1、第四章 流量檢測與流量傳感器 . 24.1 流量的基本概念 . 24.1.1 流量及其表示方法 . 24.1.2 流量的測量方法 . 54.2 差壓式流量傳感器 . 64.2.1 節流式流量計的組成 . 64.2.2 節流裝置的工作原理 . 64.1.3 節流式流量計的選用 . 134.3 速度式流量計 . 154.4 振動流量計振動流量計 . 254.5 容積式流量計容積式流量計 . 284.6 質量流量計 . 314.3.1 直接式質量流量計科里奧利質量流量計 . 324.3.2 熱式質量流量計 . 354.3.3 推導式質量流量計 . 374.3.4 溫度、壓力補償式流量計 . 39dV

2、qvdt2=S m /s(4-1)dmqm =dfvSkg/s(4-2)第四章流量檢測與流量傳感器在工業自動化生產中， 流量是需要經常監測和控制的重要參數之一。隨著經濟的發展和科學的進步，對于流量檢測的精度要求越來越高，需要檢測的流量種類也越來越多，監測儀表的工作條件也各不相同。因此根據測量對象的物理特性，運用不同的物理原理和規律，設計和制造出各種儀表， 應用于工藝流程中流量的和配比參數的控制，以及油、汽、水等的計量，是工業生產過程的自動監測和控制的重要環節，流量檢測儀表是發展生產、 節約能源、提高經濟效益和管理水平的重要工具。本章主要介紹流量的基本概念、常用的檢測流量的傳感器如差壓式流量計、

3、振動流量計、速度流量計、質量流量計、容積式流量計等的主要組成、工作原理和測量方法。4.1流量的基本概念4.1.14.1.1流量及其表示方法液體和氣體統稱為流體，單位時間內流過管道內某一截面的流體數量，稱為瞬時流量。 而在某一段時間間隔內流過管道某一截面的流體量的總和，即瞬時流量在某一段時間內的累積值，稱為總量或累積流量， 該總量可以用在該段時間間隔內的瞬時流量對時間的積分而得 到，所以也叫積分流量。如用戶的水表、氣表等。累積流量除以流體流過的時間間隔，即為 平均流量。工程上講的流量常指瞬時流量，下面若無特別說明均指瞬時流量。瞬時流量有體積流量和質量流量之分。(1) 體積流量qv體積流量qv是指

4、單位時間內通過某截面的流體的體積，單位為m3/s。根據定義，體積流量可表示為式中，S為管道截面面積(m2)； v為管道內平均流速(m/s) ； V為流體體積(m3) ; t為時 間(s)。流體的體積受流體的工作狀態影響，在用體積表示流量時， 必須同時給出流體的壓力和溫度。對于流體，壓力和溫度的變化實際上引起流體密度的改變。對于液體，壓力變化對密度的影響非常小，一般可以忽略不計。溫度對密度的影響要大一些。對于氣體，密度受溫度、 壓力的變化影響較大。因此，對于氣體流量檢測，為便于比較，常將在工作狀態下測得的體積流量轉換成標準狀態下(20C, 760mmHg )的體積流量。(2) 質量流量qm質量流

5、量qm是指單位時間內通過某截面的流體的質量。根據定義，質量流量可表示為式中，p為流體的密度(kg/m3); m為流體的質量(kg); v為管道內平均流速(m/s)。1.流體的主要物理性質(1) 流體的密度單位體積的流體所具有的質量稱為流體密度，用數學表達式表示為:(4-4)M 流體質量；p 流體的密度；V 流體體積。 流體密度是溫度和壓力的函數，單位是 (kg/m3)。(2 )流體粘度流體運動過程中阻滯剪切變形的粘滯力與流體的速度梯度和接觸面積成正比，并與流體粘性有關，其數學表達式為：,duF = 3dy上式稱為牛頓粘性定律。F 粘滯力；A接觸面積；du / dy流體垂直于速度方向的速度梯度;

6、卩一表征流體粘性的比例系數。流體的動力粘度與流體密度的比值稱為運動粘度，即v v = =P P( 4-5)動力粘度的單位為牛頓秒/米 2 ( N-S/m2),即帕斯卡秒(Pa S)；運動粘度的單位為(m /S)。(3) 流體的壓縮系數和膨脹系數在一定的溫度下，流體體積隨壓力增大而縮小的特性，稱為流體的壓縮性； 在一定壓力下，流體的體積隨溫度升高而增大的特性，稱為流體的膨脹性。壓縮系數：當流體溫度不變而所受壓力變化時，其體積的相對變化率：,1 AVk = V 占 P(4-6)k 流體的體積壓縮系數，(1 / Pa)；V 流體的原體積，(m3)；P 流體壓力增量，(Pa)；V 流體體積變化量，(m

7、3)；膨脹系數：在一定的壓力下，流體溫度變化時其體積的相對變化率，即：V AT(4-7)-流體的體積膨脹系數(1/C )；V 流體的原體積，(m3)；V 流體體積變化量，(m3)； -T 流體溫度變化量(C )。(4) 雷諾數 雷諾數是流體流動的慣性力與粘滯力之比，表示為:rUPLULRe -(4-8)Re 雷諾數(無量綱數)；u 流動橫截面的平均流速，(m/s);LLLL動力粘度，(N - S/m2S/m2); L 特征長度，(m);流體的密度，(kg/m3)；運動粘度，(m2/Sm2/S)。(4-8)2 管流類型(1) 單相流和多相流管道中只有一種均勻狀態的流體流動稱為單相流；兩種以上不同

8、相流體同時在管道中流動稱為多相流。(2) 可壓縮和不可壓縮流體的流動流體可分為可壓縮流體和不可壓縮流體，所以流體的流動也可分為可壓縮流體流動和不可壓縮流體流動兩種。(3) 穩定流和不穩定流當流體流動時，若其各處的速度和壓力僅和流體質點所處的位置有關，而與時間無關， 則流體的這種流動稱為穩定流；若其各處的速度和壓力不僅和流體質點所處的位置有關，而且與時間出有關，則流體的這種流動稱為不穩定流。(4) 層流與紊流管內流體有兩種流動狀態：層流和紊流。層流中流體沿軸向作分層平行流動，各流層質點沒有垂直于主流方向的橫向運動，互不混雜，有規則的流線。紊流狀態管內流體不僅有軸向運動，而且還有劇烈的無規則的橫向

