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1、.第一节 节流式流量检测如果在管道中安置一个固定的阻力件，它的中间是一个比管道截面小的孔，当流体流过该阻力件的小孔时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压力差。它与流量(流速)的大小有关，流量愈大，差压也愈大，因此只要测出差压就可以推算出流量。把流体流过阻力件流束的收缩造成压力变化的过程称节流过程，其中的阻力件称为节流件。作为流量检测用的节流件有标准的和特殊的两种。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管，如图9.1 所示。对于标准化的节流件，在设计计算时都有统一标准的规定要求和计算所需的有关数据、图及程序；可直接按照标准制造、安装和使用，不必
2、进行标定。图 9.1 标准节流装置特殊节流件也称非标准节流件，如双重孔板、偏心孔板、圆缺孔板、1/4 圆缺喷嘴等，他们可以利用已有实验数据进行估算，但必须用实验方法单独标定。特殊节流件主要用于特殊；介质或特殊工况条件的流量检测。目前最常见的节流件是标准孔板，所以在以下的讨论中将主要以标准孔板为例介绍节测式流量检测的原理、设计以及实现方法等。一、检测原理设稳定流动的流体沿水平管流经节流件，在节流件前后将产生压力和速度的变化，如刚9.2 所示。在截面 1处流体未受节流件影响，流束充满管道，管道截面为A1，流体静压力为p1，平均流速为v1，流体密度为1。截面 2是经节流件后流束收缩的最小截面，其截面
3、积为A2，压力为 P2，平均流速为v2，流体密度为2。图9.2 中的压力曲线用点划线代表管道中心处静压力，实线代表管壁处静压力。流体的静压力和流速在节流件前后的变化情况，充分地反映了能量形式的转换。在节流件前，流体向中心.图 9.2 流体流经节流件时压力和流速变化情况加速，至截面2处，流束截面收缩到最小，流速达到最大，静压力最低。然后流束扩，流速逐渐降低，静压力升高，直到截面3处。由于涡流区的存在，导致流体能量损失，因此在截面3处的静压力P3不等于原先静压力p1，而产生永久的压力损失p。设流体为不可压缩的理想流体，在流经节流件时，流体不对外作功，和外界没有热能交换，流体本身也没有温度变化，则根
4、据伯努利方程，对于截面1、2处沿管中心的流线有以下能量关系：22220220210110vpvp（9-1）因为是不可压缩流体，则21。由于流速分布的不均匀，截面 1、2处平均流速与管中心的流速有以下关系：22201110,vCvvCv（9-2）式中 C1，C2为截面 1、2 处流速分布不均匀的修正系数。考虑到实际流体有粘性，在流动时必然会产生摩擦力，其损失的能量为2221v，为能量损失系数。在考虑上述因素后，截面1、2 处的能量关系可写成：22222220212110222vvCpvCp（9-3）根据流体的连续性方程，有2211vAvA（9-4）又设节流件的开孔面积为A0，定义开口截面比m=A
5、。A1，收缩系数=A2 A0。联解式(9-2)-式（9-4）可得2010222122221ppmCCv（9-5）因为流束最小截面2的位置随流速而变，而实际取压点的位置是固定的；另外实际取压是在管壁取的，所测得的压力是管壁处的静压力。考虑到上述因素，设实际取压点处取得的压力为21pp 和，用它代替式(9-5)中管轴中心的静压力2010pp 和时，需引入一个取压系数，并且取212010pppp（9-6）将上式代入（9-5），并根据质量流量的定义，可写出质量流量与差压21ppp的关系：pmCCAAvqm2222122022（9-7）令流量系数为.222122mCC（9-8）于是流体的质量流量可简写为
6、pAqm20（9-9）体积流量为pAq20（9-10）对于可压缩性流体，考虑到气体流经节流件时，由于时间很短，流体介质与外界来不及进行热交换，可认为其状态变化是等熵过程，这样，可压缩性流体的流量公式与不可压缩性流体的流量公式就有所不同。但是，为了方便起见，可以采用和不可压缩性流体相同的公式形式和流量系数，只是引入一个考虑到流体膨胀的校正系数，称可膨胀性系数，并规定节流件前的密度为1，则可压缩性流体的流量与差压的关系为pAqpAqvm101022（9-11）式中可膨胀性系数的取值为小于等于1，如果是不可压缩性流体，则=1。式（9-11）成为流量方程，也称流量公式。在实际应用时，流量系数常用流出系
