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第三章 流量检测
内容提要:
1. 差压式流量计
2. 转子流量计
3. 旋涡流量计
4. 质量流量计
5.
其他流量计
★8学时★
基本概念：
介质流量是控制生产过程达到优质高产和安全生产以及进行经济核算所必需的一个重要参数。
流量大小：单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即瞬时流量。 总量：在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。
1.差压式流量计
差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。
通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以及显示仪表所组成。
节流现象与流量基本方程式 （1）节流现象
流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。节流装置包括节流件和取压装置。
如图3-1孔板装置及压力、流速分布图
注意：要准确测量出截面Ⅰ、Ⅱ处的压力有困难，因为产生最低静压力p2′的截面Ⅱ的位置随着流速的不同会改变。因此是在孔板前后的管壁上选择两个固定的取压点，来测量流体在节流装置前后的压力变化。因而所测得的压差与流量之间的关系，与测压点及测压方式的选择是紧密相关的。
（2）节流基本方程式
流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的。
p F M p
F Q ?=?=101
22
ρεαραε
可以看出：要知道流量与压差的确切关系，关键在于α的取值。流量与压力差ΔP 的平方根成正比。
标准节流装置
国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。 标准化的具体内容包括节流装置的结构、尺寸、加工要求、取压方法、使用条件等。 例：如图（孔板断面示意图），标准孔板对尺寸和公差、粗糙度等都有详细规定。
其中d／D应在0.2～0.8之间；最小孔径应不小于12.5mm；直孔部分的厚度h＝（0.005～0.02）D；总厚度H＜0.05D；锥面的斜角α＝30°～45°等等，需要时可参阅设计手册。
我国规定：标准节流装置取压方法分为角接取压法、法兰取压法。
例：标准孔板采用角接取压法和法兰取压法，标准喷嘴为角接取压法。
如图：环式取压结构
１—管道法兰；2—环室；3—孔板；4—夹紧环
环室取压法能得到较好的测量精度，但是加工制造和安装要求严格，如果由于加工和现场安装条件的限制，达不到预定的要求时，其测量精度仍难保证。所以，在现场使用时，为了加工和安装方便，有时不用环室而用单独钻孔取压，特别是对大口径管道。
优点缺点
标准孔板应用广泛，结构简单，安装
方便，适用于大流量的测量流体经过孔板后压力损失大，当工艺管道上
不允许有较大的压力损失时，便不宜采用。
标准喷嘴和
标准文丘里管
压力损失较孔板小结构比较复杂，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，而且流体应当清洁，充满全部管道，不发生相变。
节流装置将管道中流体流量的大小转换为相应的差压大小，但这个差压信号还必须由导压管引出，并传递到相应的差压计，以便显示出流量的数值。
差压式流量计的测量误差
在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差，有的甚至高达10％～20％。
注意：不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造，更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等，才能保证差压式流量计有足够的实际测量精度。
误差产生的原因：被测流体工作状态的变动；节流装置安装不正确；孔板入口边缘的磨损；导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象；差压计安装或使用不正确。
导压管要正确地安装，防止堵塞与渗漏，否则会引起较大的测量误差。对于不同的被测介质，导压管的安装亦有不同的要求，下面分类讨论。
