 流量与流体基础知识,1.,动力粘度,流体运动过程中,接触流体层间的内摩察力（粘滞力）,与流体的速度梯度和接触面积成正比，并与流体粘性有关：,上式称为牛顿粘性定律。,F,粘滞力；,A,接触面积；,流体垂直于速度方向的速度梯度；,动力粘度，牛顿,秒,/,米,2,=Pa s,。,2.,运动粘度,流体的动力粘度与流体密度的比值称为运动粘度,运动粘度,v,的单位为米,2,/,秒（,m,2,/s,）,第二节 流量与流体基础知识1. 动力粘度上式称为牛顿粘性定律,第二节 流量与流体基础知识,3.,雷诺数,雷诺数是流体流动的惯性力与粘滞力之比：,流动横截面的平均流速，（,m/s,）；,动力粘度，（,NS/m,2,）；,运动粘度,，（,m,2,/S,）,。,流体的密度，,(,kg/m,3,),；,特征长度，（,m,）；,雷诺数（无量纲数）；,第二节 流量与流体基础知识3. 雷诺数雷诺数是流体流动的惯性,第二节 流量与流体基础知识,三、管流类型,1.,单相流和多相流,管道中只有一种均匀状态的流体流动称为单相流；两种以上不同相流体同时在管道中流动称为多相流。,2.,可压缩和不可压缩流体的流动,流体可分为可压缩流体和不可压缩流体， 所以流体的流动也可分为可压缩流体流动和不 可压缩流体流动两种。,3.,稳定流和不稳定流,当流体流动时，若其各处的速度和压力仅和流体质点所处位置有关，而与时间无关，则流体的这种流动称为稳定流；,若其各处的速度和压力不仅和流体质点所处的位置有关，而且与时间有关，则流体的这种流动称为不稳定流 。,第二节 流量与流体基础知识三、管流类型1. 单相流和多相流,第二节 流量与流体基础知识,4.,层流与紊流,层流中流体沿轴向作分层平行流动，各流层质点没有垂直于主流方向的横向运动，互不混杂，有规则的流线。,紊流状态管内流体不仅有轴向运动，而且还有剧烈的无规则的横向运动 。,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。,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。,圆管内的流体速度分布,Re,2320,时为层流，,Re,2320,时为紊流,第二节 流量与流体基础知识4. 层流与紊流在层流流动状态下，,第二节 流量与流体基础知识,四、流体流动的连续性方程,连续性方程示意图,流体在管道内作稳定流动的情况：,=,=,常数,是平均流速,是流体密度,是截面面积,即,流体在稳定流动，且不可压缩时，流过各截面流体的质量为常量。,因此利用上式，很方便的求出流体流过管道不同截面时的流速。,第二节 流量与流体基础知识四、流体流动的连续性方程连续性方程,第二节 流量与流体基础知识,五、流体流动的伯努利方程,当理想流体在重力作用下在管内稳定流动时，对于管道中任意两个截面,和,有如下关系式：,重力加速度,截面,和,相对基准线的高度；,截面,和,上流体的静压力；,截面,和,上流体的平均流速。,伯努利方程示意图,截面,和,之间单位质量实际,流体流动产生的能量损失。,第二节 流量与流体基础知识五、流体流动的伯努利方程,第三节 流量测量方法及仪表,一、流量测量方法及仪表分类,1.,测量方法,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,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,2.,流量仪表的分类,测量,流体总量,的仪表,测量,瞬时流量,的仪表,第三节 流量测量方法及仪表一、流量测量方法及仪表分类利用伯努,第三节 流量测量方法及仪表,（,1,）,流体总量表,容积式流量表,用一个固定容量的容积连续测量被测介质，最后根据称量的次数决定流过的总量。各种结构、特点不同，主要有：椭圆齿轮式、腰轮式、活塞式、括板式,速度式流量计,利用流体流过仪表时推动叶轮旋转，叶轮转动正比于流过介质的总量。叶轮带动计数齿轮机构、计数器显示读数，如水表。