7、数C来表示，它们之间的关系为：41C（9-12）式中Dd，称为直径比。这样，流量方程也可写成：pACqpACqvm1401402121（9-13）二、标准节流装置节流装置包括节流件、取压装置和符合要求的前、后直管段。标准节流装置是指节流件和取压装置都标准化，节流件前后的测量管道也符合有关规定。它是通过大量试验总结出来的，装置一经设计和加工完毕便可直接投入使用，无需进行单独标定。这意味着，在标准节流装置的设计、加工、安装和使用中必须严格按照规定的技 术 要 求、规 程 和 数 据 进 行，以 保 证 流 量 测 量 的 精度。下面以标准孔板为例介绍标准节流装置的结构、特性和安装等的技术要求及规程
8、：图 9.3 标准孔板.(1)标准节流件孔板标准孔板是一块具有与管道轴线同心的圆形开孔的、两面平整且平行的金属薄板，其剖面图如图9.3 所示。它的结构形式和要求如下(详见标准GB T2624 93)：1)标准孔板的节流孔直径d是一个很重要的尺寸，在任何情况必须满足75.020.05.12Ddmmd同时，节流孔直径d值应取相互之间大致有相等角度的四个直径测量结果的平均值，并要求任一单测值与平均值之差不得超过直径平均值的士0.05。节流孔应为圆筒形并垂直于上游端面A。2)孔板上游端面A的平面度(即连接孔板表面上任意两点的直线与垂直于轴线的平面之间的斜度)应小于0.5，在直径小于D且与节流孔同心的圆
9、，上游端面A的粗糙度必须小于或等于10-4d；孔板的下游端面B无需达到与上游端面A同样的要求，但应通过目视进行检查。3)节流孔厚度e应在 O.005D 与 O.02D 之间，在节流孔的任意点上测得的各个e值之间的差不得大于O.001D；孔板厚度E应在 e与 0.05D 之间(当 50mm D 64mm 时，E可以等于 3.2mm)，在孔板的任意点上测得的各个E值之差不超过0.001D；如果 Ee，孔板的下游侧应有一个扩散的圆锥表面，该表面的粗糙度应达到上游端面A的要求，圆锥面的斜角F为 45土 15。4)上游边缘G应是尖锐的(即边缘半径不大于0.0004d)，无卷口、无毛边，无目测可见的任何异
10、常；下游边缘H和 I 的要求可低于上游边缘G，允许有些小缺陷。(2)标 准 取压 装置不 同 的 节流 件应 采 用不同形式的取压装置。对于标准孔板，我国国家规定，标准的取压方式有角接取压法、法兰取压法和 D 一2D取压法。1)角接取压角接取压的取压口位于上、下游孔板前后端面处，取压口轴线与孔板各相应端面之 间 的 间 距 等 于 取 压 口 直 径 之 半 或 取 压 口 环 隙宽度之半。取压口可以是环隙取压口和单独钻孔取压口，分别如图9.4中的a.和 b.。当采用环隙 取 压 时，通 常 要 求 环 隙 在 整 个 圆 周 上 穿 通 管道，或者每个夹持环应至少由四个开孔与管道部连通，每个
11、开孔的中心线彼此互成等角度，而每个开孔面积不小于12mm2；当采用单独钻孔取压时，取压口的轴线应尽可能以90与管道轴线相交。显然，环隙取压由于环室的均压作用，便于测 出 孔 板 两 端 的 平 稳 差 压，有 利 于 提 高 测 量 精度，但是夹持环的加工制造和安装要求严格。当管径D500mm时，一般采用单独钻孔取压。环隙宽度或单独钻孔取压口的直径口通常取4 10mm之间。图 9.4 角接取压口.2)法兰取压和D 一2D取压法兰取压装置是没有取压口的法兰，D 一2D取压装置是没有取压口的管段，以及为保证取压口的轴线与节流件断面的距离而用来夹紧节流件的法兰，如图 9.5 所示。图中的法兰取压口的
12、间距1l、2l是分别从节流件上、下游端面量起，而D 一2D取压口的间距1l、2l都是从节流件上游端量起。1l、2l的取值见下表。取压口的最小直径可根据偶然阻塞得可能及良好的动态特性来决定，没有任何限制，但上游和下游取压口应具有相同的直径，并且取压口的轴线与管道轴线相交成直角。表 9-1 取压口间距1l、2l的取值 (3)直管段节流装置应安装在符合要求的两段直管段之间。节流装置上游及下游侧的直管段(如图 9.5 所示)分为如下三段：节流件至上游第一个局部阻力件，其距离为1l；上游第一与第二个局部阻力件，距离为0l节流件至下游第一个局部阻力件，距离为2l。标准节流装置对直段管0l、1l、2l的要求