如图3-3测量液体流量时的取压点位置
如图3-4测量液体流量时的连接图
1—节流装置；2—引压导管；3—放空阀；4—平衡阀；5—差压变送器；6—贮气罐；7
—切断阀
① 测量液体的流量时，应该使两根导压管内都充满同样的液体而无气泡，以使两根导压管内的液体密度相等。
a) 取压点应该位于节流装置的下半部，与水平线夹角α为0°～45°。 b) 引压导管最好垂直向下，如条件不许可，导压管亦应下倾一定坡度（至少1∶20～1∶10），使气泡易于排出。
c) 在引压导管的管路中，应有排气的装置。
② 测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。 a) 取压点应在节流装置的上半部。
b) 引压导管最好垂直向上，至少亦应向上倾斜一定的坡度，以使引压导管中不滞留液体。
c) 如果差压计必须装在节流装置之下，则需加装贮液罐和排放阀，如图3-5。
③ 测量蒸汽的流量时，要实现上述的基本原则，必须解决蒸汽冷凝液的等液位问题，以消除冷凝液液位的高低对测量精度的影响。常见的接法见图3-6所示。
差压计或差压变送器安装或使用不正确也会引起测量误差。
由引压导管接至差压计或变送器前，必须安装切断阀1、2和平衡阀3，构成三阀组，如图3-7所示。
测量腐蚀性（或因易凝固不适宜直接进入差压计）的介质流量时，必须采取隔离措施。常用的两种隔离罐形式如图3-8所示。 2.转子流量计
工作原理：以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。如图3-9所示。
转子流量计中转子的平衡条件是
()()A p p g V f t 21-=-ρρ
()A
g
V p p p f t ρρ-=
-=?21
根据转子浮起的高度就可以判断被测介质的流量大小
p h M f ?=ρφ2
或p h
Q f
??=ρφ2
将()A
g
V p p p f t ρρ-=
-=?21代入以上两式：
()A
gV h
M f
f t ρρρφ-=2
或()
A
gV h
Q f f t ρρρφ-=2
电远传式转子流量计
它可以将反映流量大小的转子高度h 转换为电信号，适合于远传，进行显示或记录。 LZD 系列电远传式转子流量计主要由流量变送及电动显示两部分组成。 流量变送部分如图所示：差动变压器结构
转换原理：若将转子流量计的转子与差动变压器的铁芯连接起来，使转子随流量变化的运动带动铁芯一起运动，那么，就可以将流量的大小转换成输出感应电势的大小。
电动显示部分（如图：LTD 系列电远传转子流量计）
转子流量计的指示值修正（教材中不涉及，选学）
转子流量计的流量标尺上的刻度值，对用于测量液体来讲是代表20℃时水的流量值，对用于测量气体来讲则是代表20℃，0.10133MPa 压力下空气的流量值。所以，在实际使用时，要根据具体体情况进行修正。
（1）液体流量测量时的修正
()A
gV h
Q w w t ρρρφ-=20
如果被测介质的黏度与水的黏度相差不大，可近似认为Φ是常数，则有
()
A
gV h
Q f f t f ρρρφ-=2
整理后得
()()f Q f w
f t
f
w t Q K Q Q =?--=
ρρρ
ρρρ0
()()w
f t
f
w t Q K ρρρ
ρρρ--=
同理可导得质量流量的修正公式为
()f M f w
f w t w
f M K M Q =?--=
ρρρρρρ0
()w f f t w
t M K ρρρρρρ--=
当采用耐酸不锈钢作为转子材料时，ρt ＝7.9g/cm3，水的密度ρw ＝1g/cm3，代入（3-34）与式（3-36）得
f
f Q K ρρ-=
9.79.6
()f f M K ρρ-=
9.79
.6
当介质密度ρf 变化时，密度修正系数KQ 、KM 的数值见下表。 密度修正系数表
ρt
KQ
KM
ρt
KQ
KM
ρt
KQ
KM
