1、能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University9 9 流体流量测量方法及仪表流体流量测量方法及仪表 如果在截面上速度分布是均匀的，则：如果在截面上速度分布是均匀的，则：通过流体流量的测量通过流体流量的测量, ,可以了解掌握流动过程、进行生产可以了解掌握流动过程、进行生产过程的自动控制、实行能源管理。如给水流量、主蒸汽过程的自动控制、实行能源管理。如给水流量、主蒸汽流量、烟气流量等。流量、烟气流量等。
2、 流量的概念流量的概念 流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前者称体积流量（者称体积流量（m3/s)m3/s)，后者称质量流量，后者称质量流量(kg/s)(kg/s)。FvvAq vmqq能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University 流过管道某截面的流体的速度在截面上各处不均匀，流流过管道某截面的流体的速度在截面上各处不均匀，流过面积上的体
3、积流量为过面积上的体积流量为：FFvvdAq 测量某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间测量某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间的积分，称之流体总量。的积分，称之流体总量。vtmtVqd tMqd t 用来测量流量的仪表统称为用来测量流量的仪表统称为流量计流量计。测量总量的仪表称为流。测量总量的仪表称为流体计量表或体计量表或总量计总量计。能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University（1
4、1）差压式流量计差压式流量计: :通过测量差压来间接确定流体流量的通过测量差压来间接确定流体流量的流量计。如孔板流量计、文丘利流量计、转子流量计等。流量计。如孔板流量计、文丘利流量计、转子流量计等。（4 4）质量流量计质量流量计：直接或单一测量读出质量流量的流量：直接或单一测量读出质量流量的流量计。如热式、双孔板、双涡轮、科里奥利等。计。如热式、双孔板、双涡轮、科里奥利等。（2 2）速度式流量计速度式流量计：利用测量管道内部流体速度的：利用测量管道内部流体速度的大小来测量流量的流量计统称为速度式流量计。如涡大小来测量流量的流量计统称为速度式流量计。如涡轮、涡街、超声流量计。轮、涡街、超声流量计
5、。（3 3）容积式流量计容积式流量计：利用一个标准小容积连续地定排量测量，：利用一个标准小容积连续地定排量测量，根据标准容积的容积值和连续测量的累计次数，求得累积流根据标准容积的容积值和连续测量的累计次数，求得累积流量的流量计。常见的有椭圆齿轮流量计、刮板流量计、旋转量的流量计。常见的有椭圆齿轮流量计、刮板流量计、旋转活塞流量计等。活塞流量计等。 按测量原理可分为：按测量原理可分为：能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySouth
6、east University9.1 容积式流量计容积式流量计容积式计量表容积式计量表 利用仪表内的一个固定容量的容积连续地测量被测介质，根据利用仪表内的一个固定容量的容积连续地测量被测介质，根据定量容积称量的次数来决定流过的总量。根据它的结构不同，定量容积称量的次数来决定流过的总量。根据它的结构不同，有：椭圆齿轮流量计、腰轮流量汁等。有：椭圆齿轮流量计、腰轮流量汁等。1 1、椭圆齿轮流量计：啮合齿轮、仪表壳体、椭圆齿轮流量计：啮合齿轮、仪表壳体能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东
7、南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University2 2 腰轮流量计（罗茨流量计）腰轮流量计除可测液体外，还可测量气体，精度可达0.1，并可做标准表使用；最大流量可达1000m3/h。腰轮上没有齿，它们不是直接相互啮合转动，而是通过按装在体外的传动齿轮组进行传动能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University3 3 刮板流量计 工作原理工作原理：流体在流：流
8、体在流量计进出口压差作用量计进出口压差作用下，推动流量计的刮下，推动流量计的刮板和转子仪器转动。板和转子仪器转动。刮板在一个固定的凸刮板在一个固定的凸轮作用下，可以沿径轮作用下，可以沿径向运动而伸出和收回。向运动而伸出和收回。能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University容积式流量计测量误差主要源于运动件的间隙中泄漏所引起的。这个泄漏量与间隙、粘度、前后压差有关。4、容积式流量计性能分析PkVP流量
9、计前后流体的压力差流体的动力粘度。k流量计结构相关的参数。能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University1 1、从测量原理上讲，准确度不受流量、粘性和密度的影响。、从测量原理上讲，准确度不受流量、粘性和密度的影响。2 2、计量精度高，基本误差一般为、计量精度高，基本误差一般为0.50.5R R，特殊的可达，特殊的可达0.10.1R R。3 3、在旋转流和管道阻流件流速场畸变时对计量精确度没有影响，没
10、有前置、在旋转流和管道阻流件流速场畸变时对计量精确度没有影响，没有前置直管段要求。直管段要求。4 4、范围度宽，一般为、范围度宽，一般为1010：1 1到到5 5：1 1，特殊的可达，特殊的可达3030：1 1或更大。或更大。5 5、结构复杂，体积大，笨重，故一般只适用于、结构复杂，体积大，笨重，故一般只适用于中小口径中小口径。6 6、由于高温下零件热膨胀、变形，低温下材质变脆等问题，一般、由于高温下零件热膨胀、变形，低温下材质变脆等问题，一般不适用不适用于高低温场合于高低温场合。目前可使用温度范围大致在。目前可使用温度范围大致在-30-30+160+160，压力最高为，压力最高为10MPa1
11、0MPa。7 7、大部分容积式仪表只适用、大部分容积式仪表只适用洁净单相流体洁净单相流体，含有颗粒、脏污物时上游需，含有颗粒、脏污物时上游需装过滤器，既增加压损，又增加维护工作装过滤器，既增加压损，又增加维护工作；容积式流量计特点：容积式流量计特点：能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University9.2 速度式流量测量方法速度式流量测量方法kAvqv 速度式流量计是从直接测量管道内流体流速v作为流量测
12、量依据的。 若测得的是管道截面上的平均流速v，则流体的体积流量: （A为测量管道横截面积) 若测得的是管道横截面上的某一点流速v，则流体的体积流量: vAqv(K流量系数，与管道内流速分布有关，一般在典型速度分布下确定)能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University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