13、如下：1)直管段应是有恒定横截面积的圆筒形管道，用目测检查管道应该是直的。2)管道表面应该清洁，无积垢和其他杂质。节流件上游10D的表面相对平均粗度应符合有关规定。3)节流装置上、下游侧最短直管段长度随上游侧阻力件的形式和节流件的直径比而异最短直管段长度见表9-2。表中所列长度是最小值，实际应用时建议采用比所规定的长度更的直管段。表中的阀门应全开，调节流量的阀门应位于节流装置的下游。如果直管段长度用表中括号的数值时，流出系数的不确定度要算术相加O.5的附加不确定度。如果在流装置上游串联了几个阻力件(除全为 90弯头外)，则在第一个和第二个阻力件之间的长0l可按第二个阻力件的形式，并取=0.7(
14、不论实际值是多少)取表中数值的一半，串联几个 90弯头时0l=O。图 9.5 节流件上、下游阻力件及直管段长度取压方式1l/mm 2l/mm 0.6 0.6 0.6 0.6 法兰取压25.4 1 25.4 0.5（D150）25.4 1(150 D1000)25.4 1 25.4 0.5（D150）25.4 1(150 D1000)D 一2D取压D0.1D 0.5D0.02D 0.5D 0.01D.0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 10(6)10(6)10(6)12(6)14(7)14(7)14(7)16(8)18(9)22(1
15、1)28(14)36(18)46(23)14(7)14(7)16(8)16(8)18(9)18(9)20(10)22(11)26(13)32(16)36(18)42(21)50(25)34(17)34(17)34(17)36(18)36(18)38(19)40(20)44(22)48(24)54(27)62(31)70(35)80(40)5 5 5 5 5 5 5 6(5)8(5)9(5)11(6)14(7)22(11)30(15)16(8)16(8)16(8)16(8)16(8)17(9)18(9)20(10)22(11)25(13)30(15)38(19)54(27)18(9)18(9)1
16、8(9)18(9)20(10)20(10)22(11)24(12)26(13)28(14)32(16)36(18)44(22)12(6)12(6)12(6)12(6)12(6)12(6)12(6)14(7)14(7)16(8)20(10)24(12)30(15)4(2)4(2)5(2.5)5(2.5)6(3)6(3)6(3)6(3)7(3.5)7(3.5)7(3.5)8(4)8(4)例 9.1如图 9.5 所示，设阀门为全开闸阀，管道直径D=300mm，孔板开孔直径d=120mm，试确定直管段0l、1l、2l的长度。解直径比4.0300/120/Dd由表9-2 查得1l=14D，2l=6D，0
17、l=1/2 20D 把 D=300mm，代入，即可求得各直管段长度：0l=3000mm 1l=4200mm 2l=1800mm 三、节流式流量计节流式流量计是基于节流装置的一种流量检测仪表，也称差压型流量计。它由节流装置(节件和取压装置)、引压导管、差压计和显示仪表组成，框图如图9.6 所示。图9.6 节流式流量计框图节流装置把流体流量vmqq转换成差压21mqKp，通过引压导管送到差压计。差压计进一步将差压信号转换为电流pKI2，显示仪表把接收到的电流信号通过标尺指示流量，标尺长度忙IKl3。由于节流装置是一个非线性环节，因此显示仪表的流量指示标尺也必须是非线性刻度，这给尺寸设计和读数带来不
18、便，误差也相对会增大一些。为 解 决 流 量 指 示 的 非 线 性 问 题，需 要 在 检 测 系 统 中 增 加 一 个 非 线 性 补 偿 环节(即 开 方 器)。开 方 器 可 以 依 附 在 差 压 计(这 种 差 压 计 称 带 开 方 器 的 差 压 计)，即表9-2 孔板、喷嘴和文丘里喷嘴所要求的最短直管段长度mm 节流件上游侧阻流件形式和最短直管段长度节流件下游最短直管段长度(包括在本表中的所有阻流件)单个90。弯头或三通(流体仅从一个支管流出)在同一平面上的两个或多个 90。弯头在不同平面上的两个或多个 90。弯头渐缩管(在1.5D：3D 的长度由2D 为 D)惭扩管(在1