9、運動。3流體流動的連續性方程和伯努利方程(1)連續性方程任取一管段，設截面I、截面n處的面積、流體密度和截面上流體的平均流速分別為A1、E、V和 A2、P2、V2如圖4-1所示。根據物質不滅定律，單位時間流過任一截面的 流體質量必定相等，即圖4-1連續方程示意圖若流體是不可壓縮的，即-=匚，則vA=常數即流體在穩定流動， 且不可壓縮時，流過各截面流體的體積為常量。因此可以方便地求出流體流過管道不同截面時的流速。(2)伯努利方程當理想流體在重力作用下在管內定常流動時，對于管道中任意兩個截面I和n有如下關系式(伯努利方程)，示意圖如圖4-2所示。g：重力加速度；Z1、Z2 :截面I和n相對基準線的

10、高度； p1、p2：截面I和n上流體的靜壓力； V1、V2 :截面I和n上流體的平均流速。A 1U1 = A2： 2 U2 =常數-2 -2圖4-2伯努利方程示意圖式4-8即為不考慮壓縮性的流體的伯努利方程，表明理想流體作穩定流動時，雖然管道上各個截面處流體的位置、壓力和流速不同，但是它們的總能量不變。實際流體具有粘性，在流動過程中要克服流體與管壁以及流體內部的相互摩擦阻力而作 功，這將使流體的一部分機械能轉化為熱能而耗散。因此，實際流體的伯努利方程可寫為：2 2g乙E u g乙號號hWg 截面i和n之間單位質量實際流體流動產生的能量損失。4.1.24.1.2流量的測量方法生產過程中各種流體的

11、性質各不相同，流體的工作狀態(如介質的溫度、壓力等)及流體的粘度、腐蝕性、導電性也不同，很難用一種原理或方法測量不同流體的流量。尤其工 業生產過程的情況復雜，某些場合的流體是高溫、高壓，有時是氣液兩相或液固兩相的混合 流體。所以目前流量測量的方法很多，測量原理和流量傳感器(或稱流量計)也各不相同， 從測量方法上一般可分為速度式、容積式和質量式三大類。(1) 速度式流量計速度式流量傳感器大多是通過測量流體在管路內已知截面流過的流速大小v實現流量測量的。它是利用管道中流量敏感元件(如孔板、轉子、渦輪、靶子、非線性物體等)把流 體的流速變換成壓差、位移、轉速、沖力、頻率等對應的信號來間接測量流量的。

12、差壓式、 轉子、渦輪、電磁、旋渦和超聲波等流量傳感器都屬于此類。(2) 容積式流量計容積式流量傳感器是根據已知容積的容室在單位時間內所排出流體的次數來測量流體 的瞬時流量和總量的。常用的容積式流量傳感器有橢圓齒輪式、旋轉活塞式和刮板式等。(3) 質量式流量計質量式流量傳感器有兩種，一種是根據質量流量與體積流量的關系，測出體積流量再乘以被測流體的密度的間接質量流量傳感器，如工程上常用的補償式質量流量傳感器，它采取溫度、壓力自動補償；另一種是直接式質量流量傳感器，如熱電式、慣性力式、動量矩式質量流量傳感器等。直接法測量具有不受流體的壓力、溫度、粘度等變化影響的，是一種正在發展中的質量流量傳感器。4

13、.2差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器又稱節流式流量計，它是利用管路內的節流裝置，將管道中流體的瞬時流量轉換成節流裝置前后的壓力差，然后用差壓傳感器將差壓信號轉換成電信號，或直接用差壓變送器把差壓信號轉換為與流量對應的標準電流信號或電壓信號，以供測量、顯示、記錄或控制。在氣動控制中，還可以轉換成氣動信號，然后用于顯示、記錄或控制。4.2.14.2.1節流式流量計的組成節流式流量計由節流裝置、 引壓導管和差壓傳感器 （或差壓變送器）組成，如圖4-3所示。 節流裝置：節流裝置是差壓式流量傳感器的流量敏感檢測元件，是安裝在流體流動的管道中的阻力元件，它產生差壓，此壓力差與流體流量之間有確定的數值關系，

14、通過測量壓力差值可以求得流體的流量。引壓導管：將節流裝置前后產生的差壓傳送給差壓變送器。差壓變送器：將節流裝置前后產生的差壓轉換成標準的電信號（4mA20mA ）。1-節流兀件2-引壓管路3-三閥組 4-差壓計圖4-3節流式流量計組成節流式流量計的優點： 結構簡單，無可動部件；可靠性較高、復現性較好；適應性較廣， 它適用于各種工況下的單項流體，適用的管道直徑范圍寬，可以配用通用的差壓計； 裝置已標準化。缺點是：測量的重復性、精確度在流量計中屬于中等水平，由于眾多因素的影響錯 綜復雜，精確度難以提高；范圍度窄，由于儀表信號（差壓）與流量為平方關系，一般范圍度僅3:1-4:1 ;現場安裝條件要求較

15、高，如需較長的直管段（指孔板，噴嘴），一般難以滿足；檢測件與差壓顯示儀表之間引壓管線為薄弱環節，易產生泄漏、堵塞、凍結及信號失真等故障；壓損大（指孔板，噴嘴）。4.2.24.2.2節流裝置的工作原理如果在管道中安置一個固定的阻力件，它的中間是一個比管道截面小的孔，當流體通過該阻力件的小孔時，由于流體流束的收縮而使流速加快、靜壓力降低，其結果是在阻力件前后產生一個較大的壓力差。它與流量（流速）的大小有關，流量愈大，差壓也愈大，因此只 要測出差壓就可以推算出流量。 把流體通過阻力件時流束的收縮造成壓力變化的過程稱節流 過程。其中的阻力件稱為節流件。1.節流裝置完整的節流裝置由節流元件、取壓裝置和上

