3.4 流量检测仪表

1. 3.4 流量检测仪表 • 3.4.1 流量的基本概念 • 3.4.2 差压式流量计 • 3.4.3 靶式流量计 • 3.4.4 转子流量计 • 3.4.5 容积式流量计 • 3.4.6 涡轮流量计 • 3.4.7 涡街流量计 • 3.4.8 电磁流量计

2. 3.4.1 流量的基本概念 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。 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 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 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。 标态下的体积流量

3. 3.4.1 流量的基本概念 • 流量测量仪表也称为流量计。它通常由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表亦称为传感器，二次仪表称为显示装置或变送器。 • 流量测量仪表的种类繁多，各适用于不同场合，其分类见表3-7。 表3-7 流量仪表的分类

4. 3.4.2 差压式流量计 • 差压式流量计基于在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将产生差压，此差压与流体流量之间有确定的数值关系，通过测量差压值便可求得流体流量，并转换成电信号输出，因此，差压式流量计由产生差压的装置和差压计两部分组成，其结构简单，可靠。见图3-34。 • 产生差压的装置有多种形式，包括节流装置；如孔板、喷嘴、文丘里管等。 • 其中，节流式流量计可用于测量液体、气体或蒸汽的流量。节流式流量计中产生差压的装置称为节流装置或节流元件。节流装置分为标准节流装置和非标准节流装置。图3-35给出了三种最常用的标准节流装置的形状。 图3-34 节流式流量计的组成 1-节流元件 2-引压管路 3-三阀组4-差压计

5. 3.4.2 差压式流量计 标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。 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，

6. 1 2 3 流速 静压 节流式流量测量原理 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。

7. 1 2 3 流速 静压 ——流量方程 3.4.1 流量的基本概念 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： 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 ΔP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。 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

8. 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 有手册可查，不要求记 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 ………… 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。

9. 环隙取压 夹持环 流体 单独钻孔取压 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 环隙宽度和单独钻孔取压口的直径 a 通常在4～10mm之间 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。

10. l2(D/2) l1(D) D－D/2取压 法兰取压 l2 l1 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） 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）

11. 节流式流量计的安装 节流件使流体收束，流速增大，压力降低 原理总结： 流体在管道中正常流动（v、p） “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 节流装置 引压管 差压变送器 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。 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。

12. 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。 • 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置。

13. 3.4.3 靶式流量计 在管道中垂直于流动方向安装一圆盘形阻挡件，称之为“靶”，如图3-38所示。。 流体流经靶时，由于受阻将对靶产生作用力F，F与流体流动速度的关系为 式中，K为阻力系数； 为垂直于流速的靶面积；r为流体重度；v为通过环形面积的流速；g为重力加速度。 图3-38 靶式流量计结构原理

14. h 3.4.4 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。 流量变化 压差发生变化 节流面积不变 孔板流量计： 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。

15. ——流量方程 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；ΔP为转子前后的压差；A为转子的最大截面积 转子的平衡关系： 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： 流量与转子高度h成线性关系 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转换为电信号，传送到其它仪表进行显示、记录或控制。

16. ——流量修正 由于转子流量计在生产的时候，是在工业基准状态（20℃，0.10133Mpa）下用水或空气进行刻度的。如果工作状态不同，必须对流量指示值按照实际被测介质的密度、温度、压力等参数的具体情况进行修正。 液体流量测量时的修正 如果某转子流量计的转子高度为h，如果介质为20的℃水，则流量qv0与h的关系满足： 式中：qv0为用水标定时的流量刻度 ρw为水的密度 如果介质不是20的℃水，则流量qvf与h的关系满足： qvf和ρf分别为被测介质的实际流量和密度 如果被测介质的粘度和水的粘度相差不大，可以近似认为φ是常数，则有 刻度流量 实际流量 修正系数

17. ——转子流量计的特点 ①转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量； ②流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高； ③流量计的基本误差约为仪表量程的土2％，量程比可达10：1 ④流量计的测量精度易受被测介质密度、粘度、温度、压力、纯净度、安装质量等的影响。

18. V 3.4.5 容积式流量计——直接测量 “一碗一碗”计量 基本工作原理 转子每旋转一周，就排出四个由椭圆齿轮与外壳围成的半月形空腔的流体体积(4V)。在V一定的情况下，只要测出流量计的转速n就可以计算出被测流体的流量 流量方程 图3-41 椭圆齿轮流量计的工作原理 特点和要求 计量精度高，一般可达0.2～0.5级，有的甚至能达到0.1级 安装直管段对计量精度影响不大，量程比一般为10:1 一般只适用于10～150mm的中小口径。 容积式流量计对被测流体的粘度变化不敏感，特别适合于测量高粘度的流体（例如重油、树脂等）甚至糊状物的流量，但要求被测介质干净，不含固体颗粒，所以一般情况下，流量计前要装过滤器。 由于受零件变形的影响，容积式流量计一般不宜在高温或低温下使用。

