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1、一一.基本概念基本概念1.1.流量流量单位时间内通过某截面的流体数量单位时间内通过某截面的流体数量 体积流量体积流量 q qv v=dV/dtdV/dt 质量流量质量流量 q qm m=dm/=dm/dtdt=q qv v 标准体积流量标准体积流量 换算到标准状态（换算到标准状态（20,0.10133MPa)20,0.10133MPa)下的体积流量下的体积流量2.2.流体性质和流体运动的复杂性流体性质和流体运动的复杂性流体性质多样性流体性质多样性 密度、粘度不同，单相流、多相流之分，可压缩性的强弱，牛顿流密度、粘度不同，单相流、多相流之分，可压缩性的强弱，牛顿流体与非牛顿体体与非牛顿体 管路系
2、统的多样性管路系统的多样性管道形状，管道形状，壁面光滑程度壁面光滑程度 流动状态的多样性流动状态的多样性层流与紊流，层流与紊流，旋转流与脉动流旋转流与脉动流 上述复杂性均会影响流量测量准确度，必须根据具体情况选择合适的流上述复杂性均会影响流量测量准确度，必须根据具体情况选择合适的流量测量方法和流量计。量测量方法和流量计。第第1 1节节 流量及测量仪表概述流量及测量仪表概述 二二.流量测量方法流量测量方法 1.1.容积法容积法原理：原理：q qv v=nV=nVV V为定容容器的容积；为定容容器的容积；n n为单位时间内被测流体充满为单位时间内被测流体充满(或排出或排出)定容容器的次数定容容器的
3、次数 形式形式：椭圆齿轮式、腰轮式、刮板式、活塞式等：椭圆齿轮式、腰轮式、刮板式、活塞式等特点：特点：流动状态对测量的影响小，精度高；流动状态对测量的影响小，精度高；有一定的压力损失；有一定的压力损失；不宜用于高温、高压、脏污介质的测量不宜用于高温、高压、脏污介质的测量2.流速法流速法原理：原理：qv=vmA形式：形式：差压式、转子式、涡轮式、层流式，电磁式、声波式差压式、转子式、涡轮式、层流式，电磁式、声波式特点：特点：使用性能好，精度高；使用性能好，精度高；2.可用于高温、高压介质的测量，流动状态、可用于高温、高压介质的测量，流动状态、Re对测量的影对测量的影响大。响大。3.质量法质量法原
4、理原理：牛顿第二定律：牛顿第二定律型式型式：量热式质量流量计：量热式质量流量计角动量式角动量式振动陀螺式振动陀螺式科里奥利力式科里奥利力式直接式质量流量计直接式质量流量计推导式质量流量计推导式质量流量计热式质量流量计示意图 流量计分类 第第2 2节节 流速法测量流量流速法测量流量qv=vmA均速管均速管均速管流量计的测均速管流量计的测量元件量元件均速管均速管（国外称（国外称Annubar，直译阿牛巴），直译阿牛巴），是基于早期皮托管是基于早期皮托管测速原理发展起来测速原理发展起来的，是的，是60年代后期年代后期开发的一种新型差开发的一种新型差压流量测量元件。压流量测量元件。均速管流量传感器的测
5、量原理均速管流量传感器的测量原理均速管流量传感器，由其结构示意图所知，它是一根沿直径插入管道中的中空均速管流量传感器，由其结构示意图所知，它是一根沿直径插入管道中的中空金属杆，在迎向流体流动方向有成对的测压孔，一般说来是两对，但也有一对或金属杆，在迎向流体流动方向有成对的测压孔，一般说来是两对，但也有一对或多对的，其外形似笛。迎流面的多点测压孔测量的是总压，与全压管相连通，引多对的，其外形似笛。迎流面的多点测压孔测量的是总压，与全压管相连通，引出平均全压出平均全压p1，背流面的中心处一般开有一只孔，与静压管相通，引出静压背流面的中心处一般开有一只孔，与静压管相通，引出静压p2。均速管是利用测量