16、下游測量導管三部分組成。幾種常見的節流作為流量檢測用的節流件有標準的和特殊的兩種。標準節流件包括標準孔板、標準噴嘴和標準文丘里管。對于標準化的節流件，在設計計算時都有統一標準的規定、要求和計算所需的有關數據、圖及程序；可直接按照標準制造、安裝和使用，不必進行標定。標準節流裝 置僅適用于測量管道直徑大于50mm，雷諾數在104105以上的流體，而且流體應當清潔，充滿全部管道，不發生相變。特殊節流件也稱非標準節流件，他們可以利用已有實驗數據進行估算，但必須用實驗方法單獨標定。特殊節流件主要用于特殊介質或特殊工況條件的流量檢測。圖4-4幾種常用的節流裝置三種節流裝置的優缺點對比如表4-1所示。優點缺

17、點標準孔板應用廣泛，結構簡單， 安裝方便，適用于大流 量的測量流體經過孔板后壓力損失大，當 工藝管道上不允許有較大的壓力 損失時，便不宜米用。標準噴嘴和標準文丘里管壓力損失較孔板小結構比較復雜，不易加工最常用的節流裝置是孔板， 其次是噴嘴，文丘里管應用得要少一些，下面重點介紹標準孔板和噴嘴。節流孔岸度芒圖4-5標準孔板標準孔板是一塊具有與管道同心圓形開孔的圓板，迎流一側是有銳利直角入口邊緣的圓筒形孔，順流的出口呈擴散的錐形。優點是結構簡單，加工方便，價格便宜，但是在測量中 壓力損失較大，測量精度較低，只適用于潔凈流體介質，測量大管徑高溫高壓介質時，孔板易變形，如圖4-5所示。標準噴嘴分ISA

18、1932噴嘴和長徑噴嘴兩種。噴嘴在管道內的部分是圓的，由圓弧形的 收縮部分和圓筒形喉部組成。ISA 1932噴嘴如圖4-6所示。是由垂直與中心線平面入口部分 A，兩端圓弧曲面 B和C構成的入口收縮部圓筒形喉部E與防止出口邊緣損傷的保護槽F組成。平面入口部分 A的直徑為1.5d且與旋轉軸同心的圓周和直徑為D的管道內部圓周限定。當d=2D/3時，該平面的徑向寬度為零；當 d 2D/3時，在管道內的噴嘴上游端面不包 括平面入口部分，如圖 4-6 ( b)所示。收縮部是由 B、C兩段組成的曲面，第一圓弧曲面 B 與A面相切，圓弧 C分別與B及喉部E相切；B、C半徑為R1、R2。圓筒形喉部E的直徑 為d

19、,長度為0.3d。出口的邊緣F應十分尖銳，無肉眼可見的毛刺或傷痕，無明顯倒角。標準噴嘴的適用范圍：50W D 500mm, 0.30 3 0.80。當 0.30 3 0.44 時，7 X104W Rew 107 ;當 0.44 3 0.80 時，2X 104 Re100mm的情況，對于小直徑管道，因為法蘭的相對厚度較大，不宜采用該法。（2 ）角接取壓0 0 604W604W流動方向C E5流動方向0 方 041041 = =(b) d (2/3) D上、下游的取壓管位于孔板前后端面處，如圖4-6中的2-2所示，通常有環室或加緊環取壓。環室取壓是在緊貼孔板的上、下游形成的兩個環室，通過取壓管測量

20、兩個環室壓力差； 夾緊環取壓是在緊靠孔板上、下游兩側鉆孔，直接取出管道壓力進行測量。兩種方法相比， 環室取壓均勻，測量誤差小，對直管段長度要求較短，多用于管道直徑小于400mm處，而夾緊換取壓多用于管道直徑大于200mm處。（3 ）法蘭取壓不論管道直徑大小，上下游取壓管中心均位于距離孔板兩側相應端面25.4mm處，如圖4-6中的3-3所示。（4 ）徑距取壓上游的取壓管的中心位于距離孔板前端一倍管道直徑D處，下游取壓管的中心位于距離孔板前端D/2處，4-7中的4-4所示。徑距取壓法和理論去壓法的差別僅是其下游取壓點 是固定的。（5 ）損失取壓游的取壓管的中心位于距離孔板前端2.5D處，下游取壓管

21、的中心位于距離孔板后端面8D處，4-7中的5-5所示。這種取壓方式測得的壓差值，即為流體流經孔板的壓力損失值。目前廣泛采用的是角接取壓法，其次是法蘭取壓法。角接取壓法比較簡便，容易實現環室取壓，測量精度較高。法蘭取壓法結構較簡單，容易裝配，計算也方便，但精度較角接取 壓法低些。3 測量原理當充滿管道的流體流經管道內的節流件時，如圖4-5所示，流速將在節流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節流裝置前后產生壓力差 p（ p=p1-p2），且流過的流量越大，節流裝置前后的壓差也越大，流量與壓差之間存在一定關系，這就是差壓式流量傳感器測量原理。這種測量方法是以流體連續性方程（質量守恒定

22、律）和伯努利方程（能 量守恒定律）為基礎的。 壓差的大小不僅與流量有關，還與其它許多因素有關，如節流裝置 形式、管道內流體的物理性質（密度、粘度）不同時在同樣大小的流量下產生的壓差也是不 同的。在圖4-8中，穩定流動的流體沿水平方向流經管道，在管道中間垂直于軸線方向安裝一個節流件，如孔板，它造成流通截面積減小，顯然界面1處，流體未受孔板的影響，流體充滿管道，管道截面積為 A1，流體靜壓力為 P1,平均流速為V1，流體密度為 ?1。截面2是 經節流件后流束收縮的最小截面，其截面積為A2，平均流速為 V2，流體密度為:%。流體的靜壓力和流速在節流件前后的變化情況，充分地反映了能量形式的轉換。在節流

23、件前，流體向中心加速。至截面 2處，流束截面收縮到最小，流速到達最大，靜壓力最低。然后流束 擴張，流速逐漸降低，靜壓力升高，直到截面3處。由于渦流區的存在， 導致流體能量損失， 因此在截面3處的靜壓力P3不等于原先靜壓力 P1，而產生永久的壓力損失 ：p。A1V1 = A2V2即 Vi二 AV?(4-11)A24-10)可得(4-12)U(c)(c)1U1f f砧 1 11 1圖4-8流體流經節流件時壓力和流速變化情況設被測流體為不可壓縮的理想流體（液體），其流體經過孔板時，不對外做功，與外界沒有熱量交換，流體本身也沒有溫度變化。根據伯努利方程，對界面1、2處沿管道中心的流體存在以下能量關系：