19. ω qv 3.4.6 涡轮流量计 基本工作原理 流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化，通过涡轮外的磁电转换装置可将涡轮的旋转转换成电脉冲 流量方程 特点和要求 • 流量与涡轮转速之间成线性关系，量程比一般为1O：1； • 涡轮流量计的测量精度较高，可达到0.5级以上； • 反应迅速，可测脉动流量； • 主要用于中小口径的流量检测； • 仅适用洁净的被测介质，通常在涡轮前要安装过滤装置； • 流量计水平安装，前后需一定长度的直管段，一般上游侧和下游侧的直管段长度要求在10D和5D以上； • 常温下用水标定，当介质的密度和粘度发生变化时需重新标定或进行补偿

20. 3.4.7 涡街流量计 把一个漩涡发生体（非流线型对称物体）垂直插在管道中，当流体绕过漩涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋转方向相反的漩涡，形成涡列，该漩涡列就称为卡门涡街 只有当两列漩涡的间距h与同列中相邻漩涡的间距l满足为h／l＝0.281条件时，卡门涡列才是稳定的。且单列漩涡产生的频率f与流体流速v成正比，与柱体的特征尺寸d（漩涡发生体的迎面最大宽度）成反比，即： 基本工作原理 流量方程 St称为斯特劳哈尔数（无因次数），St主要与漩涡发生体的形状和雷诺数有关。在雷诺数为5000～150000的范围内，St基本上为一常数。 特点和要求 • 涡街流量计输出信号（频率）不受流体物性和组分变化的影响，在一定的雷诺数范围内，几乎不受流体的温度、压力、密度、粘度等变化的影响，故用水或空气标定的漩涡流量计可用于其他液体和气体的流量测量而不需标定； • 管道内无可动部件，使用寿命长，压力损失小；测量精度高（约为士0.5％～1％），量程比20:1； • 尤其适用于大口径管道的流量测量。但是流量计安装时要求有足够的直管段长度，上游和下游的直管段分别要求不少于2OD和5D，漩涡发生体的轴线应与管路轴线垂直。

21. 3.4.8 电磁流量计 基本工作原理 导体切割磁力线，会产生电动势 适用场合 可以检测具有一定电导率的酸、碱、盐溶液，腐蚀性液体以及含有固体颗粒的的液体测量，但不能检测气体、蒸汽和非导电液体的流量。 当导电的流体在磁场中以垂直方向流动而切割磁力线时，就会在管道两边的电极上产生感应电势，感应电势的大小与磁场的强度、流体的速度和流体垂直切割磁力线的有效长度成正比： 流量公式 式中：Ex为感应电势；K为比例系数；B为磁场强度；D为管道直径；v为垂直于磁力线的流体流动速度。 在管道直径D已经确定，磁场强度B维持不变时，流体的体积流量与磁感应电势成线性关系。利用上述原理制成的流量检测仪表称为电磁流量计。

22. ——电磁流量计的特点 测量导管内无可动或突出于管道内部的部件，因而压力损失极小； 只要是导电的，被测流体可以是含有颗粒、悬浮物等，也可以是酸、碱、盐等腐蚀性物质； 流量计的输出电流与体积流量成线性关系，并且不受液体的温度、压力、密度、粘度等参数的影响； 电磁流量计的量程比一般为10:1，精度较高的量程比可达100:1；测量口径范围大，可以从lmm到2m以上，特别适用于lm以上口径的水流量测量；测量精度一般优于0.5级； 电磁流量计反应迅速，可以测量脉动流量； 主要缺点： 被测流体必须是导电的，不能小于水的电导率 不能测量气体、蒸汽和石油制品等的流量 由于衬里材料的限制，一般使用温度为0～200℃； 因电极嵌装在测量导管上的，使工作压力限制(一般≤0.25MPa）

23. ——电磁流量计的安装 可以水平安装，也可以垂直安装，但要求液体充满管道； 直管段要求：前10D，后5D以上； 远离磁场； 变送器前后管道有时带有较大的杂散电流，一般要把变送器前后1～1.5m出和变送器外壳连接在一起，共同接地。