6、流体的全压与静压之差来测量流速的。均速管是利用测量流体的全压与静压之差来测量流速的。n特点特点与孔板等标准节流装置比较，均速管有以下与孔板等标准节流装置比较，均速管有以下特点特点：结构简单，：结构简单，易于加工，价格低廉；不可恢复的阻力损失小，大体只相当于易于加工，价格低廉；不可恢复的阻力损失小，大体只相当于标准节流装置的百分之几；安装工作量小，费用低，维护量小；标准节流装置的百分之几；安装工作量小，费用低，维护量小；性能稳定，不致因像孔板边缘变形、磨损、正负压室间渗漏及性能稳定，不致因像孔板边缘变形、磨损、正负压室间渗漏及杂质堆积等原因导致长期使用精度降低；由于有多个检测孔的杂质堆积等原因导
7、致长期使用精度降低；由于有多个检测孔的均压作用，因而降低了对直管段的要求。随管径增大，均速管均压作用，因而降低了对直管段的要求。随管径增大，均速管的上述优势更加明显。的上述优势更加明显。第第3 3节节 差压式流量计差压式流量计一一.测量原理与流量方程测量原理与流量方程1.测量原理测量原理假定：假定：水平管道，稳定流动，与外界无能量交换，流体温度无变化，忽略粘性水平管道，稳定流动，与外界无能量交换，流体温度无变化，忽略粘性阻力，则对管道任意两个截面有：阻力，则对管道任意两个截面有：能量方程：能量方程：连续性方程：连续性方程：对于不可压缩流体：对于不可压缩流体：对于可压缩流体：对于可压缩流体：2.
8、流量方程流量方程孔板式流量计孔板式流量计：式中：式中：流量系数流量系数 压缩性修正系数性修正系数 流体工作状流体工作状态下的密度下的密度 p p节节流元件前后流体差流元件前后流体差压压 d d节节流元件孔径流元件孔径3.流量方程中参数的确定流量方程中参数的确定的确定的确定=f(f(节流元件形式，取压方式，节流元件形式，取压方式，d/D,Re,d/D,Re,管壁粗糙度）管壁粗糙度）原始流量系数原始流量系数0式中：式中：K1粘度修正系数粘度修正系数K2管壁粗糙度修正系数管壁粗糙度修正系数K3孔板磨损修正系数孔板磨损修正系数取压装置取压装置角接取压：角接取压：11法兰取压：法兰取压：22D和和D/2
9、取压：取压：33理论取压：理论取压：44管接取压：管接取压：55二二.节流装置节流装置注注：1.标准节流元件严格按标准要求制造使用，不需标定；标准节流元件严格按标准要求制造使用，不需标定；2.非标准节流元件必须经过标定方能使用；非标准节流元件必须经过标定方能使用；3.标准取压装置：标准取压装置：角接取压角接取压法兰取压法兰取压三三.差压计差压计差压计差压计：差压式流量计的信号检出部分：差压式流量计的信号检出部分差压计型式差压计型式：波纹管式，膜片式，电容式等：波纹管式，膜片式，电容式等四四.差压式流量计测量结果的修正差压式流量计测量结果的修正式中：式中：q qv v,q,qv v流量计流量指示
10、值和修正值流量计流量指示值和修正值 T,TT,T节流元件设计和工作状态时的温度节流元件设计和工作状态时的温度 d,dd,d节流元件设计和工作状态时的孔径节流元件设计和工作状态时的孔径 l l 节节流元件流元件线胀线胀系数系数流量方程是差压式流量计流量标尺刻度的基本依据，其中流量方程是差压式流量计流量标尺刻度的基本依据，其中除了差压除了差压p p 需要直接测量外，其余参数需要直接测量外，其余参数、d d均均属属 设计设计参数，按设计标准选取。当流体成分、状态（温度参数，按设计标准选取。当流体成分、状态（温度压力）偏离流量计的设计条件时，需对测量结果进行修正。压力）偏离流量计的设计条件时，需对测量