24、2 2R乞=山.止（4-9）一 2 ?2 2因為被測流體是等溫不可壓縮的，即叫二篤二所以式（4-9）可寫為(4-10)式中，P1, v1為截面1處的壓力和速度；P2, v2為截面2處的壓力和速度。 根據流體的連續方程得將式（4-11）代入式（2（P -P2）叮1-（A；）2對于截面2，代入質量流量方程得qm 二:?A2V= A22(R -P2)(4-13)(4-15)式（4-13）是反映質量流量qm和孔板前后壓差 P= P1 - P2之間關系的理論方程式。 實 際上，式（4-13）中A2代表流速最小收縮介面，因其位置和大小均難以確定，從而使A2面上的靜壓力P2也難以確定，所以理論方程必須修正。

25、為了計算和使用方便，用孔板的開 孔截面A0代替流束最小收縮截面 A2。在應用中，壓力差取自距孔板前后端面的固定位置處的R -P2*，而非P1 - P2，這樣壓力易于測量。基于上述幾點理由， 式（4-13）需要修正。通常用一個無量綱 C修正，C稱為流出系數。設孔板開孔直徑d與管道直徑D的比值一：=，這樣式（4-13）可寫為qm 二 CAo J彎評 二呂7 Ao J詼（4-14）、1 -P -P4以上推到是針對不可壓縮的理想流體而得出的流量公式。可壓縮流體（如各種氣體、蒸汽）流過節流裝置時，壓力發生改變必然引起密度的改變，因此對于可壓縮流體，必須考慮流體密度變化和膨脹的影響。為此，還需引入流體膨脹

26、校正系數 ,式（4-14）變為C；2：Pq嚴 A .4（4-16）式中C 流出系數； 膨脹系數（測液體時 =1 ）A0 節流件開孔截面積（m2）,代=切2 / 4 ; 一節流件直徑比；D管道直徑（mm）; d節流件開孔直徑（mm）;?1 被測流體在1處的密度（kg/m3）AP節流裝置輸出的壓差（Pa）。式（4-15）、（4-16）是壓差式流量計的流量公式。當被測流體為液體時， =1;當被測流體為氣體、蒸汽時， v時2Lv2(2)相差法c(4-27)式中3超聲波的角頻率。由式(只要在某閾值以上)變化明顯的影響。(3)電磁流量計 測量范圍度大，通常為20: 150: 1，可選流量范圍寬。滿度值液體

27、流速可在0.510m/s內選定。有些型號儀表可在現場根據需要擴大和縮小流量(例如設有4位數電位器設定儀表常數)不必取下作離線實流標定。(3)電磁流量計 的口徑范圍比其他品種流量儀表寬，從幾毫米到3m。可測正反雙向流量,也可測脈動流量，只要脈動頻率低于激磁頻率很多。儀表輸出本質上是線性的。(5) 測量通道是一段無阻流檢測件的光滑直管，因不易阻塞適用于測量含有固體顆粒 或纖維的液固二相流體，如紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿和污水等。易于選擇與流體接觸件的 材料品種，可應用于腐蝕性流體。(6) 儀表準確度可達1姬上。電磁流量計的主要缺點：門)電磁流量計不能測量電導率很低的液體，如石油制品和有機溶劑等。不能

28、測量氣 體、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體。(2)通用型EMF由于襯里材料和電氣絕緣材料限制，不能用于較高溫度的液體；有些型號儀表用于過低于室溫的液體，因測量管外凝露(或霜)而破壞絕緣。(3)被儀表使用溫度、壓力不能過高，目前使用溫度不應超過 200攝氏度。安裝地點應 遠離強磁場和振動源。 使用中還應注意，測量的準確度會受測量導管內壁， 特別是電極附近 積垢的影響。由于電磁流量計價格昂貴，這影響了它的推廣使用。4.3.4超聲波流量計當超聲波在流體中傳播時，會載帶流體流速的信息。因此，根據對接收到的超聲波信號進行分析計算，可以檢測到流體的流速， 進而可以得到流量值。超聲波流量測量方法有很多，主 要

29、介紹傳播速度差方法和多普勒方法的基本原理與流量方程.1.速度差法傳播速度差法的基本原理為：測量超聲波脈沖在順流和逆流傳播過程中的速度之差來得到到 被測流體的流速。根據測量的物理量的不同，可以分為時差法(測量順、逆流傳播時由于超聲波傳播速度不同而引起的時間差 卜相差法(測量超聲波在順、 逆流中傳播的相位差)、頻差 法(測量順、逆流情況下超聲脈沖的循環頻率差)。頻差法是目前常用的測量方法，它是在前兩種測量方法的基礎上發展起來的.(1)時差法時差法就是測量超聲波脈沖順流和逆流時傳播的時間差。設靜止流體中的聲速為 c,流體流速為v,發送器與接收器之間的距離為 L,則傳播時間差為:所謂相差法，既是通過測

30、量超聲波在順流和逆流時傳播的相位差來得到流速.如發送器發出的是連續正弦波，則順流和逆流接收到的波的相位差2 Lv(4-28 )(4-27)、(4-28 )看出，測得 t或 “就能求得流速V。采用頻率法的優點是可消勻分布的，可得方程:f2v cos 日fl - f2flcqvAc2 仃 cos-但是，流體中聲速c是隨流體溫度而變得，水中聲速c的溫度系數為0.2%/C。因此在流速一定時， t和的溫度系數約為0.4%/C，造成測量誤差。一般需采用流體溫度補(3)頻差法是通過測量順流和逆流時超聲脈沖的重復頻率差去測量流速。除聲速c的影響，因此順流和逆流接收到的超聲波的頻率之差。c v c -v2v可見