0.40 0.670 1.516 0.95 0.971 1.022 1.50 1.272 0.847 0.45 0.646 1.435 1.00 1.000 1.000 1.55 1.297 0.837 0.50 0.683 1.365 1.05 1.028 0.979 1.60 0.323 0.827 0.55 0.719 1.307 1.10 1.056 0.960 1.65 1.351 0.818 0.60 0.754 1.256 1.15 1.084 0.943 1.70 1.376 0.809 0.65 0.787 1.211 1.20 1.111 0.927 1.75 1.401 0.800 0.70 0.819 1.170 1.25 1.139 0.911 1.80 1.427 0.792 0.75 0.851 1.134 1.30 1.165 0.897 1.85 1.453 0.785 0.80 0.882 1.102 1.35 1.193 0.884 1.90 1.477 0.778 0.85 0.912 1.073 1.40 1.220 0.872 1.95 1.504 0.771 0.90
0.944
1.046
1.45
1.245
0.859
2.00
1.529
0.764
例：现用一只以水标定的转子流量计来测量苯的流量，已知转子材料为不锈钢，ρt ＝7.9g/cm3，苯的密度为ρf ＝0.83g/cm3。试问流量计读数为3.6L/s 时，苯的实际流量是多少？
解：由式：f
f Q K ρρ-=
9.79.6或查上表：9.0=Q K
将此值代
入
式
()()f
Q f w
f t
f
w t Q K Q Q =?--=
ρρρ
ρρρ0，得
s L Q K Q Q f /46.39
.0110=?=?=
即苯的实际流量为4L/s 。 （2）气体流量测定时的修正
对被测介质的密度、工作压力和温度均需进行修正。
当已知仪表显示刻度Q0，要计算实际的工作介质流量时，可按下式修正。
001001101111Q K K K Q T T p p Q T
P ???=???=
ρρρ 注意：上式计算得到的Q １是被测介质在单位时间（小时）内流过转子流量计的标准状
态下的容积数（标准立方米），而不是被测介质在实际工作状态下的容积流量。
例：某厂用转子流量计来测量温度为27℃，表压为0.16MPa 的空气流量，问转子流量计读数为38Nm3/h 时，空气的实际流量是多少？
解 已知Q0＝38Nm3/h ，p1＝0.16＋0.10133＝0.26133MPa ，T1＝27＋273＝300K ，T0＝293K ，p0＝0.10133MPa ， ρ1＝ρ0＝1.293Kg/Nm3。
将上列数据代入上式，便可得
h Nm Q /3.6038300
293
10133.026133.0293.1293.131≈???=
即这时空气的流量为60.3Nm3/h 。
（3）蒸汽流量测量时的换算
转子流量计用来测量水蒸气流量时，若将蒸汽流量换算为水流量，可按式
()f M f w
f w t w
f M K M Q =?--=ρρρρρρ0计算。
若转子材料为不锈钢，ρt ＝7.9g/cm3，则有
()f f
f f w f f t w t M M Q ρρρρρρρρ1000
9.719.70?--=??--=
当t f ρρ<<时，f f
M Q ?=ρ1
56
.290
可以看出：若已知某饱和蒸汽（温度不超过200℃）流量值时，可从上式换算成相应的
水流量值，然后按转子流量计规格选择合适口径的仪表。
3.漩涡流量计
特点：精度高、测量范围宽、没有运动部件、无机械磨损、维护方便、压力损失小、节能效果明显。
卡曼涡街：
漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。
满足h ／L ＝0.281时，则所产生的涡街是稳定的。由圆柱体形成的卡曼漩涡，其单侧漩涡产生的频率为
d
v St f ?
=
漩涡频率的检测方法：热敏检测法、电容检测法、应力检测法、超声检测法
如图：圆柱检出器原理图
图3-34 圆柱检出器原理图
1—空腔；2—圆柱棒；3—导压
孔；4—铂电阻丝；5—隔墙
１—空腔；2—圆柱棒；3—导压孔；4—铂电阻丝；5—隔墙
4.质量流量计
直接式质量流量计
科氏力流量计的测量原理是基于流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力。
如图：科氏力流量计测量原理
质量流量
r
K
M S
ω
θ
4
=
优点：能够直接测量质量流量，不受流体物性（密度、黏度等）的影响，测量精度高；测量值不受管道内流场影响，没有上、下游直管段长度的要求；可测各种非牛顿流体以及黏滞和含微粒的浆液。
缺点：它的阻力损失较大；零点不稳定；管路振动会影响测量精度。
间接式质量流量计
（1）测量体积流量Q的仪表与密度计配合（如图）
质量流量：Q
K
xy
ρ
=