11、结果进行修正。1.孔径孔径d因温度变化的修正因温度变化的修正2.变化的修正变化的修正3.综合修正系数综合修正系数第第4 4节节 转子流量计转子流量计一一.工作原理工作原理 转子流量计利用流体节流作用测量流体的体积流量。结构：锥管，浮子转子流量计利用流体节流作用测量流体的体积流量。结构：锥管，浮子二二.流量方程（转子受力分析）流量方程（转子受力分析）转子形状转子形状对流量系数的影响对流量系数的影响转子流量计的特点转子流量计的特点 结构简单，直观；结构简单，直观；使用维护方便；使用维护方便；压力损失小。压力损失小。对流量系数的影响对流量系数的影响涡轮流量计涡轮流量计（以下简称（以下简称TUF）是叶
12、轮式流量（流速）计的主要品种，是叶轮式流量（流速）计的主要品种，叶轮式流量叶轮式流量计计还有还有风速计风速计、水表水表等。等。在各种流量计中在各种流量计中TUF、容积式流量计和科氏质量流量计是三类重复性、精确度容积式流量计和科氏质量流量计是三类重复性、精确度最佳的产品，而最佳的产品，而TUF又具有自己的特点，如结构简单、加工零部件少、重量轻、维又具有自己的特点，如结构简单、加工零部件少、重量轻、维修方便、流通能力大（同样口径可通过的流量大）和可适应高参数（高温、高压和修方便、流通能力大（同样口径可通过的流量大）和可适应高参数（高温、高压和低温）等。至今，这类流量计产品可达技术参数：口径低温）等
13、。至今，这类流量计产品可达技术参数：口径4-750mm，压力达压力达250MPa，温度为温度为-240-700，像这样的技术参数其他两类流量计则是难以达到的。，像这样的技术参数其他两类流量计则是难以达到的。TUF广泛应用于以下一些测量对象：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、广泛应用于以下一些测量对象：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等。在国外液化石油气、成品油和轻质原油等的转运及集输站，大煤气和低温流体等。在国外液化石油气、成品油和轻质原油等的转运及集输站，大型原油输送管线的首末站都大量采用它进行贸易结算。在欧洲和美国型原油输送管线的首末站都大量采用它进行贸易结算。
14、在欧洲和美国TUF是仅次于是仅次于孔板流量计的天然气计量仪表，仅荷兰在天然气管线上就采用了孔板流量计的天然气计量仪表，仅荷兰在天然气管线上就采用了2600多台各种尺寸，多台各种尺寸，压力从压力从0.8MPa到到6.5MPa的气体的气体TUF，他们已成为优良的天然气流量计。他们已成为优良的天然气流量计。第第5 5节节 涡轮流量计涡轮流量计一一.构造与原理构造与原理1.1.构造构造：导流器、涡轮、壳体、转速传感器、二次仪表导流器、涡轮、壳体、转速传感器、二次仪表。2.2.原理原理：动量矩守恒原理动量矩守恒原理3.当被测流体流过传感器时，在流体作用下，叶轮当被测流体流过传感器时，在流体作用下，叶轮受
15、力旋转，其转速与管道平均流速成正比，叶轮的转动周受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，叶轮的转动周期地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中磁通随之发生期地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势，即电脉冲信号，经周期性变化，产生周期性的感应电势，即电脉冲信号，经放大器放大后，送至显示仪表显示。放大器放大后，送至显示仪表显示。式中：式中：z涡轮叶片数涡轮叶片数n涡轮转速涡轮转速K仪表常数（流量系数）仪表常数（流量系数）流量方程流量方程脉冲信号调理矩形波门电路信号脉冲频率转速流量K与流量（或管道雷与流量（或管道雷诺数）的关系曲线如图诺数）的关系曲线如图所示。可见