19、D至2D的长度由O.5D变为D)球型阀全开全孔球阀或闸阀全开.差 压 计 输 出 与 差 压 之间的关系为pKK22；也可以在差压计后插入一个开方器，开方器输出为IKI2，由开方器输出到显示仪表。增加一个开方器后，标尺长度与流量即成为线性关系mmKqqKKKKl1223（9-14）例 9.2有一台节流式流量计，满量程为10kg s，当流量为满刻度的65和 30时，试求流量值在标尺上的相应位置(距标尺起始点)，设标尺总长度为100mm。解如果流量计不带开方器，则标尺长度与流量的关系为2mKql由题意，时和当则有时skgskgqskgmmKmmlskgqmm/0.3/5.6%6510;./1,10
20、0,/101可求得mmlmml0.9,25.42%30%65如果流量计带开方器，则标尺长度与流量为线性关系，由(9-14)式可得，当mq=6.5kgs 和 3.0kg s，标尺离起始点的距离分别为mmlmml0.30,0.75%30%65节流式流量计具有结构简单，便于制造，工作可靠，使用寿命较长，适应性强等优点。几乎能测量各种工况下的介质流量，是一种应用很普遍的流量计。使用标准节流装置，只要严格按照有关规定和规程设计、加工和安装节流装置，流量计不需进行标定可直接使用。但是流量产生的压力损失大，流量计的刻度一般是非线性的，流量测量围也较窄，正常情况下量程比只有3：1，不能测量直径在50mm以下的
21、小口径与大于1000mm的大口径的流量，也不能测量脏污介质和粘度较大的介质的流量，同时还要求流体的雷诺数要大于某个临界值。.第二节电磁式流量检测电磁式流量检测方法目前应用最广泛的是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的电磁流量计，它能检测具有一定电导率的酸、碱、盐溶液，腐蚀性液体以及含有固体颗粒(泥浆、矿浆等)的液体流量。但不能检测气体、蒸汽和非导电液体的流量。一、检测原理导体在磁场中作切割磁力线运动时，在导体中便会有感应电势，其大小与磁场的磁感应强度、导体在磁场的有效长度及导体的运动速度成正比。同理，如图 9.7 所示，导电的流体介质在磁场中作垂直方向流动而切割磁力线时，也会在管道两边的电极上
22、生感应电势。感应电势的方向由右手定则确定，其大小由下式决定：BDvEx（9-15）式中 Ex为感应电势；B为磁感应强度；D为管道直径，即导电流体垂直切割磁力线的长度；v为垂直于磁力线方向的流体速度。因为体积流量vq等于流体流速v 与管道截面积A的乘积，故vDqv241（9-16）将上式代入（9-15），可得xvEBDq4（9-17）由上式可知，在管道直径D 已确定并维持磁感应强度B不变时，这时体积流量与感应电势具有线性关系，而感应电势与流体的温度、压力、密度和粘度等无关。根据上述原理制成的流量检测仪表称电磁流量计。图 9.7 电磁式流量检测原理图 9.8 电磁流量计结构二、电磁流量计的结构电磁
23、流量计的结构如图9.8 所示，它主要由磁路系统、测量导管、电极、衬里、外壳以及转换器等部分组成。(1)磁 路 系 统用 于 产 生 均 匀的直流或交流磁场。直流磁场可以用永久磁铁来实现，其结构比较简单。但是，在电极上产生的直流电势会引起被测液体的电解，因而在电极上发生极化现象，破坏了原有的测量条件；当管道直径较大时，永久磁铁也要求很大，这样既笨重又不经济。所以，工业生产用的电磁流量计，大多采用交变磁场，且是用 50Hz工频电源激励产生的。产生交变磁场励磁线圈的结构型式因导管的口径不同而有所不同，图9.8 是一种集中绕组式结构。它由两只串联或并联的马鞍形励磁组组成，上下各一只夹持在测量导管上。为
24、形成磁路，减少干扰及保证磁场均匀，在线圈外围有若干层硅钢片叠成的磁轭。(2)测量导管其作用是让被测液体通过。它的两端设有法兰，以便与管道连接。为使磁力线通过测量导管时磁通不被分路并减少涡流，测量导管必须采用不导磁、低导电率、.低导热率和具有一定机械强度的材料制成，一般可选用不锈钢、玻璃钢、铝及其他高强度塑料等。(3)电极电极的结构如图9.9 所示，它的作用是把被测介质切割磁力线时所产生的感应电势引出。为了不影响磁通分布，避免因电极引入的干扰，电极一般由非导磁的不锈钢材料制成。电极要求与衬里齐平，以便流体通过时不受阻碍。电极的安装位置宜在管道的水平方向，以防止沉淀物堆积在电极上而影响测量精度。图
25、9.9 电极的结构(4)衬里在测量导管的侧及法兰密封面上，有一层完整的电绝缘衬里。它直接接触被测介质，主要作用是增加测量导管的耐磨与耐蚀性，防止感应电势被金属测量导管管壁短路。因此，衬里必须是耐腐、耐磨以及能耐较高温度的绝缘材料。(5)外壳一般用铁磁材料制成，它是保护励磁线圈的外罩，并可隔离外磁场的干扰。（6)转换器流体流动产生的感应电势十分微弱，采用 50Hz交流电源供电，因而各种干挽因素的影响很大。转换器的目的是将感应电势放大并能抑制主要的干扰信号。三、正交干扰信号的产生与抑制采用交变磁场时，设磁感应强度B=Bmsinmt，则感应电势为wtDvBEmxsin（9-18）应用交变磁场可以有效
