第 8 章 流量测量技术

1. 第8章 流量测量技术

2. 背景 流量测量的主要任务： 1、流量检测和控制 2、总量计量 • 本章介绍流量测量的基本知识和常用的流量检测仪表。

3. 8.2 8.3 8.1 流量测量的基础知识 流量测量仪表 流量计的校准与标准装置 第8章 目录

4. 8.1.1 8.1.2 8.1.3 流量和流量计 流体的物理性质与管流基础知识 流量测量方法与流量仪表的分类 8.1 流量测量的基础知识

5. 8.1.1 流量和流量计 1.流量 指单位时间内流体流经管道或明渠某横截面的数量。 当流体以体积表示时称为体积流量,以质量表示时称为质量流量。 体积流量 (8-1) 质量流量

6. 8.1.1 流量和流量计 体积流量和质量流量的关系式： (8-2) 2.累积流量 在某一段时间内流过某横截面流体的总量 (8-3)

7. 8.1.1 流量和流量计 3.流量计 用于测量流量的计量器具。 一次装置安装于流体导管内部或外部，根据流体与一次装置相互作用的物理定律，产生一个与流量有确定关系的信号； 二次仪表接受一次装置的信号，并转换成流量显示信号或输出信号。

8. 8.1.1 流量和流量计 4. 流量的计量单位 米3 /时(m3/h)、升/分(L/min)、吨/小时(t/h)、升(L)、吨(t) 体积流量 质量流量 累积体积流量 累积质量流量 米3／秒(m3/s); 千克/秒(kg/s); 米3(m3); 千克(kg)。

9. 8.1.1 8.1.2 8.1.3 流量和流量计 流体的物理性质与管流基础知识 流量测量方法与流量仪表的分类 8.1 流量测量的基础知识

10. 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。 (8-4) ρ流体的密度(kg/m3)；M流体质量(kg)；V流体体积(m3)

11. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 2. 流体粘度 • 流体的粘性： 流体在流动时有阻止内部质点发生相对滑移的性质 • 粘度是表示流体粘性大小的参数。 由于粘滞力的存在，会对流体的运动产生阻力，从而引起流体的流速分布、产生能量损失(压力损失)，影响流量计的性能和流量测量。 • 通常采用动力粘度、运动粘度或恩氏粘度来表征流体粘度。

12. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 ⑴动力粘度 • 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 (8-5)

13. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 ⑵运动粘度 • 流体的动力粘度μ与流体密度ρ的比值称为运动粘度ν，即： (8-6) ⑶恩氏粘度 • 我国采用恩氏粘度计测量液体的恩氏粘度，再换算成运动粘度。

14. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 • 恩氏粘度:在某一温度下，200ml被测液体流过恩氏粘度计所需的时间t与温度为293K的同体积蒸馏水流过恩氏粘度计所需的时间t0的比值 (8-7) • 恩氏粘度ºE与运动粘度ν的关系式： (8-8)

15. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 3. 流体的压缩系数和膨胀系数 • 流体的压缩性 在一定的温度下，流体体积随压力增大而缩小的特性； • 流体的膨胀性 在一定压力下，流体的体积随温度升高而增大的特性。 流体的压缩性用压缩系数表示，定义为，当流体温度不变而所受压力变化时，其体积的相对变化率，即： (8-9)

16. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 流体的膨胀性用膨胀系数来表示，定义为，在一定的压力下，流体温度变化时其体积的相对变化率，即： (8-10) 流体膨胀性对测量结果的影响较明显，无论是气体还是液体均须予以考虑。

17. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 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： (8-11)

18. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 在圆管流中，特征长度为管道内径D，故圆管流时雷诺数为： (8-12) 雷诺数是判别流体状态的准则，在紊流时流体流速分布与雷诺数有关

19. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 5. 管流类型 ⑴单相流和多相流 • 单相流 管道中只有一种均匀状态的流体流动； • 两相流 两种不同相的流体同时在管道中流动； • 多相流 两种以上不同相的流体同时在管道中流动 ⑵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。

20. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 ⑶稳定流和不稳定流 • 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； • 不稳定流 若其各处的速度和压力不仅和流体质点所处的位置有关，而且与时间有关。 ⑷层流与紊流 • 层流 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 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。

21. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 6. 流速分布与平均流速 • 流速分布 越接近管壁，流速越低；管中心部分的流速则最快 式(8-13)、(8-14)分别为流体处于层流和紊流状态时，沿管道半径方向上的流速分布模型。 (8-13)

22. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 (8-14) 从式(8-13)、(8-14)可知 层流状态下流速呈轴对称抛物线分布，紊流状态下流速呈轴对称指数曲线分布，流速在管中心轴上达到最大。

23. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 • 根据流量的定义，速度式流量计是通过检测出管道截面上的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(u= 0.5umax)； 紊流时的平均流速u与n值有关 (8-15)

24. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 表8-1 雷诺数ReD与n的关系 7. 流体流动的基本方程 ⑴连续性方程

25. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 • 若应用于不可压缩流体，则ρ为常数，方程(8-16)可简化为 u1 A1= u2 A2(8-17) 单位时间内经截面I流入管段的流体质量必等于通过截面II流出的流体质量: ρ1u1A1=ρ2u2 A2(8-16)

26. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 ⑵伯努利方程 (8-18) 伯努利方程是流体运动的能量方程。在式(8-18)中，gZ表示单位质量的位势能，p/ρ表示单位质量的压力势能,u2/2表示单位质量的动能。

27. 8.1.2 流体的物理性质与管流基础知识 • 实际流体具有粘性，在流动过程中要克服摩擦阻力而做功，这将使流体的一部分机械能转化为热能而耗散。 实际流体的伯努利方程： hwg—截面Ⅰ和Ⅱ之间单位质量实际流体流动产生的能量损失。

28. 8.1.1 8.1.2 8.1.3 流量和流量计 流体的物理性质与管流基础知识 流量测量方法与流量仪表的分类 8.1 流量测量的基础知识

29. 8.1.3 流量测量方法与流量仪表的分类 1.流量测量方法 ⑴根据流体流动的基本方程，通过测量流体差压信号来反映流量的差压式流量测量法； ⑵通过测量管道截面上流体的平均流速来得出流体流量的速度式流量测量法； ⑶通过测量单位时间内经过流量仪表的标准容积的数目来连续测量流量的容积式测量法； ⑷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

30. 8.1.3 流量测量方法与流量仪表的分类 表8-2常用流量仪表分类及性能

31. 8.1.3 流量测量方法与流量仪表的分类 续表8-2 3. 流量仪表的主要技术指标 • 灵敏度、线性度、重复性、精度等等，但也有些技术指标不同。

32. 8.1.3 流量测量方法与流量仪表的分类 ⑴流量范围 流量计可测的最大流量与最小流量的范围 ⑵量程和范围度 • 量程 流量范围内最大流量与最小流量值之差 • 范围度 最大流量与最小流量的比值。 • 范围度大，说明流量范围宽。流量计的流量范围越宽越好，但流量计范围度的大小受仪表测量原理和结构的限制。

33. 8.1.3 流量测量方法与流量仪表的分类 ⑶压力损失 压力损失通常用流量计的进、出口之间的静压差来表示。 • 压力损失小，流体能耗小，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。

34. 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 差压式流量计 容积式流量计 速度式流量计 质量流量计 8.2 流量测量仪表

35. 8.2.1 差压式流量计 • 差压式流量计原理 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。 产生差压的装置有多种型式，相应的有各种不同的差压式流量计，其中使用最广泛的是节流式流量计，其他型式的差压式流量计还有均速管、弯管、靶式流量计、转子流量计等等。 1.节流式流量计 节流式流量计是目前工业生产中用来测量液体、气体或蒸汽流量的最常用的一类流量仪表，其使用量占整个工业领域内流量计总数的一半以上。

36. 8.2.1 差压式流量计 节流式流量计由节流装置、引压管路、三阀组和差压计组成，如图8-3所示。 1-节流元件 2-引压管路 3-三阀组 4-差压计

37. 8.2.1 差压式流量计 一体化节流式流量计 测量介质：液体、气体、蒸汽介质温度: 0--450℃介质压力：0-2.5MPa精度：系统精度1.0--2.5%

38. 8.2.1 差压式流量计 ⑴测量原理及流量方程 • 当流体流过节流元件时产生节流现象，在节流元件两侧形成压力差，在节流元件、测压位置、管道条件和流体参数一定的情况下，节流元件前后压力差的大小与流量有关。 • 可以通过测量节流元件前后的差压来测量流量。流体流经节流元件时的压力、速度变化情况如图8-4所示。

39. 8.2.1 差压式流量计 节流式流量计的流量方程可由伯努利方程（8-18）和流动连续性方程（8-16）推出

40. 8.2.1 差压式流量计 设管道水平放置，对于截面1、2，由于Z1=Z2，则有: (8-19) (8-20)

41. 8.2.1 差压式流量计 由式(8-19) 、(8-20)可求出： （8-21） 根据流量的定义 体积流量（8-22） 质量流量（8-23）

42. 8.2.1 差压式流量计 • 实际的流量方程 在实际使用节流装置流量方程时，以节流元件的开孔直径d来代替d‘，并令直径比β=d/ D；以实际采用的某种取压方式所得到的压差∆p来代替(p1-p2)的值；同时引入流出系数C（或流量系数）对上式进行修正 (8-24) (8-25)

43. 8.2.1 差压式流量计 • 流量方程的更一般表示 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ε进行修正，ρ采用节流件前的流体密度 (8-26) (8-27)

44. 8.2.1 差压式流量计 ⑵节流装置 • 组成 节流元件、测量管段与取压装置。 • 分类 节流装置分为标准节流装置和非标准节流装置两大类。

45. 8.2.1 差压式流量计 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，流量变化范围亦不能太大

46. 8.2.1 差压式流量计 ②标准节流元件的结构形式 标准节流元件有孔板，喷嘴和文丘里管。 a.标准孔板 如图8-5所示，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。

47. 8.2.1 差压式流量计 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(图8-6)和长径喷嘴(图8-7)两种型式。

48. 8.2.1 差压式流量计

49. 8.2.1 差压式流量计 c. 文丘里管 • 文丘里管两种标准型式： 经典文丘里管与文丘里喷嘴。

50. 8.2.1 差压式流量计 ③节流装置的取压方式 • 理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压等五种，如图8-9所示。