16、，仪表常数所示。可见，仪表常数可分为二段，即线性段可分为二段，即线性段和非线性段。线性段约和非线性段。线性段约为工作段的三分之二，为工作段的三分之二，其特性与传感器结构尺其特性与传感器结构尺寸及流体粘性有关。在寸及流体粘性有关。在非线性段，特性受轴承非线性段，特性受轴承摩擦力，流体粘性阻力摩擦力，流体粘性阻力影响较大。当流量低于影响较大。当流量低于传感器流量下限时，仪传感器流量下限时，仪表系数随着流量迅速变表系数随着流量迅速变化。压力损失与流量近化。压力损失与流量近似为平方关系。当流量似为平方关系。当流量超过流量上限时要注意超过流量上限时要注意防止空穴现象。防止空穴现象。二二.涡轮流量计特性涡
17、轮流量计特性线性特性线性特性仪表常数仪表常数K在流量测量范围内的变化特性。在流量测量范围内的变化特性。压力损失特性压力损失特性流量增加，流体粘性增加，均导致压力损失增加。流量增加，流体粘性增加，均导致压力损失增加。三三.流体物性对流量计特性的影响流体物性对流量计特性的影响 K K与流体物性和流量计结构有关。流体工作状态偏离标定条件时，会有测量误差。与流体物性和流量计结构有关。流体工作状态偏离标定条件时，会有测量误差。1.1.流体粘度的影响流体粘度的影响K与流体粘度密切相关。粘度与流体粘度密切相关。粘度，流量，流量计线计线性性测测量范量范围围。标标定条件定条件：常温下的水，运：常温下的水，运动动
18、粘度粘度=1=11010-6-6 m m2 2/s/s。测测量量运动粘度运动粘度=110-6m2/s的液体时，不需标定；的液体时，不需标定；测量测量运动粘度运动粘度=11510-6m2/s的液体时，满足工业测量要求；的液体时，满足工业测量要求；测量测量运动粘度运动粘度=1510-6m2/s的液体时，必须标定。的液体时，必须标定。2.2.流体密度的影响流体密度的影响 密度密度，涡轮驱动力矩，涡轮驱动力矩，流量计指示值，流量计指示值。测量回路中需要安装密度补偿器，或温度压力补偿器。测量回路中需要安装密度补偿器，或温度压力补偿器。3.3.流体温度和压力的影响流体温度和压力的影响 当当T,pT,p与标
19、定条件相差较大时，流量计结构尺寸、内部流体体积亦会改变。与标定条件相差较大时，流量计结构尺寸、内部流体体积亦会改变。压力变化引起涡轮流量计结构尺寸变化的修正系数压力变化引起涡轮流量计结构尺寸变化的修正系数式中：式中：泊松比泊松比E壳体材料壳体材料弹弹性模量性模量S S叶轮截面积，叶轮截面积，h h壳体厚度壳体厚度温度变化引起涡轮流量计结构尺寸变化的修正系数温度变化引起涡轮流量计结构尺寸变化的修正系数1，2壳体、叶轮材料的热膨胀系数壳体、叶轮材料的热膨胀系数T-涡轮变涡轮变送器工作温度与送器工作温度与标标定温度之差定温度之差压力变化引起内部流体体积变化的修正系数压力变化引起内部流体体积变化的修正
20、系数p p0 0,p-,p-流量计标定压力，工作压力流量计标定压力，工作压力Z Z0 0,Z-,Z-被测流体在标定压力，工作压力被测流体在标定压力，工作压力 下的压缩性系数。下的压缩性系数。温度变化引起内部流体体积变化的修正系数温度变化引起内部流体体积变化的修正系数被测流体的热膨胀系数被测流体的热膨胀系数4.4.流动状态的影响流动状态的影响 涡轮流量计对进口的流体流动状态非常敏感，为减小测量误差，涡轮流量计对进口的流体流动状态非常敏感，为减小测量误差，安装导流器；安装导流器；流量计前后布置一定长度的直管段。流量计前后布置一定长度的直管段。第第6 6节节 冲量式固体粉粒流量计冲量式固体粉粒流量计