26、地消除极化现象，但随之而来的电磁干扰信号明显增大，主要的干扰信号是所谓的正交干扰信号，它是指其相位和被测感应电势Ex，相差 90造成这种干扰的主要原因是：在电磁流量计工作时，管道充满导电液体，这样，电极引线、被测液体和转换器的输入阻抗构成闭合回路。而交变磁通不可避免地会穿过该闭合回路，根据电磁感应定律，交变磁场在闭合回路中产生的感应电势为：dtdBKet（9-19）式中 K为系数，把交变磁场wtBBmsin代入上式，得2sintKBemt（9-20）比较式（9-18）和式（9-20）可以看出，信号电势Ex与干扰电势 et的频率相同，而相位上相差 90，所以习惯上称此项干扰为正交干扰(也称 90
27、干扰)。严重时，正交干扰et可能与信号电势 Ex相当，甚至超过Ex。所以，必须设法消除此项影响，否则会引起测量误差，甚至造成流量计无法工作。消除正交干扰的方法很多，目前主要采用的方法有：(1)利用信号引出线路自动补偿，如图9.10 所示，从一根电极上引出两根导线，并分别绕过磁极形成两个从一根电极上引出两根导线，并分别绕过磁极形成两个回路产生方向相反的感应电势，通过调零电位器，使进入仪表的干扰电势相互抵消，以减小正交干扰电势进入转换器的输入电路。图9.10 利用引出线自动补偿正交干扰.(2)在转换器的放大电路中进一步采取补偿措施，例如，在主放大器的反馈网络上设置正交干扰抑制器。四、转换器及其构成
28、原理电磁流量计转换器的任务是把电极检测到的交变感应电势经放大转换成统一的直流标准信号。根据电磁流量计的检测特点，转换器应满足以下要求。(1)要求转换器有很高的输入阻抗。由于感应电势的通道是两个电极间的液体，被测液体的导电性能往往很低，例如100mm 管径，被测介质是蒸馏水时，阻约为20k左右。另外，考虑到分布电容的影响，故一般希望转换器的输入阻抗要大于lOM，最好要超过lOOM。(2)感应电势 Ex比较微弱，并且伴有各种干扰信号。为此，要求转换器除对有用信号进行放大外，还必须设法消除各种干扰。图9.11 正交干扰自动补偿原理对于正交干扰电势，虽然在信号引线时采取了一定的补偿措施，但是，由于正交
29、干扰电势在工作中是变化的，因而在转换部分还必须进一步降低它的影响。最常用的方法是利用正交干扰电压自动补偿，其原理见图9.11 所示。在转换器的放大通道中，附加有消除正交干扰影响的负反馈线路，取出放大器输出信号中的正交干扰电压，深度负反馈到放大器的输入端，与输入信号中的正交干扰电压相减，从而使正交干扰电压的输出值降低到1倍，即ttee1。而信号电压Ex不进人负反馈线路，通过放大器后的信号电压输出为KEx，K为放大器的放大倍数。为了减小与感应电势同相位的共模干扰信号的影响，转换器的前置放大器一般要采用差动放大形式，利用差动放大的抑制作用，消除共模干扰的影响。(3)由(9-18)式可知，感应电势与磁
30、场强度有关。如果励磁电源电压和频率有波动，必然要引起磁场强度的变化，从而影响测量的正确性。因此，必须在转换器部分采取措施，以消除电源波动的影响。图9.12 是根据上述要求设计的转换器原理框图。被测信号 Ex与反馈信号Vz比较后得差值信号x，x经前置放大器、主放大器、相敏整流和功率放大器得到直流电流 I0。I0通过线圈产生磁感应强度By，By=K1I0作用于霍尔乘法器与控制电流Iy相乘，得到霍尔电势yyHHBIKV其中 KH为霍尔乘法器的霍尔系数。VH经分压后得到反馈电压Vz，HzzVKV，Kz为分压系数。由于控制电流 Iy与流量计的励磁电流取自同一电源，则BKIy2。因此有BIKKKKVzHz
31、21.图 9.12 转换部分方框图令 正 向 通 道 的 总 放 大 倍 数4321AAAAA，反 馈 回 路 的 反 馈 系 数BKKKKIVzHz210。这样，当1A时，有BKKKKAAEIzHx210111（9-21）将式（9-17）代入（9-21），得DKKKKqIzHv2104（9-22）由此可见，转换器输出的电流信号，I0与体积流量成正比。在采用霍尔乘法器时，Iy的引人消除了由于励磁电源电压波动对测量的影响；正交干扰抑制单元保证了对正交干扰的负反馈作用，大大减小了正交干扰的影响。五、电磁流量计的特点测量导管无可动部件或突出于管道部的部件，因而压力损失极小；只要是导电的，被测流体可以