13、线形式。2max1RrvvnRrvv1max1要求：仪表前后有足够长的直管端或加装整流器，使得进入仪表的速度分布达到典型的层流和紊流分布。能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University1、涡轮流量计工作原理： 当流体通过管道时，冲击管道中心涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮产生旋转。在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。rtgvw0忽略涡轮上的阻力矩作用时，涡
14、轮旋转的角速度与流体速度的关系：能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast Universitynzf 能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University1)、受流体粘性摩擦阻力，涡轮与轴承之间阻力作用。涡轮流量计影响因素：2
15、）、受流体速度分布的影响（仪表前15D，仪表后5D）。3）、温度变化的影响，适用的温度范围小（20120度） 。能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University涡轮流量计特点和应用(1)(1)精度高，测量相对误差在精度高，测量相对误差在(0.2-1.0)%(0.2-1.0)%。(2)(2)重复性好重复性好 重复性可达重复性可达0.050.050.20.2(3)(3)输出脉冲频率信号输出脉冲频率信号 适
16、于总量计量及与计算机连接，无零点适于总量计量及与计算机连接，无零点漂移，抗干扰能力强。漂移，抗干扰能力强。 (4)(4)测量范围宽测量范围宽, ,流量范围可达流量范围可达10:110:1，对腐蚀性气体和液体都适，对腐蚀性气体和液体都适用；用；(5)(5)线性好、耐高压（线性好、耐高压（16MPa16MPa）、体积小且压力损失也很小。）、体积小且压力损失也很小。(6)(6)对被测流体清洁度要求高；适用的温度范围小（对被测流体清洁度要求高；适用的温度范围小（2020120120度）；轴承的磨损影响仪表的适用寿命。度）；轴承的磨损影响仪表的适用寿命。(7)(7)不适用于较高粘度介质。不适用于较高粘度
17、介质。(8)(8)受来流流速分布畸变和旋转流的影响较大受来流流速分布畸变和旋转流的影响较大应用：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤应用：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等的测量。气和低温流体等的测量。能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律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。2、电磁流量计当导电的液体在导管中流
18、动时，在磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势：vBDCE1DBqCEv14能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University电磁流量计：磁路部分、测量导管、电极、内衬及外壳组成。采用直流磁场产生的直流电势，会使待测液体发生电解，而在电极上产生极化现象，破坏感生电动势测量条件，励磁采用交变磁场：DwtqBCEvm)sin(41能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & Envir
19、onmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University交变磁场励磁流量计抗干扰措施：1、合理布置电极引线，使电极引线、导电液体和外接仪表构成的闭合回路与磁力线平行。2、利用调零电位器。3、采用低频矩形波激励磁方式。能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University电磁流量计的特点：测量导管中
20、无阻力件，压力损失极小；其流速测量范围宽，为0.510m/s；范围度可达10:1；流量计的口径可从几毫米到几米以上；流量计的精度 0.51.5级；仪表反应快，流动状态对示值影响小，可以测量脉动流和两相流；对测量导电流体的电导率有要求，不能测量气体、蒸汽和电导率低的石油流量。能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University3、涡街流量计涡街流量计（Vortex flow meter)的基本原理是卡门涡街
21、现象，当流体环绕通过一个非流线型的柱体时将产生漩涡，漩涡在柱体的两侧交替产生，产生漩涡的频率与流量的大小成线性比例关系。 由于漩涡之间的相互影响，其形成通常是不稳定的。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。能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University涡街流量计组成：漩涡发生体、感测器和信号处理系统。柱体：Re104105, St=0.21; 三棱柱：
22、Re1045x105, St=0.16 感测器：1、检测漩涡发生后在漩涡体上受力的变化频率，如应变、压电等检测技术。2、检测漩涡发生后在漩涡发生体附近的流动变化频率，即流速检测类，如热敏检测技术。漩涡发生体：形状、尺寸和构造要保证产生强烈的稳定涡街，并在较宽的雷诺数范围内，St为常数。能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University涡街流量计的特点：1、漩涡频率只与速度有关，在一定的雷诺数范围内，几乎
23、不受流体性质变化的影响。2、测量精度高，误差为1，重复性误差在0.5%;3、压力损失小，测量范围可达到100:1，适合大口径管道的流量测量。能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University涡街流量计能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversityS
24、outheast University4、超声波流量计速度差法超声波流量计基本原理为：测量超声波脉冲在顺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到被测流体的流速。流和逆流传播过程中的速度之差来得到到被测流体的流速。根据测量的物理量的不同，可以分为时差法、相差法、频差法。能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University时差法时差法 时差法就是测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差。22cLv
25、t t1-按顺流方向，超声波到达接收器时间；t2-按逆流方向，超声波到达接收器时间。vcLvcLttt12vcLt2vcLt1vc 能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University相差法相差法 相位差法是把上述时间差转换为超声波传播的相位差来测量。超声波换能器向流体连续发射形式为的 超声波脉冲，式中 为超声波的角频率。 2122cwLvt )sin()(0tAts 按顺流方向发射时收到的信号相位；01