31、在頻率法中，頻率差與聲速 C無關，因此工業上常用頻率法。2 多普勒法多普勒法是利用聲學多普勒原理確定流體流量的。多普勒效應是當聲源和目標之間有相對運動，會引起聲波在頻率上的變化，這種頻率變化正比于運動的目標和靜止的換能器之間的相 對速度。圖4-15是超聲多普勒流量計示意圖。超聲換能器安裝在管外。從發射晶體T發射的超聲波束遇到流體中運動著顆粒或氣泡，再反射回來由接收晶體R接收。發射信號與接收信號的多普勒頻率偏移與流體流速成正比。如忽略管壁影響，并假設流體沒有速度梯度，以及粒子是均由上述流量方程可知， 當流量計、管道條件及被測介質確定以后，多普勒頻移與體積流量成 正比，測出頻移Af就可以得到流體流

32、量qv。3 .超聲波流量計組成原理超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示系統組成。超聲波流量計的原理如圖4-15所示。在管壁的斜對面固定兩個超聲波振子TR1、TR2，兼作為超聲波的發生和接收元件。由一側的振子產生得超聲波脈沖穿過管壁-流體-管壁為另一側的振子所接收，并轉換為電脈沖，經放大后再用此電脈沖來激發對面的發送振子，形成所謂單環自激振蕩，振蕩周期由超聲波在流體中的順流傳播速度決定，周期的倒數即單環頻率fl。如此循環交替的測出fl、 f2。_ 1-.-D-補，：圖4-15超聲多普勒流量計示意圖流體圖4-15超聲波流量計當CVD，且T艮小時，可得sin 2 一 c .、亠f = f2

33、 f1(1 sin J) VDDD(4-29)所以，當D、B、T c為常數， f與 成線性關系。由于艮小，在大口徑管道中T、c項?可以忽略。通過運算電路得到的 f值可供指示、記 錄和計算。式(4-29 )也可用下法來消去滯后時間T設超聲波在流速為零的流體中頻率為fo，稱為超聲波基準頻率，顯然(4-30 )從式(4-29)、式(4-30)中消去T得f = 2Dctg X f)2VD cfo可在停止流動時測量，或者用fl、f2的平均值代替。由上式可見，由于的存在，聲速的變化對測量的影響實際上還是存在的。超聲波與管軸之間的夾角 0可由折射定律決定:式中cl、 c2、 c聲鍥、管道壁、流體中的聲速；1

34、、2、 -見圖4-15所示超聲波振子通常由鎬鈦酸鉛陶瓷等壓電材料制成，通過壓電效應和電致伸縮效應將超聲波脈沖轉換為電脈沖獲獎電脈沖轉換為機械伸縮而產生超聲波。聲鍥是用塑料等制成的可說計數器*計算% = 4k DVD2D( D - 5：c sin v)sin 2儀表前后要有足夠的直管段（前20D , 使流量指示的離散性很大，準確度很差。鍥形塊，它使超聲波通路與管道軸線成一定的夾角。值得注意的是，超聲波流量計測得的是超聲波通路上的流體的平均速度，也就是沿管道直徑上的平均速度，它不等于求體積流量所需要的管道截面上的平均速度I如上所述，在層流情況下3 I在紊流情況下比值與雷諾數有關.4在般的流量范圍內

35、雷諾數變化不會太大，因此往往可 以認為該比值是一常數。因此，在用超聲波流量計測量流量時，考慮到截面平均速度與沿直 徑平均速度之間關系的影響，體積流量與頻率差之間的關系為qv =8k(f0/tan 習 f式中k流量修正系數，另外，為了在儀表前就達到典型層流或紊流流速分布， 后5D ）,否則，流速分布要發生變化， 并且不穩定,使用中還應注意被測液體流中可能含有的氣泡、未充滿的空氣層對超聲波傳播的干擾，以及 泵和其它聲源所混入的超聲雜音干擾。4 .超聲波流量計的特點超聲波流量計的優點：對介質適應性強； 是一種理想的節能型流量計； 性價比高，超聲波流量計儀表造 價基本上與被測管道口徑大小無關； 測量準

36、確度幾乎不受被測流體參數影響， 且測量范圍 度較寬；儀表的安裝及檢修均可不影響生產管線運行。缺點：用傳播速度差法只能測量清潔流體， 不能測量含雜質或氣泡超過某一范圍的流體； 而多 普勒法只能用于測量含有一定懸浮粒子或氣泡的液體， 且多數情況下測量精度不高；如管道 結垢太厚、銹蝕嚴重或襯里與內管壁剝離則不能測量；另外， 超聲波流量計結構復雜， 成本 較咼。4.4容積式流量計應用容積法測量流體流量的儀表，稱為容積式流量計。容積式流量計內部設計有構成一個已標定容積的計量室，容積是在儀表殼體與旋轉體之間形成的。隨著轉子的轉動，使流體從流入口流向排出口， 當流體經過儀表時，利用儀表入口和出口之間產生的壓

37、力 差，推動旋轉體轉動，將流體從計量室中容積V。一份一份地推送出去。女口果設計好該空間的體積，測量轉子的轉動次數，就能得出該空間給出的體積量，所推送出的流體流量為Q = nVo式中n 轉動的次數，r/s（轉/秒）。因為計量室的容積是已知的，故只要測出旋轉體的轉動次數，根據計量室的容積和旋轉 體的轉動頻率，求出流體的瞬時流量和累計流量。根據它的結構不同，這類儀表主要有橢圓齒輪流量計、腰輪流量汁、刮板式流量計等。4.4.1橢圓齒輪流量計1結構和工作原理橢圓齒輪流量計的測量本體由一對相互嚙合的橢圓齒輪和殼體組成，這對橢圓齒輪在流量計進出口兩端流體差壓作用下，交替地相互驅動并各自繞軸作非勻角速度的旋轉

38、。在流體差壓(P1-P2)作用下，推動橢圓齒輪 A和B反方向旋轉，不斷地將充滿半月形固定容積中的 流體推出去，其轉動與充液排液過程如圖4-16所示。齒輪每轉一周就推出四個半月形容積的流體，從齒輪的轉數可計算出排出流體的總流量。橢圓齒輪的轉動通過減速傳動機構帶動指針與機械計數器，儀表盤中間的大指針指示流體的瞬時流量，經過齒輪計數器顯示體積總流量。只要測量橢圓齒輪的轉數N和轉速n,就可知道累積流量和單位時間內的流量。瞬時流量Q = 4NVqv - 4nV(I)(2)(3)4-16橢圓齒輪流量計的工作原理(1) t=0, 9=0 流體進入計量室； t=T/8, 9=45 流體排出計量室；(3) t=