32、是含有颗粒、悬浮物等，也可以是酸、碱、盐等腐蚀性介质；流量计的输出电流与体积流量成线性关系，并且不受液体的温度、压力、密度、粘度等参数的影响；电磁流量计的量程比一般为10：1，精度较高的量程比可达100：1；测量口径围大，可以从 lmm到2m 以上，特别适用于Im以上口径的水流量测量；测量精度一般优于O.5。电磁流量计反应迅速，可以测量脉动流量；电磁流量计的主要缺点有：被测流体必须是导电的，不能测量气体、蒸汽和石油制品等的流量；由于衬里材料的限制，一般使用温度为0 200；因电极是嵌装在测量导管上的，这也使最高工作压力受到一定限制。.第三节容积式流量检测容积式流量检测是让被测流体充满具有一定容
33、积的空间，然后再把这部分流体从出口排出，根据单位时间排出的流体体积可直接确定体积流量，根据一定时间排出的总体积数可确定流体的体积总量。基于容积式检测方法的流量检测仪表一般称为容积式流量计。常见的容积式流量计有：椭圈齿轮流量计、腰轮(罗茨)流量计、刮板流量计、活塞式流量计、湿式流量计及皮囊式流计等，其中腰轮式、湿式、皮囊式可以测量气体流量。一、检测原理为了连续地在密闭管道中测量流体的流量，一般是采用容积分界方法，即由仪表壳体和活动壁组成流体的计量室，流体经过仪表时，在仪表的入、出口之间产生压力差，推动活动壁旋转，将流体一份一份地排出。设计量室的容积为V0，当活动壁旋转n 次时，流体流过的体积总量
34、为Qv=nV。根据计量室的容积和旋转频率可获得瞬时流量。下面主要介绍应用椭圆齿轮和刮板的检测原理。图 9.13应 用 椭 圆 齿 轮 测 量 流 量 示 意 图(1)应用椭圆齿轮的检测原理如图 9.13 所示，活动壁是一对互相啮合的椭圆齿轮。被测流体由左向右流动，椭圆齿轮A在差压p=p1-p2 作用下，产生一个顺时针转矩 如图 9.13 中(a)，使齿轮 A顺时针方向旋转，并把齿轮与外壳之间的初月形容积的介质排出，同时带动.齿轮 B作逆时针方向旋转。在(b)位置时，齿轮 A、B均受到转矩，并使它们继续沿原来方向转动。在(c)位置时，齿轮B在差压p作用下产生一个逆时针转矩，使齿轮B旋转并带动A轮
35、一起转动，同时又把齿轮B与外壳之间空腔的介质排出。这样齿轮交替地(或同时)受力矩作用，保持椭圆齿轮不断地旋转，介质以初月形空腔为单位一次又一次地经过齿轮排至出口。可以看出，椭圆齿轮每转动一周，排出四个初月形空腔的容积，所以流体总量为04nVQv（9-23）式中 V0为初月形空腔的容积，可以算得abRabRV22022121（9-24）式中 a、b为椭圆齿轮长、短半轴；为齿轮的厚度。应用腰轮检测流量的基本原理和椭圆齿轮相同，只是活动壁形状为一对腰轮，并且腰轮上没有牙齿。图 9.14 凸轮式刮板流量计(2)应用刮板的检测原理其活动壁为两对刮板。它有两种主要形式，凸轮式和凹线式，其中图 9.14 为
36、凸轮式刮板流量计示意图。它的壳体腔是圆形空筒，转子是一个空心圆筒，筒边开有四个槽，相互成90角，可让刮板在槽伸出或缩进。四个刮板由两根连杆联接，也互成 90角，在空间交叉，互不干扰。在每个刮板的一端装有一小滚柱，四个滚柱分别在一个不动的凸轮上滚动，从而使刮板时而伸出，时而缩进。转子在人口和出口压差作用下，连刮板一起产生旋转，四个刮板轮流伸出、缩进，把计量室(两块刮板和壳体壁、圆筒外壁所形成的空间)逐一排至出口。和椭圆齿轮一样，转子每转动一周便排出四个计量室容积的流体。二、容积式流量计的工作特性容积式流量计的工作特性与流体的粘度、密度以及工作温度、压力等因素有关，相对来说，粘度的影响要大一些。图
37、9.15 是容积式流量计代表性的特性曲线，其中包括误差和压力损失两组曲线。由误差曲线可以看到，多数曲线是负误差，主要原因是仪表中有活动壁，活动壁与壳体壁问的间隙产生流体的泄漏。在小流量时，由于转子所受力矩小，而它本身又有一定的摩擦阻力，因而泄漏量相对较大，特别是在流量很小时，负误差会很大；当流量达到一定数值后，泄漏量相对较小，特性曲线比较平坦；当流量较大时，由于流量计的入、出口间压力降增大，导致泄漏量相应增大。在相同的流量下，流体的粘度越低、越容易泄漏，误差也就越大；对于高粘度流体，则泄漏相对较小，因此误差变化不大。流体流过流量计的压力损失随流量的增加几乎线性上升，流体粘度愈高，压损也愈大。.