特点：结构简单，精度低,2%,第三节 流量测量方法及仪表（1）流体总量表,第三节 流量测量方法及仪表,（,2,）,瞬时流量计,差压式流量计,(Differential Pressure Flowmeter),（占,80%,）,阻力式流量计,(Resistance Flowmeter),转子式（浮子式） 靶式,测速式流量计,(Velocity Flowmeter),涡轮式 电磁式 超声波式,热量式 皮托管式 标志式,流体振动式,(Vibration Flowmeter),卡曼涡街流量计,旋进漩涡式流量计,射流振荡式流量计,第三节 流量测量方法及仪表（2）瞬时流量计,总量测量仪表,二、容积式流量计（定排量流量计）,1.,椭圆齿轮流量计,特点：适合测量粘度较大的纯净（无颗粒）液体的总量,准确度高（,0.30.5,),加工复杂，成本高，齿轮易磨损，不适宜瞬时流量测量,椭圆齿轮流量计原理图,每转一周，两个齿轮共送出,四个,标准体积的流体,总量测量仪表二、容积式流量计（定排量流量计）特点：适合测量粘,总量测量仪表,总量测量仪表,2.,腰轮流量计,特点：不仅可以测量液体，还可测量气体,准确度高，可达,0.1,，并可做标准表使用,最大流量可达,1000m,3,/h,总量测量仪表,腰轮流量计原理图,腰轮上没有齿，是由一对圆弧和摆线围成的中间凹进的腰形光轮,2. 腰轮流量计特点：不仅可以测量液体，还可测量气体 总量测,容积式流量计的误差,流量较小时,，误差为负值，在流量增大时、误差为正值，且基本保持不变,(,曲线,1),。,流量过大时,，如果流量计前后压差较大，泄漏量增大，会使误差不能保持恒定，出现图中曲线,2,所示的情况,粘度的影响：,在粘度较小时，泄漏量增大，误差曲线向负的方向倾斜较大，粘度较大时，误差曲线几乎是平的。一般要求粘度在,0.5%1%,之间,总量测量仪表,仪表指示值,I,可以线性地表示为：,I,=,N,容积式流量计误差曲线,容积式流量计的误差流量较小时，误差为负值，在流量增大时、,总量测量仪表,圆齿轮式,螺杆式,总量测量仪表圆齿轮式螺杆式,总量测量仪表,安装示例,总量测量仪表安装示例,差压式流量计,三、差压式流量计,1.,差压式流量计原理,由伯努利方程得到：,由连续性方程得到：,=,流体流经节流件时压力和流速变化情况,差压式流量计三、差压式流量计由伯努利方程得到：由连续性方程,差压式流量计原理,可以求出：,体积流量：,质量流量：,差压式流量计原理 可以求出：体积流量： 质量流量：,差压式流量计原理,以实际采用的某种取压方式所得到的压差,来代替,的值；同时引入流出系数,C,（或流量系数,）对上式进行修正：,对于可压缩流体，还需考虑节流过程中流体密度的变化而引入流束膨胀系数,差压式流量计原理以实际采用的某种取压方式所得到的压差来代替的,差压式流量计原理公式,质量流量：,流量公式表明，当,、,、,A,、,1,均为常数时，,流量与差压的平方根,成比例。,体积流量：,差压式流量计原理公式质量流量： 流量公式表明，,差压式流量计,2.,节流装置,全套的标准节流装置,节流体,法兰,前测量管,环室,后测量管,差压式流量计主要由两部分组成：,节流装置,和测量静压差的,差压计,。,节流装置是安装在流体管道中，使流体的流通截面发生变化，引起流体静压变化的一种装置。,差压式流量计2.节流装置全套的标准节流装置节流体法兰前测量,节流装置,标准节流装置由以下部分组成：,（,1,）,节流元件；,（,2,）,取压装置；,（,3,）,节流装置前后的光管段。,节流装置标准节流装置由以下部分组成：,标准节流装置,a.,标准孔板,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。,结构简单，加工方便，价格便宜,压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质，测量大管径高温高压介质时，孔板易变形。,标准孔板,标准节流装置a. 标准孔板 标准孔板是一块具有与管道同,标准节流装置,b.,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。,喷嘴,标准节流装置b. 标准喷嘴 标准喷嘴是一种以管道轴线,标准节流装置,c.,文丘利管,文丘利管有两种标准型式：经典文丘利管与文丘利喷嘴。文丘利管压力损失最低，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。