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1、第第1111章章 流量的測量流量的測量Measurement of Flow11.0 序序(Introduction)11.1 容積式流量計容積式流量計 (Positive Displacement Flowmeter)11.2 壓差式流量計壓差式流量計 (Differential Pressure Flowmeter)11.3 流體阻力式流量計流體阻力式流量計 (Flow Resistance Flowmeter)11.4 速度式流量計速度式流量計 (Speed Flowmeter)流體（包括液體和氣體，以及液體、氣體、粒狀固體兩者或三者之間的任意組合）的流量通常指單位時間內(nèi)流過管道某一截面
2、或明渠橫斷面的流體量。流體流量一般可分為體積流量qV和質(zhì)量流量qm，它們之間的關(guān)系為Vmqq式中：為流體的密度。在某一段時間內(nèi)流體流量的總和，稱為總流量。 工業(yè)上常用的流量計量儀表按其工作原理大致可分為容積式、壓差式、流體阻力式和速度式流量計等幾大類。 11.0 序序 (Introduction)（a）（b）（c）11.1 容積式流量計容積式流量計 (Positive Displacement Flowmeter)12.1.1 橢圓齒輪流量計橢圓齒輪流量計 (oval geared flowmeter)容積式流量計是利用機(jī)械測量元件把流體連續(xù)不斷地分隔成單位體積，并進(jìn)行累加而計量出流體總量的儀
3、表。如橢圓齒輪流量計、腰輪轉(zhuǎn)子流量計和比較新型的齒輪流量計等。 l 結(jié)構(gòu)和工作原理 橢圓齒輪流量計主要部分是殼體和裝在殼體內(nèi)的一對相互嚙合的橢圓齒輪，它們與蓋板構(gòu)成了密閉的流體計量室，流體的進(jìn)出口分別位于兩個橢圓齒輪軸線構(gòu)成平面的兩側(cè)殼體上。 流體進(jìn)入流量計時，由于進(jìn)出口壓力差pp1p2 的存在，使得橢圓齒輪受到力矩的作用而轉(zhuǎn)動。流量計 A、 B 兩輪交替帶動，以橢圓齒輪與殼體間固定的月牙型計量室為計量單位，不斷地把入口處的流體送到出口。橢圓齒輪每轉(zhuǎn)一周所排流體的容積為固定的月牙型計量室容積V0的4倍。若橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)為n，則通過橢圓齒輪流量計的流量為qnnVQ04易見，已知排量q值的橢圓齒輪
4、流量計，只要測量出轉(zhuǎn)數(shù)n，便可確定通過流量計的流量大小。 容積式流量計容積式流量計 (2/6)l 工作特性 橢圓齒輪流量計借助于固定的容積來計量流量，與流體的流動狀態(tài)及粘度無關(guān)。粘度變化會引起泄漏量的變化，影響測量精度。若保證加工精度，且各運(yùn)動部件的配合緊密，使用中不腐蝕和磨損，測量精度可很高，一般為0.5% 1%，較好時可達(dá)0.2%。 流量恒定時，橢圓齒輪在一周的轉(zhuǎn)速是變化的，但每周的平均角速度不變。橢圓齒輪的短軸與長軸之比為 0.5 時， 轉(zhuǎn)動角速度的脈動率接近 0.65。由于角速度的脈動，測量瞬時轉(zhuǎn)速并不能表示瞬時流量，而只能測量整數(shù)圈的平均轉(zhuǎn)速來確定平均流量。 大多數(shù)橢圓齒輪流量計的外
5、伸軸都帶有測速發(fā)電機(jī)或光電測速盤。同二次儀表相連，可準(zhǔn)確地顯示出平均流量和累積流量。橢圓齒輪流量計的缺點(diǎn)是對流體的清潔度要求較高。另外，齒輪容易磨損，特別是在流量計超負(fù)荷運(yùn)行時，磨損加劇，導(dǎo)致精度下降。容積式流量計容積式流量計 (3/6)11.1.2 腰輪齒輪流量計腰輪齒輪流量計 (roots flowmeter)l 結(jié)構(gòu)和工作原理 腰輪轉(zhuǎn)子流量計同橢圓齒輪流量計類似，通過腰輪（轉(zhuǎn)子）與殼體之間所形成的固定計量室來實(shí)現(xiàn)，腰輪轉(zhuǎn)過一圈，排出四個固定計量體積的流體，只要記下腰輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)數(shù)，就可得到被測流體的體積流量。其流量的計算公式與橢圓齒輪流量計相同。 1 殼體；2 軸；3 驅(qū)動齒輪；4 腰輪；