21、用途：固体粉粒物料的流量测量与控制用途：固体粉粒物料的流量测量与控制一一.冲量式流量计的工作原理冲量式流量计的工作原理结构结构：检测器，流量显示、调节装置：检测器，流量显示、调节装置。冲量式流量计冲量式流量计是一种用于测量自由落下的粉是一种用于测量自由落下的粉粒状介质的固体流量计。它利用粒状介质的固体流量计。它利用被测介质被测介质在检测在检测板上的板上的冲击力冲击力，通过转换和放大输出与瞬时质量，通过转换和放大输出与瞬时质量流量成比例的标准流量成比例的标准电信号或气信号电信号或气信号，它可与种种，它可与种种显示仪表、调节仪表配套使用，以实现固体流量显示仪表、调节仪表配套使用，以实现固体流量的指
22、示、积算、记录和控制报警等。的指示、积算、记录和控制报警等。随着工业生产日趋复杂和生产过程自动化水平的不断提高，随着工业生产日趋复杂和生产过程自动化水平的不断提高，固体流量固体流量测量测量显得越来越重要。显得越来越重要。固体流量仪表固体流量仪表种类很多，如种类很多，如电容式流量计电容式流量计、电导率式流量计电导率式流量计、冲量式流量计冲量式流量计及及皮带秤皮带秤等等。等等。假定假定：某一时间微元：某一时间微元内，质量为内，质量为m的的固体粉粒从固体粉粒从h高度落到倾角为高度落到倾角为的检测板上。的检测板上。根据动量定理，根据动量定理，检测板对粉粒的作用力为检测板对粉粒的作用力为：冲量式质量流量
23、计的应用：冲量式质量流量计的应用：第第7 7节节 光纤流量计光纤流量计Y Y型光导型光导：光纤位移传感器。根据：光纤位移传感器。根据输入输出光强输入输出光强的相对变化测量的相对变化测量膜片膜片的的位移位移。光。光源发出的光经光纤照射到膜片，再反射到另一光纤。膜片距光纤越近，反射的光源发出的光经光纤照射到膜片，再反射到另一光纤。膜片距光纤越近，反射的光强越大。输入输出光强的相对变化反映了膜片的位移变化。强越大。输入输出光强的相对变化反映了膜片的位移变化。膜片材料膜片材料:钢钢,铜。铜。厚度厚度：一一.光纤差压式流量计光纤差压式流量计 节流元件前后安装节流元件前后安装2 2个个Y Y型光导，膜型光
24、导，膜片下腔与管道相通，上腔与大气片下腔与管道相通，上腔与大气相同，膜片位移与管道压力与大相同，膜片位移与管道压力与大气压差成正比。经过标定可测节气压差成正比。经过标定可测节流元件前后的差压流元件前后的差压p p。膜片内侧镀铜或银，以增强反射膜片内侧镀铜或银，以增强反射二二.光纤膜片式流量计光纤膜片式流量计组成组成：膜片，光源，光导，光电元件。：膜片，光源，光导，光电元件。膜片在管道中将来流迟滞，感受流体动压，产生位移，此膜片在管道中将来流迟滞，感受流体动压，产生位移，此位移位移与与动压动压成成正比正比。三三.光纤卡门（光纤卡门（Kamen）涡街流量计涡街流量计卡门涡街卡门涡街卡门发现：在流体
25、中插入一个圆杆状阻拦物，当雷诺数卡门发现：在流体中插入一个圆杆状阻拦物，当雷诺数Re5000Re5000时，圆杆的下时，圆杆的下游会出现两列相互交替的内旋漩涡，漩涡的游会出现两列相互交替的内旋漩涡，漩涡的移动速度移动速度几乎与流体的几乎与流体的流速相同流速相同。形成一条形成一条街道形状街道形状，故称：卡门涡街。，故称：卡门涡街。由于由于d,Sr都是常数，测出都是常数，测出f,即可算即可算出流速出流速v。2.2.光纤卡门涡街流量计光纤卡门涡街流量计在圆柱形两侧安装膜片和在圆柱形两侧安装膜片和Y形光导，当卡门涡街中的形光导，当卡门涡街中的漩涡漩涡按按左右交左右交替替的规则从圆柱形的规则从圆柱形表面