26、1t022t 按逆流方向发射时收到的信号相位。能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University频差法频差法 频差法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频率之差来测量流量的。 顺流时脉冲循环频率： 逆流时脉冲循环频率： 脉冲循环频差： Lvctf111Lvctf221Lvfff221能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy
27、& Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University工作原理工作原理 ：由超声波换能器1发射脉冲式超声波穿过管壁流体管壁达到达换能器2所接收，并转换为电脉冲，在把电脉冲施加到换能器1上激发超声波再发射出去，如此循环构成一个自激振荡，振荡频率为f1 。 持续一段时间后，由切换开关切换为换能器2发射脉冲超声波，换能器1接收，同样形成自激振荡，振荡频率为f2。vDcDfff212sin12sinfDcDkvDqv2sin12sin4432能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSch
28、ool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University超声波流量计的超声波流量计的特点特点 1、受截面速度分布的影响，仪表需有足够直管段（前20D，后5D）.2、属于非接触式测量仪表，无压力损失。3、准确度不高，相对误差在2左右。能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University接式流量计原理建立换热基础上，
29、在流体流动的途径上设置加热体，导致加热体上游和下游的流体温度不同，同时加热体受到冷却，温度变化以及加热体热量散失与流体流速或流量有关。有热线风速仪、托马斯流量计、边界层流量计等。 5. 热式流量计热式流量计 热线风速仪热线风速仪21kvKQ212kvKRI能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast UniversityTcPqpm根据传热规律： pc为流体的定压比热;T两点温度差 (2) 托马斯流量计能源与环境学院能
30、源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University 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：202uppAB由此可以得该点的流速为：pppuAB229.5 皮托管和均速管流量计对于可压缩流体：pu2)1 ( 皮托管与均速管能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southe
31、ast UniversitySoutheast University 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 能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University均速均速管流量计 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：pAqv2能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of E
32、nergy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University在流体通过的管道中，垂直于流动方向插上一块圆盘形的靶。流体通过时对靶片产生推力，流量与力的平方近似成正比。82222vKdvAKPAFFddDKqam)(2224)(22vdDqm能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University4、浮子流量计（转子流量计）浮子流量计（转
33、子流量计）能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University流体自下而上运动时，作用在浮子上的阻力; 浮子本身的垂直向下的重力；流体对浮子所产生的垂直向上的浮力。当浮子处于平衡状态时,有：转子流量计的测量原理式中，为流量系数； A0为流量计有效通流面积；为流体密度； f为浮子材料的密度； Af为浮子的最大迎流面积。PAqv20gVgVPAfffffffvAgVAq20能源与环境学院能源与环境学院Scho
34、ol of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University 在工业生产中，由于物料平衡，热平衡以及储存、经济核算等所需要的都是质量，并非体积，所以在测量工作中，常需将测出的体积流量，乘以密度换算成质量流量。
35、密度随温度、压力而变化，所以在测量流体体积流量时，要密度随温度、压力而变化，所以在测量流体体积流量时，要同时测量流体的压力和温度，进而求出质量流量同时测量流体的压力和温度，进而求出质量流量。 在温度、压力变化比较频繁的情况下，难以达到测量的目的。这样便希望用质量流量计来测量质量流量。 9.4 质量流量计质量流量计质量流量计大致分为三大类：直接式直接式、推导式推导式 、补补偿式偿式能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySouthea
36、st University科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性，在旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性的作用，有沿著原有运动方向继续运动的趋势，但是由于体系本身是旋转的，在经历了一段时间的运动之後，体系中质点的位置会有所变化，而它原有的运动趋势的方向，如果以旋转体系的视角去观察，就会发生一定程度的偏离。 能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University科里奥利质量流量传感器是利用流体在直线运动的同时
37、， 处于一个旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力而制成的一种直接式质量流量传感器。dmwvvdmwdFk22rwLkqfm4能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University能源与环境学院能源与环境学院School of Energy & EnvironmentSchool of Energy & Environment东南大学东南大学Southeast UniversitySoutheast University