,文丘利管,标准节流装置c. 文丘利管文丘利管,3.,取压方式,国际上采用的取压方式有：,取压方式,角接取压法,、,段,法兰取压法,、,段,理论取压法,、,段,径距取压法,、,段,管接取压法,、,段,各种取压点的位置,3.取压方式取压方式角接取压法、段各种取压点的位置,取压方式,差压式流量计是通过测量节流件前后压力差,p,来实现流量测量的，而压力差,p,的值与取压孔位置和取压方式紧密相关。节流装置的取压方式有以下,5,种：,（,1,）,角接取压：,上下游取压管,位于孔板,(,或喷嘴,),的,前后端面处,。角接取压包括单独钻孔和环室取压。,（,2,）,法兰取压：,上下游侧取压孔,的轴线至孔板上、下游侧端面之间的距离均为,25.40.8mm,（,1 inch),。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上。,取压方式 差压式流量计是通过测量节流件前后压力差p来,取压方式,（,3,）径距取压：,上游侧取压孔,的轴线至孔板上游端面的距离为,1,D,m,0.1,D,m,，,下游侧取压孔,的轴线至孔极下游端面的距离为,0.5,D,m,。（,D,m,管道直径）。,（,4,）理论取压：,上游侧取压孔,的轴线至孔板上游端面的距离为,l,D,m,0.1,D,m,，,下游侧取压孔,的轴线至孔板上游端面的距离因,值不同而异。该距离,理论上就是流束收缩到最小截面,的距离。,（,5,）管接取压：,上游侧取压孔,的轴线至孔板上游端面的距离为,2.5,D,m,，下游侧取压孔的轴线至孔板下游端面的距离为,8,D,m,。该方法使用很少。,取压方式 （3）径距取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的,取压方式,法兰取压装置,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，容易实现环室取压，测量精度较高。法兰取压法结构较简单，容易装配，计算也方便，但精度较角接取压法低些。,角接取压装置,取压方式法兰取压装置 目前广泛采用的是角接取压法，其次,测量管道条件,当现场难以满足直管段的最小长度要求或有扰动源存在时，可考虑在节流件前安装流动整流器，以消除流动的不对称分布和旋转流等情况。安装位置和使用的整流器型式在标准中有具体规定。,测量管道截面应为圆形，节流件及取压装置安装在两圆形直管之间。节流件附近管道的圆度应符合标准中的具体规定。,测量管道条件 当现场难以满足直管段的最小长度要求或有扰动,国家规定为减少光管段对测量的影响，要求测量精度较高时，应将,节流件、环室、上游段侧,10D,长,的前测量管及,下游段,5D,长的后测量管先行组装并进行实际尺寸测试，作为测量管道，而且要求加工精度要高，尤其对前测量管的,0,、,0.5,、,1,和,2D,处进行四次测量取平均值，并要求其与单次测量差在,0.3%,，后测量管,0,、,2D,处要求,2%,以内,测量管道条件,国家规定为减少光管段对测量的影响，要求测量精度较,其他附件,导压管：把节流装置产生的压差引入导差压计中去,冷凝器：用来使导压管中被测介质中的水蒸气冷凝,集气器：防止气泡进入导压管,沉降器：聚集液体中沉积的杂质或被测气体中的冷凝水和灰尘等,隔离器：在隔离器中填充隔离液，使被测介质与差压计隔离,其他附件导压管：把节流装置产生的压差引入导差压计中去,测量原理,利用改变流通面积的方法来测量流量,流体阻力式流量计,四、 流体阻力式流量计,1.,浮子流量计,浮子流量计原理图,V,f,为浮子的体积，,A,0,为环形流通区域的面积，,A,f,为浮子的最大迎流面积，,是流量系数，,0,为流体的密度，,f,为浮子的密度,测量原理 流体阻力式流量计四、 流体阻力式流量计浮子流量计,浮子流量计,流通面积与浮子高度的关系,q,V,和,h,近似为线性关系,环形流通面积,A,0,与浮子高度,h,之间是函数关系，但非线性关系,浮子流量计流通面积与浮子高度的关系qV 和 h 近似为线性关,特性,（,1,）浮子形状对流量系数的影响,浮子流量计,（,2,）密度,(Density),对测量影响：标度时需标明被测介质的名称、密度、粘度、温度和压力,浮子形状,型：气体，小流量且流量系数小的场合,型：液体，大流量且流量系数大的场合,型：粘度,(Viscosity),变化对流量指示影响小的场合，使用较少,特性浮子流量计（2）密度(Density)对测量影响：标,浮子流量计,浮子流量计,流体阻力式流量计,靶式流量计结构图,2.,靶式流量计,力平衡式,变送器,密封膜片,靶杆,靶,测量导管,靶式流量计是一种适用于,测量高粘度、低雷诺数流体流量的流量,测量仪表，例如用于测,量重油、沥青、含固体颗粒的浆液及腐蚀性介质的流量。