26、剥离表面剥离时，左右时，左右两侧两侧的的压力差压力差也随之交替变化，也随之交替变化，光纤卡门涡街流量计用光纤卡门涡街流量计用2个个Y形光导感受这一形光导感受这一压差压差变化，输出其变化，输出其频频率率。再换算得流速或流量。再换算得流速或流量。第第8 8节节 超声波流量计超声波流量计一一.测量原理测量原理 超声波在流体中的超声波在流体中的传播速度传播速度与流体的与流体的流速流速有关。有关。设：设：F:F:超声波发射器超声波发射器 J:J:超声波发射器超声波发射器 c:c:声速声速 v:v:流速流速流向流向顺逆流顺逆流超声波传播速度超声波传播速度F1-J1顺流顺流c+vF2-J2逆流逆流c-v超声
27、波在管道壁面间的传播超声波在管道壁面间的传播实线实线：v=0虚线虚线c：v0因为因为cv,所以所以实线与虚线非常接近，实线与虚线非常接近，=超声波传播速度：超声波传播速度：二二.时差法超声波流量计时差法超声波流量计安装在管道两侧的换能器交替发射、接受超声波。超声波的传播时间为：安装在管道两侧的换能器交替发射、接受超声波。超声波的传播时间为：时差法可以通过下式转换为相差法：时差法可以通过下式转换为相差法：由于上面公式中含有声速由于上面公式中含有声速c，而声速与流而声速与流体的种类、温度、压力有关，因此需进行声体的种类、温度、压力有关，因此需进行声速修正。对海水有：速修正。对海水有：式中：式中：c
28、 c水中声速，水中声速，m/sm/s T T水温，水温，0 0C C S S含盐量，含盐量，H H水深，水深，m m时差法超声波流量计测量系统时差法超声波流量计测量系统构成：如图构成：如图工作工作：主控振荡器以一定的频率控主控振荡器以一定的频率控制切换器，使安装在管道两侧的制切换器，使安装在管道两侧的换能器能以相应的频率交替发射换能器能以相应的频率交替发射和接受超声波，输出门得到超声和接受超声波，输出门得到超声波发射和接受的信号后，以方波波发射和接受的信号后，以方波的形式输出超声波发射和接受的的形式输出超声波发射和接受的时间间隔，方波的宽时间间隔，方波的宽度与相应的传播时间成正比。在输出门信号
29、的控制下，锯齿波电压发生器产生度与相应的传播时间成正比。在输出门信号的控制下，锯齿波电压发生器产生相应的锯齿波电压，其电压峰值与输出门方波宽度成正比。由于顺流和逆流时相应的锯齿波电压，其电压峰值与输出门方波宽度成正比。由于顺流和逆流时的传播时间不等，输出门输出的方波宽度不同，锯齿波电压峰值也不相等，顺的传播时间不等，输出门输出的方波宽度不同，锯齿波电压峰值也不相等，顺流时小，逆流时大，峰值检波器将这两种电压峰值检出后，送至差分放大器中流时小，逆流时大，峰值检波器将这两种电压峰值检出后，送至差分放大器中比较放大，最后输出与顺流和逆流传播时间成正比的信号，经过标定，得到流比较放大，最后输出与顺流和逆流传播时间成正比的信号，经过标定，得到流量。量。三三.超声波流量计特点：超声波流量计特点：1.非接触测量非接触测量2.外夹安装时不需断流停产，可用于巡检。外夹安装时不需断流停产，可用于巡检。1.容积法容积法第第9 9节节 内燃机燃油消耗量测量内燃机燃油消耗量测量适用于汽油机适用于汽油机2.质量法质量法第第9 9节节 内燃机燃油消耗量测量内燃机燃油消耗量测量适用于柴油机适用于柴油机