39、T/4, 9=90 流體全部排出，開始下一個循環，每次周期完成4次計量。t為轉動時間，9為轉動角度，T為轉動周期。還有一種卵形流量計。其工作原理與橢圓齒輪流量計完全一樣，不同之處是將橢圓齒輪變成卵形齒輪。這里不再詳述。2.工作特點橢圓齒輪流量計借助于固定的容積來計量流量，與流體的流動狀態及粘度無關。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0.2%。流量恒定時，橢圓齒輪在一周的轉速是變化的，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，轉動角速度的脈動率接近0.65。由

40、于角速度的脈動，測量瞬時轉速并不能表示瞬時流量，而只能測量整數圈的平均轉速來確定平均流量。大多數橢圓齒輪流量計的外伸軸都帶有測速發電機或光電測速盤。同二次儀表相連，可準確地顯示出平均流量和累積流量。橢圓齒輪流量計的缺點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荷運行時，磨損加劇，導致精度下降。4.4.24.4.2腰輪流量計 1.結構和工作原理腰輪流量計又稱羅茨流量計，如圖4-17所示。其工作原理與橢圓齒輪流量計相同。腰輪流量計的轉子是一對不帶齒的腰形輪，在轉動過程依靠套在殼體外的與腰輪同軸上的嚙合齒輪來完成驅動。通過腰輪(轉子)與殼體之間所形成的固定計量室來實現，腰輪轉過

41、一圈， 排出四個固定計量體積的流體，只要記下腰輪的轉動轉數，就可得到被測流體的體積流量。流入口流岀口(a)(a)凹線式(町凸輪式其流量的計算公式與橢圓齒輪流量計相同。1 殼體；2 軸；3 驅動齒輪；4 腰輪；5 計量室圖4-17腰輪流量計2.工作特性腰輪轉子流量計中，兩個腰輪轉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，轉子角速度的波動現象較嚴重，脈沖率約為 0.22。對大流量的計量，往往都采用450角組合腰輪，可大大減小轉子角速度的波動，脈沖率可減小到0.027左右。由于腰輪流量計的驅動是由專門的驅動齒輪擔任，其磨損不影響測量精度

42、，而與測量密切相關的只是腰輪，由于腰輪沒有齒，不易被流體中塵灰夾雜卡死，同時腰輪的磨損也較橢圓齒輪輕一些，因此使用壽命較長， 準確度較高，可作標準表使用。因此這種流量計具有結 構簡單、使用壽命長、適用性強等特點，對于不同粘度的流體，均能夠保證精確的計量，一般精度可達土 0.2%。4.4.3刮板式流量計刮板式流量計有凸輪和凹線式兩種形式如圖4-18所示。刮板式流量計工作原理是，轉子在流量計進、出口差壓作用下轉動，轉子上有兩對可以內外滑動的刮板， 每當相鄰兩刮板進入計量區時均伸出至殼體內壁且只隨轉子旋轉而不滑動，形成具有固定容積的測量室，當離開計量區時，刮板縮入槽內，流體從出口排出，同時后一刮板又

43、與其另一相鄰刮板形成測 量室。轉子旋轉一周，排出4份固定體積的流體，由轉子的轉數就可以求得被測流體的流量。凸輪式和凹線式工作原理基本相同。區別在于凸輪式刮板的滑動是靠凸輪控制轉子按順 時針方向轉動的，而凹線式滑板的滑動是靠具有凹線的殼體來實現轉子的逆時針方向轉動 的。1刮板2凸輪3轉子圖4-18刮板式流量計刮板流顯計適用于計趾液體流能計昴含雜質的流體.準確度較臥可達止2級振動和噪育小因采用了咫比體不雯管道陶力的影響，檢査維修較方fth流量計結構較復雜*制造精度要求髙.還仃一種彈忡刮板流量計其旋轉刮板的前漏溝彈性體.山殼體*彈件刮板、葉片形成一定溶劑的渝量室口特F何轉一周所通過的漩體體積対計量宅

44、容積的三倍轉子的轉動通過磁聯軸器經減速傳入指示器，以指示出體積流量值若轉子的轉動經減速宿入脈沖發汛器.則可輸出撕流量計成i匸比的電遠傳脈沖訊號，可制成遠傳亀流量計。說墾計適川于連續測量流經封閉管道內液體的流量山于獨特的彈性轉子構適，尤其適用于含冇顆粒雜質的臟物流4.3.4容積式流量計的特點從原理上講，容積式儀表的準確度受流量大小、流體粘性的影響很小，測量準確度高，在測量總量時，這類儀表的準確度很高， 一般可達（0.10.5）%測量過程與雷諾數無關， 尤 其適用于小口徑管道流量和高粘度流體的流量測量 （因泄漏誤差隨粘度增大而減小）。流量計 的量程比較寬，一般為 10:1。安裝儀表的直管段長度要求

45、不嚴格。缺點：儀表有可動部分，慣性較大，動態特性不好。對于前三種型式的容積式流量計，由于齒輪等運動部件與殼體之間存在間隙，在儀表進出口差壓作用下， 存在著通過間隙的滑漏量，從而引起測量誤差。 結構較復雜，運動部件易磨損，對于大口徑管道的流量測量，流量計的體積大而笨重，維護不夠方便，成本也較高。4.5振動流量計振動流量計是60年代末期發展起來的一種較新的流量測量技術。它具有如下一些特點：可得到與流量成正比的頻率輸出信號；被測流體本身就是振動體， 無機械可動部件，幾乎不受流體組成、密度、粘度、壓力等因素的影響；所以，該測量方法越來越受到人們的重視， 主要分為兩種一種是應用自然振蕩的卡門漩渦列原理而