38、三、信号转换容积式流量计的信号转换的任务是把旋转运动按一定的比例关系转换成流体的实际流量信号(瞬时值或累积值)，并进行显示。显示方式有就地显示和远传显示两种。下面以椭圆齿轮流量计为例作一介绍。(1)就地显示椭圆齿轮转动的转数通过椭圆齿轮轴输出，又经一系列齿轮减速及转速比调整机构之后，直接带动仪表的指针和机械计数器，以实现流量和总量的显示。其原理如图 9.16 所示。图 9.15 容积式流量计特性曲线图 9.16 椭圆齿轮流量计的显示原理(2)远传显示远传显示是通过减速与速比调整后的齿轮带动永久磁铁旋转，使得干簧继电器的触点以永久磁铁相同的旋转频率同步地闭合或断开，从而发出一个个电脉冲远传给控制
39、室的二次仪表。通过电子计数器可进行流量的积算，通过频率一电压(电流)转换器可变成标准电信号。四、容积式流量计的特点测量精度较高，积算精度可达O.2 O.5，有的甚至能达到O.1；量程比.一般为 10：1；测量口径在10150mm 左右；容积式流量计适宜测量较高粘度的液体流量，在正常的工作围，温度和压力对测量结果的影响很小；安装方便，对仪表前、后直管段长度没有严格的要求；由于仪表的精度主要取决于壳体与活动壁之间的间隙，因此对仪表制造、装配要求高，传动机构也比较复杂；要求被测介质干净，不含固体颗粒，否则会使仪表卡住，甚至损坏仪表，为此要求在流量计前安装过滤器；不适宜测量较大的流量，当测量口径较大时
40、，成本高，重量和体积大，维护不方便。第四节变面积式流量检测变面积式流量检测是利用在下窄上宽的锥形管中的浮子所受的力平衡原理工作的。由于流量不同，浮子的高度不同，亦即环形的流通面积要随流量变化。常用的转子流量计以及冲塞式流量计、汽缸活塞式流量计等属于这种检测方法。下面主要结合转子流量计讨论变面积式流量检测方法的原理、特性和特点。图9.17 变面积式流量检测原理一、检测原理如图 9.17 所示，在一垂直的锥形管中，放置一阻力件浮子(也称转子)。当流体自下而上流经锥形管时，受到浮子阻挡产生一个差压，并对浮子形成一个向上作用力。同时浮子在流体中受到向上的浮力。当这两个垂直向上的合力超过浮子本身所受重力
41、时，浮子便要向上运动。随着浮子的上升，浮子与锥形管间的环形流通面积增大，流速减低，流体作用在浮子上的阻力减小，直到作用在浮子上的各个力达到平衡，浮子停留在某一高度。当流量发生变化时，浮子将移到新的位置，继续保持平衡。将锥形管沿高度方向以流量刻度时，则从浮子最高边缘所处的位置便可以知道流量的大小。由于无论浮子处于哪个平衡高度，其前后的压力差(也即流体对浮子的阻力)总是相同的，故这种方法又称恒压降式流量检测。浮子在锥形管中流体的作用下所受到的力有：浮子本身垂直向下的重力1fgVfff1（9-25）流体对浮子所产生的垂直向上的浮力2fgVff2（9-26）.和流体作用在浮子上垂直向上的阻力3f223
42、vAff（9-27）式（9-25）-（9-27）中，Vf为浮子体积；f为浮子密度；为流体密度；Af为浮子的最大截面积；为阻力系数；v 为流体在环形流通截面上的平均流速。当浮子在某一位置平衡时，则0321fff（9-28）将式（9-25）、（9-26）、（9-27）代入（9-28），整理后得流体通过环形流通面的流速为fffAgVv2（9-29）设环形流通面积为A0，则流体的体积流量为fffvAgVAvAq200（9-30）式中1，称流量系数。式（9-30）是变面积式流量检测的基本流量方程。可以看出，当锥形管、浮子形状和材料一定时，流过锥形管的流体的体积流量与环形流通面积A0成线性关系。而A0又与
43、锥形管的高度h 有明确的关系，由图9.17 可知220024fdhtgDA（9-31）式中 D0为标尺零处锥形管直径；为锥形管锥半角；df为浮子最大直径。在制造时，一般使 D0df。由于锥角很小，一般在 121131左右，所以 tg很小，如果忽略2htg项，则tghDA00（9-32）将式（9-32）代入（9-30），有fffvAgVtghDq20（9-33）由此可见，体积流量与浮子在锥形管中的高度近似成线性关系。流量越大，则浮子所处的平衡位置越高。二、对流量方程各参数的讨论(1)流量系数实验证明：流量系数与锥形管的锥度，浮子的几何形状以及被测流体的雷诺数等因素有关。在锥形管和浮子的形状已经确
44、定的情况下，流量系数随雷诺数变.化。图 9.18 是三种不同形状的浮子流量系数与雷诺数的关系曲线。从图中可以看出，当雷诺数比较小时，随雷诺数的增加而逐渐增大，当雷诺数达到一定值后，基本上保持平稳。不同形状的浮子的与雷诺数的关系曲线也不同。(2)流体密度由于流量方程式(9-30)中包括有流体的密度，因此应用变面积式流量检测仪表时应事先知道流体的密度。按国家规定，转子流量计在流量刻度时是在标准状态(20，760mmHg)下用水(对液体)或空气(对气体)介质进行标定的。当被测介质或工况改变时，应对仪表刻度进行修正。设被测介质的实际密度为，当流量计指示值为vq时，实际流体的流量vq为ffvvqq（9-