6、5 計量室 容積式流量計容積式流量計 (4/6)l 工作特性 腰輪轉(zhuǎn)子流量計中，兩個腰輪轉(zhuǎn)子的加工精度和表面粗糙度要求較高，安裝時必須要保證兩腰輪軸線的平行度要求。普通腰輪流量計，隨著流量的增大，轉(zhuǎn)子角速度的波動現(xiàn)象較嚴(yán)重，脈沖率約為0.22。對大流量的計量，往往都采用45角組合腰輪，可大大減小轉(zhuǎn)子角速度的波動，脈沖率可減小到 0.027左右。由于腰輪流量計的驅(qū)動是由專門的驅(qū)動齒輪擔(dān)任，其磨損不影響測量精度，而與測量密切相關(guān)的只是腰輪，因此這種流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、適用性強(qiáng)等特點(diǎn), 對于不同粘度的流體，均能夠保證精確的計量，一般精度可達(dá)0.2。 容積式流量計容積式流量計 (5/6)齒
7、輪流量計輸出波形 11.1.3 齒輪流量計齒輪流量計 (gear flowmeter)齒輪流量計在流量計殼體內(nèi)裝有齒輪狀轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子齒上沿圓周分布有磁體。當(dāng)流體進(jìn)入時推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，安裝在儀表殼體外的霍耳傳感器感應(yīng)到對應(yīng)的流量的磁脈沖信號，并轉(zhuǎn)化為電脈沖后送出。其輸出電脈沖信號通常為相位差為 90的 A、B 兩路方波信號，通過四細(xì)分辨向電路處理后送計數(shù)器，即可獲得流量的大小和方向。 齒輪流量計體積小、重量輕。測量時振動噪聲小，可測量粘度高達(dá)10 000 Pas 的流體。齒輪流量計測量精度高，一般可達(dá) 0.5，經(jīng)非線性補(bǔ)償后甚至可達(dá)0.10.05。齒輪流量計工作原理圖 (容積式流量計容積式流量計 (
8、6/6)11.2 壓差式流量計壓差式流量計 (Differential Pressure Flowmeter)11.2.1 壓差式流量計的計算公式壓差式流量計的計算公式壓差式流量計是利用伯努利方程原理來測量流量的儀表。 壓差式流量計通過測定流體經(jīng)過節(jié)流裝置時所產(chǎn)生的靜壓力差來實(shí)現(xiàn)流量測量。管內(nèi)連續(xù)流動的流體流經(jīng)節(jié)流裝置時，將產(chǎn)生流體勢能和動能的相互轉(zhuǎn)換，致使其壓力和流速發(fā)生相應(yīng)的變化。實(shí)驗(yàn)證明，流體流經(jīng)各種節(jié)流裝置時，其流速和壓力沿流動方向的分布情況是類似的。差壓流量計原理與壓力分布情況 水平管道內(nèi)裝有節(jié)流孔板時，沿流動方向的壓力分布情況如下圖。 壓差式流量計壓差式流量計 (2/4)體積流量方
9、程為 )(2210VppAq式中： 流量系數(shù)； 流體壓縮系數(shù)。對不可壓縮流體，1；對可壓縮流 體，ReK時，只要測量壓力差便可確定流量的大小。 壓差式流量計壓差式流量計 (3/4)11.2.2 節(jié)流裝置節(jié)流裝置 (throttle device)常用的節(jié)流裝置有標(biāo)準(zhǔn)孔板，噴嘴和文杜里管等。 流體通過節(jié)流裝置時，由于克服摩擦阻力和在節(jié)流裝置后形成漩渦均要消耗一定的能量，所以通過節(jié)流裝置后有一部分靜壓力不能恢復(fù)，從而造成凈壓力損失p?？装宓膒 最大，文杜里管由于內(nèi)表面呈流線型與流束趨向一致，p最小，而噴嘴的值則介于兩者之間。 壓差式流量計壓差式流量計 (4/4)各種形狀轉(zhuǎn)子 11.3 流體阻力式流
10、量計流體阻力式流量計 (Flow Resistance Flowmeter)11.3.1 轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計 (rotameter)轉(zhuǎn)子流量計是工業(yè)上和實(shí)驗(yàn)室最常用的一種流量計。它具有結(jié)構(gòu)簡單、直觀、壓力損失小，且恒定、維修方便等特點(diǎn)。適用于測量通過管道直徑Dv時，22cLvt l 相差法 若超聲波發(fā)生器發(fā)射的是連續(xù)正弦波，則上、下游等距離處接收到超聲波的相位差為 22cLvt式中： 為超聲波的角頻率。速度式流量計速度式流量計 (4/10)l 頻差法 通過測量順流和逆流時超聲脈沖的重復(fù)頻率差來測量流速。在上、下游等距離處收到超聲波的頻率差為 LvLvcLvcf2頻率差測流速與超聲波傳播速度c