46、制成的稱為卡門漩渦流量計；另一種是應用強迫振蕩的漩渦旋進原理而制成的稱為旋進式漩渦流量計。4.5.1漩渦流量計1.工作原理漩渦流量計也稱為渦街流量計。流體在流動過程中，遇到障礙物必然產生回流而形成旋渦。在流體中垂直插入一根圓柱體 （或三角柱體、方柱體等）作為旋渦發生體，流體流過柱體， 當流速度高于一定值時，在柱體兩側就會產生兩排交替出現的旋渦列，兩側漩渦的旋轉方向相反，并輪流地從柱體上分離出來，如圖4-19所示。這兩排平行的非對稱的漩渦列稱為卡門渦街。簡稱渦街。當管道內徑和圓柱體的幾何尺寸確定后，單列旋渦產生的頻率f與流體體積流量成正比。故通過測量旋渦即可測得流量。漩渦發生體是漩渦流量計的核心

47、。漩渦發生體的形狀主要有圓柱形、方柱形和三角柱形， 也有組合式的。圖4-19漩渦發生原理由于漩渦之間的相互影響，其形成通常是不穩定的。馮卡門對渦列的穩定條件進行了研究，于1911年得到結論：只有當兩漩渦列之間的距離h和同列的兩漩渦之間的距離L之比滿足= 0石 231時，非對稱的漩渦列能保持穩定。對于圓柱形漩渦發生器，根據卡門渦街形成原理，單列旋渦產生的頻率f為：VVf dmd式中V 分別為圓柱體兩側的流體速度和管道流體的平均流速，m/s;d 圓柱體直徑，m;m 流速比，m= V / V仁St 斯特勞爾數，與漩渦發生體形狀及流體雷諾數有關，在ReD = 5X10215 X|04范圍內，St唏數；

48、設管道直徑為D，管道截面積為 Ao,令3= d/D，當 恭0.35時，m=（1-1.27 3，則流體的體積 流量Q為：Q Ad 1-1.271 f一St當管道內徑和圓柱體的幾何尺寸確定后，體積流量只與渦街產生的頻率成正比，而與流體的物理性質（溫度、壓力、密度、成分等 ）無關，于是得：Q=Kfd,流體的體積流量 Q為:管道熱敏電阻 三捕柱漩渦發生體流體出現漩渦將使超聲波由于介質密度變化而折射或散如采用三角柱體作為旋渦發生體，其迎流面的邊長或寬度為2 漩渦頻率的測量St漩渦頻率檢測的方法較多，一般與漩渦發生體形狀有關，主要方法如下:(1) 熱電絲檢測法圓柱形漩渦發生器如圖 4-20所示。圖4-20

49、圓柱形漩渦檢測器圓柱體表面開有導壓孔， 與圓柱體內部空腔相通. 空腔由隔板分成兩部分， 在隔板的中 央部分有一小孔，在小孔中裝有檢測流體流動的鉑電阻絲當旋渦在圓柱體下游側產生時， 出于升力的作用，使得圓柱體下方的壓力比上方高一些，圓柱體下方的流體在上下壓力差的作用下，從圓柱體下方導壓孔進入空腔，通過隔板中央部分的小孔，流過鉑電阻絲，從上方導壓孔流出。如果將鉑電阻絲加熱到高于流體溫度的某溫度值，則當流體流過鉑電阻絲時， 就會帶走熱量，改變其溫度，也即改變其電阻值。當圓柱體上方產生一個旋渦時，則流體從上導壓孔進入，由下導壓孔流出，又一次通過鉑電阻絲， 又改變一次它的電阻值。由此可知：電阻值變化與流

50、動變化相對應，也既與旋渦的頻率相對應。所以，可由檢測鉑電阻絲電阻變化頻率得到渦頻率，進而得到流量值。(2 )熱敏電阻檢測法 在三角柱體的迎流面對稱地嵌入兩個熱敏電阻組成橋路的兩臂，以恒定電流加熱使其溫度稍高于流體，在交替產生的漩渦的作用下，兩個電阻被周期地冷卻， 使其阻值改變，阻值的變化由橋路測出，即可測得漩渦產生頻率，從而測出流量。如圖4-21所示。圖4-21三角柱漩渦檢測器 漩渦頻率的檢測(3)超聲波檢測法在柱體后設置橫穿流體的超聲波束, 射，使收到的聲信號產生周期起伏，經放大得到相應于流量變化的脈沖信號。（4） 壓力檢測法 U U在三角柱中央或其后部插入嵌有壓電陶瓷的桿，桿端為扁平片，產

51、生旋渦引起的壓力變化， 作用在桿端而形成彎矩， 使壓電元件出現相應的電荷。 此方法在技術上比較成熟， 應用較多。4.5.2 旋進式漩渦流量計 旋進式漩渦流量計如圖 4-22 所示。流體從流量計入口進入，通過一組固定的螺旋葉片后被 強制旋轉， 在中心的速度很高。 流體進入先收后擴的管段，首先被加速，旋渦的中心和軸線 一致。 流體進入擴張段后，將圍繞流量計的軸線做螺旋狀進動，并且逐漸向管壁靠近。 出口 前裝有導流葉片，葉片是直的， 其平面與軸線平行，目的是使漩渦流整流成平直運動， 一面 下游管件對測量產生影響。進動頻率可采用熱敏元件或壓敏元件檢測。 為了使元件不受污染、 腐蝕和振動， 元件表面掛

52、有薄玻璃層，一般采用珠狀熱敏電阻，并用恒流源加熱，通常其溫度高于被測流體的溫度。 當進動渦流掃過時， 將使熱敏電阻冷卻。 這樣， 便將進動頻率轉變為熱敏電阻阻值的交替變 化，使變化頻率和進動頻率相等。通常熱敏電阻作為電橋的一個臂使用， 由恒流源加熱。 然后， 當電阻的變化變成電橋的不平 衡輸出后，送至放大器放大，以后的處理與卡門旋渦流量計相同。圖 4-22 旋進式旋渦流量計4.5.3 旋渦流量計的特點 渦街流量計測量精度較高；量程比寬 ,可達 30:1；使用壽命長，壓力損失小，安裝與維 護比較方便； 測量幾乎不受流體參數變化的影響， 用水或空氣標定后的流量計無須校正即可 用于其它介質的測量；易