,流体阻力式流量计靶式流量计结构图2. 靶式流量计力平衡式密,靶式流量计,当介质流过时，靶受到流体的作用力。这个力由两部分组成，一部分是流体和靶表面的摩擦力，另一部分是由于流束在靶后分离，产生压差阻力，阻力为,式中，,F,为靶受到流体的阻力；,为阻力系数；,A,1,为靶迎流面积，,d,为靶直径；,v,为靶和管壁间环面积中的平均流速；,为介质密度。,靶式流量计 当介质流过时，靶受到流体的作用力。这个力,靶式流量计,流量与靶输出力,F,的平方根成正比测量靶所受的力,F,，就可以测定被测介质的流量,力平衡靶式流量计,靶式流量计流量与靶输出力F的平方根成正比测量靶所受的力F，,五、测速式流量计,速度式流量计通过测量管道内流体流速,v,来进行流量测量。,若测得管道截面上的,平均流速,v,，则流体的体积流量,q,v,A,v,。,若测得管道横截面上,某一点,的流速,v,，则,q,v,K,A,v,，,K,为平均流速与被测点流速的比值，它与管道内流速分布有关。,测速式流量计,五、测速式流量计测速式流量计,测速式流量计,电磁流量计,涡轮流量计,超声流量计,测速式流量计电磁流量计,测速式流量计,1.,电磁流量计,电磁流量计,(Electromagnetic Flowmeter),是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量,导电液体体积流量,的仪表,电磁式流量计原理图,测速式流量计1. 电磁流量计电磁流量计(Electromag,电磁式流量计,电磁式流量计结构图,法兰盘,外壳,接线盒,密封橡皮,导管,密封线圈,激励线圈,铁心,调零电位器,可以测量腐蚀性介质，以及带有悬浮颗粒的浆液,；无机械惯性，反应灵敏，可以测量脉冲流量；线性较好，可以直接进行等分刻度。,只能测量导电液体,，因此对于气体、蒸气以及含大量气泡的液体，或者电导率很低的液体不能测量；不能用于测量高温介质。,电磁式流量计电磁式流量计结构图法兰盘外壳接线盒密封橡皮导管密,测速式流量计,涡轮流量计结构图,2.,涡轮流量计,涡轮流量计,以动量矩守恒原理为基础,，流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，,涡轮旋转速度,随,流量,的变化而变化,，由涡轮的转数可求出流量值,测速式流量计涡轮流量计结构图2. 涡轮流量计涡轮流量计以动,涡轮流量计,优点,:,其测量准确度高,(0.25%1.5%),复现性和稳定性均好；量程范围宽,刻度线性；耐高压，压力损失；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精度要求高、流量变化快的场合，还用作标定其他流量的标准仪表。,涡轮流量计优点: 其测量准确度高(0.25%1.5%,涡轮流量计,涡轮流量计,测速式流量计,3.,超声流量计,根据作用原理不同，有传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速,液面法等多种方法。,传播速度法：,测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到被测流体的流速,超声测速原理,测速式流量计3. 超声流量计 根据作用原理不同，有传,超声流量计,超声流量计测量原理图,安装两个超声波发射换能器,F1,和,F2,，以及两个接收换能器,J1,和,J2,。