45、34）上式是在假设介质改变或密度改变时流体的粘度与标定用的水或空气的粘度相差不大条件下得出的。如果粘度变化比较大，会导致阻力系数的变化，从而影响流量系数。图9.18 流量系数与雷诺数的关系三、信号转换变面积式流量检测仪表根据显示方式的不同可分为两类：一类是玻璃转子流量计，其锥形管是由玻璃制成，并在管壁上标有流量刻度，因此可以直接根据转子的高度进行读数；另一类为电远传转子流量计，如图9.19 所示。它主要由金属锥形管、转子、连动杆、铁心和差动线圈等组成，当被测流体的流量变化时，转子在锥形管上下移动。由于转子、连动杆和铁心为钢性连接，转子的运动将带动铁心一起产生位移，从而改变差动变压器的输出，通过
46、信号放大后可使输出电压或电流与流量成一一对应关系。因此，在电远传式转子流量计中，锥形管和转子的作用是将流量的大小转换成转子的位移，而铁心和差动变动器的作用是进一步将转子的位移转换成电信号。图 9.19 电远传转子流量计原理图四、转子流量计的特点转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量；流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；流量计的基本误差约为仪表量程的2，量程比可达10：1；流量计的测量精度易受被测介质密度、粘度、温度、压力、纯净度、安装质量等的影响。.第五节其他流量的检测方法一、漩涡式流量检测漩涡式流量检测方法是70年代发展起来按流体振荡原理工作的。目前
47、已经应用的有两种：一种是应用自然振荡的卡门漩涡列原理；另一种是应用强迫振荡的漩涡旋进原理。现在，卡门漩涡式流量检测方法的应用相对较多，而且发展较快，故这里只介绍这种流量检测方法。在流体中垂直于流动方向放置一个非流线型的物体(如圆柱体、棱柱体)、，在它的下游两侧就会交替出现漩涡(如图 9.20 所示)，两侧漩涡的旋转方向相反，并轮流地从柱体上分离出来。这两排平行但不对称的漩涡列称为卡门涡列(有时也称涡街)。由于涡列之间的相互作用，漩涡的涡列一般是不稳定的。实验证明，只有当两列漩涡的间距h与同列中相邻漩涡的间距l满足为 h/l=O.281条件时，卡门涡列才是稳定的。并且，单列漩涡产生的频率f 与柱
48、体附近的流体流速 v成正比，与柱体的特征尺寸d(漩涡发生体的迎面最大宽度)成反比，即dvStf（9-35）式 中 St 称 为 斯 特 劳 哈 尔 数，是 一 个 无 因 次数。St 主要与漩涡发生体的形 状和雷诺数 有 关。在 雷 诺 数 为 500 15000 的 围，St 基本上为一常数，如 图 9.21 所示，图 9.20 卡门涡列形成原理图 9.21 斯特劳哈尔数与雷诺数的关系对于圆柱体 St=0.20；对于三角柱 St=0.16，在此围可以认为频率f 只受流速 v和漩涡发生体特征尺寸 d的支配，而不受流体的温度、压力、密度、粘度等的影响。所以，当测得频率 f 后，就可得到流体的流速
49、v，进而可求得体积流量vq。漩涡发生体是流量检测的核心，它的形状和尺寸对于漩涡式流量检测仪表的性能具有决定性作用。图9.22 给出了常见的几种漩涡发生体的断面，其中圆柱形、方柱形和三角柱形更为通用，称为基形漩涡发生体。圆柱体的 St 较高，压损低，但漩涡强度较弱；方柱形和三角柱形漩涡强烈并且稳定，但是前者压损大，而后者St 较小。根据卡门漩涡列原理制成的流量检测仪表称卡门漩涡流量计。除了漩涡发生体外，流量计还包括频率检测，频率一电压(电流)转换等部分。漩涡频率的检测是漩涡流量计的关键。考虑到安装的方便和减小对流体的阻力，一般把漩涡频率检测元件附在漩涡发生体上。不同形状的漩涡发生体，其漩涡的成长
50、过程以及流体在漩涡发生体周围的流动情况有所不同，因此漩涡频率的检测方法也不一样。例如圆柱体漩涡发生体常用铂热电阻丝检测法；三角柱漩涡发生体采用热敏电阻或超声波检测法；矩形柱漩涡发生体采用电容检测法等。图9.22 常见漩涡发生体断面图9.23 漩涡频率检测原理圆柱体漩涡发生体的铂热电丝在圆柱体空腔，如图 9.23(a)所示。由流体力学可知，当圆柱体右下侧有漩涡时，将产生一从下到上作用在柱体上的升力。结果有部分流体从下方导压孔吸入，从上方的导压孔吹出。如果把铂电阻丝用电流加热到比流体温度高出某一温度，流体通过铂电阻丝时，带走它的热量，从而改变它的电阻值，此电阻值的变化与放出漩涡的频率相对应，由此便