53、與數字儀表或計算機接口,對氣體、液體和蒸汽介質均適用。缺點是流體流速分布情況和脈動情況將影響測量準確度， 因此適用于紊流流速分布變化小的 情況，并要求流量計前后有足夠長的直管段。4.6 質量流量計在工業生產中， 由于物料平衡， 熱平衡以及儲存、 經濟核算等所需要的都是質量， 并非 體積， 所以在測量工作中，常需將測出的體積流量，乘以密度換算成質量流量。即直接測量 單位時間內所流過的介質的質量，即質量流量 M 。 一般情況下，液體的密度受溫度的影響 不大， 通常可以不進行溫度修正。 而氣體由于密度受溫度和壓力的影響則不能忽略， 所以在 測量流體體積流量時，要同時測量流體的壓力和密度，進而求出質量

54、流量。 在溫度、壓力變 化比較頻繁的情況下， 難以達到測量的目的。 這樣便希望用質量流量計來測量質量流量， 而 無需再人工進行上述換算。質量流量計大致分為三大類： 1直接式：即直接檢測與質量流量成比例的量，檢測元件直接反映出質量流量。 2推導式：即用體積流量計和密度計組合的儀表來測量質量流量，同時檢測出體積流 量和流體密度，通過運算得出與質量流量有關的輸出信號。3補償式： 同時檢測流體的體積流量和流體的溫度、壓力值，再根據流體密度與溫度、壓力的關系， 由計算單元計算得到該狀態下流體的密度值， 最后再計算得到流體的質量流量 值。補償式質量流量則量方法，是目前工業上普遍應用的一種測量方法。質量流量

55、計的優點是最后輸出信號只與介質的質量流量M成比例，這就能從根本上提高流量測量的精度，省去了煩瑣的換算和修正。4.3.1直接式質量流量計一科里奧利質量流量計科里奧利質量流量計（簡稱CMF）是利用流體在直線運動的同時，處于一個旋轉系中，產生與質量流量成正比的科里奧利力而制成的一種直接式質量流量傳感器。然而，通過旋轉運動產生科里奧利力實現起來比較困難，目前的傳感器均采用振動的方式來產生。由于它實現了真正意義上的高精度的直接流量測量，具有抗磨損、抗腐蝕、可測量多種介質及多個參數等諸多優點，現已在石油化工、制藥、食品及其他工業過程中廣泛應用。1 科里奧利質量流量計的工作原理科氏力流量計由傳感器和變送器兩

56、大部分組成。其中傳感器用于流量信號的檢測，主要由分流器、測量管、驅動、檢測線圈和驅動、檢測磁鋼構成，如圖4-23所示。變送器用于傳感器的驅動和流量檢測信號的轉換、運算及流量顯示、信號輸出，變送器主要有電源、 驅動、檢測、顯示等部分電路組成。所有流量計都必須人為地建立一個旋轉體系，以雙“U”型測量管傳感器為例，用電磁驅動的方法使“ U”型測量管的回彎部分作周期性的微小振動。這相當于使“U”型管繞一個固定軸（00軸）作周期性時上時下的旋轉，其旋轉方向周期性的變化， 像鐘擺一樣運動。“U”型管的出入口段被固定，這樣就建立一個以“U”形管出入口段為固定軸的旋轉體系。圖4-23流量傳感器示意圖傳感器力學

57、分析如圖4-24所示。當測量管向上振動但無流體流過時，運用右手螺旋法則，四指指向旋轉方向，則大拇指指向的方向為外加驅動的圓頻率3。當流體流入“ U ”形管時,由于慣性，流體將反抗“ U”形測量管強加給它的垂直動量的改變：在“U”形管的入口段，在管子向上振動期間，流體將壓管子向下，而在“U”形管的出口段，流體將推管子向上，于是測量管被扭曲如圖4-25所示，這就是科里奧力的作用結果。右手定則可以確定科里奧力 的方向，當大拇指代表 3方向，食指代表V方向，則中指的反方向即為科氏力Fc的方向。在圖4-11中，Fc和Fc的箭頭表示科氏力的方向。當“U”形管被向下驅動時（3方向反向），貝U Fc和Fc亦反

58、向。設測量管左右對稱r,二r2二r , Fc = Fc，管的直腿段長度為L,管的回彎寬度為2r, 設流體單位質量為 m,流速為V，流過單邊直腿段的時間為 t，流體瞬時質量流量為 Qm,參 見圖4-24所示。Fc設管子的角彈性系數為Ks,平衡時有(參見圖4-13)則使管子扭曲的力矩 M為:M = FC r1 FCr2 =2FCr2 =4mVr (4-17 )而流體瞬時質量流量為:Q m =m/ t 流速為：V = L/t 則：V =LQ m / m 代入(4-17)則有:M = 4? r Q m L( 4-18)M = K s0 ,代入式(4-18)，則:Q m = (K S0 )/(4 rL?

59、 )(4-19)當管子振動通過最大扭曲中心平面0?0時，有2rsin 0 =h參見圖4-26)，當B很小時,有sin 0駕則2r 0=同時我們注意到U ”形管繞00軸振動時有：h = L? t = 2r 0式中， t為圖4-14中所示的時間差。即:0= (L? t)/2r(4-20)將(4-20)式代入(4-19 )式，則有：2Qm =(Ks/8r ) ：t (4-21)式（4-21 ）中41為流體流過傳感器左右檢測器時產生的時間差，也就是兩組檢測信號的相位差，如圖4-27所示。由式（4-21）可知，質量流量 Qm與兩組電磁檢測器檢出信號的 時間差成正比，而與振動的頻率及角速度等均無關，根據這

60、一原理，質量流量計將 t轉振動方向換成脈沖信號（OkHz10kHz）或電流信號（4mA20mA DC ）、電壓信號（1V5V DC ） 輸出并顯示流體質量，從而解決了質量流量的直接測量問題。圖4-26 “ U ”形管通過最大扭曲中心平面O O的幾何尺寸圖4-27質量流量正比于時間差At2.科里奧利質量流量計的特點由于科里奧利質量流量計是一種直接式質量流量計，因而具有許多其他流量計無可比擬的優點：（1）可直接測得質量流量的信號，不受被側介質物理參數的影響，實現了真正的、高精度的直接質量流量測量。精度一般可達0.1%0.2%，重復性優于0.1 %。（2）可以測量多種介質，如油品、化工介質、造紙黑液