第 8 章流量测量技术

第8章流量测量技术 • 8.1 流量测量的基础知识 • 8.2 流量测量仪表 • 8.3 流量标准装置

背景介绍： 在工农业生产和科学研究试验中，流量都是一个很重要的参数。例如，在石油化工生产过程自动检测和控制中，为了有效地操作、控制和监测，需要检测各种流体的流量。此外，对物料总量的计量还是能源管理和经济核算的重要依据。流量检测仪表是发展生产、节约能源、提高经济效益和管理水平的重要工具。本章内容：介绍流量测量基本知识和常用检测仪表。

8.1 流量测量的基础知识 • 8.1.1流量和流量计 • 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 • 8.1.3 流量测量方法与流量仪表的分类

8.1.1流量和流量计 流量定义：指单位时间内流体(气体、液体或固体颗粒等)流经管道或设备某处横截面的数量，又称瞬时流量。体积流量：当流体以体积表示时称为体积流量。质量流量：当流体以质量表示时称为质量流量。 V--体积；M--质量；t--时间； A--截面面积；ρ--流体的密度

平均流速： 累积流量： 流体在流过截面上各点的流速。体积流量和质量流量关系：

计量单位： 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)。工程上还使用的流量计量单位有：米3／时 (m3／h) 升／分(L／min) 吨／小时(t/h) 升(L) 吨(t)等

8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 1. 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； 流体的密度； V 流体体积。流体密度是温度和压力的函数，单位是(kg/m3)。

2. 流体粘度 流体运动过程中阻滞剪切变形的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，其数学表达式为：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； 表征流体粘性的比例系数。

流体的动力粘度与流体密度的比值称为运动粘 度，即动力粘度的单位为牛顿·秒/米2（N·S/m2），即帕斯卡秒（Pa·S）；运动粘度的单位为（m2/S）。 3. 流体的压缩系数和膨胀系数在一定的温度下，流体体积随压力增大而缩小的特性，称为流体的压缩性；在一定压力下，流体的体积随温度升高而增大的特性，称为流体的膨胀性。

压缩系数： 当流体温度不变而所受压力变化时，其体积的相对变化率： —流体的体积压缩系数，（1／Pa）； —流体的原体积，(m3)； —流体压力增量，(Pa)； —流体体积变化量，(m3)；

膨胀系数： 在一定的压力下，流体温度变化时其体积的相对变化率，即： —流体的体积膨胀系数(1／℃)； —流体的原体积，(m3)； —流体体积变化量，(m3)； —流体温度变化量(℃)。

4. 雷诺数 雷诺数是流体流动的惯性力与粘滞力之比，表示为： —雷诺数（无量纲数）； —流动横截面的平均流速，（m/s）； —动力粘度，（N·S/m2）； —特征长度，（m）； —流体的密度，(kg/m3)； —运动粘度，（m2/S）。

5. 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的位置有关，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，而且与时间出有关，则流体的这种流动称为不稳定流。 (4) 层流与紊流管内流体有两种流动状态：层流和紊流。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。

6. 流速分布与平均流速 流体有粘性，当它在管内流动时，即使是在同一管路截面上，流速也因其流经的位置不同而不同。越接近管壁，由于管壁与流体的粘滞作用，流速越低；管中心部分的流速最快。流体流动状态不同将呈现不同的流速分布。研究具有圆形截面的管内流动情况，当管内流体为层流状态时，沿半径方向上的流速分布可用下式表示：

处的流速； —距管中心距离 —管中心处最大流速； —距管中心径向距离； —管内半径。当管内流体为紊流状态时，沿半径方向上的流速分布为： n—随流体雷诺数不同而变化的系数

圆管内的流速分布 通过测流速求流量的流量计一般是检测出平均流速然后求得流量。对于层流，平均流速是管中心最大流速的0.5倍( )；紊流时的平均流速与值有关：

2.56 10.54 20.56 32.00 7.0 7.3 8.0 8.3 38.4 53.6 70.0 84.4 8.5 8.8 9.0 9.2 110.0 152.0 198.0 278.0 9.4 9.7 9.8 9.9 表8-1 雷诺数与 n的关系

7. 流体流动的连续性方程和伯努利方程(1)连续性方程任取一管段，设截面Ⅰ、截面Ⅱ处的面积、流体密度和截面上流体的平均流速分别为A1、、和A2、、。 = 连续性方程示意图

:重力加速度； :截面Ⅰ和Ⅱ相对基准线的高度；：:截面Ⅰ和Ⅱ上流体的静压力；:截面Ⅰ和Ⅱ上流体的平均流速。 (2) 伯努利方程当理想流体在重力作用下在管内定常流动时，对于管道中任意两个截面Ⅰ和Ⅱ有如下关系式（伯努利方程）：伯努利方程示意图