,F1,、,J1,和,F2,、,J2,与管道轴线夹角为,a,，管径为,D,，流体由左向右流动，速度为,v,，此时由,F1,到,J1,超声波传播速度为：,F,2,到,J,2,超声波传播速度为,：,超声流量计超声流量计测量原理图 安装两个超声波,超声流量计,时差法,如果超声波发生器发射一短小脉冲，其顺流传播时间为,而逆流传播的时间为,超声流量计 时差法如果超声波发生器发射一短小脉冲，其顺流传播,超声流量计,相差法,超声波换能器向流体连续发射形式为 超声波信号，式中,为超声波的角频率。,按顺流方向发射时收到的信号相位,按逆流方向发射时收到的信号相位,超声流量计相差法超声波换能器向流体连续发射形式为,超声流量计,顺流和逆流时收到的声波信号的相位差为：,超声流量计顺流和逆流时收到的声波信号的相位差为：,超声流量计,频差法（声环法）,顺流时脉冲循环频率：,逆流时脉冲循环频率：,脉冲循环频差：,流体流速,:,超声流量计 频差法（声环法）顺流时脉冲循环频率：,超声流量计,超声波流量计的特点与应用,超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示系统组成。超声波换能器通常由压电材料制成，通过电致伸缩效应和压电效应，发射和接收超声波。换能器在管道上的配置方式如图所示,主要用于测量水的流量。适用于大型圆形管道和矩形管道，且原理上不受管径限制，其造价基本上与管径无关,超声波换能器在管道上的配置方式,超声流量计超声波流量计的特点与应用 超声波流量计,超声流量计,超声流量计,振动式流量计,六、振动式流量计,振动流量计是,60,年代末期发展起来的一种较新的流量测量技术。它具有如下一些特点：,可得到与流量成正比的频率输出信号,；,被测流体本身就是振动体,，无机械可动部件，几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响；,涡街流量计（,Vortex flow meter,),是利用流体流过阻碍物时产生稳定的漩涡，通过测量其漩涡产生频率而实现流量计量的,。,振动式流量计六、振动式流量计,振动式流量计,“,卡门涡街,”,原理：在均匀流动的流体中放置一根其,轴线与流向垂直的非流线形柱形体,(,加三角柱、圆柱等,),，称之为漩涡发生体，当流体沿漩涡发生体绕流时，会在两侧产生,旋转方向相反、交替出现的漩涡，并随着流体流动，在上下游形成两列不对称的漩涡列，称之为,“,卡门涡街,”,。,卡门涡街,振动式流量计 “卡门涡街”原理：在均匀流动的流体中放置一根,振动式流量计,由于漩涡之间的相互影响，其形成通常是不稳定的。冯,.,卡门对涡列的稳定条件进行了研究，于,1911,年得到结论：,只有当两漩涡列之间的距离,h,和同列的两漩涡之间的距离,L,之比满足,所产生的涡街才是稳定的,振动式流量计由于漩涡之间的相互影响，其形成通常是不稳定的。,振动式流量计,圆柱体后漩涡发生的频率为：,圆柱的,Strouhal Number,和,Reynolds Number,关系曲线,振动式流量计圆柱体后漩涡发生的频率为：圆柱的Strouha,振动式流量计,圆柱漩涡发生器,漩涡发生体和检测原理,圆柱形检测器,振动式流量计圆柱漩涡发生器 漩涡发生体和检测原理圆柱形检测,振动式流量计,三角柱体涡街检测器,在三角柱体的迎流面对称地嵌入两个热敏电阻，组成桥路的两臂，以恒定电流加热使其温度稍高于流体，在交替产生的漩涡的作用下，两个电阻被周期地冷却，使其阻值改变，阻值的变化由桥路测出，即可测得漩涡产生频率，从而测出流量,三角柱涡街检测器,振动式流量计 三角柱体涡街检测器三角柱涡街检测器,振动式流量计,T,型检测器,振动式流量计T型检测器,振动式流量计,涡街流量计的特点,优点：,涡街流量计测量精度较高；量程宽；使用寿命长，压力损失小，安装与维护比较方便；,测量几乎不受流体参数变化的影响，用水或空气标定后的流量计无须校正即可用于其它介质的测量,；易与数字仪表或计算机接口，,对气体、液体和蒸汽介质均适用,。,缺点： 流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度，因此,适用于紊流流速分布变化小的情况，并要求流量计前后有足够长的直管段,。,振动式流量计涡街流量计的特点优点： 涡街流量计测,涡街流量计,涡街流量计,
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