11、無關(guān)。 在流量計管壁的斜對面固定兩個超聲波振子TR1、TR2，兼作超聲波的發(fā)送和接收元件。由一側(cè)的振子產(chǎn)生的超聲波脈沖穿過管壁流體管壁為另一側(cè)的振子所接收，并轉(zhuǎn)換為電脈沖，經(jīng)放大后再用此電脈沖激發(fā)對面的發(fā)送振子，形成所謂單環(huán)自激振蕩。振蕩周期由超聲波在流體中的順流傳播速度決定，周期的倒數(shù)即為單環(huán)頻率f1。速度式流量計速度式流量計 (5/10)經(jīng)過一定時間間隔以后，由切換電路使發(fā)送振子變成接收振子，而接收振子變成發(fā)送振子，此時，測出單環(huán)頻率f2（取決于超聲波在逆流中的傳播速度）。12)cos(sinDvcDf11)cos(sinDvcDf式中：Dv管徑方向流體平均流速； 超聲波束與管軸的夾角；D
12、 管徑；超聲波在管壁內(nèi)和電脈沖信號在電路中傳輸所產(chǎn)生的 滯后時間的總和。 速度式流量計速度式流量計 (6/10)經(jīng)過一定時間間隔以后，由切換電路使發(fā)送振子變成接收振子，而接收振子變成發(fā)送振子，此時，測出單環(huán)頻率f2（取決于超聲波在逆流中的傳播速度）。Dvc 當(dāng)，且 很小時，可得DvDfff2sin12則體積流量為 fDvDqV2sin4432超聲波流量儀前后必須有足夠長的直管段以使流體流經(jīng)儀表前就達(dá)到典型層流分布，且使用中要避免流體中出現(xiàn)氣泡并防止其他聲源干擾。 超聲流量計的最大優(yōu)點(diǎn)是儀表裝在管道外，不破壞管道，價格也與管道大小無關(guān)。 速度式流量計速度式流量計 (7/10)11.4.3 電磁流
13、量計電磁流量計 (electromagnetic flowmeter)電磁流量計由電磁流量傳感器、轉(zhuǎn)換器以及顯示儀表等組成，也可由電磁流量傳感器和顯示儀表直接組成。傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)定律 。采用不導(dǎo)磁材料制成的流量測量導(dǎo)管，置于均勻磁場中，其內(nèi)徑為D，內(nèi)壁襯有絕緣材料。導(dǎo)電液體在管道中流動時，作切割磁力線的運(yùn)動，若所有流體質(zhì)點(diǎn)都以平均流速 v 運(yùn)動，則液體流速在整個管道截面上是均勻一致的。這樣，就可把液體看成許多直徑為D的連續(xù)運(yùn)動著的薄圓盤。這種由液體組成的薄圓盤等效于長度為D的導(dǎo)電體，其切割磁力線的運(yùn)動速度為v。速度式流量計速度式流量計 (8/10)若感應(yīng)強(qiáng)度不變，流體充滿管道流
14、動，電磁流量計的感應(yīng)電動勢與流量成線性關(guān)系。 根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，在液體圓盤內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其大小為 BvDE 式中：E感應(yīng)電動勢； B磁感應(yīng)密度； v平均流速； D管道內(nèi)徑。流經(jīng)圓形導(dǎo)管的體積流量為被測介質(zhì)的平均流速與導(dǎo)管流通截面積的乘積，即 BDEvDq442VVV4kqDBqE式中： k儀表的比例常數(shù)。速度式流量計速度式流量計 (9/10)電磁流量計特點(diǎn)： 輸出電信號與流量之間呈線性關(guān)系，便于儀表作等分刻度； 儀表的測量不受被測介質(zhì)的溫度、壓力、密度和粘度以及流態(tài)的影響； 儀表應(yīng)用范圍廣，幾乎可適用于所有電導(dǎo)率大于10-3S/m的導(dǎo)電性液體，且介質(zhì)的電導(dǎo)率在許可范圍內(nèi)變化也不影響測量結(jié)果，流速測量范圍可從每秒幾厘米至每秒十余米，滿量程時流速可從0.510 m/s內(nèi)變化，口徑范圍可從幾毫米至幾米； 變送器內(nèi)無活動部件，幾乎無壓力損失，并對安裝直管段要求不高； 儀表時滯小，能瞬時反應(yīng)流量變化，可以測脈動流； 輸出信號的極性與磁場方向及流速方向有關(guān)，所以能用于鑒別流向，可測兩向流； 儀表便于清洗和消毒，便于維護(hù)，且能輸出標(biāo)準(zhǔn)電信號以便于配套，可靠性高，使用壽命長。速度式流量計速度式流量計 (10/10)
測試技術(shù)課件：CH 11 流量的測量