实际流体具有粘性，在流动过程中要克服流体 与管壁以及流体内部的相互摩擦阻力而作功，这将使流体的一部分机械能转化为热能而耗散。因此，实际流体的伯努利方程可写为： —截面Ⅰ和Ⅱ之间单位质量实际流体流动产生的能量损失。

8.1.3 流量测量方法与流量仪表的分类 1. 流量测量方法流量测量方法大致可以归纳为以下几类： (1)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； (2)通过直接测量流体流速来得出流量的速度式流量测量法； (3)利用标准小容积来连续测量流量的容积式测量； (4)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

3. 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。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。

8.2 流量测量仪表 8.2.1 差压式流量计 8.2.2 容积式流量计 8.2.3 速度式流量计 8.2.4 质量流量计

8.2.1 差压式流量计 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，通过测量差压值求得流体流量。 1. 节流式流量计 1-节流元件 2-引压管路 3-三阀组 4-差压计节流式流量计组成与实物图

测量原理及流量方程 = 流体流经节流件时压力和流速变化情况

—截面1和2上流体的静压力； —截面1和2上流体的平均流速；、 —截面1和2上流体的密度、 —截面1和2上流束直径；体积流量：质量流量：

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 对上式进行修正：

对于可压缩流体，考虑到节流过程中流体密度的变化而引入流束膨胀系数 进行修正采用节流件前的流体密度，由此流量公式可更一般的表示为：

（2）节流装置 ①标准节流装置的适用条件 • 流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是均匀的、单相的，或者可认为是单相的流体。 b. 流体必须充满管道和节流装置且连续流动，流经节流件前流动应达到充分紊流，流束平行于管道轴线且无旋转，流经节流件时不发生相变。 c. 流动是稳定的或随时间缓变的。

②标准节流元件的结构形式 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

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，有ISAl932喷嘴和长径喷嘴两种型式。 ISA1932喷嘴

长径喷嘴

c. 文丘里管 文丘里管有两种标准型式：经典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。

③节流装置的取压方式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五种:③节流装置的取压方式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五种: 节流装置的取压方式

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。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。角接取压装置法兰取压装置

④测量管道条件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。④测量管道条件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。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。

⑤非标准节流装置 a.1/4圆喷嘴 b. 锥形入口孔板 c. 圆缺孔板

⑶标准节流装置的计算 ①流量计算这类计算命题是在管道、节流装置、取压方式、被测流体参数已知的情况下，根据测得的差压值计算被测介质流量。属校核计算，常用在使用现场，所依据的基本公式是流量公式。 ②设计节流装置这类计算命题是要根据用户提出的已知条件以及限制要求来设计标准节流装置，属设计计算。

⑷差压计 差压计与节流装置配套组成节流式流量计。差压计经导压管与节流装置连接，接受被测流体流过节流装置时所产生的差压信号，并根据生产的要求，以不同信号形式把差压信号传递给显示仪表，从而实现对流量参数的显示、记录和自动控制。差压计的种类很多，凡可测量差压的仪表均可作为节流式流量计中的差压计使用。目前工业生产中大多数采用差压变送器。它们可将测得的差压信号转换为0.02-0.1 MPa的气压信号和4-20mA的直流电流信号。

2. 皮托管和均速管流量计⑴皮托管皮托管是一根弯成直角的双层空心复合管，带有多个取压孔，能同时测量流体总压和静压。皮托管结构

皮托管测量原理 皮托管的工作原理可分析如下： L型皮托管皮托管头部迎流方向开有一个小孔A，在距头部一定距离处开有若干垂直于流体流向的静压孔B，各孔所测静压在均压室均压后输出。

皮托管主要应用于HVAC，洁净空间和空气处理领域。 可以测量温度较高的气体和有颗粒的气体，还可测量较高风速。◆静压可达6bar◆温度最高可到650～800℃◆精度：0.5%（指排列顺序）◆测量风速和风量时能保证2%精度）

设流动为不可压缩无粘性流体的稳定流动，驻点处流体的伯努利方程为 ：由此可以得该点的流速为：

考虑到实际测量情况与理论上的差别，引入皮托管系数 (数值由实验确定)对上式进行修正：对于可压缩流体，考虑到压缩性的影响，实际流速计算公式为： )为流体可压缩性修正系数，对不可压缩流体 (1- =0。

⑵均速管流量计 均速管测量流速的原理与皮托管相同，体积流量可由下式确定：

根据流体连续性方程和伯努利方程，转子流量计的体积流量可表示为：根据流体连续性方程和伯努利方程，转子流量计的体积流量可表示为： 3. 转子流量计 ⑴测量原理 —流量系数； —转子与锥形管间的环形流通面积； —流体密度； —差压。测量原理

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